القياس الحراري عند اليونانيين

ارتكز ظهور مقاييس درجة الحرارة Thermometers على تطوُّر مفهوم درجة الحرارة Temperature، ويرتكز مفهوم درجة الحرارة بدَوره على القانون الأوَّل في الترموديناميك، أو القانون الصفري الذي يَنُصُّ على أنه إذا كان لدينا نظامان في حالة توازنٍ مع نظام ثالث، فإنَّ أحدهما يكون في حالة توازُن مع الآخر.^١

أي لتمييز درجة سخونة الأجسام من برُودتها يُستَعان بمفهوم درجة الحرَارة، ويُمكن إعطاء التعريف الكمِّي لهذا المقدار من حيث المبدأ عن طريق استخدام أيَّة خاصيةٍ للأجسام بحيث تعتمد على درجة السخونة. لكن ثمَّة إشكالية في هذا التعريف؛ فإذا قمنا بتدريج عمودٍ من الزئبق يُوجَد في حالة توازُنٍ حراري مع الجسم المقاسة درجةُ حرارته، فإنَّ مثل هذا التدريج هو اختياريٌّ بشكلٍ صرف بحيث لا يُمكن أن يتضمن إطلاقًا أيَّ معنىً فيزيائيٍّ عميق، وإنما هو اختيارٌ مرتبط بالطَّابع العَفْوي للزئبق مثلًا والزُّجاج الذي يُصنَع منه الوعاء الحاوي للزئبق؛ ولذلك يعتمد الفيزيائيون اليوم على التدريج الترموديناميكي أو المُطلَق الذي يرتبط بشكلٍ وثيق بأهم الخصائص الحرارية لجميع المواد.^٢

من ناحيةٍ أخرى، تُعتبَر درجة الحرارة لأي مادةٍ مقياسًا لمتوسط طاقتها الحركية، أو متوسط سرعة حركة جُزيئاتها؛ فعند درجة الحرارة ٣٥^° مئوية مثلًا، يكون متوسط سرعة جُزيئات غاز الأكسجين ١٧٥٠كم/ساعة، وعندما تصل درجة الحرارة إلى ١٠٠^° مئوية يرتفع إلى ١٩٤١كم/ساعة، وهكذا كُلَّمَا ارتفعَت درجة الحرارة، ازداد متوسِّط سرعة الجُزيئات، وتُعبِّر حركة الجُزيئات عن الطاقة الحركية.^٣

لقد أصبح اليوم قياسُ درجة الحرارة علمًا قائمًا بحد ذاته يُدعى عِلم القياس الحراري Thermometry ويُعرَّف بأنه فرع الفيزياء الذي يتعامل مع قياس درجة الحرارة. وهو علمٌ يُعنى ببناء واستخدام مقاييس الحرارة.^٤ وأصبح قياسُ كمية من الحرارة في عِلم مقاييس الحرارة الحديث يعتمد على مبدأَين أساسيَّين، يرتبطان بهذا المقدار عن طريق تسخين كُتلة من أي جسمٍ آخر، وهذان المبدآن هما:^٥

كان للهنود مثلًا ميزانهم الخاص الذي يعتمد على الحشَرات الذي لا يزال يستخدم حتى اليوم بعض التطوير؛ حيث إنَّ جنادب الأشجار كانت تُسمى «ميزان حرارة الفقراء»؛ لأنَّ درجة الحرارة تؤثِّر على معدَّل نشاطها، وكانت عملية قياسهم تتم وَفْق الطريقة الآتية: احصِ عدد السقسقات التي يصنعها الجندب خلال ١٥ ثانية، ثم أضف إليها الرقم ٣٧ تحصل على درجة الحرارة بالفهرنهايت^٦ للجو.^٧

لكننا سنجد أن مفهوم القياس الحراري بالنسبة لليونانيين كان مُخْتلفًا. ذكَرنا أنَّ القاعدة الأساسية لصياغة مفهوم درجة الحرارة، هي إدراكُ الخاصية التي تحتاج إمكانيةَ المُراقبة بشكلٍ كمِّي لاستبدال مفهومنا الحسي المشكوك فيه عن الحرارة والبرودة. مع أنَّ أساس العمل بالنسبة لهذا الإدراك قد طَرحَته النظرية المادية لديموقريطس، إلا أنَّ تقدُّمًا بسيطًا تمَّ تحقيقه في هذا الاتجاه يمكن أن يكون منسوبًا إلى تأثير أرسطو.^٨ وفي استعراضنا الآتي سنكون واقعيين أكثر باعتماد ما وصلَنا من وثائقَ تُشير إلى بدايات الكشف عن وجود حرارة مُتزايدة في وسطٍ ما لدى اليونانيين.

يرى الباحث مارتن بارنت M. Barnett أنَّ مفاهيم الحرارة والبرودة — عند أرسطو — جاءت سويةً مع الرُّطوبة واليبوسة، والتي منحَت حالاتٍ كيفية أساسيَّة، حيث إنَّ أساس الجسم الواحد يُحدِّده مقدار الكيفيات الأربعة الموجودة فيه. وقد عارَض أرسطو مبدأ الفِكْرة القائمة على أن هذه الكيفيات، والتي نعتبرُها ثانويةً أو مُشْتَقَّة، يمكن تقليصُها إلى كيفياتٍ أخرى أساسية أُولى؛ بمعنًى آخر: إلى خواصَّ يمكن الاستدلال بها برموزٍ كمية. وهكذا فإنَّ استبدال مفهوم الحرارة والبرودة بمفهوم درجة الحرارة كان أمرًا مُستبعَدًا منذ البداية مع أرسطو ومفكِّرين عديدين آخرين في القرون الوسطى وما بعده.^٩ لكننا لا نتَّفِق معه؛ وذلك لأنه كلامه هذا مبنيٌّ على إطار البحث الذي رسَمه لنفسه؛ فقد بحث في الموروث اليوناني وانتقل لموروث عصر النهضة وبكل تأكيد دون أن يمُرَّ على الموروث العربي والإسلامي؛ لذلك فإنَّ الفصل الثاني من هذا الباب سيوضِّح الكثير من الحقائق التي كانت غائبةً عن أعين المؤرِّخين الغربيين حول إسهامات العُلماء العرب والمسلمين في مجال علم القياس الحراري.

بالنِّسبة إلى المِكْشاف الحراري Thermoscope، فإنَّه ثمَّة سؤالٌ تمهيدي لا بد من الإجابة عليه: متى تُصبح تجربة الهواء المضغوط، أيًّا كان نوعه، مِكْشافًا حراريًّا؟ إذا أخذنا ذلك كأساسٍ فإنه ينبغي للمُجَرِّب أن يكون لديه منظورٌ واضح في صنع أداةٍ المقصودُ منها أن تُعطيَ بعضَ الدلالة المرئية للتغيُّرات عن حالتها الحرارية، لكن لا يكفي أن يُؤوَّل سلوكُ أداةٍ بهذه الطريقة. لقد ظهَرَت أُولى تجارب الهواء المضغوط التي يُمكِن أن تُشَكِّل أساس المكشاف الحراري قام بها فيلون البيزنطي. عَمِل فيلون ضاعَ في الأصول اليونانية، لكنَّه بقي محفوظًا في المخطوطات اللاتينية^١٠ والعربية.^١١

وصَف فيلون جهازَه كما في الشكل السابق، ووضَّح من خلاله طريقةَ تمدَّد وتقلُّص الهواء؛ حيث يُؤخذ كرةٌ رصاصية ذاتُ حجمٍ مُعتدل، وداخلها فراغٌ فسيح؛ يجبُ ألا تكون رقيقةً جدًّا حتى لا تنفجر بسهولة، ولا ثقيلة، إنَّما جافةٌ تمامًا بحيث تنجح التجربة. من خلال فتحة في الأعلى يمُر سيفون منحنٍ يصل تقريبًا إلى القاع. الطرف الآخر لهذا السيفون يتم تمريره في وعاءٍ مليء بالماء، أيضًا يصل تقريبًا إلى الأسفل؛ بحيث يتدفَّق الماء خارجه بسهولة. وقد جزم فيلون أنه حين تُوضع الكرة في الشمس وتُصْبح دافئة، فإنَّ بعض الهواء المحصور في الأنبوب سيخرج؛ حيث يتدفَّق الهواء خارج الأنبوب في الماء، ويجعلُه في حالة حركة ويُنتِج فقاعاتٍ هوائية، واحدة بعد الأخرى. إذا تم وضع الكرة في الظل أو في أي مكانٍ آخر لا تخترقه الشمس، إذن سيرتفع الماء خلال الأنبوب ويتدفَّق خلال الكرة، وإذا تم وضع الكرة ثانية في الشمس فسيعود الماء إلى الوعاء وهكذا دوالَيك. وقد وجد فيلون أنَّ التأثير ذاتَه يظهر إذا ارتفعَت حرارة الكرة بالنار أو صُب ماءٌ مغليٌّ فوقها.^١٢

تُشبِه أداة فيلون الحرارية إلى حدٍّ كبير مِكشاف الحرارة الهوائي الذي قَدَّمَه جاليليو بعد ثمانية عشر قرنًا. ويبدو أنَّ هدف فيلون من تجربته إثباتُ فقط «أنَّ النار ترتبط مباشرةً مع الهواء؛ ولذلك السبب يسحبها على الفور معه.» هذه الإشارة إلى الارتباط الوثيق بين النار والهواء مستندةٌ بلا شك على قبول النظرية الأرسطية «العناصر الأربعة»، والتي هي وَفْقًا للأشكال الأربعة الأساسية للمادة النار والهواء والماء والتراب؛ حيث ارتبط عنصر النار بخاصية الحار والجاف، والهواء بخاصية الحار والرطب، والماء بخاصية الرطب والبارد، والتراب بخاصية البارد والجاف. وهكذا إذا كان لدى الهواء خاصية «الحار» على غرار النار، يُمكن تحويلُه إلى نار باستبدال خاصية الجاف بخاصية الرطب.^١٣

حَقَّقَ عملُ^١٤ هيرو السكندري في الهواء المضغوط نجاحًا أفضل من سابقه فيلون؛ إذ من المعروف بأن جاليليو قد قرأ هذا العمل حوالي عام ١٥٩٤م. في غضون ذلك قام الإيطالي جيوفاني بابتيست ديلا بورتا G. B. della Porta (١٥٣٥؟–١٦١٥م) (أو كما يُعْرف باسم جيامباتيست) بقراءة تجربة هيرو في «الينبوع الذي يقطر في الشمس» ووصف جهازًا يصلُح كمكشافٍ حراري هوائي، لكن الغاية منه في الحقيقة فقط رؤية الماء وهو يرتفع بفعل الحرارة. حتى في عام ١٦٠٦م كان من السَّهل القيام بتجربة وصفها ديلا بورتا لمجرد تبيان تمدُّد الهواء بفعل الحرارة وتقلُّصه بالبرودة، لكن تلك لم تكن فِكرتَه عن القيام بإجراء التجارب. مثل غيره الكثيرين، كان يُعيد بعض تجارب هيرو، مع بعض الاختلافات.^١٥

كان مِكْشاف حرارة هيرو يتألف مما يأتي: يتم ملء الكرة المجوَّفة المُغلقة بالماء ما عدا فراغًا للهواء في الأعلى، كان الأنبوب على شكل حرف U المقلوب ومُغلَق بكُرة، تصل النهاية الأولى إلى قاع الكرة، والأخرى تمتد فوق القمع. يبرُز جذع القُمع في قاعدةٍ مجوَّفة، والتي احتوت أيضًا على ماء. امتد أنبوبٌ مُستقيم من الماء في القاعدة إلى فراغ الهواء في الكرة. وصف هيرو كيف يضَع الكرة في الشمس التي تجعل الهواء ساخنًا، وهكذا تُجبِر السائل للخروج من الكرة ومن خلال الأنبوب U وداخل القاعدة. وعند وضع الكرة في الظل، عندها يتم امتصاص الماء من القاعدة من خلال الأنبوب العمودي الذي يُعيده إلى الكرة. لقد كان مِكْشاف حرارة هيرو أكثر إلهامًا من مكشاف حرارة فيلو؛ فقد بقِيَت فيه كمية الهواء ثابتةً في أثناء عمله؛ على كل حال، لم يعتبر هيرو فعليًّا لتكون هذه الحالة بحد ذاتها؛ فقد افترض بأنَّ نُقْصَان حجم الهواء عند التبريد حتى يُشير إلى النقصان في مقداره، وكذلك افترض بأنه يجبُ على الهواء أنه قد نفَذ من خلال مسامات المادة التي تتركَّب منها الكُرة. مع إشارة هيرو إلى تأثير الشمس والظل على سلوك الهواء في مِكْشافه؛ فقد كشَف لنا عن الاهتمام بما قد ندعوه باختلافات درجات حرارة الجو، إلا أنه لا يُوجَد دليل بأنه لا هو أو حتى أتباعه قد استخدم الأداة للاستدلال على درجات الحرارة هذه. تأتي الكلمة اليونانية «مُناخ Climate» من كلمةٍ تعني «خط العرض»، وفي الواقع، فإن المقاييس المناخية الوحيدة المعروفة التي أنجزوها كانت من تفاوُت ارتفاع الشمس حسب الفصل وخطِّ العرض.^١٦

أجرى كلاوديوس جالينوس K. Galen (تُوفِّي ٢٠٠م)، تجربةً بأن خلط مقاديرَ متساويةً من الجليد والماء المغلي، اللذَين اعتبرهما أكثر الأجسام المُتاحة برودةً وسخونة. وقد دعا الخليط مُتَعادلًا^١٧ وعَيَّن أربع درجات برودة تحت تلك النقطة المُتعادلة، وأربع درجات سخونة فوقها.^١٨

كما حاول جالينوس الاستفادة من خاصية ارتفاع حرارة الجسم وانخفاضه في مجال تشخيص الأمراض، فإذا زادت درجة الحرارة فهذا يعني أنَّ المريض مُصَاب بمرضٍ يختلف عن المرض الذي يُصاب به عندما تنخفض درجة حرارته.^١٩

حسَب مُزاولة الطب آنذاك، فقد وجَّه جالينوس الانتباه إلى القيمة العلاجية للعقاقير، والتي من المفترض أن تكونَ مرتبطةً بقُدرتها على إنتاج الحرارة أو البرودة. من بعد أرسطو، لم تُؤخذ «الحرارة» و«البرودة» بعين الاعتبار كشروطٍ نسبيَّة، إنما بوصفها كيفيَّات، ونظيرة للطبيعة، وقادرةً على التعريف المنفصل؛ بناءً على ذلك قدَّم جالينوس مفهوم «درجات» الحرارة والبرودة وذلك للإشارة إلى أيِّ مدًى يُمكِن لهذه الكيفيات أن تكون موجودةً في الجسم. الأجسام الباردة التي تتفوَّق فيها الكيفية الحارَّة على الكيفية الباردة، تم تخصيص الدرجة الأولى أو الثانية أو الثالثة أو الرابعة للبرودة. بالطريقة نفسها، تمَّ تخصيص الأجسام الحارَّة إلى أربع درجات الأولى أو الثانية أو الثالثة أو الرَّابعة. كانت درجات الحرارة والبُرودة هذه أصنافًا كيفية للغاية مرتبطة بقدرة الأطباء على فهمها. بخصوص مفهوم درجة حرارة الجسم العادي نجد اقتراحًا في المُعالجة الحديثة للظاهرات الحرارية. من الواضح، للإقرار بتغيُّر مفهوم القدرة على الفهم، اقترح جالينوس بأنَّ درجة الحرارة العادية أو «المُعتدلة» للجسم تُحدِّدها كلٌّ من الكميتَين البرودة والحرارة المتساوية مقارنةً بالماء المغلي.^٢٠

كانت نقطة الدرجة المُحايدة مزيجًا من كمياتٍ متساوية من الجليد والماء المغلي، وهي التي يبدو بأنَّ جالينوس اعتقد بأنها الأسخن والأبرد في المواد. سواء الكميات كانت أوزانًا أو أحجامًا فهي ليست محدَّدة، وقد نتساءل فيما إذا جالينوس قد قام بمثل هذه التجربة،^٢١ وفي جميع الأحوال تُعتبَر هذه فكرةً سابقة لأوانها بالنسبة لمفهوم الدرجة الثابتة أو معيار درجة الحرارة.^٢٢ (الأرقام الموجودة في الجدول أعلاه مُقترَحة من قِبَل المؤلف لكلِّ درجة).