اشاره شد که فیزیک ارسطویی در یک نگاه فیزیکِ جسم شناور در یک سیال است؛ این جمله‌ای است که کارلو رووِلی براساس نقل قولی از مونیکا گالگلیا: «فیزیک ارسطویی را باید فیزیک اجسام غوطه‌ور در یک سیال، هوا یا آب درک کنیم.»، بیان می‌کند. موضوع غوطه‌وری اجسام در یک سیال، قدمتی پیش از ارسطو دارد. تالسِ ملطی به روایت خودِ ارسطو، زمین را قرصی شناور بر روی آب تصور می‌کرد که اندیشه‌ای مرکزی در تفکر تالس بود زیرا او آب را ماده‌الموادِ (با هر تعریف فلسفی و علمی از این کلمه) عالم در نظر می‌گرفت. کارلو رووِلی با استناد به تعریف حرکت در نظر ارسطو و موقعیت زمین در بین لایه‌های عناصر موجود در کیهان‌شناسیِ او، این رهیافت به فیزیک ارسطویی، یعنی غوطه‌وری جسم در سیال را با قوانین حرکت جسم در یک سیال به صورت اصطلاح‌های علمی پسا-ارسطویی نمادسازی کرده است. نمادسازی در ابتدا با مروری بر کلیت موضع ارسطو در باب حرکت که به اجمال در بخش پیش به آن پرداختیم آغاز می‌شود که در یازده بند خلاصه شده است. سپس او مرحله تقریب با فیزیک نیوتنی را با فرمول ساده برآیند نیروها در مورد یک جسم براساس قوانین حرکت نیوتنی، آغاز می‌کند و در نهایت در بخشی با عنوان قوت و ضعف فیزیک ارسطویی به تحلیل این تقریب و نمادسازی می‌پردازد.
پیش از آغاز، بهتر است نکته قابل تاملی که رووِلی در مورد اختلاف نظر گالیله و ارسطو در انتهای مقاله خود گوشزد می‌کند را یادآور شوم. او با نقل قول‌هایی، البته گهگاه متناقض از گالیله در مورد ارسطو، نشان می‌دهد که نقد و ایراد گالیله به ارسطو شبیه ایرادهایی از جنس اختلاف نظر دو دانشمند است؛ هم‌چون دیراک با همیلتون و یا نیوتن با اینشتین و یا کوپرنیک با بطلمیوس و به صراحت می‌گوید: «گالیله پیوسته بر این نکته که ارسطو یک تجربه‌گرا بود تاکید می‌کرد و در واقع دعوای اصلی گالیله با ارسطوییانِ معاصر وی بود و نه با خود ارسطو». شاهد او بر این ادعا نامه‌ای است که از گالیله خطاب به Liceti در ۲۴ آگوست ۱۶۴۰ نگاشته شده است: «من به‌عنوان مخالف آموزه‌های مشاء مورد اعتراض قرار می‌گیرم، در حالی که ادعا می‌کنم و با اطمینان معتقدم که مشائیان را بیشتر از جنبه دینی (مخالف خود) میبینم تا آموزه‌های ارسطویی…» و نیز در نامه‌ای به او در یک ماه بعد از این نامه، بر این واقعیت تأکید می‌کند که ارسطو تجربه را مقدم بر استدلال می‌داند و نتیجه می‌گیرد: «مطمئن هستم که اگر ارسطو به زمین بازمی‌گشت، به دلیل تناقض‌های اندک اما قطعیِ من( با او) در میان پیروانش، مرا می‌پذیرفت.». نکته دیگری که باید در همین خصوص یادآور شوم این است که کارلو رووِلی بر این باور است که اشتباه‌هایی که ما به فیزیک ارسطویی براساس درک عرفیِ کنونی از ماهیت فیزیک نسبت می‌دهیم، خودِ شخص گالیله و نیوتن و… را هم در بر می‌گیرد و این مسئله در علم چیز عجیبی نیست. برای درک این نگاه و شهود عرفی ما از تفاوت فیزیک ارسطویی و فیزیک نوین باید به سراغ یازده نکته خلاصه شده از فیزیک حرکت ارسطویی به برداشت رووِلی برویم اما با این دقت که ملاک او برای چنین مقایسه‌ای فیزیک گالیله و نیوتن است در مقابل فیزیک ارسطویی.
نوشته‌های مرتبط
در ابتدا باید به چند تمایز در فیزیک ارسطویی پای‌بند باشیم: یک تمایز بین حرکت طبیعی و حرکت جبری و دو، تمایز بین اجسام زمینی و اجسام آسمانی و نیز تمایز بین رفتار یک جسم در «مکان طبیعی» خویش و یا در یک ماده با چگالی متفاوت با خود شیء.
با توجه به این تمایزها می‌توان فیزیک ارسطویی و یا به طور دقیق‌تر حرکت در فیزیک او را به این شکل خلاصه‌گویی کرد:
- حرکت قسری(جبری) یا غیر طبیعی که ناشی از یک عامل ایجاد کننده غیرارادی است (کتاب فیزیک؛PH 254b10)
- حرکت طبیعی که نیاز به عاملی ندارد(درباره آسمان؛He 300a20)
و در نتیجه می‌توان گفت حرکت غیرطبیعی محدود است یعنی:
- اگر اثر عاملی که باعث حرکت جبری می‌شود از بین برود، جسم متوقف می‌شود.
- حرکت طبیعی زمین در آسمان، به صورت دایره‌ای و گرد یک مرکز است (He 26915).
- حرکت طبیعی چهار عنصر خاک، آب، هوا و آتش، عمودی و به سمت جایگاه طبیعی خود است(He 300b25).
- جسم سنگین‌تر در حرکت طبیعی خود سریع‌تر سقوط می‌کند(He 311a19-21, Ph 215a25).
- و همان جسم در محیط با چگالی بسیار کم سریع‌تر سقوط می‌کند(Ph 215a25).
در این عبارت اخیر در واقع ارسطو نگاهی هندسی را دنبال می‌کند هرچند می‌دانیم که پرداختن به کمیّت‌ها به معنای امروزین آن در فیزیک ارسطویی خیلی مرسوم نیست، اما در این عبارت آخر رابطه‌ای ریاضی بین وزن و سرعت جسم به تصویر کشیده شده است که:
- می‌توان گفت: سرعت ~ وزن جسم / چگالی محیط
در نوشتار ریاضیاتی جدید این رابطه را به صورت زیر می‌شناسیم:
بی‌نهایت شود باید چگالی صفر شود که همان نتیجه‌ای است که اختلاف نظر فیزیک ارسطویی و گالیه‌ای را به دنبال دارد، یعنی مسئله خلاء(به این موضوع دوباره برمی‌گردیم). این نتیجه در دو نکته پایانی صورت‌بندی می‌شود:
- شکل جسم، حرکت سریع‌تر یا آهسته‌تر آن را تعیین می‌کند(He 313a14).
- در یک محیط بدون چگالی(خلاء) یک جسم سنگین می‌تواند با سرعت بی‌نهایت سقوط کند(Ph 216a).
- در نتیجه امکان خلاء بی‌معناست(Ph 217b20).
هم‌چنین با توجه به نکته‌های ذکر شده، کارلو رووِلی دو اصل کلی از فیزیک ارسطویی را قابل استخراج می‌داند:
یک این‌که نظریه حرکت طبیعی و قسری ارسطویی ارتباط مهمی با انتخاب ۴ عنصر در فیزیک و یا به عبارتی کیهان‌شناسی ارسطویی دارد؛ در واقع به گفته او اگر قرار بود میل به مکان طبیعی به عنوان یک حرکت درونی و غیر قابل اندازه‌گیری یعنی بی‌ارتباط به دنیای مشاهده و فیزیک اجسام ملاک حرکت طبیعی ارسطو باشد باید دو نوع حرکت برای اجسامی که بالا و یا پایین می‌روند، در نظر می‌گرفت اما، ارسطو ۴ نوع ماده و ۴ مکان طبیعی برای اجسام در نظر گرفته است که نشان دهد بر اساس مشاهده روزمره چوب در هوا سقوط می‌کند اما در آب غوطه‌ور می‌شود و این یعنی تفاوت رفتار یک جسم در دو حالت متفاوت که قابل مشاهده است. چنین دسته‌بندی که به صورت تغییری ۴ گانه و در امتداد ۴ تبیین علّی در نظر ارسطو صورت گرفته از نظر کارلو رووِلی رابطه‌ای پیچیده بین عناصر را طلب می‌کند.
نکته دوم این‌که تمایز بین حرکت طبیعی و حرکت قسری در نظریه‌های پس از ارسطو نیز قابل مشاهده است. در ۲ قانون اول حرکت نیوتنی ما اصطلاح حرکت مستقیم‌الخط یکنواخت را داریم که اشاره به حرکت جسمی دارد که در صورت نبود نیروی خارجی به حرکت طبیعی و یکنواخت خود ادامه می‌دهد. و در صورتی که به آن نیرویی وارد شود حرکتی شتابدار خواهد داشت که صورت ساده آن همان پرتاب سنگ از دست ما به عنوان حرکت قسری در فیزیک ارسطویی است. هر دو قانون نیوتن، به نوعی همان تمایز بین نیروی طبیعی و نیروی قسری است، بدین صورت که در حرکت نیوتنی، اصطلاح مستقیم‌الخط یکنواخت را باید با قرارگیری در مکان طبیعی ارسطویی جایگزین کنیم و این‌که یک عامل خارجی می‌تواند باعث شتاب در حرکت نیوتنی شود را با عدم قرارگیری در مسیر حرکت طبیعی خود جسم در حرکت ارسطویی جایگزین کنیم.
در این قسمت باید شکل کلی قانون حرکت نیوتنی را باز کنیم تا بتوانیم از این دو نکته صورت‌بندی دقیق‌تری ارائه دهیم:
حال هر یک از عبارت‌های این معادله کلی را بررسی می‌کنیم:
در عبارت اول، ثابت گرانش، جرم زمین و هم‌چنین فاصله جسم تا مرکز زمین با عدد ثابتی چون g قابل جایگذاری است. (از توان دو فاصله جسم در این مقیاس که عدد کوچکی می‌شود صرف نظر کردیم). سپس به سراغ عبارت دوم می‌رویم که همان قانون ارشمیدس یا نیروی شناوری(غوطه‌وری) است. این قانون در کنار عبارت بعدی که نیروی مقاوم است هر دو در مورد سرعت و موقعیّت حرکت یک جسم در سیال هستند که ارتباط خوبی با موقعیت ۴ عنصر ارسطویی دارند. نیروی مقاومت حرکت یک جسم در سیال به وسیله سرعت جسم و چگالی سیال و نیز ضریبی که به اندازه و شکل جسم مرتبط است تعریف می‌شود. فعلا عبارت نهایی که مجموع نیروهای خارجی وارد بر جسم است را در نظر نمی‌گیریم، از همین نیروی آخر یعنی حرکت در یک سیال شروع می‌کنیم.
در نظر بگیرید یک جسم در یک بُعد و با سرعت اولیه صفر یعنی حالت سکون داریم، در این صورت عبارت اول را که به صورت زیر:
جایگزین کرده بودیم در کنار عبارت دوم در مورد حرکت سیال یعنی:
عبارت زیر را برای چگالی جسم به ما می‌دهد(عبارت v بزرگ نشان‌دهنده حجم است و نه سرعت):
یک جسم با توجه به تفاوت چگالی خود با چگالی سیالی که در آن غوطه‌ور است به سرعت شروع به حرکت بالا و یا پایین می‌کند؛ بنابراین زمین که سنگین‌ترین عنصر است همیشه به سمت پایین حرکت خواهد کرد همان‌طور که آب در هوا نیز به سمت پایین حرکت می‌کند و نیز هوا که از آب سبک‌تر و یا کم‌تر چگال و کم‌ترمتراکم است به سمت بالا حرکت خواهد کرد و اجسامی که حالتی بینابینی بین آب و هوا دارند برای مثال یک قطعه چوب، می‌تواند ترکیبی از رفتار آب و هوا را داشته باشد؛ یعنی در آب معلق باشد و در هوا سقوط کند یا به پایین حرکت کند، و این نکته همان عبارتی است که در بالا تحت عنوان نکته پنجم دسته‌بندی شده است:
حرکت طبیعی چهار عنصر خاک، آب، هوا و آتش، عمودی و به سمت جایگاه طبیعی خود است.
به طور کلی فیزیک ارسطویی بیانی کیفی از عالم قابل مشاهده برای او دارد. شاید در نگاه نخست خیلی آسان و از آن مهم‌تر، قابل پذیرش نباشد که این نگاه بتواند با علم فیزیک در جهان کنونی که داعیه علم اندازه‌گیری و کمیّت‌ها را دارد هم‌راستا شود، اما اگر سعی کنیم انتظارمان را از بیان ریاضی و کمّی قدری متواضعانه‌تر دنبال کنیم و فیزیک نیوتنی را در همین چارچوب بینابینی قدری به نمادسازی ارسطویی نزدیک کنیم، برابری‌های جالبی در این دو رویکرد به عالم فیزیک خواهیم یافت.
این تلاشی است که به شکل خوبی آقای کارلو رووِلی آن را انجام داده و با در نظر گرفتن جانب تعادل به نقاط ضعف و نقاط قوت فیزیک ارسطویی در قیاس با دنیای علم کمّی پس از او پرداخته است. بخش پایانی معادل‌سازی و تخمین او از فیزیک ارسطویی را در قسمت بعدی دنبال کنید.