تاریخچه فیزیک، از ارسطو تا مکانیک کوانتومی

نگاهی به رویدادهای علم فیزیک

?در سراسر فیزیک بارها و بارها در می یابیم که طبیعت سادگی عجیبی دارد. در گذشته تمام علوم زیرمجموعه فلسفه بوده، سپس بتدریج علم های مختلف از فلسفه جدا شدند. علم فیزیک یکی از این علوم می باشد. امروزه بطور کلی چهار مکتب فیزیک: الف – ارسطویی ب- نیوتنی ج- نسبیت د- کوانتوم را می شناسیم.

?ریشه فیزیک را باید در متافیزیک مردم بدوی جستجو کرد، زیرا ریشه علم باید از اسطوره یا سحر و جادو بوده باشد. تالس اولین اندیشمندی بوده که توانست با روش استقرایی و استنتاجی و جایگزین کردن تبیین علی بجای عوامل فراطبیعی (اساطیری) بسمت علم حرکت کند. و به دنبال او دانشمندانی که بیشتر جهان را به وسیله قضایای ریاضی اثبات کردند فعالیت نمودند. آنچه که امروزه به عنوان مکتب فیزیک می شناسیم از ارسطو شروع شده است و فیزیک ارسطوئی نامیده می شود قابل ذکر است که اگر چه امروزه بنام افلاطون مکتب فیزیک نداریم، ولی به نظر، افلاطون را می توان حد واسط متافیزیک و فیزیک بنامیم.

? فیزیک ارسطویی

?ارسطو می گوید تمام مردم طبیعتا علاقمند به دانستن هستند.| فیزیک ارسطویی طبیعت که مخالف هزینه غیر ضروری است همیشه ارزانترین راه را انتخاب می کند ارسطو در کیهان شناسی در پی آن بود، تا اندیشه هایی چون شعر و سیاست و اخلاق و الهیات خود را با آنها ارتباط دهد. فیزیکی که بنام فیزیک ارسطوئی مرسوم است از زمان یونان قدیم و قرون وسطی در مدارس و دانشگاههای آن زمان تدریس میشد و توسط دانشمندان آن عصر همراه با فلسفه تدریس می گردید.

?بطور خلاصه این نظام فکری معتقد است که کیهان بدو قسمت تقسیم میشود:
۱- ماده زمینی که از لحاظ فیزیکی در دسترس ماست و شامل مخلوطی از چهار عنصر (خاک- آب-هوا-آتش) می باشد. هر کدام از اینها خود مواد طبیعی نبوده بلکه مثلا آب معمولی از چهار عنصر دانسته شده که عنصر آب بخش عمده آن است و این عنصرها از نظر مکان طبیعی به چهار قسمت تقسیم می شوند. آتش در بالا و زیر آن هوا و سپس آب و در پایین خاک می باشد. اصل ارسطویی در این باره می گوید، که هر عنصر همیشه می خواهد که در «مکان طبیعی» خود باشد. مثلا آتش همواره میخواهد به هوا صعود کند و خاک همواره میخواهد که به سمت زمین سقوط کند.

?حرکت این چهار عنصر یا صعودی است «گرایش» یا سقوط می کنند «گرانش» می باشد. حسن مشترک این نظر (جای طبیعی را به خوبی تأیید می کند. اجرام زمینی فقط زمانی که جابجا شده باشند برای بازگشت به جای طبیعی خود از خود حرکت نشان میدهند.

?۲- ستارگان: سیاره ها از هیچکدام از چهار عنصر فوق ساخته نشده بلکه از عنصر پنجم یا اتر(acther) quinta essential(جوهر پنجم) تشکیل شده اند. حرکت طبیعی اجرام آسمانی نه صعود است نه سقوط بلکه گردشی بی پایان است در دوایری برگردد مرکز جهان. آن مرکز را همانند مرکز زمین می دانستند. از نظر آنان اجرام آسمانی با اینکه حرکت می کنند، اما همواره در جاهای طبیعی خود هستند، از این رو اجرام آسمانی به کلی با اجرام زمینی تفاوت دارند. زیرا آسمانها از ماده لطیفی که بدون وزن در نظر گرفته میشد ساخته شده بودند و گردش آنها آسانتر انجام می گرفت، زیرا (گردیدن) در ماهیت آنها مقرر بود.

?ارسطو از دو نوع حرکت گفتگو می کند ١- سقوط اجسام از نظر ارسطو برای این است که هر جسیم می خواهد به مکان طبیعی خود برسد (گرانش) ارسطو معتقد بود که هر شی پس از رها شدن بی درنگ به نوعی سرعت نهایی می رسد و این حرکت خود را تا پایان مسیر خود ادامه می دهد. او عامل نهایی سرعت را وزن می دانست و معتقد بود که اجسام سنگین تر سرعت بیشتری دارند. ارسطو سرعت سقوط اجسام در آب را بیشتر وزن اجسام می دانسته و به مقاومت مایع اهمیت چندانی نمیداد. و معتقد بود که سرعت سقوط برابر است با وزن جسم تقسیم بر مقاومت هوا(سیال). البته بعدها در قرن پنجم میلادی دانشمندی به نام فیلوپولوس اهل اسکندریه، مقاومت محیط – وزن= سرعت سقوط دانسته است.

دیدگاه های ارسطو

?حرکت قسری یا قهری، (حرکتی بجز حرکت به سوی جای طبیعی): ارسطو می گوید، اگر به جسمی نیرویی وارد کنیم جسم شروع به حرکت می کند، وقتی که نیرو متوقف شود جسم نساکن می شود. این تئوری با تجربه روزمره مانند حرکت میز یا صندلی، به موافقت دارد ولی در مورد اجسامی که به هوا پرت می شوند موافقت چندانی ندارد. زیرا بعد از متوقف شدن نیرو جسم به حرکت خود ادامه می دهد. أرسطو برای توجیه این نوع حرکت می گوید، که هوا تا حدی نیرویی اعمال می کند تا جسم را به حرکت وا دارد از نظر أرسطو قاعده حرکت در روی زمین با قاعد حرکت در آسمان متفاوت است از نظر این فیزیک جهان ساکن، دارای مرز و کرانه ی طبیعی است. جهان همواره وجود داشته و وجود خواهد داشت.

?مرتبه – طبقه – جا و مقصود ساخته شده ایست با بسیاری از این علم فیزیکی که مبنای مفاهیم – علت مشاهدات روزمره جور در می آید. از نظر این فیزیک حرکت سیارات بخاطر ماهیت آسمانی آنهاست. داشتن شکل های کروی در حرکت دورانی «طبیعی» اند. نیرویی که بسیار هها لازم دارند برای آن است که بتوانند در مدار شان حرکت کنند و نه برای آن که در بماند. ارسطو معتقد بود که جهان وجود داشته و ادامه خواهد یافت. جهان آفریده نشده بلکه خداوند متریال جهان می باشد با بعبارتی جهان حادث نیست، بلکه قدیم است و خداوند علت حرکت اولیه جهان می باشد.

?ارسطو همچنین به جهانی ایستا اعتقاد است. از نظر ارسطو جهان همواره در حالت ثابت بوده و خواهد بود که این امر ناشی از تمایل انسان به باور به حقایق جاودانه است، که همچنین دسر چشمه آن را باید در احساس آرامنی جست که اعتقاد به جهانی جاودان و تغییر ناپذیر در انسان، اسیر، پیری و مرگ بوجود می آورد.؟ ارسطو نمی توانست بپذیرد که انسان اجزائی بی جان باشد. ارسطو همه تغییرات را از آشکار شدن استعدادها و قوای جوهرها بی می دانست که ذاتا تغییرپذیرند. نظریه ارسطو درباره جوهر به عنوان موضوع تغییر غلبه یافت ارسطو این ایده را نپذیرفت که علم اساسا بر مشاهده بنا می شود ارسطو فیزیک خود را بر اساس اصولی بنا نهاد که به نظر او روشنفکرانه بودند، او بر روی حقایقی که به نظر غیر منطقی می رسیدند سرپوش گذاشته و تلاش خود را بر روی دلایل اتفاق افتادن رویدادها متمرکز به این ترتیب انرژی به مراتب کمتری را بر شرح کامل آنچه دقیقا رخ می دهد صرف کرد. أرسطو و پیروانش اعتقاد داشتند که منشأ قوانین طبیعت در منطق است.

? رویکرد ارسطو به علم توانست تفکر غربی را به مدت ۲۰۰۰ سال تحت تأثیر خود قرار دهد.؟ ارسطو علل چهارگانه خود را در تبیین طبیعی مطرح نمود. در واقع او بود که علت و مبدأ هستی را به غایت آن پیوند داد و راه را برای بخش های داغ قرون وسطی در خصوص محرکه اول، علت العلل و غایت و معاد منشود. وی تفکر انتزاعی درباره آغاز و انجام هستی و آفریدگار عالم را به اوج خود رسانید و زمینه رشد و گسترش الهیاتtheology را فراهم آورد. ارسطو وجود خدا را بصورت انتزاعی اثبات نمود و اندیشمندان مدرسی از رهیافتهای ارسطویی در اثبات و تکمیل مواضع کلانی خویش بسیار سود جسته اند. از نظر این فیزیک، توضیحات درباره ی طبیعت بصورت مکانیکی که به وسیله قوانین تابت می گردید، نبوده است، بلکه مفاهیمی مانند صورتها جوهرها، قصدها و غایت ها جانشین توضیح مکانیکی گردید.

?ارسطو اعتقاد داشت که ماده پیوسته است ارسطو به زمان مطلق باور داشت یعنی می توان به روشنی فاصله زمانی دو رویداد را اندازه گرفت و چنانچه ساعت های دقیقی را ناظرین مختلف داشته باشند نتیجه همواره یکسان است و به شخص آزمایشگر بستگی ندارد زمان یکسره از مکان جدا و مستقل از آن است، بیشتر مردم این فکر را منطبق با عقل سلیم می یابند. ارسطو می پنداشت سکون حال طبیعی اشیاء است و اجسام مایل اند در حالت ایستا (سکون) باقی بمانند، مگر آنکه با نیرو ضربه ای به حرکت در آیند. سنت ارسطوئی همچنین بر آن بود که همه قوانین حاکم بر جهان به کمک اندیشه ناب قابل کشف و شناسایی اند. و برای آزمودن آنان نیازی به تجربه و مشاهده نیست. سنت ارسطویی بجز در زیست شناسی بیشتر بر مطالعه کیفی استوار بود.

?ارسطو گفته بود طبیعت با خلاء سازگار نیست» ارسطو اعتقاد به جهان های دیگر نداشت و فقط به این جهان اعتقاد داشته و در پس این جهان به خلاء بی انتها معتقد بود. ارسطو توجه ناچیزی به اهمیت اندازه گیری تغییرات به عنوان یک ابزار علمی نشان داد. ارسطو عموما از اندازه گیری های دقیق اجتناب می کرد چون ارسطو بر دانشمندان بعدی تاثیر فراوان داشته منطق ارسطوی بر دو قسم بود: آری – نه؛ خاکستری ندارد و همه مسائل را در سکون بررسی می کند. جهان بینی ارسطو، سکون، آشکارا وضع طبیعی اجسام فیزیکی بود.

?دینامیک ارسطویی نظریه ای کلی درباره تغییر بود، حرکت بر اثر نیروی بیرونی، تغییر کیفی، تولید و تباهی را شامل می شود. از نظر ارسطو نیرو با سرعت متناسب است یا به گفته دیگر به هر جرم در حال حرکت نیرو وارد می شود در حالی که بنا بر اصل لختی، نیرو فقط موجب تغییر در حرکت می شود، با هیچ نیرویی نمی توان حرکت راست خط و یکنواخت داشت. آموزه ی ارسطویی اپیستمه و شناخت یقینی و قابل اثبات بود، که با شناخت عقل گرایانه مکتب الیائی و هراکلتیوس که بر حقیقت یقینی و حدس استوار بود، تمایز داشت دانش مدرن هنگامی در عرصه پژوهش های غربی پدیدار شد که استیلای تفکر ارسطویی به پایان رسیده بود. تئوری ارسطویی چون با بسیاری از تجربه های عادی به طور کلی به ویژه از لحاظ کیفی جور در می آمد و کم اهمیت بودن موضوع حرکت اجسام زمینی نسبت به حرکت اجسام در فضا سبب دوام این تئوری شد.

?فیزیک ارسطویی تا قرن سیزدهم بر اروپا غلبه داشت. امروزه تئوری حرکته ارسطویی را به قرار زیر می دانیم: الف- امروزه شالوده ی علم فیزیک بر پایه اندازه گیری استوار است ولی ارسطو بر مشاهده مستقی تاکید بسیار داشت. (مشاهده کیفی ساده در مطالعات زیست شناسی ارسطو بسیار موفقیت آمیز بود. ب- ارسطو معتقد بود که ریاضیات برای توصیف نمودهای زمینی ارزش ناچیزی دارند. در صورتی که افلاطون به این امر اهمیت زیادی می داد. علم ریاضی از کپلر اهمیت پیدا کرده و امروزه بسیار مهم است. ج- در حرکت قهری میدانیم که قانون اول نیوتن می گوید: اگر جسم ساکن و یا دارای حرکت یکنواخت باشد و اصطکاک نداشته باشند، جسم ساکن همواره ساکن باقی می ماند و جسم متحرک به حرکت یکنواخت خود ادامه می دهد.

?شروع این قانون از گالیله بوده و سپس توسط نیوتن بیان شد و ضربه مهمی بر پیکر تئوری فیزیک ارسطویی بود. د- در نظام فیزیک ارسطو تقسیم مواد جهان به دو قسمت زمینی و آسمانی می باشد. از نظر ارسطو زمین سنگین و سخت بوده و جابجا کردن آن به نیروی عظیمی نیاز داشت. در صورتی که همه آسمان ها از ماده لطیفی که بدون وزن در نظر گرفته می شد ساخته شده بود و گردش آنها نسبتا آسانتر انجام می گرفت، که چنین تقسیم بندی در فیزیک نیوتنی نداریم و تمام مواد تشکیل دهنده جهان از قوانین کسانی نیروی جاذبه پیروی می کنند ه- اجسامی که سقوط می کنند به یکباره بر سرعت نهایی خود نمی رسند، بلکه به تدریج تا در نزدیکی سطح زمین به سرعت نهایی خود می رسند.

?گالیله نشان داد که تمام اجسام با شتاب یکسان سقوط می کنند.(تصدیق آزمایش چکش و پر پروژه آپولو ۱۷) ن- زمین مرکز جهان است. اگر زمین مرکز جهان نباشد، شاید جهان به ویژه برای انسان ساخته نشده باشد. ارسطوئیان از جوهر، علت غائی، الگوهای ثابت هندسی سخن می راندند ی- تئوری ارسطو ذاتیگری(essention) می باشد. یعنی اینکه علم می تواند ذات و ماهیت طبیعت را نشان‌‌ دهد.