Η ΕΞΕΛΙΞΗ

ΤΩΝ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

Απ΄ την Αναγέννηση στη Σύγχρονη Επιστήμη

 

(οι Επαναστάσεις της Επιστήμης)

Φυσική

 

Για πολλούς ο Γαλιλαίος θεωρείται ο πατέρας της σύγχρονης επιστημονικής σκέψης, καθώς ήταν ο πρώτος που συνδύασε την εμπειρική γνώση με το πείραμα και τη μαθηματική έκφραση. Πέρα από τις αστρονομικές του παρατηρήσεις (που είδαμε παραπάνω) ασχολήθηκε και με τον τομέα της Μηχανικής. Εισήγαγε την έννοια της αδράνειας, διατύπωσε τον Νόμο της Ελεύθερης πτώσης και ασχολήθηκε με προβλήματα κίνησης των σωμάτων καθώς και με την Οπτική. Το απόσταγμα των μελετών του στην Κλασσική Μηχανική ήταν η μαθηματική έκφραση του μετασχηματισμού των μετρήσεων του χώρου και του χρόνου από ένα παρατηρητή σε έναν άλλο που κινείται με σταθερή ταχύτητα ως προς τον πρώτο. Οι μετασχηματισμοί αυτοί, γνωστοί ως μετασχηματισμοί Galileo αποτέλεσαν τη βάση στη θεωρία της κίνησης των σωμάτων, μέχρι τη διατύπωση της Θεωρίας της Σχετικότητας στον 20 αι.

Όμως η μεγάλη επανάσταση στον τομέα της Μηχανικής έγινε απ’ τον Ισαάκ Νεύτων (Isaac Newton, 1642 - 1727). Στο έργο του Principia (1687) συμπεραίνει ότι κάθε σώμα ηρεμεί ή εκτελεί ομαλή κίνηση εκτός αν ασκηθεί σ’ αυτό μια δύναμη και ότι η μεταβολή της κίνησης ενός σώματος σε μια τέτοια περίπτωση θα είναι ανάλογη της δύναμης. Κατόπιν διατυπώνει το Νόμο της Δράσης και της Αντίδρασης: σε κάθε δράση αντιτίθεται μια ίση και αντίθετη αντίδραση, καθώς και το Νόμο της Παγκόσμιας Έλξης που καθόριζε τη δύναμη με την οποία δυο σώματα έλκονται μεταξύ τους λόγω της βαρύτητας. Ο Νόμος αυτός βρήκε εφαρμογή στους μαθηματικούς υπολογισμούς για τις κινήσεις των ουρανίων σωμάτων, εφαρμοσμένος σε μια Ουράνια Μηχανική. Ένα θαυμάσιο μαθηματικό εργαλείο στα χέρια του Νεύτωνα ήταν ο διαφορικός και ολοκληρωτικός λογισμός, που επινόησε ο ίδιος και ο οποίος βοήθησε στο να δομηθούν κατάλληλα μαθηματικά μοντέλα περιγραφής πολλών φυσικών φαινομένων.

Αλλά ο Νεύτων δεν είναι ο μόνος που έπαιξε καταλυτικό ρόλο στην πορεία της επιστημονικής σκέψης στην Αναγέννηση. Οι απόψεις του Καρτέσιου (Descartes, 1596 - 1650) ήταν αυτές που οδήγησαν την επιστήμη στη σύγχρονη μορφή της. Ο Καρτέσιος ήθελε - όπως και άλλοι λόγιοι της εποχής του - την αποδέσμευση του ανθρώπου απ’ τα λάθη και τις προκαταλήψεις του Μεσαίωνα, πολλά απ’ τα οποία προέρχονταν από αντιλήψεις του αρχαίου κόσμου. Έφτασε όμως στο σημείο να αποκηρύξει εντελώς την παράδοση σε αντίθεση με άλλους λόγιους της Αναγέννησης, όπως ο Ρότζερ Μπέικον. Έτσι - σαν ένας νέος Αριστοτέλης - κόβει τα δεσμά με το μυστικιστικό παρελθόν και περιγράφει ένα απόλυτα μηχανιστικό Σύμπαν. Οι απόψεις του σε συνδυασμό με την επιτυχία του Νευτώνειου μηχανιστικού μοντέλου τον οδήγησαν στην περίφημη ρήση του Cogito, ergo sum (= σκέπτομαι, άρα υπάρχω) που χρωμάτισε τον σύγχρονο πολιτισμό μας. Αν και σπουδαίος μαθηματικός, ο Καρτέσιος, θα μείνει πιο πολύ σαν ένας σταθμός στη Ιστορία της Φιλοσοφίας της Επιστήμης.

Στην επικράτηση ενός ντετερμινιστικού [9] μοντέλου περιγραφής της φύσης, συνέβαλε και ο Γάλλος μαθηματικός και φυσικός (1749-1827) που επιβεβαίωσε με ένα άψογα διατυπωμένο μαθηματικό μοντέλο τις θέσεις του Νεύτωνα. Κατάφερε να ερμηνεύσει με λεπτομέρειες τις κινήσεις των πλανητών, των δορυφόρων τους και των κομητών, καθώς και τις παλίρροιες, τα ρεύματα και άλλα φαινόμενα που συνδέονται με τη βαρύτητα. Για τον Λαπλάς το Σύμπαν δουλεύει σαν μια καλορυθμισμένη μηχανή, στην οποία μάλιστα δεν απαιτείται η θεώρηση της ύπαρξης κάποιου Δημιουργού· η επιστήμη σπάει πια τα δεσμά της με την Εκκλησία (που θεωρείται οπισθοδρομική) αλλά και με το Θεό. Χαρακτηριστική ήταν η απάντηση του Λαπλάς στον Ναπολέοντα όταν αυτός του είπε: Κύριε Λαπλάς, απ’ ό,τι ξέρω το βιβλίο σας περιγράφει το ηλιακό σύστημα και το σύμπαν, χωρίς ν’ αναφέρει ούτε σε μια παράγραφο το Δημιουργό του· η απάντηση του Λαπλάς ήταν: Δε χρειάστηκε ούτε στιγμή να βασιστώ στην υπόθεση της Ύπαρξης του .

Σαν ιδιαίτερος κλάδος της Φυσικής που αναπτύχθηκε ραγδαία στην πρώιμη Αναγέννηση, μπορεί να εξεταστεί και η Οπτική. Ήδη απ’ την αρχαία Ελλάδα είχε αποτελέσει αντικείμενο έρευνας απ’ τον Ευκλείδη. Με την Οπτική ασχολήθηκαν κατά τον 13ο αι. και οιR. Bacon, R. Grosseteste και J. Pecam βασισμένοι στην εργασία του Αραβα Αλ Χαζέν. Στον 17ο αι. ο Κέπλερ έδωσε ουσιαστική ώθηση στην Οπτική. Μελέτησε τις ιδιότητες των φακών και έδωσε ένα μαθηματικό μοντέλο για το τηλεσκόπιο του Γαλιλαίου. Σημαντική συνεισφορά στον τομέα αυτό είχε και ο Νεύτωνας. Με μια σειρά πειραμάτων απέδειξε ότι το φως είναι το μείγμα των επτά βασικών χρωμάτων, ανατρέποντας τη θεωρία του Καρτέσιου που υποστήριζε ότι τα χρώματα ήταν αποτέλεσμα της περιστροφής των στοιχειωδών σωματιδίων που αποτελούν το φως. Τέλος σημαντική ήταν η συμβολή του Huyghens που θεώρησε το φως ως παλμικό φαινόμενο και διατύπωσε τους νόμους της ανάκλασης και της διάθλασης.

Οι έρευνες για τη φύση και τις ιδιότητες του φωτός ήταν που οδήγησαν τελικά στην κατάργηση της αποκλειστικότητας της βαρύτητας σαν δύναμη που διέπει το Σύμπαν. Η μηχανιστική θεωρία του Νεύτωνα δεν μπορούσε να περιγράψει τα ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα. Αυτό το κατάφερε η ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Μάξγουελ (1831-1879), στην οποία το φως παρουσιάζεται σαν ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα.

Με το φαινόμενο του ηλεκτρισμού είχαν ασχοληθεί πριν τον Μάξγουελ, κι άλλοι ερευνητές, μελετώντας μεθόδους ανάπτυξης ηλεκτρικών φορτίων, τη φύση του ηλεκτρικού ρεύματος και επινοώντας κάποιες πρακτικές εφαρμογές του. Ο Ιταλός Γαλβάνι ανακάλυψε τον ζωικό ηλεκτρισμό στον οποίο απέδωσε τη μυϊκή κίνηση (1770). Τα συμπεράσματα του Γαλβάνι διόρθωσε ο Αλεξ. Βόλτα που διατύπωσε τη θεωρία του ηλεκτρισμού εξ επαφής και κατασκεύασε το πρώτο ηλεκτρικό στοιχείο (μπαταρία) το 1779. Η εφεύρεση αυτή ήταν ιδιαίτερα σημαντική επειδή πλέον υπήρχε μια σταθερή πηγή παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος που έκανε δυνατή τη μελέτη των δράσεών του. Έτσι ο Γερμανός Ωμ (1789-1854) διατύπωσε το βασικό νόμο του ηλεκτρικού ρεύματος, τον οποίο συμπλήρωσε με τους κανόνες του ο συμπατριώτης του Κίρχοφ το 1847. Σημαντική επίσης - σε θεωρητικό κυρίως επίπεδο - ήταν και η συμβολή του Αμπέρ (1775-1836), καθώς και του ο οποίος το 1820 πέτυχε για πρώτη φορά τη διαπύρωση με ηλεκτρικό ρεύμα ενός σύρματος από λευκόχρυσο, θέτοντας τις βάσεις για την κατασκευή της ηλεκτρικής λυχνίας.

Όμως το μεγάλο επίτευγμα ήταν η ενοποίηση του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού σε μία θεωρία. Στην έρευνα των μαγνητικών ιδιοτήτων του ηλεκτρικού ρεύματος σημαντική ήταν η συμβολή του Δανού Ερστεντ και των Γερμανών Γκάους (Karl Gauss, 1777-1855) και Βέμπερ στο τέλος του 18ου αι. και στις αρχές του 19ου αι. Την πειραματική απόδειξη των ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων επιδίωξε και ο Άγγλος Φαραντέι που ανακάλυψε τους νόμους της ηλεκτρόλυσης και της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής (1831). Πάνω στο έργο των προηγουμένων στηρίχθηκε ο Μάξγουελ (J.C. Maxwell, 1831-1879), για να διατυπώσει την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του, η οποία συνοψίστηκε σε τέσσερις εξισώσεις γνωστές σαν “εξισώσεις του Μάξγουελ που οδήγησαν στη διαπίστωση της κυματικής φύσης του φωτός. Οι πειραματικές αποδείξεις των εξισώσεων αυτών είχαν δοθεί νωρίτερα από φυσικούς όπως ο Coulomb, oι Biot-Savart και ο Oersted.

Επαναστατική ήταν επίσης η έννοια του πεδίου, που ξεπήδησε απ’ την ηλεκτρομαγνητική θεωρία. Σύμφωνα με τη θεωρία του Νεύτωνα οι δυνάμεις συνδέονται με τα σώματα στα οποία ασκούν την επίδρασή τους, ενώ με την νέα θεωρία προβλέπεται η ύπαρξη του πεδίου που παράγει δυνάμεις αλλά είναι ανεξάρτητο απ’ τα υλικά σώματα (ή απ’ τα φορτία στην περίπτωση του ηλεκτρισμού). Πάντως κι ο ίδιος ο Μάξγουελ επηρεασμένος απ’ την μηχανιστική θεωρία, όρισε το πεδίο σαν καταστάσεις συμπίεσης ενός αόρατου μέσου που αποκάλεσε αιθέρα. Παρουσίασε μάλιστα τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα σαν δονήσεις του αιθέρα. Πέρασε μισός αιώνας για να υποστηρίξει ο Αϊνστάιν ότι ο αιθέρας είναι ανύπαρκτος[10].

Στα τέλη του 19ου αι. και στις αρχές του 20ου γίνεται μία ακόμα σημαντική ανακάλυψη που έμελλε να επηρεάσει καταλυτικά τη Φυσική του 20ου αι. Πρόκειται για τη ραδιενέργεια δηλ. την ιδιότητα που παρουσιάζουν κάποια σώματα να εκπέμπουν αυτόματα κάποια ακτινοβολία [11]. Την ιδιότητα αυτή την παρατήρησε ο Γάλλος Μπεκερέλ το 1896 σε ορυκτά που περιείχαν ουράνιο. Τη μελέτη της φυσικής ραδιενέργειας συμπλήρωσαν ο Πέτρος και η Μαρία Κιουρί . Κατόρθωσαν να απομονώσουν τα ραδιενεργά στοιχεία πολώνιο και ράδιο. Η διαδικασία της φυσικής ραδιενέργειας φανέρωσε την ιδιότητα κάποιων στοιχείων να μεταλλάσσονται σε άλλα (μεταστοιχείωση). Αργότερα επιτεύχθηκε και η τεχνητή μεταστοιχείωση (τεχνητή ραδιενέργεια) που επέτρεψε παράλληλα με τις γνώσεις που πρόσφερε η Θεωρία της Σχετικότητας τη χρήση της πυρηνικής ενέργειας (π.χ. με τη χρήση πυρηνικών αντιδραστήρων).