亞歷山大與希臘化文明:西方史的一個黃金時代(16) 希臘化時代的物理學成就

阿基米德(Archimedes)研究槓桿原理,並發明力矩(torque)的概念。佢曾經講過,只要比佢一個支點,佢就可以舉起整個地球

希臘化物理學及氣動力學

在希臘化時代之前,希臘人的物理學已經主要分為兩個流派:以亞里士多德(Aristotle)為首嘅四元素論,認為萬物皆由火、水、土、氣四種元素組成,此流派獲得古希臘主流認同;但除此之外,古希臘時代公元前約5世紀的留基伯(Leucippus)及其學生德謨克利特(Democritus)提出的原子論,認為萬物皆由不可分割嘅微小粒子以及真空組成,並反對用超自然解釋自然現象。

原子論在古希臘時代並無獲得普遍接受,但響多個世紀之後將會成為現代原子物理學及化學嘅根基。此外,公元前6至5世紀嘅古希臘哲學家以弗所的赫拉克利特(Heraclitus)就提出宇宙萬物皆在變化,變幻原是永恆嘅理論。

到左希臘化時代,希臘人當中誕生左新一代偉大嘅數學家同物理學家,並廣泛將數學理論同原理應用響解釋自然現象,並為自然現象建立數學模型,物理學當中嘅流體力學、力矩、氣動力學、液壓學等分支,都係響希臘化時代創立同奠下根基。

希臘化時代其中一個著名物理學家嘅大名我哋之前響探討希臘化數學天文學嘅時候已經提過,佢就係阿基米德(Archimedes,公元前287至212年)。

阿基米德發現浮力同槓桿原理,為靜力學同流體力學作出左重大嘅貢獻。根據羅馬工程師維特魯威,敘拉古國王希倫二世(Hiero II of Syracuse)委托金匠造左一頂黃金王冠,但佢懷疑王冠滲有雜質,但又不願用損毀王冠的方法測試出其內是否有雜質(因此不能將王冠融解成立方體以判斷其密度),於是就搵左阿基米德幫佢。

阿基米德有一次沖涼嘅時候觀察到當佢浸入浴缸時水會溢出,由此發現排出嘅水量同浸入水嘅物體體積相同,因此發現浮力原理,即浮力相等於排出的液體嘅重量。據說佢發現之後興奮得忘記著衫就赤裸跑到街上,大叫「我找到了」。歷史學家相信佢利用一個天秤,一端放置王冠,另一端放置相同重量的黃金,當兩者被浸入水後,由於王冠滲雜密度較低嘅雜質,因此體積較大,排出嘅水較多,因此會受到較大嘅浮力,結果天秤向純金塊一方傾斜,證明王冠滲雜雜質。阿基米德此後撰有《論浮體》(On Floating Bodies)一書,將浮力原理理論化,亦都係歷史上第一本流體靜力學嘅專著。

此外,阿基米德亦都詳細研究槓桿原理,並發明力矩(torque)的概念。佢曾經講過,只要比佢一個支點,佢就可以舉起整個地球。事實上,當希倫二世造左一首大船而苦惱於如何將船放入海中嘅時候,阿基米德就巧妙咁利用槓桿原理製造機械,成功將船放入海中。

而當後來羅馬海軍圍困敘拉古之時,阿基米德亦都利用槓桿原理製造令羅馬人聞風喪膽嘅「阿基米德之爪」呢種武器。佢從城牆上被放入海裡,可以夾起羅馬人嘅戰艦,將之升起,並掉回海裡摔得粉碎。呢種武器嘅發明拖延左羅馬人嘅攻勢,並被歷史學家永載史冊。

克特西比烏斯(Ctesibius)所發明的水力風琴

除左阿基米德之外,另一位同佢同時代(公元前3世紀)嘅物理學家、傑出嘅工程師克特西比烏斯(Ctesibius,公元前285至222年)亦都為物理學作出重大貢獻,被譽為係氣動力學及液壓學之父。

克特西比烏斯出生於托勒密埃及亞歷山大港,成為工程師之前曾經係一位理髮師,據聞佢做理髮師嘅時候,就曾經發明左利用配重調較角度嘅鏡子。佢獲得埃及國王托勒密二世賞識,獲委任為亞歷山大港圖書館第一任館長,佢亦都係人類歷史上第一個研究空氣嘅彈性(elasticity of air),以及研究壓縮空氣(compressed air)嘅科學家,並著有《論氣動力學》(On pneumatics),因此被稱為氣動力學嘅開山祖師。克特西比烏斯嘅著作原稿並無殘存落黎,我哋對佢嘅認識多數通過後來費隆(Philo)、希羅(Hero)和阿特納奧斯(Athenaeus)嘅引用而被後世所知。利用佢對流體力學嘅認識,克特西比烏斯設計出第一座水力風琴(water organ),以及第一座能夠準確計時嘅水鐘(clepsydra)。

水力風琴原理係利用一個水箱維持氣壓穩定,水箱內豎立著一個有孔的送風管,空氣首先泵進入風管,再送入風箱,使風箱上的一排琴管發聲。響後來嘅羅馬征服後,建造水力風琴嘅技術獲得保存,羅馬暴君尼祿就曾經響佢嘅皇宮擁有一座水風琴並醉心於研究如何改良其音色。至於水鐘,雖然響古埃及時代已經存在,但其準確度不能跟克特西比烏斯所設計嘅水鐘媲美。

事實上,佢保持左人類最先進計時工具嘅頭銜長達2,000年之久,直到荷蘭物理學家惠更斯於1656年發明鐘擺為止,此前克特西比烏斯所發明嘅水鐘一直都係世上最精確嘅計時設備。佢亦都係第一個製造出利用活塞泵水的水泵嘅發明家,呢個發明響後來嘅羅馬時代演變成為能連續不間斷供水嘅雙活塞水泵。歷史學家普遍相信克特西比烏斯發現左虹吸管原理(siphon),此原理後來被廣泛應用在希臘化城市以及後來羅馬時代嘅引水道之上。

根據克特西比烏斯所發現嘅物理原理,巴格門(Pergamon)古城建造出深190米嘅超高壓虹吸管引水道,代表著希臘化文明水利工程嘅一個巔峰。軍事方面,克特西比烏斯設計出利用青銅彈簧甚至壓縮空氣儲能嘅弩砲,壓縮空氣弩砲利用活塞將金屬圓筒內嘅空氣壓縮,當觸動弩機後高壓空氣驅動弩臂回彈,射出重箭。

雖然兩個發明都因為當時製造技術同材料科學嘅限制未能實用化,但呢兩個發明亦都顯示希臘化發明家創新同超前嘅思維。

費隆(Philo)發明嘅世界最早的溫度計:當溫度升高時,球體內的空氣膨脹,管內的水位下降;當溫度降低時,球體內的空氣收縮,管內的水位上升,同現代溫度計相反

另一位響希臘化時代活躍嘅物理學家同發明家係拜占庭的費隆(Philo of Byzantium,公元前280年至220年左右),佢嘅年代大約同阿基米德、克特西比烏斯同期,雖然佢出生於拜占庭城(後來嘅君士坦丁堡及伊斯坦堡),但學術研究成果係響埃及亞歷山大城完成,主要研究領域為氣動力學及機械製造。

關於費隆嘅發現同發明可以從後來嘅《論氣動力學》(Pneumatics)阿拉伯手稿及羅馬建築師維特魯威(Vitruvius)嘅引用中得知。費隆發明左世界最早嘅水車,將同類發明嘅時間推前到公元前3世紀,利用河流或引水道流動及落下水嘅動能同勢能,係人類利用自然界存在嘅能量做工嘅一個重大突破。

費隆亦都發明左平衡環架(Gimbal),呢個發明將會為陀螺儀嘅出現奠下根基,並將被廣泛用於後世人航海嘅指南針之上。約公元前240年,費隆發現溫度升高令空氣膨脹嘅現象,並以此發明最早嘅溫度計。另外,佢亦都發明最早的擒縱器(escapement),並將之應用在水鐘嘅建造技術之中。希臘化時代之後,物理學嘅發展稍為慢左落黎,但並無完全停滯。

公元1世紀羅馬時代嘅希羅(Hero of Alexandria)就發現左蒸汽作為動力嘅秘密,比詹姆斯·瓦特早左1,700多年,並發明左最早嘅風車、蒸汽機以及利用火堆熱力驅動開啟神廟沉重大門的自動門。希臘化時代及羅馬時代的物理學發現及籍此引申出嘅發明,至今仍繼續影響現代嘅世界。