Fyzika ve starověké Číně

Autor: Jiří Matějka <mate@avonet.cz>, Téma: Historické otazníky, Zdroj: Jiří Matějka, Vydáno dne: 20. 10. 2009

Moderní západní věda 2000 let staré nauky jen přejmenovala. Archimédes a jiní už mohli jen „opisovat“.

 

Ztracené objevy

Starověcí a středověcí čínští fyzikové nepředvídali aspekty kvantové teorie. Prováděli však experimenty. Snad kvůli tomu čínská fyzika té doby zmizela v zrcadle klasické západní fyziky - období od Galilea do začátku 20. století - kdy začala kvantová éra. Experimentální techniky starověkého a středověkého světa mohly docela přirozeně dávat klasické výsledky. "Pospěšme si dodat, že Číňané," říká David Park, "nikdy nedali dohromady uzavřenou teorii dynamiky jako Isaac Newton."

Jiný název pro atom před 2000 lety

PODLE BRITSKÉHO sinologa Josepha Needhama starověcí Číňané podobně jako Aristoteles nahlíželi na vesmír jako na kontinuum, a ne jako na soubor atomů. Představa duality jin-jang, která ovládala přírodu, byla stanoviskem růstu a pádu, hřebenů a brázd vln a volného spojení s během věcí. Čínský spisovatel z 1. století n. 1. říká: "Když jang dosáhlo svého vrcholu, stáhlo se ve prospěch jin; když dosáhlo svého vrcholu jin, ustoupilo jang." Jak oscilují základní síly, oscilují také jednotlivá tělesa v síti "vzájemných vlivů" - to vyjadřuje čínskou víru v základní rytmus všech věcí. Čchi, čínský koncept energie, duše a éteru, nebyl tvořen částicemi, ale působil na věci a spojoval je. Needham říká, že to byl vliv, který fungoval na velké vzdálenosti, vibroval podle speciálních rytmů hmatatelné hmoty a podle kosmických oscilací jin-jang cyklu. 

Fráze překládaná jako "prach zářícího okna", popisující atmosféru slunečního světla zachyceného prachem, byla používána čínskými alchymisty ve 2. století n. 1. jako metafora pro jmění, které možná jednou získají (až vyrobí zlato), a také vyjadřuje jejich představu o vyzařování světla. (Někteří z nich věřili, že zlato je pevným skupenstvím slunečního světla.) Ve 12. století n. 1. Wu Tšeng napsal: „Jestli se podaří připravit elixír (života), bude vypadat jako nehmatatelný prášek, jako prach zářícího okna. Když takový elixír (plný pohybu, energie a životní síly) vypijete, zavlaží. .. tělo člověka (život dávaající vodou.)" Needham, odborník na čínskou vědu, píše:

"Představa pevné substance, tak jemně rozmělněné, že se stane nehmatatelným prachem, který je schopen proniknout vším, dokonce i zjevně neproniknutelnou pevnou látkou, zachycuje velmi dobře (čínskou) představivost. Odtud pochází vyjádřen, prach zářícího okna... Bylo možná charakteristicky čínské, že z těchto představ nevzešla ... žádná myšlenka o atomistické povaze věcí. Na druhou stranu básníci kladou důraz na prostupování, proniknutí a podobně jako na protiklad k neustálému pohybu. Cítí, že elixíry, když se správně připraví. .. , musí obsahovat takovýto subtilní materiál, který je schopný procházet jako dým .. Dotýkáme se tady něčeho, co je velice hluboko usazeno v čínské středověké přírodní filozofii ... splynutí hmoty, téměř nekonečně rozdělené do čchi - vše pronikajícího ducha, mlžného oparu nebo vyzařování."

Moderní západní věda jenom přejmenovala 2000 let staré nauky

Luminiscenční vyzařování podchytilo čínskou představivost. Starověcí a středověcí Číňané popsali statickou elektřinu, fosforeskující organismy, světlo z bažin a kazivce (který září, když jej třeme). Needham předpokládá, že Číňané v období dynastie Sung vyráběli fosforeskující látky. Rukopis z 11. století popisuje obrázek dobytčete, "které během dne vypadalo, jako že se pase na trávě mimo ohradu, ale v noci leželo uvnitř". Sungský alchymista Lu Can-ning vysvětlil, že výměšky z jisté ústřice se dají smíchat s barvivem tak, aby vytvořily barvy, které jsou vidět jenom za tmy. Tato historka by mohla vypadat neuvěřitelně, nebýt toho, že roku 1768 popsal John Canton, jak z ulit ústřic vyrábět tzv. Cantonův fosfor. Když se smísí s jinými chemikáliemi, může fosfor vytvářet různobarevnou luminiscenci.

Statická elektřina: Světélkování bažin (bludičky) - ruměné světlo vycházející z bažin a tlejícího dřeva - spojovali Číňané s krví a smrtí. (Možná, že tuto asociaci inspirovala představa čchi jako záření v lidské krvi. Aztékové a Indové měli podobné spojení krve s energií.) Ve 2. století n. 1. Po WU Č' (Záznam o výzkumu věcí) popisuje světélkování bažin a naznačuje souvislost s elektřinou:

"Tato světla přilepená k zemi, křovinám a stromům jako rosa.  Občas se s nimi setkávají poutníci; potom ulpívají na jejich tělech a začínají světélkovat. Když je setřou rukou, rozdělí je na nespočet jiných světel, která vydávají slabé praskavé zvuky, jako když se opéká hrášek, ..

V těchto dnech se stává, že když si lidé češou vlasy nebo se oblékají, či svlékají, doprovázejí taková světla hřeben nebo se objevují na knoflících při zapínání a rozepínání, a je to doprovázeno podobnými zvuky". Představy o zvuku byly založené na vlnovém pojetí. Během 1. a 2. století n. I. Wang Čchung v Rozmluvách o rovnováze porovnával šíření zvuku a vln na vodní hladině:

Ryba dlouhá 1 ťi (24 cm), která se pohybuje ve vodě, způsobí vibrace ve všech směrech. Střední oblast vibrací může mít průměr jenom několik ťi ... Rozsah vibrací nedosáhne více než sto kroků a ve vzdálenosti 1 li (1 800 ťl) bude vše v klidu ... Protože vzdálenost je moc velká. Člověk, který vydává zvuk manipulováním se vzduchem, je jako ryba. Změny vzduchu jsou podobné jako změny vody. Wang Čchung přímo nestanovil, že zvuk je vlnění. Můžeme udělat takový závěr, nebo ne. To záleží na čtenáři.

Detailní popis vlnění a rezonance z doby před 2500 lety

Mnohem později za dynastie Ming (1368-1644) učenec Sung Jing-sing prohlašoval: "Vzduch je hmotný ... Když v něm mává křídlo, vzniká vlivem úderů do vzduchu zvuk; když drnkneme na strunu hudebního nástroje, vibrace vytvoří zvuk ... Když někdo mrští kámen do vody ... , když kámen dopadne, není větší než pěst, ale vlny se budou šířit dokola. Vibrace vzduchu jsou totéž."
Čínské aplikace akustiky a její chápání jsou také spojovány s vibracemi a pohybem vln. Sada 64 bronzových zvonů z 5. století př. n. I. dokládá úroveň čínské technologie související s akustikou. Z pohledu fyziky je nejzajímavější, že každý zvon má dva "body úderu" vydávající dva tóny, což vyžaduje nesymetrické rozložení hmoty. Historik Čcheng-Jih Čchen píše:

"Použití asymetrie v rozložení hmoty k získání zvláštního modu vibrací ... Vyžaduje poněkud pokročilejší akustickou analýzu tak, aby každý mód mohl být individuálně vybuzen bez znatelné interference. Pouze když uzlové čáry jednoho z vibračních vzorů padnou do uzlových čar vzoru druhého, mohou oba mody vibrací... být samostatně vybuzeny, aby vyvolaly odpovídající rezonance bez interference."

Tedy "přední bod úderu" je umístěn přesně tam, kde spodní kmitna vibrací potkává horní vibrační mód, zatímco u bočních tónů je to naopak.

Teoretické bádání přišlo později. V každém případě Číňané přišli na to, že pomalé vibrace způsobují nižší tóny a rychlejší vibrace tóny vyšší. Rezonance byla popsána už ve 4., nebo 3. století př. n. 1., kdy si hudebníci všimli toho, že při úderu na jednu strunu citery se jiná struna naladěná na tentýž tón také rozezvučí. Za dynastie Tchang (618-907) vylíčil Nien-cu příběh mnicha, jehož zvon visící v místnosti, kterou obýval, zvučel bez nějaké postřehnutelné příčiny. Mnich díky tomu onemocněl. Přítel, který jej navštívil, si všiml, že zvon zní, když zvoní hlavní klášterní zvon, a vyléčil mnicha tím, že dal do části jeho zvonu výplň. Přítelova logická dedukce? Klášterní zvon způsoboval rozezvučení zvonu. Vyplněním jeho části nezněly oba zvony na stejné frekvenci.

Moderní mechanika a optika vznikla před 2500 lety

Na rozdíl od světla a zvuku byly čínské pokroky v optice a mechanice založeny hlavně na logice a dedukci, a ne na teorii. Mo C (asi 450 př. n. 1.) je považován za zakladatele mohistické školy, logického a filozofického systému starověké Číny z období 4.- 2. století př. n. 1. Mohisté sepsali Mo-ťing, práci o zásadách, která obsahuje také soubor vysvětlení jevů pokrývající témata od mechaniky a optiky až po logiku.

Mo C' (nebo jeho následovníci) experimentoval se světlem a došel k závěru, že se šíří přímočaře. Mohisté sestrojili dírkovou komoru, která vytvářela výškově převrácený obraz. Použili k tomu temnou místnost, která měla v jedné stěně malý otvor. Vně místnosti byl dostatek světla. Mohisté zjistili, že postava stojící mezi otvorem a sluncem je zobrazená na zadní stěně místnosti jako převrácený stín. O šestnáct století tím předešli dírkovou komoru (camera obscura), sestrojenou v Evropě ve 13. století. Mohisté jev analyzovali tímto způsobem: Protože hlava osoby blokuje sluneční světlo shora, stín hlavy se objeví dole, a protože nohy blokují slunce přicházející z dolního úhlu, stín nohou se objeví nahoře

Mohisté také pozorovali stíny letících ptáků a aplikovali na ně představu přímočarého šíření světla. Zjistili, že v některých chvílích se stíny ptáků, jejichž těla blokovala světelné paprsky, nepohybovaly. Z toho usoudili, že "pohyblivé stíny" jsou ve skutečnosti posloupností nepohyblivých stínů. Předzvěstí pochopení rozptylu světla byl názor, že stíny vznikají z "nedostatku světla". Částečný stín vzniká díky několika zdrojům světla, když je světlo některého zdroje zakryto objektem, který jej blokuje, zatímco světlo z jiného zdroje objekt míjí a částečně osvětluje stín.

Mohisté zkoumali, jak stíny mění velikost, jak vzniká obraz v rovinném zrcadle. Zabývali se také tím, jak duté zrcadlo vytváří převrácený obraz a za jiných podmínek zase obraz vzpřímený. Zatímco vypouklé zrcadlo vytváří jenom vzpřímený obraz. Při používání kulových zrcadel objevili, že předmět umístěný do středu kulové plochy splyne se svým obrazem. Pochopili také rozdíl mezi středem křivosti zrcadla a jeho ohniskem (nazývali jej "centtrální oheň".  O patnáct století později za dynastie Ťin použil spisovatel Čang Chua kousek kulovitého ledu k soustředění slunečního světla a zapálil suché listí. Mohistické zásady se vytratily ve 4. století n. 1., ale zůstaly částečně v povědomí až do 18. Století.

Šeng Kua (1033-1097), učenec žijící za dynastie Sung, studoval obrazy vytvořené dutými zrcadly. Zda znal práce starých mohistů, není jasné. "Planoucí zrcadlo," napsal, "odráží světlo tak, že vytváří převrácené obrazy. Je to proto, že se ohnisko nachází mezi předmětem a zrcadlem ... Je to podobné, jako když se při veslování pohybuje veslo proti vidlici." Později Šen Kua poznamenal: "Vidlice vytváří osový bod ( ... doslova pás). Takový opačný pohyb může být pozorován také následovně: Když se jedna ruka pohybuje vpřed, dírkový obraz se pohybuje vzad a naopak."

Ve 13. století prováděl taoista Čao Jou-čchin experimenty s dírkou. Pokusy dělal v místnosti se dvěma kruhovými děrami. Jedna byla 4 stopy (asi 120 cm) hluboká a měla průměr 4 stopy, druhá 8 stop hluboká (asi 240 cm) měla také průměr 4 stopy. V hlubší díře byl umístěn 4 stopy vysoký stůl, který změnil její efektivní hloubku na 4 stopy.

Na povrch umístil tisíc svíček a obě díry zakryl až na malou dírku uproostřed každého krytu. Ke stropu zavěsil pohyblivé stínítko, na které se promítalo světlo svíček. Oddělené díry umožňovaly studium množství variant - například vzdálenosti mezi zdrojem světla a stínítkem nebo mezi zdrojem světla a předmětem - zatímco svíčky v díře nerušeně svítily. Do děr mohly být vkládány různě velké stolky, aby se měnila vzdálenost od poklopů.

Čao objevil, že malé dírky způsobovaly vznik převrácených obrazů, které měly tvar jako světelné zdroje, bez ohledu na to, jaký tvar měly dírky. Podstatně větší díry ale vytvářely obraz, který nebyl převrácený a navíc měl tvar podobný díře. Zjistil také, že jas obrazů svíček na stínítku klesal, když se velikost díry zmenšovala, nebo klesal, když se zvětšovala vzdálenost mezi svíčkou a stínítkem.

Ve 20. století napsal ŤIng-kuang Wang, že Čaovy "hlavní myšlenky byly:

1) Na stínítku existuje světelná tečka, která odpovídá jedné konkrétní svíčce;
2) Jestliže hoří 1 000 svíček, existuje 1 000 obrazů. Tyto obrazy se mohou překrývat. Celkový obraz se mění, když se mění rozmístění svíček. To je důkaz, že Čao rozuměl principu přímočarého šíření a superpozice světla.

Mechanické principy jinak pojmenované

STAROVĚKÁ ČNSKÁ technika využívala koncept těžiště, jak se ukazuje u dynastie Čchin (221-207 př. n. I). Vahadlo na nošení vody bylo vyvážené, když byly obě nádoby plné, ale převážilo se, když se jedna z nádob vyprázdnila.

Náznak konceptu síly je v Mo-ťing. Pochází ze zkušeností lidí získaných při práci, ačkoliv sinolog  A. C. Graham říká, že mohisté přemýšleli jenom v pojmech "váha a tah", a ne síla. Mo-ťing svazuje mechanickou sílu s lidskou silou, kterou nazývá tělesná sing neboli tvar, zatímco působení těles, např. při zvedání, je nazýváno fen neboli "námaha." "Síla" je podle Mo-t'ing "to, čím působí "tvar" na "námahu".

Číňané nahlíželi na fyziku v pojmech rovnováhy. Jak říká současný čínský odborník Taj Nian-cu, to, čemu dnes říkáme "moment síly", je často diskutováno v souvislosti s rovnováhou na vahadle. Stejně jako se mohisté zajímali o optiku, zajímali se i o středový bod, vůči němuž bude vahadlo vyvážené.

Archimédes a jiní jenom opisovali

Stovky let před Archimedem pochopili, že pro rovnováhu dvojzvratné páky jsou důležité vzdálenosti obou závaží od osy otáčení.

Vzdálenost mezi osou otáčení a břemenem nazývali ben, vzdálenost mezi osou a vyvažovacím závažím biao. Odpovídalo to dnešnímu konceptu ramen sil.
"Když je břemeno těžší než závaží a vahadlo je ve vodorovné poloze, je to proto, že pen je kratší než piao. Když je nyní k oběma bodům závěsu přidána stejná váha, strana piao se musí zmenšit." Když šla jedna strana dolů, bylo to způsobeno jak závažím, tak čchhuan, což zhruba odpovídá moci, síle na páce, výhodě umístění.

Statika konstrukcí

V Mo-ťing jsou uvedené mlhavé analýzy napětí a deformace materiálů. Mohisté si všimli, že dřevěný trám se příliš neohne pod zátěží a je dost silný na to, aby zátěž unesl. Porovnávali to s vodorovně nataženým provazem prohnutým vlastní vahou: "Provazy v této poloze jsou velmi slabé ... mají-li nést zavěšené břemeno." To byl jejich závěr. Mohisté zkoumali, jaké to má příčiny, pomocí analýzy vlasů. Jak snadno se přetrhne vlas, závisí, jak říká Niancu, "na tom, jestli je soudržná substance ve vlasu rovnoměrně rozložená podél celé jeho délky a jestli je zátěž vyrovnaně nesena ... bez slabých spojení, když vlas napínáme“. Graham říká, že prohýbání vodorovných těles závisí na váze a na jejich čchi, což v tomto případě znamená "celkové protažení."

Podle mohistických představ jsou vertikální tělesa podpírána buď napětím, nebo něčím nehybným pod nimi: "Podpírání pilířem lze vysvětlit principem ... , že všechna váha má sklon svisle couvat. Podpírání statickým pilířem je protějškem čchie zavěšení, táhnoucího nahoru, tak jako je protějškem dynamického podpírání šou (tj přijímání zespodu)," říká Graham.  Kánon Mo jing to objasňuje takto:

"Nechť je plochý kámen stopu nad zemí. Podložte ho zespodu kameny a zavěste nad něj vlákno ... Kámen nespadne, protože je zdola podpírán. Připevněte k němu vlákno a odstraňte kameny:  To, že nespadne,je proto, že je zavěšen shora. Když vlákno praskne, je to kvůli tahu plochého kamene. Bez jakékoliv změny, s výjimkou záměny jména, dostanete případ "přijímání zespodu."


Gravitace byla známá již 2500 let před Archimédem

 

Dnešní fyzikové přemýšlí v podobných termínech. Musejí například umět odpovědět na tuto otázku: Jestliže nás gravitační síla táhne do středu Země, co nás drží, abychom tam nebyli vtaženi? Odpovědí je elektromagnetismus, základní síla, která drží pohromadě materiál a vzdoruje gravitaci. Fyzikové třeba počítali, jak vysoké hory mohou být na planetě s gravitací, kterou má Země. (Odpověď není příliš překvapivá - asi tak vysoké jako Himálaje, nejvyšší pohoří na Zemi.)

Mohisté předstihli Archimeda ve zdůvodnění plavání těles. Tvrdili: "Když plave velmi velké těleso ve vodě a jenom velmi malá část z něj je ponořená, znamená to, že ponořená část tělesa a celé těleso se dostaly do stálé rovnováhy." Nedotáhli ale tuto myšlenku až k tomu, že ponořenou část tělesa je třeba v úvaze nahradit vodou, na což přišel Archimedes (Archimedúv zákon - 3. století př. n. 1.) údajně při koupání a potom běžel nahý ulicemi starého Řecka a vykřikoval "Heuréka!" (Dnes formulujeme Archimedův zákon takto: "Na těleso ponořené do kapaliny působí vztlaková síla, která je tak velká, jako je tíha této kapaliny o stejném objemu, jaký má ponořená část tělesa" - poznámka překladatele. Nezdá se vám to poněkud složité vyjádření původní čínské  jednoduché úvahy?).

Více než 2 000 let před Newtonem se mohisté zabývali zákony pohybu

Všimli si, že "když se vozík pohybuje vpřed tažen koněm a kůň náhle zastaví, má vozík tendenci pohybovat se dále vpřed". Přišli s touto pokrokovou myšlenkou: "Zastavení pohybu je způsobeno silou působící v protisměru ... Kdyby zde nebyla síla působící v opačném směru ... , pohyb by nikdy neustal. To je pravda stejně tak, jako že vůl není kůň."Dnes 1. Newtonův zákon obecně stanoví: "Těleso setrvává v klidu, nebo v rovnoměrném přímočarém pohybu, pokud na něj nepůsobí nenulová vnější výsledná síla."

Rozdíl mezi Newtonovým vyjádřením a názory mohistú je v tom, že Newton hovoří také o "klidu" a nejenom o pohybu. V určitém smyslu můžeme usuzovat, že mohisté byli trochu modernější, když hovořili o stálém pohybu. Dnešní částicoví fyzikové vidí vesmír jako stále se pohybující, ne jako statický. V každém případě pozorovatel na zemi obvykle nepozoruje, že těleso setrvává v pohybu, když na něj nepůsobí síla. Nemáme takovou zkušenost z jízdy na vozíku, taženém volem, nebo z jízdy v autě. Chceme-li udržovat stálou rychlost, musíme popohánět zvíře, nebo šlapat na pedál plynu. Mohisté si museli umět představit svět neovlivňovaný odporovou silou vzduchu a mechanickým třením podobně jako Galileo, Newton a Decartes. Jak to ze svých pozorování dokázali odvodit, není zaznamenáno. (Jak ale podotýká Park, ani mohisté, ani Galileo, ani Descartes nepřišli s 2. Newtonovým pohybovým zákonem: Síla uděluje tělesu zrychlení a je rovna součinu hmotnosti a zrychlení neboli F = ma.)

Prostorová geometrie

Mohisté také věnovali pozornost analyzování času a prostoru. Bez velkého rozpracování zaznamenává Mo ling teorii prostoru, nekonečna, pohybu, času, trvání a relativity Zde je několik krátkých citátů:

ZÁSADA: Prostor zahrnuje všechna různá místa.
VÝKLAD: Východ, západ, jih a sever, to vše je uzavřeno v prostoru ..
ZÁSADA: Okolí ohraničeného prostoru nemůže obsahovat žádnou čáru.
VÝKLAD: Ohraničená rovina nemůže obsahovat žádnou čáru za svou hranicí. Není ale žádná čára, kterou by bylo možné přidat, pokud je rovina neohraničená ...
ZÁSADA: Uvnitř omezené části neohraničeného prostoru je možná omezenost.
VÝKLAD: Omezenost znamená, že pohyb tělesa je omezený na ohraničenou část prostoru ...
ZÁSADA: Hranice prostoru ... se stále posouvají. Důvodem, který hovoří pro tento koncept roztahování, je, že délka a trvání jsou měřitelné.
VÝKLAD: Roztahování: Pohybující se těleso, které prochází po dráze pevné délky, zabírá polohy v prostoru vesmíru ..
Prostor: délka: To, že jih je protějškem severu, je ekvivalentní protilehlosti východu a západu. Pohyb jakéhokoliv tělesa může být, navzdory Slunci, stále měřen v prostoru (délka) a v čase ...
ZÁSADA: Prostorová poloha je pojmenování toho, co už je ve skutečnosti pryč. Díky tomu to můžeme reálně popsat.
VÝKLAD: Když víme, že "to" již není "tam" a že "to" již není "tady", stále ještě můžeme říkat, že to bylo na severu, nebo na jihu. To znamená, že to, co už tady není, bereme, jako by to bylo stále přítomné ..
ZÁSADA: Trvání zahrnuje všechny konkrétní (různé) časy. VÝKLAD: Dřívější časy, současnost, ráno a večer se spojují dohromady a vytváří trvání ..

Mohistický učenec Čang ]in-č', jak se zdá, zastával stejné stanovisko jako Newton o "absolutním, pravém a matematickém času ... , který sám od sebe a ze své vlastní přirozenosti rovnoměrně plyne bez ohledu na cokoliv vnějšího"

Podle knihy Dicka Teresi, Lost Discoveries připravil Jiří Matějka