Tekst ukazał się w POLITYCE 4 listopada 2009 r.
Potrzeba matką wynalazku – dowodzi tego historia urządzeń, które wyprzedziły swoją epokę i trzeba było setek lat, by je odkryto na nowo oraz zastosowano.
Czym jest mechanizm z Antykithiry?
W 1902 r. nurkowie wydobyli z wraku rzymskiego statku, leżącego koło greckiej wyspy Antykithira, silnie skorodowane bryłki brązu. Początkowo myślano, że to fragmenty zegara nowożytnego, który przez przypadek trafił do morza, jednak badania Dereka Price’a z Yale University udowodniły, że zabytek ma ponad 2 tys. lat.
Badacz stwierdził, że urządzenie składało się z systemu co najmniej 30 kółek zębatych z greckimi inskrypcjami i było rodzajem kalendarza do wyliczania faz Księżyca. Michale Wright z Muzeum Nauki w Londynie prześwietlił mechanizm tomografem komputerowym. Okazało się, że określał on nie tylko pozycję Słońca oraz Księżyca, ale i pięciu znanych wówczas planet. Najnowsze badania Mike’a Edmundsa i Tony’ego Freetha z Cardiff University pozwoliły odczytać większość pokrywających mechanizm inskrypcji.
Z ich analizy wynika, że urządzenie powstało pod koniec II w. p.n.e. Skrzyneczka (o wymiarach 31×19×10 cm) mogła być otwierana z dwóch stron. Napędzane korbką tarcze pokazywały ruchy Słońca i Księżyca, inne umożliwiały synchronizację kalendarza słonecznego z księżycowym, jeszcze inne przewidywały zaćmienia. Brakujące tarcze pokazywały ruch planet. Zauważono również nazwy Nemea, Istmia, Pytia i Olimpia – miejscowości, w których odbywały się igrzyska. Mechanizm z Antykithiry wyznaczał zatem daty zawodów sportowych.
Kto stworzył to urządzenie?
Konstruktorem mechanizmu prawdopodobnie mogli być pochodzący z Rodos astronomowie (skąd płynął zatopiony statek) Hipparch lub Posejdonios, ale również Archimedes z Syrakuz. Najnowsze badania lingwistyczne dowodzą, że nazwy miesięcy zapisano w dialekcie zachodnim, jakim mówiono na Sycylii.
Mechanizm z Antykithiry jest dowodem na istnienie niezwykle zaawansowanej techniki już w II w. p.n.e. Urządzenia o podobnym stopniu precyzji pojawiły się dopiero w renesansie, a pierwsze planetarium w 1704 r. Miejsce znalezienia mechanizmu zdaje się dowodzić, że był on w starożytności używany, z pewnością jednak Rzymianie już sto lat później nie potrafili wykonać takiego urządzenia. O kalkulatorze z Antykithiry zapomniano na prawie 1500 lat.
Zapomniana wiedza starożytności
Odkrycia archeologiczne dowiodły też, że człowiek zna elektryczność od ponad 2 tys. lat. W Chudżat Rabua koło Bagdadu archeolog Wilhelm König natrafił w 1936 r. na tajemnicze naczynie z III w. p.n.e. W jego wnętrzu znajdował się miedziany walec, zawierający żelazny pręt i resztki asfaltu – było to ogniwo galwaniczne. Odkrycie kolejnej „baterii” w latach 60. XX w. pozwoliło zrekonstruować urządzenie. Fizyk Walter Winton stwierdził, że po wlaniu do naczynia dowolnego kwasu (np. cytrynowego lub octu) pomiędzy miedzią a żelazem pojawiało się napięcie 0,5 V. Szybko okazało się, że urządzenia takie jeszcze do niedawna bagdadzcy złotnicy stosowali do złocenia przedmiotów, a ich ogniwa galwaniczne nie były nikomu znane, bo rzemieślnicy nie zdradzali postronnym tajemnic swego fachu.
Różnice między nauką a techniką brytyjski fizyk i historyk nauki Derek de Solla Price pokazał na przykładzie – gdybyśmy spotkali cywilizację pozaziemską, nasza nauka i ich nauka operowałyby tymi samymi stałymi fizycznymi, wzorami i prawami matematycznymi, jednak nasze i ich osiągnięcia techniczne mogłyby być diametralnie różne, tak jak samochód i latający talerz.
Zazwyczaj zaczyna się od pomysłu, potem powstaje prototyp. Wynalazek ma zaskoczyć, zwiększać efektywność, rozwiązywać jakiś problem, powinien też zaspokajać społeczną potrzebę. Każdy z wynalazków – czy to pierwsze narzędzie, prosta dźwignia do podważenia kamienia, łuk, koło, pismo czy architektura – spełniał te warunki, ale ich droga do sukcesu często była długa i mozolna. Nie zawsze wystarczyło krzyknąć za Archimedesem: Eureka!, by genialne techniczne rozwiązanie przyjęło się i znalazło zastosowanie.
Nie wiadomo, ile czasu minęło od wynalezienia koła do jego wykorzystania w wozie. Podobnie – zanim zaczęliśmy pisać – przez wieki używaliśmy różnych systemów znaków do odnotowywania liczb, dopiero gdy pojawiła się potrzeba zapisywania innych informacji (w związku z rozwojem handlu i administracji), narodziło się pismo pozwalające utrwalać treści nieliczbowe. Niektóre wynalazki urodziły się za wcześnie, nie trafiły w swoją epokę, przez co zostały zapomniane.
– Czasami echa takich odkryć mogą pojawiać się w mitach i baśniach, opisując technicznie niewykonalne wyczyny – uważa prof. Bolesław Orłowski z Instytutu Historii Nauki PAN. – Dobrym przykładem jest koń trojański, który mógł być prototypem tarana do rozwalania bram miejskich, co zresztą sugeruje już Pliniusz Starszy. Mitem mało prawdopodobnym z technicznego punktu widzenia jest opowieść o Dedalu i Ikarze. Niektórzy mówią, że ich ucieczka z Krety to relacja pierwszej próby lotu szybowcowego. Wydaje mi się, że latanie jest metaforą, a Dedal wynalazł po prostu żeglowanie pod wiatr. Kapitanowie okrętów kreteńskich, którzy nie potrafili go dogonić, uznali, że odfrunął. Tymczasem Dedal mógł wpaść na pomysł, że lawirując reją żagla, ustawioną niemal równolegle do kila, można zygzakiem posuwać się pod wiatr. Obydwa te wynalazki musiały jeszcze dojrzeć – taran zaczął być powszechnie używany przez Asyryjczyków w VIII w. p.n.e., kilkaset lat po legendarnym zdobyciu Troi, a żegluga pod wiatr upowszechniła się dopiero w III w. p.n.e., ale jeszcze w X w. tu i ówdzie uważana była za coś niezwykłego.
Wynalazki starożytnych uczonych
Wiele informacji o ówczesnych wynalazkach przekazują nam sami starożytni. Grecki geograf z II w. p.n.e. Pauzaniasz pisze, że w ateńskim Erechtejonie kilkaset lat nieprzerwanie płonęła automatyczna lampa, wynaleziona przez Kallimacha w V w. p.n.e. Ponoć wykonana była ze złota, miała automatycznie wysuwany knot z włókien azbestowych, a oliwę uzupełniano tylko raz na rok. Platonowi przypisano wynalezienie budzika, czyli zegara wodnego wyposażonego w gwizdek. Wśród machin wojennych Archimedesa, zbudowanych do obrony Syrakuz w 212 r. p.n.e., pojawia się urządzenie zwane lewarem do podnoszenia świata, które budziło przerażenie oblegających. Ta wielka łapa podnosiła ponoć statki do góry, wywracała je i zatapiała. Współcześni badacze nie wiedzą ani jak wyglądała, ani jak działała.
Najbardziej płodnymi konstruktorami maszyn byli Grecy. Ich pomysły włoski językoznawca i matematyk Lucio Russo nazywa „zapomnianą rewolucją naukowo-techniczną”, której ponowne odkrycie 1500 lat później odegrało ogromną rolę w rozkwicie epoki nowożytnej. W starożytności wiele rewelacyjnych wynalazków nie znalazło praktycznego zastosowania i nie trafiło do produkcji masowej.
Najsłynniejszym naukowcem i konstruktorem III w. p.n.e. był wspomniany już Archimedes, który szczególnie interesował się teorią dźwigni. Jego najbardziej znanym wynalazkiem była ślimacznica – śruba umieszczona wewnątrz rury – która szybko znalazła zastosowanie w irygacji pól. Archimedes przyczynił się do wielkiego skoku w rozwoju mechaniki, gdyż dał podstawy do tego, że „fachowcy nauczyli się obliczać teoretycznie wydajność mechaniczną, dzięki czemu po raz pierwszy mogli projektować teoretycznie maszyny” – pisze Russo w książce „Zapomniana rewolucja” (Universitas 2005).
Kolejnym wielkim wynalazcą hellenistycznym był Ktesibios z Aleksandrii, jednego z najprężniej działających ośrodków naukowych ówczesnego świata. Ten ojciec pneumatyki wykorzystywał w swoich maszynach sprężystość powietrza i stosował zawór. Jego dziełem była pompa ssąco-tłocząca (przez wieki wykorzystywana w sikawkach przeciwpożarowych) oraz organy wodne, poprzednik organów średniowiecznych. Dzięki sprężonemu powietrzu dźwięk wydobywający się z piszczałek był tak potężny, że muzykę słyszano nawet w wielkich amfiteatrach. To był pierwszy instrument klawiszowy, w dodatku zaprojektowany naukowo. Organy przyjęły się – znaleziono ich fragmenty m.in. w Dion koło Olimpu i w Budzie. Innym wynalazkiem Ktesibiosa był precyzyjnie odmierzający czas zegar wodny, który o wyznaczonej godzinie uruchamiał różne automaty i piszczałki, służące jako zabawki albo budziki. Zegar działał dzięki stałemu dopływowi wody do zbiornika, w którym podnosił się pływak, wskazujący na wykalibrowanym walcu odpowiednią godzinę.
Następnym znanym z imienia konstruktorem hellenistycznym był żyjący na przełomie III i II w. p.n.e. Filon z Bizancjum, twórca listy siedmiu cudów świata, ale także wynalazca termometru i katapulty. On też jako pierwszy skonstruował automaty teatralne, w których figurki poruszały się na dźwigni wprawianej w ruch kołami zębatymi, obracanymi dzięki ciężarkom zawieszonym na sznurach. Jednak jako prawdziwy mistrz automatycznych zabawek zasłynął Heron z Aleksandrii.
„Pneumatica” i wynalazki Herona
W połowie II w. p.n.e., wraz z podbojami rzymskimi, aleksandryjska nauka zaczęła podupadać. Największym kontynuatorem hellenistycznej myśli technicznej był żyjący w I w. n.e. Heron. W swoich dziełach „Pneumatica” i „O budowie automatów” opisuje ogromną liczbę cudownych machin, w których wykorzystuje śruby, zębatki, przekładnie, łańcuchy transmisyjne, śmigła, wały, śruby napędowe, tłoki i zawory. Źródłem energii dla jego maszyn jest woda, wiatr i para. W swoich urządzeniach często stosuje mechanizm sprzężenia zwrotnego. Opisywana przez Herona technika jest zbyt złożona, by można ją było przypisać jednemu wynalazcy. Nie ma zresztą wątpliwości, że czerpał wiedzę z odkryć swoich wielkich poprzedników, o których zapewne czytał w księgach Biblioteki Aleksandryjskiej. Jedni widzą w Heronie geniusza, inni zdolnego kompilatora, który zajmował się głównie konstruowaniem zabawek.
To on pierwszy skonstruował automatyczny dystrybutor, który po wrzuceniu do maszyny monety pięciodrachmowej wydawał odpowiednią porcję wody do oczyszczeń w świątyni. Zasada była prosta – wpadająca moneta uderzała o dźwignię, która podnosiła do góry korek zatykający rurkę odpływową. Po jednym odchyleniu dźwignia wracała do pierwotnego położenia, a woda przestawała płynąć. Innym urządzeniem Herona był taksometr do mierzenia przebytej drogi. Działanie tego aparatu opierało się na współdziałaniu ślimacznic i kół zębatych, które odliczały przejechaną odległość, co można było odczytać na tarczach znajdujących się na wieku skrzynki. W udoskonalonym przez Witruwiusza taksometrze przebytą drogę było słychać, gdyż po przejechaniu kolejnego odcinka do skrzyneczki na dole taksometru spadały kamyczki. Po podróży kamyczki wyjmowano i przeliczano odległość. Istniały też podobne mierniki drogi przeznaczone do podróży morskich, zaopatrzone w koła ze szprychami w kształcie wioseł.
Zdolności Herona wykorzystali kapłani. Wielkie wrażenie musiały robić automatyczne drzwi. Wrota otwierały się w magiczny sposób, gdy kapłan zbliżał się do nich z procesją i na specjalnym ołtarzu rozpalał ogień. Ciepło napędzało ukryty pod podłogą system rur, pojemników i ciężarków, który otwierał wrota. Dla ludu to sam bóg otwierał podwoje swego domu, dając znak, że jest zadowolony z ofiary. Gdy ogień wygasał, wrota zamykały się. Zmyślną maszyną był automatyczny wróżbita. Wierny stawał przed posągiem zwanym omenem i kręcił korbką, zadając mu pytanie. Jeśli bogowie odpowiadali twierdząco, figurka ptaka zaczynała śpiewać. Ale o tym, czy bóg powie „tak”, decydował ukryty kapłan, który uruchamiał mechanizm podłączony do gwizdka wodnego, działającego na zasadzie syfonu. Heron unowocześnił też teatr automatyczny, który miał ruchomą scenografię, aktorów z drewna i efekty dźwiękowe. Niektóre z tych spektakli trwały nawet 20 minut.
Najważniejszym, a zarazem najmniej docenionym odkryciem Herona była skromna zabawka zwana po łacinie aeolipile, a potocznie banią Herona, która pełniła funkcję turbiny parowej. Zamknięty kocioł z wodą umieszczano nad paleniskiem. Gdy woda zaczynała wrzeć, para unosiła się do kuli, w której po dwóch przeciwnych stronach znajdowały się dysze. Para wydobywająca się pod dużym ciśnieniem z dysz wprawiała kulę w ruch obrotowy. Wydawać by się mogło, że od aeolipile był tylko krok do skonstruowania maszyny parowej. Tak się jednak nie stało. – Bania Herona to klasyczny przykład, że do zastosowania wynalazku niezbędna jest potrzeba – mówi prof. Orłowski. – W owym czasie w Imperium Rzymskim stosunkowo niedawno (w I w. p.n.e.) wprowadzono koło wodne i dysponowano tanią siłą roboczą – niewolnikami i zwierzętami – niepotrzebne były zatem kolejne źródła energii. W dodatku nikomu nie zależało na zwiększeniu produkcji, gdyż nie było odbiorców na towary.
Dlaczego Hellada?
Osiągnięcia hellenistycznych uczonych i konstruktorów wynikały z przychylnego klimatu, jaki wówczas stworzono, gdyż panujący – wielcy mecenasi nauki – wykorzystywali ją jako narzędzie władzy. W połowie II w. p.n.e. zanikł związek nauki z polityką. Rzymianie postawili na wojsko i prawo. Argument, że niewolnictwo wykluczało wiele odkryć, nie dotyczy Egiptu, ale jak ulał pasuje do imperialnego Rzymu. Słynny jest przykład cesarza Wespazjana, który zakazał montowania dźwigu hydraulicznego, bo nie chciał odebrać pracy rzymskiemu pospólstwu.
W czasach rzymskich, mimo niechęci do finansowania badań, zdawano sobie sprawę z wygody gwarantowanej przez urządzenia mechaniczne i produkowano je w większych ilościach, zwłaszcza gdy służyły wojsku. Urządzenia poprawiające wygodę i zabawiające bogaczy, takie jak zabawki mechaniczne Herona, wykonane były często w jedynym egzemplarzu. Obsługiwać je i naprawić mógł tylko konstruktor, dlatego wiele automatów umierało razem z wynalazcą. Zdarzało się, że rzymscy kontynuatorzy wielkich hellenistycznych poprzedników nie zawsze rozumieli to, co oni napisali, i nie potrafili zrekonstruować ich dzieł. Tak mogło być w przypadku mechanizmu z Antykithiry.
Ten napędzany korbką kalkulator to symbol pokazujący, na jak długo zapomnieliśmy o osiągnięciach nauki i techniki starożytnej. Dla Europy okres przestoju w tej dziedzinie rozpoczął się w drugiej połowie I tys. W tym czasie pałeczkę przejęli Arabowie i Chińczycy. Ich wynalazki – proch, kompas, sejsmograf, jedwab, papier, druk czy sztuczne ognie – pojawiały się w Europie z mniejszym lub większym opóźnieniem. Wynikało to przede wszystkim z odległości i izolacji Państwa Środka. – Chińczycy jako pierwsi dysponowali wszystkim, co było potrzebne do opanowania świata – sterem zawiasowym, kompasem, prochem – ale to nie oni, tylko Europejczycy, wykorzystując ich wynalazki, narzucili połowie świata europejski sposób myślenia – mówi prof. Orłowski.
W renesansie Europa na nowo odkryła starożytną naukę i wynalazki. Russo pisze, że co prawda ówcześni intelektualiści nie byli w stanie zrozumieć wszystkich hellenistycznych teorii naukowych, lecz jak bystre dzieci wpatrywali się w zamieszczone w ich książkach rysunki. Leonardo da Vinci i inni z zapartym tchem studiowali schematy maszyn pneumatycznych, oblężniczych, instrumentów muzycznych i przekładni zębatych.
Kolejna rewolucja stała już za drzwiami. – W XVI i XVII w. nauka europejska coraz bardziej doceniała rolę eksperymentu i to stało się bazą intelektualną techniki – mówi prof. Orłowski. – Natomiast czymś innym była XVIII-wieczna rewolucja przemysłowa, która wyrosła z praktycznych potrzeb przemysłu i biznesu. Zapatrzeni w nowożytne osiągnięcia często zapominamy, jak wiele zawdzięczamy starożytnym.