הפיזיקה היא בראש ובראשונה מדע ניסיוני אבל היא לא תמיד היתה כזו,
עד לפני פחות מ-500 שנה כל המדעים שאנחנו מכירים היום ובכללם
הפיזיקה היו בעצם חלק מהפילוסופיה.
את הקורס שלנו שמטרתו להציג בפניכם מבחר של רעיונות מרכזיים בפיזיקה,
אני רוצה להתחיל בכך שנבחן את ראשית המעבר של הפיזיקה מענף
בפילוסופיה למדע הניסיוני שאנחנו מכירים היום.
את זה נעשה בעזרת שאלה מאוד פשוטה במכניקה ״כיצד גופים נופלים?״
קחו לדוגמה את הכדור והבלון שאני מחזיק בידיים שלי ותסתכלו מה בדיוק
קורה כאשר אני עוזב אותם ונותן להם ליפול באופן חופשי.
אנחנו רואים בבירור שהכדור,
שהוא יותר כבד נופל יותר מהר מהבלון ופוגע בשולחן כשהבלון עדין באוויר.
מסתבר שאפילו תופעה כל כך פשוטה ויומיומית הובנה באופן
שונה לגמרי בתקופות שונות לאורך ההיסטוריה של המדע.
אנחנו נשווה כאן בין ההסבר של אריסטו, שהיה פילוסוף ומדען יווני שחי ופעל במאה
הרביעית לפני הספירה, לבין תפיסתו של גלילאו גליליי שחי באיטליה של
המאות ה-16 וה-17 ונחשב לאחד מאבות המדע המודרני.
אני רוצה לציין שמכניקה היא הענף בפיזיקה שדן בחקר התנועה של גופים.
זה כולל את הקינמטיקה שעוסקת בתיאור התנועה של גופים ואת הדינמיקה
שמתמקדת בהבנת הגורמים לתנועה.
היתרון העיקרי בהתמקדות במכניקה כדוגמה ראשונה להתפתחות של רעיון פיזיקלי,
הוא זה שיש לנו לגביה הרבה מאוד אינטואיציה מהיומיום.
את האינטואיציה הזו נוכל לנצל כדי להבין באופן מאוד מוחשי ובלתי אמצעי מה באמת קורה.
בהמשך הקורס אנחנו כמובן נדבר גם על תופעות ורעיונות פיזיקלים שפחות
מוכרים לנו מהניסיון היומיומי ולגביהם תהיה לנו פחות
אינטואיציה אבל עד אז כבר נבין יותר טוב כיצד פועלת הפיזיקה.
כאמור אריסטו היה בראש ובראשונה פילוסוף אבל הוא עסק הרבה
בשאלות שהיום היינו מגדירים אותן כשייכות לתחום המדע.
בין היתר אריסטו הניח את היסודות לתורת הלוגיקה או תורת ההיגיון.
והלוגיקה גם היוותה את הגישה הכללית שלו למדע.
חוקי הטבע של אריסטו אומנם מושפעים מנסיון היומיום אבל מבוססים
בעיקר על היגיון ואסתטיקה.
אריסטו רצה להסביר מדוע דברים קורים ופחות שם דגש על הבנה
מדוקדקת של האופן שבו הם קורים.
בואו נראה כיצד אריסטו הסביר נפילה חופשית של גופים.
לפי אריסטו החומר ביקום מורכב מחמישה יסודות.
ארבעה מן היסודות מסודרים במעין טבלה לפי שתי תכונות שיש
להן: הטמפרטורה שלהן והרטיבות או הלחות היחסית שלהן.
האדמה היא יסוד קר ויבש, המים הם יסוד קר ורטוב,
האוויר לפחות לאורך חופי הים התיכון הוא יסוד חם ורטוב או לח והאש הוא יסוד חם ויבש.
בנוסף לארבעת היסודות הללו ישנו יסוד חמישי שאריסטו קרא לו האתר.
שהוא היסוד האלוהי שממנו עשויים הגורמים השמימיים.
שימו לב כמה שהכל יפה ומסודר.
לפני שנמשיך רק נעיר שהיום אנחנו כמובן לא מתייחסים למושגים
הללו של אריסטו כאל יסודות.
היום אולי היינו מתרגמים את האדמה, המים, והאוויר של אריסטו למצבי הצבירה
הבסיסיים: המוצק, הנוזל והגז ואילו את האש אולי לאנרגיה בצורה של חום,
כך שהחלוקה הזו של אריסטו לא אבדה לחלוטין מהעולם אבל חשוב להדגיש
שהיום כשאנחנו משתמשים במונח יסוד אנחנו מתכוונים למשהו אחר לגמרי.
אנחנו כמובן מתכוונים לסוגי האטומים השונים שמרכיבים את המערכה המחזורית
ואנחנו מכירים היום קרוב ל-120 יסודות או סוגים שונים של אטומים.
ובכן לתפיסתו של אריסטו חמשת היסודות שעליהן הוא
דיבר היוו תיאור פשוט ואידיאלי לכל מה שקיים ביקום.
הם גם סיפקו לו הסבר מאוד לוגי וטבעי לתנועתם של גופים בטבע.
אריסטו טען שלכל אחד מהיסודות יש מקום טבעי ביקום.
כשמוציאים אותם ממקומם הטבעי הם נעים לשם בחזרה באופן ספונטני
בתנועה שהוא קרה לה תנועה טבעית, ללא צורך בהפעלה של כוח.
האדמה לפי אריסטו נמצאת במרכז היקום כולו שלפי הבנה של
אותה תקופה נמצא כמובן במרכז כדור הארץ.
המים נמצאים בקליפה כדורית שמקיפה את האדמה, האויר נמצא בקליפה נוספת שמקיפה את המים,
האש נמצאת בקליפה חיצונית עוד יותר ומכילה את הירח
והשמש והכל מוקף על ידי האתר שמה נמצאים כל הכוכבים.
זה מסביר הכל.
אבנים שוקעות במים, בועות אויר עולות כלפי מעלה,
גשם נופל כלפי מטה, אש בוערת כלפי מעלה וכולי.
כדי לקיים תנועה שהיא לא טבעית או תנועה אלימה כפי שאריסטו קרא לה צריך להפעיל כוח.
אם אני רוצה לדחוף גוף בכיוון אופקי או להרים אותו כלפי מעלה אני צריך להתאמץ.
כדי שגוף יפול באויר מספיק לעזוב אותו כמו שראינו מקודם עם הכדור והבלון.
נדגיש שההסבר של אריסטו גם הגיוני מאוד, גם אסתטי
מאוד עם כל הכדורים המושלמים המקיפים זה את זה וגם תואם את הניסיון היומיומי שלנו.
מרגע שקיים הסבר כל כך הגיוני כבר אין צורך לחזור ולבדוק את כל המקרים
האפשריים הרי כבר ברור שהעניין הובן והוסבר באופן בסיסי המניח את הדעת.
כמדענים בעידן המודרני אנחנו כמובן נרצה לבדוק כל
הסבר כדי שנהיה בטוחים בנכונותו באופן כללי, אבל את זה לא תמיד קל לעשות,
בפרט בתקופתו של אריסטו עם אמצעי המדידה שהיו לו.
הבעיה במקרה הזה של נפילה חופשית היא שרוב הגופים נופלים מהר
מידי באוויר ופשוט קשה לעקוב אחריהם.
דרך אחת להתמודד עם הבעיה הזאת ולגרום לגופים לנוע לאט יותר כך
שניתן יהיה לעקוב אחריהם היא לבחון את האופן שבו הם נופלים
במים או נוזל יותר צמיג שמה תנועתם איטית יותר.
מה נגלה מתצפית כזו?
אז בואו נבחן את הנפילה של גופים בנוזל.
אתם יכולים לנסות את זה בעצמכם בתוך כלי עם מים
בעזרת גופים מספיק קלים כך שהם לא יפלו מהר מידי.
לנו יש גליצרין בכלי הזה שהוא יותר צמיג ממים ולכן גורם לתנועה יותר איטית דרכו.
בכל זאת אנחנו נשתמש בכדורים קטנים וקלים כך שנוכל לעקוב אחר התנועה שלהם בקלות.
אנחנו לא נמדוד מה קורה במדויק, אלא ננסה להתרשם באופן איכותי מה קורה כאן.
אני אתחיל בזה שאני אקח שני כדורים יחסית קטנים האחד במשקל
של חצי גרם והשני במשקל של גרם ואני פשוט אפיל אותם לתוך הגליצרין.
שימו לב מה קורה.
אנחנו מיד רואים שהכדורים נופלים
במהירות קבועה בתוך הגליצרין ושהכדור הכבד משיג את הכדור הקל,
כמובן שברור לנו ומן הסתם היה ברור גם לאריסטו שישנו
פרק זמן שבו הגוף שנופל מאיץ ממצב מנוחה עד שהוא מגיע
למהירות הקבועה שלו אבל קל לנו לשכנע את עצמנו שאין צורך
ליחס חשיבות רבה לשלב הזה של התנועה שכן הוא מאוד קצר יחסית.
עיקר התנועה היא במהירות קבועה.
גם העובדה שהמהירות הקבועה הזו היא יותר גדולה ככל שהגוף
יותר כבד מאוד הגיונית מנקודת מבטו של אריסטו,
שכן מאוד הגיוני שגופים כבדים ירצו לחזור מהר יותר למקומם הטבעי.
התווך הוא זה שמונע מבעדם להגיע לשם וגוף יותר כבד מתמודד עם התווך ביתר קלות.
אני רוצה להראות את זה שוב עם כדור של חצי גרם כמו מקודם אבל
כדור אחד הרבה יותר כבד או יחסית יותר כבד של שלושה וחצי גרם.
בואו נפיל גם אותם לתוך הגליצרין.
אנחנו רואים כעת שהכדור הכבד אכן נופל הרבה יותר מהר מהכדור הקל.
אנחנו יכולים להדגים את ההתנהגות הזו גם באוויר אם נקח שני
גופים שהם מאוד שונים במשקלם.
כמו הבלון והכדור שראינו מקודם או בצורה קצת יותר מבוקרת
בעזרת המטבע והנוצה שיש לי כאן בתוך הצינור הזה.
אני מיד אהפוך את הצינור ואתן למטבע ולנוצה
ליפול ביחד ואנחנו נסתכל על התנועה שלהם בזמן שהם נופלים לעבר תחתית הצינור.
אז בואו נראה, אני הופך את הצינור.
אני אעשה את זה שוב.
אנחנו שומעים את המטבע נופל מאוד מהר והנוצה
אכן משתרכת אחריו בזמן הנפילה שלה.
נסכם אם כך את ההסבר האסתטי ומאוד הגיוני של אריסטו.
גופים נופלים במהירות קבועה.
המהירות הזו מתכונתית או פרופורציונית למשקל הגוף,
כלומר גוף כבד פי שניים יפול פי שניים יותר מהר.
והמהירות מושפעת מהתווך שבו הגוף נופל.
במים גופים נופלים לאט יותר מאשר באוויר ובגליצרין עוד יותר לאט מאשר במים.
אם לא היה תווך בכלל לפי אריסטו הגופים היו חוזרים למקומם
הטבעי באופן מידי ובעצם נעים במעין מהירות אין סופית.
עד כמה שההסבר הזה של אריסטו הוא אסתטי הגיוני ופשוט מסתבר שהוא לא תמיד עובד.
כדי להיווכח בכך נעבור לסיפורו של גלילאו.
[אין_קול]