Σύντομη ιστορική ανασκόπηση των Φυσικών επιστημών

Οι αρχαίοι πολιτισμοί της Μεσογείου (Αίγυπτος), της Μεσοποταμίας (Βαβυλώνιοι) και της Κίνας ανέπτυξαν τεχνογνωσία, συνέλεξαν αστρονομικές παρατηρήσεις και καλλιέργησαν τα μαθηματικά (κυρίως τη γεωμετρία) κινούμενοι από πρακτικές ανάγκες για τις κατασκευές τους, για τη μέτρηση του χρόνου και, βεβαίως, για τους πολεμικούς εξοπλισμούς τους. Ένας μεγάλος σταθμός σ΄ αυτή την πρώτη μακρόχρονη περίοδο (περίπου 4000 π.Χ. έως 600 π.Χ.) ήταν η επινόηση του αλφαβήτου (γύρω στο 1500 π.Χ.).

Και μετά ήλθε η κλασική αρχαία Ελλάδα που προσέδωσε για πρώτη φορά επιστημονικό χαρακτήρα στον ανθρώπινο πολιτισμό. Από τη ζήτηση των απαντήσεων σε πρακτικά ερωτήματα, πέρασε στην αναζήτηση ερμηνείας των φυσικών φαινομένων. Ερμηνείας χωρίς την επίκληση μύθων και θεών, απελευθερωμένης από προλήψεις και δόγματα και με εμπιστοσύνη στη δύναμη της λογικής σε συνδυασμό με την παρατήρηση. Έλειψε όμως ένας σημαντικός κρίκος για την ολοκλήρωση της επιστημονικής μεθόδου: το πείραμα.

Η Σχολή των Αθηνών (Ραφαήλ)

Παραμένει, νομίζω, μυστήριο το γιατί η αρχαία Ελλάδα σε μια σχετικά σύντομη περίοδο περίπου διακοσίων πενήντα ετών δημιούργησε αυτή την τεράστια πολιτιστική έκρηξη (περιλαμβανομένης και της γένεσης της επιστημονικής σκέψης) και σφράγισε ανεξίτηλα τον ανθρώπινο πολιτισμό. Δεν ήσαν παρά εκατοντάδες χιλιάδες άνθρωποι (λιγότεροι από το σημερινό πληθυσμό της Κρήτης). Υπήρχε άραγε σ’ ένα σημαντικό τμήμα του πληθυσμού, ή στην ηγεσία του, περιέργεια, ενδιαφέρον και εκτίμηση για την δημιουργία επιστημονικής γνώσης; Επικρατούσε ένα συλλογικό κλίμα θεμελιωμένης αυτοπεποίθησης και ριζοσπαστικής καινοτομίας, ως αποτέλεσμα ίσως της νικηφόρας αντιμετώπισης της Περσικής Αυτοκρατορίας; Ή μήπως η αποικιακή επέκταση διεύρυνε και τους πνευματικούς τους ορίζοντες;
Ακολούθησε η αλεξανδρινή περίοδος, όπου η επιστημονική επανάσταση, κάτω από την ενεργή στήριξη της δυναστείας των Πτολεμαίων (με τη δημιουργία του Μουσείου και της Βιβλιοθήκης της Αλεξάνδρειας) μπήκε στο δρόμο της ολοκλήρωσης. Μεγάλα και θαυμαστά τα επιτεύγματα αυτής της εποχής: η μέτρηση της περιφέρειας της Γης (Ερατοσθένης), η μέτρηση της απόστασης Γης-Σελήνης (Αρίσταρχος, Ίππαρχος), η επαναστατική πρόταση του Αρίσταρχου για το ηλιοκεντρικό σύστημα, η μεγαλοφυΐα του Αρχιμήδη στα μαθηματικά και η σύνδεσή τους με τη φυσική (μοχλοί, άνωση κ.λπ.).

Πως ο Αρίσταρχος ο Σάμιος μέτρησε την απόσταση Γης – Σελήνης

Παράλληλα ξεκίνησαν δειλά και τα πρώτα βήματα της τεχνολογικής επανάστασης (ατμομηχανή του Ήρωνα) που τερματίστηκαν πρόωρα ίσως λόγω της έλευσης των πρακτικών Ρωμαίων. Ο φόνος του Αρχιμήδη από Ρωμαίο στρατιώτη έχει, νομίζω, συμβολική σημασία. Είναι η αρχή του τέλους. Εν τούτοις, η επιστημονική ενασχόληση συνεχίστηκε για πολύ ακόμα, σχεδόν μέχρι το τέλος του 4^ου αιώνα μ.Χ. με κύριο επίτευγμα τις διοφαντικές εξισώσεις στα μαθηματικά. Παραλείπω το θαυμαστό στη λεπτομέρειά του γεωκεντρικό μοντέλο του Πτολεμαίου, μια και απεδείχθη (πολύ αργότερα) ότι δεν ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα. Ο μαρτυρικός θάνατος της Υπατίας το 415 μ.Χ. στα χέρια φανατισμένου χριστιανικού όχλου σηματοδοτεί το οριστικό τέλος μιας επιστημονικά δημιουργικής εποχής και την απαρχή της χιλιετούς επιστημονικής σιωπής της Βυζαντινής Αυτοκρατορίας, καθώς και του ευρωπαϊκού χώρου. Ο δαυλός του ενδιαφέροντος για την επιστήμη πέρασε για ένα διάστημα δυο περίπου αιώνων (800 – 1025 μ.Χ.) στον αραβικό κόσμο στο χαλιφάτο της Βαγδάτης να αποτελεί το επιστημονικό κέντρο. Βέβαιο, οι Κινέζοι συνέχισαν τις σημαντικότατες επινοήσεις τους (χαρτί, πυρίτιδα κ.λπ.), χωρίς όμως να τις αξιοποιήσουν επιστημονικά ή τεχνολογικά.
Χρειάστηκε να φτάσουμε στο 15^ο και 16^ο αιώνα μ.Χ. με την ανακάλυψη της τυπογραφίας, τους μεγάλους θαλασσοπόρους, την άνθιση της επιστήμης και της τέχνης στις ιταλικές πόλεις και, τελικά, με την καθιέρωση του ηλιοκεντρικού συστήματος (Κοπέρνικος, Τύχο Μπράχε, Γαλιλαίος, Κέπλερ).
Ο 17^ος αιώνας χαρακτηρίστηκε από δυο μεγάλες επαναστατικές κατακτήσεις της επιστημονικής σκέψης:

i. To νόμο της κίνησης της κλασικής μηχανικής (με πρωτοπόρο τον Γαλιλαίο και θεμελιωτή καθώς και ολοκληρωτή τον Νεύτωνα), που συνέδεσε τη δύναμη με την επιτάχυνση και όχι με την ταχύτητα, όπως ήταν το καθιερωμένο αριστοτέλειο πρότυπο.
ii. Τη συνειδητοποίηση ότι η δύναμη της βαρύτητας είναι πανταχού παρούσα, ότι συνίσταται στο νόμο της παγκόσμιας έλξης και, και επομένως, ότι και τα επίγεια και τα ουράνια φαινόμενα διέπονται από τον ίδιο οικουμενικό νόμο. Το διαχωριστικό τείχος χιλιετηρίδων μεταξύ των επίγειων και των ουράνιων κινήσεων κατέρρευσε.

To υπερ -κανόνι του Νεύτωνα.

Ο 18^ος αιώνιος ήταν κυρίως ο αιώνας της χημείας καθώς και της σταδιακής συσσώρευσης γνώσεων γύρω από ηλεκτρικά, μαγνητικά και οπτικά φαινόμενα. Ο Dalton, το 1803, συνοψίζοντας ενάμιση περίπου αιώνα χημείας καθιέρωσε την έννοια του ατομικού βάρους και έδωσε έτσι πειραματική υπόσταση στην ατομική ιδέα του Δημόκριτου.
Στον 19^ο αιώνα η στήριξη της ατομικής θεωρίας συνεχίστηκε κυρίως από φυσικούς (Avogadro, Dulong-Petit, Maxwell, Loschmidt, Boltzmann, Brown) για να γίνει αποδεκτή στην αυγή του 20^ου αιώνα με τις εργασίες του Einstein και του Περέν. Παράλληλα με την επιβεβαίωση της ύπαρξης των ατόμων, η ανακάλυψη του ηλεκτρονίου, το 1897 – 1899, οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το άτομο είναι σύνθετο σωμάτιο και επομένως όχι απολύτως αδιαίρετο.
Το μεγάλο, όμως, γεγονός του 19^ου αιώνα ήταν η τελική ενοποίηση των μαγνητικών και ηλεκτρικών δυνάμεων με τις περίφημες τέσσερις εξισώσεις του Μaxwell, που η πιο σημαντική τους συνέπεια είναι η ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, τα οποία διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός. Κατά συνέπεια, όπως επισήμανε και ο ίδιος ο Maxwell, «είναι δύσκολο να αποφύγει κανείς το συμπέρασμα ότι και το φως δεν είναι τίποτα άλλο παρά ηλεκτρομαγνητικό κύμα». Ο Hertz, το 1888, επιβεβαίωσε πειραματικά την ύπαρξη των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, που σήμερα αποτελούν αναπόσπαστο μέρος της καθημερινής μας ζωής (τηλεόραση, κινητό τηλέφωνο, τηλεχειριστήρια, ακτίνες Χ, μαγνητική τομογραφία κ.λπ.).

Οι εξισώσεις Maxwell

Στο πρώτο τέταρτο του εικοστού αιώνα σημειώθηκαν τρεις μεγάλοι σταθμοί στην Ιστορία της Φυσικής και της Επιστήμης γενικότερα.
Η διαπίστωση από τον Rutherford, τo 1911, ότι τα άτομα είναι μια μικρογραφία του πλανητικού μας συστήματος: Κάθε άτομο αποτελείται από έναν πολύ πιο μικροσκοπικό πυρήνα όπου είναι συγκεντρωμένη σχεδόν όλη μάζα του και από ακόμη πιο μικροσκοπικά και ελαφριά ηλεκτρόνια (όλα τα ίδια) που περιφέρονται γύρω του σε αποστάσεις από περίπου 1000 έως 100.000 φορές μεγαλύτερες από την ακτίνα του πυρήνα. Στη συνέχεια διαπιστώθηκε ότι και ο σούπερ μικροσκοπικός πυρήνας δεν είναι αδιαίρετο σωμάτιο αλλά σύνθετο. Αποτελείται από δυο ειδών σωμάτια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια, που φέρουν κοινό όνομα νουκλεόνια.
Μπορείτε να φανταστείτε τον ατομικό πυρήνα σαν ένα σούπερ μικροσκοπικό και στρογγυλεμένο τσαμπί σταφύλι με δυο ειδών ρώγες (ας πούμε, κόκκινες για τα πρωτόνια και πράσινες για τα νετρόνια). Αόρατα «κοτσάνια» – οι ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις – διατηρούν το τσαμπί ενιαίο παρ’ όλες τις βίαιες κινήσεις της κάθε «ρώγας». Υπάρχουν στη φύση μικροί πυρήνες με λίγες «ρώγες» – νουκλεόνια (ο μικρότερος είναι ο πυρήνας του συνηθισμένου υδρογόνου με ένα μόνο πρωτόνιο) και μεγάλοι πυρήνες με πολλές «ρώγες» – νουκλεόνια (μεγαλύτερος είναι ο πυρήνας του ουρανίου-238 με 238 «ρώγες»-νουκλεόνια). Μεγάλοι πυρήνες μπορούν να σπάσουν σε δυο κομμάτια εκλύοντας τεράστια ποσά ενέργειας (αυτή η διαδικασία λέγεται σχάση και χρησιμοποιείται στους πυρηνικούς αντιδραστήρες και στις πυρηνικές βόμβες). Μικροί πυρήνες – αν έχουν αρκετή ταχύτητα – μπορούν να κολλήσουν παράγοντας ένα μεγαλύτερο πυρήνα και εκλύοντας τεράστια ποσά ενέργειας. Αυτή η διαδικασία – που ονομάζεται σύντηξη – δίνει ενέργεια στον Ήλιο μας και στα άλλα άστρα∙ χρησιμοποιείται επίσης μαζί με σχάση στις σύγχρονες πυρηνικές βόμβες. Η σύγχρονη τεχνολογία προσπαθεί να δαμάσει τη σύντηξη, ώστε να παράγει με ελεγχόμενο τρόπο πρακτικά ανεξάντλητη και καθαρή ενέργεια. Ορισμένοι πυρήνες, οι λεγόμενοι ραδιενεργοί, υφίστανται – με την επέμβαση ενός τετάρτου είδους δυνάμεων, που λέγονται ασθενείς πυρηνικές – και κάποιες άλλες αυθόρμητες διαδικασίες (π.χ. εκπομπή ενός ηλεκτρονίου με ταυτόχρονη αλλαγή ενός νετρονίου σε πρωτόνιο κ.λπ), ένα φαινόμενο που είναι γνωστό ως ραδιενέργεια. Έχει διαπιστωθεί ότι και τα πρωτόνια και τα νετρόνια – αυτές οι πυρηνικές «ρώγες» – είναι σύνθετα σωμάτια: κάθε ένα τους περιέχει τρία πυρηνικά «κουκούτσια» (που λέγονται κουάρκ) και τη συγκολλητική ουσία που τα συγκρατεί παγιδευμένα για πάντα μέσα στην πυρηνική «ρώγα».

Ένα πρωτόνιο συνίσταται από τρία quarks

Η δεύτερη μεγάλη ανακάλυψη του 20^ου αιώνα οφείλεται στον Einstein. Ξεκινώντας από το γεγονός ότι η ταχύτητα του φωτός είναι πάντα ίδια – 300.000 km/s – ανεξάρτητα από την ταχύτητα είτε της φωτεινής πηγής είτε του παρατηρητή∙ και από το ότι κλεισμένοι σ’ ένα όχημα που κινείται ευθύγραμμα και ομαλά αλλά χωρίς οπτική ή άλλη επαφή με το περιβάλλον δεν μπορούμε να διαπιστώσουμε αν κινούμαστε ή ακινητούμε, κατέληξε αναπόδραστα στο συμπέρασμα ότι ο χώρος και ο χρόνος δεν είναι απόλυτες έννοιες ίδιες για όλους του παρατηρητές.

Διάλεξη του Albert Einstein στη Βιέννη το 1921.

Αντίθετα, είναι ευέλικτες και σχετικές έννοιες που αλλάζουν ανάλογα με την κίνηση του κάθε παρατηρητή. Στη γενική θεωρία της σχετικότητας έδειξε ότι η παρουσία της μάζας (ή μαζών) προσδίδει πρόσθετη πλαστικότητα στο χώρο και στο χρόνο (κάπως, όπως μια μεταλλική σφαίρα παραμορφώνει μια πλαστική μεμβράνη). Είναι ακριβώς αυτή η πλαστικότητα και παραμορφωσιμότητα του χώρου και του χρόνου που εμφανίζονται ως δύναμη βαρύτητας.
Η τρίτη μεγάλη ανακάλυψη του 20^ου αιώνα είναι η πιο επαναστατική, η πιο γόνιμη, η πιο σημαντική, και η πιο απομακρυσμένη από την εποπτεία μας. Είναι γνωστή ως κυματοσωματιδιακός δυϊσμός ή ως Κβαντομηχανική. Περιέχει την πειραματική διαπίστωση ότι κάθε κύμα έχει και σωματιδιακό χαρακτήρα, με την έννοια ότι η ενέργειά του δεν είναι συνεχής, αλλά αποτελείται από διακριτά, αδιαίρετα κομμάτια∙ αντίστοιχα κάθε σωμάτιο δεν κινείται ακολουθώντας μια τροχιά που οδεύει ως να ήταν κύμα. Έτσι η φύση δεν αποτελείται ούτε από αμιγή σωμάτια, ούτε από αμιγή κύματα, αλλά από κυματοσωμάτια, που έχουν εν μέρει ιδιότητες κύματος και εν μέρει ιδιότητες σωματίου. Η πιο σημαντική πρακτική συνέπεια αυτής της επαναστατικής πειραματικής διαπίστωσης είναι ότι όσο περισσότερο περιορίζεις ένα κυματοσωμάτιο (π.χ. ένα ηλεκτρόνιο, ή ένα νετρόνιο, ή ένα πρωτόνιο) τόσο πιο γρήγορα κινείται και τόσο πιο μεγάλη πίεση διαφυγής ασκεί. Έχοντας αυτό το καίριο συμπέρασμα μπορούμε πια να πραγματοποιήσουμε το όνειρο του Δημόκριτου, να εξηγήσουμε δηλαδή πως τρία μόνο είδη σωματίων (πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια) μπορούμε να ανασυνθέσουμε τον Κόσμο. Οι δυνάμεις της φύσης φέρνουν μεν τα σωμάτια μαζί αλλά, αν παρέμεναν ανεμπόδιστες, θα τα συνέθλιβαν σε μικρές ή μεγαλύτερες μαύρες τρύπες. Αυτό που εμποδίζει την κατάρρευση είναι ακριβώς η κβαντική πίεση διαφυγής που προσφέρει το απολύτως αναγκαίο αντιστάθμισμα των δυνάμεων. Ακριβώς όταν οι δυο πιέσεις (η συνθλιπτική των δυνάμεων και η επεκτατική της αναπόφευκτης κβαντικής κίνησης) γίνουν ίσες έχουμε μια ισορροπία και τη δημιουργία δομής της ύλης. Μπορούμε έτσι, έχοντας τη συνθλιπτική τάση των δυνάμεων και την τάση διαφυγής, που πηγάζει από την κυματική φύση της ύλης, να συνθέσουμε όλους τους υπάρχοντες πυρήνες και μόνο αυτούς από τα πρωτόνια και τα νετρόνια∙ να συνθέσουμε όλα τα είδη των ατόμων του περιοδικού πίνακα των στοιχείων από τους πυρήνες και τα ηλεκτρόνια∙ να συνθέσουμε μόρια από τα άτομα∙ να συνθέσουμε ένα μέταλλο ή ένα άλλο στερεό από τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων άτομα ή μόρια∙ να συνθέσουμε έναν πλανήτη ή ένα άστρο από άτομα, μόρια, πυρήνες και ηλεκτρόνια κ.ο.κ. μέχρι να φτάσουμε στο Σύμπαν ολόκληρο.
πηγή: «ΕΠΙΣΤΗΜΗ. ΠΟΥ ΕΔΥ ΣΟΥ Η ΘΕΛΞΗ;» –  ΕΛΕΥΘΕΡΙΟΣ Ν. ΟΙΚΟΝΟΜΟΥ
Εκδόσεις:ΕΥΡΑΣΙΑ