CÁC NHÀ CƠ HỌC Ở ALEXANDRIA
Như vậy thành phố Alexandria (ngày nay thuộc Ai Cập) là nơi sinh thành những quy luật vật lý học đầu tiên mà ngày nay chúng ta biết được và đã xuất hiện một ngành khoa học đầu tiên về sau trở nên một bộ phận của vật lý học: cơ học. Thực ra nó không hoàn toàn giống với cơ học hiện đại. Nó gần như là môn thuỷ tổ của tĩnh học - chuyên nghiên cứu việc phân tách lý thuyết các cơ cấu máy đơn giản nhất như đòn bẩy và mặt phẳng nghiêng. Cơ học ấy khác xa học thuyết triết học của Aristotle về chuyển động, vì trong nó đã sử dụng tới phương pháp định lượng.
Thiêu cháy hạm đội La Mã, tranh khắc thế kỷ XVII
Những thành tựu cơ học đã làm thay đổi cách phân loại khoa học, do Aristotle đề xuất gồm khoa học “thuần tuý” và khoa học “hỗn hợp”. Nhờ có Euclid và Archimedes danh sách các khoa học hỗn “hỗn hợp” với toán học, ngoài thiên văn âm nhạc, được bổ sung thêm cơ và quang học.
Nhà vật lý và kĩ sư cổ Hi Lạp Ctesibius Alexandria (thế kỷ III tr.CN) là người thế hệ đầu tiên hiến mình cho nghệ thuật cơ khí, mà tên tuổi đã ghi vào lịch sử, tuy về đời riêng thì hầu như không còn được biết tí gì, các khảo luận của ông cũng bị thất truyền. Nhà kĩ sư - kiến trúc sư cổ La mã Vitruvius (nửa cuối thế kỷ I tr.CN) có kể rằng Ctesibius là con trai người thợ cạo vốn không được học toán học, nhưng rất say mê khám phá: ông từng tìm cách đặt cái gương ở bàn cắt tóc của cha, sao cho nó được một vật nặng treo bằng sợi dây ẩn giấu làm đối trọng, giữ chiếc gương luôn thăng bằng. Người khách dễ bàng kéo gương lại gần, dùng xong lại kéo nó lên cao.
Có lẽ chính Ctesibius nêu ý tưởng rằng không khí là vật thể và vì thế có thể làm cho nó sinh công hữu ích. Từ đó phát sinh ra ngành mới của cơ học, chuyên nghiên cứu sử dụng không khí nén - khí lực học (pneu- matics). Không khí nén bằng bơm thuỷ lực đã tạo âm cho đàn organ chẳng hạn.
Vitruvius cũng kể rằng Ctesibrius đã chế hình nộm các con vật, chuyển động được nhờ sức nước. Nhờ các dụng cụ kĩ thuật khác nhau tiếng các dòng nước róc rách từ bên trong hình nộm tựa như tiếng của con vật phát ra. Biết cách rút nước đều đặn khỏi thùng chứa, Ctesibius đã kiện toàn cơ chế đồng hồ nước và sử dụng bánh xe răng truyền đầu tiên. Các đồng hồ ấy đếm được số nguyên đơn vị thời gian (giờ), và mỗi giờ có một viên đá roi ra.
Một bác học khác, có lẽ là học trò của Ctesibius, tên là Philon ở Byzantium, là tác giả của ''Trật tự cơ học'', nay chỉ còn lại một phần. Ông đã có công sáng tạo ra nhiều thuật ngữ kĩ thuật và đặt nền móng cho khoa thẩm mĩ học kỹ thuật.
Bên cạnh việc mô tả tỉ mỉ những công trình quân sự khác nhau, Philon còn mô tả các thực nghiệm với cái nghiệm nhiệt (thermoscope Cái nghiệm nhiệt của ông là 2 quả cầu thuỷ tinh, nối nhau bằng một ống thuỷ tinh. Một quả cầu chứa nước, quả kia chứa không khí. Trong nước sẽ nổi lên các bọt khí, minh chứng cho sự nở nhiệt của không khí. Khi làm nóng quả cầu chứa nước, nước sẽ dâng lên trong ống và tràn vào quả cầu kia. Vậy là Philon đã chứng minh được rằng cả nước và không khí đều bị giãn nở khi nóng lên.
Các kết quả thục nghiệm đó về sau được các nhà cơ khí Alexandria sử dụng vào những sáng chế của mình, mà nổi tiếng nhất là Heron ở Alexandria (khoảng thế kỷ I của CN). Ngoài những công trình về toán học, ông đã để lại khá nhiều khảo luận về cơ học, phần lớn còn lại đến nay, như: ''Khí lực học'', 2 quyển; ''Máy tự động'', ''Các công trình quân sự'', “Máy ném đá thủ công''... Ngoài ra 3 quyển ''Cơ học'' của ông, chỉ còn lại bản dịch tiếng A rập, đã bị “sai lệch ý tứ” khá nhiều. Trong lời nói đầu của tác phẩm ''Các công trình quân sự'', Heron đã tự gọi mình là học trò của Ctesibius. Cũng như ông thầy mình, ông mô tả tỉ mỉ nhiều công trình xây dựng và đồ chơi cơ khí. Nổi tiếng nhất trong số đó là các cơ cấu mở tự động các cánh của nhà thờ, khi đốt lửa trên bệ thờ. Còn thứ có tên là ''eolipil'' tức ''bánh xe Heron'' là một thứ máy hơi nước đầu tiên tổ tiên xa của tua bin phản lực ngày nay.
Heron đôi khi cũng khảo sát những vấn đề lý thuyết ví như trong quyển I của ''Khí lực học'' ông lý giải điều gì sẽ xảy ra nếu khoảng trống không tồn tại: khi đó làm sao có thể nén ép không khí? ''Theo khẳng định của các nhà vật lý học, không khí gồm các phân tử cực kỳ bé nhỏ mà ta không nhìn thấy, nhỏ có khoảng trống giữa chúng nên có thể nén nó, bắt nó sinh công''.
Trong quyển II của “Cơ học” có một chương lý thuyết dành cho 5 cơ cấu tối giản: tời, đòn bẩy, ròng rọc, nêm (mặt phẳng nghiêng), và trục vít. Từ bấy giờ sự trình bày lý thuyết về 5 cơ chế đã trở thành bắt buộc đối với khảo luận lý luận về cơ học, cho mãi đến thời Galilei. Trong sách ''Cơ học” của mình, Heron đã lần đầu tiên phát biểu điều kiện cân bằng của vật trên mặt phẳng nghiêng. Song nhà bác học đã không rút ra được công thức đúng (là điều mãi đến thời trung đại mới làm được).
NGÀY TÀN CỦA CƠ HỌC
Nhà cơ học, nhà sáng chế xuất sắc cuối cùng của thời đại Cổ Hi Lạp là Pappus ở Alexandria (nửa sau thế kỷ III CN), người khảo sát về mặt lý thuyết công cơ của 5 cơ chế tối giản. Ông đã trình bày các lập luận của mình trong khảo luận ''Tuyển tập toán học''. Tựa hồ đã tiên cảm được ngày tàn của thời cổ đại, Pappus cố hợp nhất mọi thứ quý giá nhất thời đó trong khảo luận của mình. Tác phẩm của ông nổi bật bởi tính phong phú. Mọi lý thuyết cũ trong đó được hoà trộn với thực hành kĩ thuật mới, thành một bài giảng cơ học đúng truyền thống, có từ thời Euclid và Archimedes, xen lẫn việc lý giải cấu trúc vật chất và nguồn gốc của nó theo tinh thần của khoa học tự nhiên cổ đại. Hơn nữa Pappus tuyên bố: ''học thuyết về vật chất và bản chất các nguyên tố của thế giới'' là nhiệm vụ hàng đầu và quan trọng nhất đối với cơ học, còn nghiên cứu vị trí, trọng lượng của các vật và chuyển động của chúng trong không gian chỉ là thứ yếu''.
Pappus chia cơ học thành phần ''lý thuyết'' và phần ''thủ công'', với nghĩa rất rộng. Phần đầu tiên gồm: hình học, số học, thiên văn học, vật lý học; còn phần thứ hai gồm: gia công đồng, gia công sắt, gia công gỗ, nghề xây dựng, hội họa, chế các cơ cấu nâng, v.v… Cả trong phần lý thuyết lẫn phần thực hành, Pappus noi theo Heron, không đưa ra các chứng minh cho điều phải khẳng định, mà chỉ hạn chế ở việc phát biểu chúng, và viện dẫn Archimedes. Về mặt phẳng nghiêng thì Pappus đã bộc lộ sự khác biệt đáng ngạc nhiên so với Heron. Cũng như bậc tiền bối, ông đã bỏ công tìm nhưng không rút ra được quy luật mặt phẳng nghiêng, trong trường hợp này là tìm ra lực cần phải đặt dọc theo mặt phẳng đó để đẩy được vật có trọng lực xác định di chuyển. Nhưng Pappus mắc một sai lầm mà Heron thì không, đó là việc Pappus không biết phân biệt trọng lực với lực ma sát. Ông cho rằng để chuyển động một vật trên mặt phẳng nghiêng thì cần một lực cụ thể hữu hạn, do trọng lượng của nó quy định. Còn Heron thì đã viết thẳng ra rằng lực cần thiết cho vật như thế chỉ phụ thuộc vào độ bám ở mặt tiếp xúc và vì thế có thể là rất nhỏ một khi mặt đó đủ trơn nhẵn.
Nói chung cuốn sách của Pappus trình bày có phần lộn xộn, không toát ra được ý tưởng chủ đạo nào. Ông cũng không đủ sức hệ thống hoá khối tư liệu khổng lồ đã tích lũy được. Cuốn sách thiếu cả tính chặt chẽ toán học là điều đã từng thấy ở các công trình của Euclid và Archimedes và sự tinh tế kĩ thuật có ở Heron. Tuy nhiên, ở đây có thể thấy được sự liên minh giữa cơ học và hình học, giống như ở Euclid và Archimedes và nỗ lực áp dụng liên minh đó vào mọi môn khoa học về tự nhiên.
QUANG HỌC CUỐI THỜI CỔ ĐẠI
Ngoài các sáng chế kĩ thuật, mô tả trong những khảo luận cơ học, các bác học Alexandria cũng đã thực hiện nhiều thực nghiệm quang học, được kể lại trong các công trình quang học và phản quang học. Sự khác nhau giữa hai bộ môn đó không dễ hiểu với chúng ta ngày nay: quang học nghiên cứu cơ chế nhìn, thị giác, sự hình thành bóng tối, truyền sáng qua lỗ, khe, còn phản quang học (catoptrics) thì nghiên cứu các gương và phản xạ ánh sáng từ chúng. Một truyền thống do Euclid đề xuất được tiếp tục bởi một bác học cổ Hi Lạp sống ở Alexandria là Claudius Ptolemy (khoảng 90 - 160 CN) nổi tiếng hơn cả với tác phẩm “Almagesf”. Khảo luận của ông về quang học và phản quang học là sách có uy tín trong suốt nhiều thế kỷ. Khác với Euclid, tự hạn chế trong phạm vi hình học của các hiện tượng quang học, Ptolemy cố khám phá cơ chế vật lý của thị giác hai mắt và giải thích bản chất màu sắc. Trong khảo luận của Ptolemy có phần phát biểu (đầu tiên trong các phát biểu tìm được đến nay, tuy sai lầm) của định luật khúc xạ. Nói đúng hơn, nó đúng chỉ với trường hợp các góc bé. Nhà bác học đã khẳng định rằng tỉ số góc khúc xạ và góc tới luôn không đổi đối với mặt phân cách hai môi trường cho trước - đúng bằng hệ số khúc xạ (chiết suất) tỉ đối của hai môi trường. Chỉ đến thế kỷ XVII mới khám phá ra định luật khúc xạ đúng, khác định luật Ptolemy ở chỗ, thay vì tỉ số các góc trên kia, phải là tỉ số sin của chúng.
Để tìm định luật đó, Ptolemy đã dùng một trong các thiết bị thực nghiệm đầu tiên và rút ra định luật thuần tuý bằng thực nghiệm, đơn giản vì thời ấy chưa từng có tiền đề lý luận nào. Tuy nhiên, sau khi phát hiện ra quy tắc liên hệ các góc tới với khúc xạ, Ptolemy đã có phần ''đánh lộn sòng'', cố gò các số liệu đo đạc (được thực hiện khá chính xác) cho phù hợp với phát biểu sai của định luật. Ngoài phần công lao ông còn là trường hợp đầu tiên trong lịch sử bị nghi ngờ về “thiếu lương tâm nghề nghiệp”.
Một phát minh quan trọng khác của Ptolemy là ở ranh giới quang học và thiên văn học: Ông đã giải thích được hiện tượng các thiên thể đi tới gần đường chân trời thì vận tốc di chuyển giảm đi. Nhà bác học hiểu trường hợp này cũng giống như thực nghiệm kinh điển về ''hòn đá trong bát nước''. Hòn đá nằm trong cái bát không, bị thành bát che lấp, nên con mắt quan sát ở vị trí bên ngoài đủ thấp sẽ không thấy được nó. Đổ nước vào đầy bát, thì lại thấy được hòn đá. Con người đứng trên mặt đất nhìn thấy cả ngôi sao đã đi xuống dưới đường chân trời, vì tia sáng bị khúc xạ trong không khí. Ngôi sao đi xuống càng gần đường chân trời, thì góc khúc xạ càng tăng và làm ta tưởng như ngôi sao lặn chậm đi!
