Научная революция ХVI-ХVII веков
Новый величайший переворот в системе культуры происходит в эпоху Возрождения, которая охватывает ХIV – начало XVII в. Эпоха Возрождения - эпоха становления капиталистических отношений, первоначального накопления капитала, восхождении социально-политической роли города, буржуазных классов, складывания абсолютистских монархий и национальных государств, эпоха глубоких социальных конфликтов, религиозных войн, ранних буржуазных революций, возрождения античной культуры, эпоха титанов мысли и духа.
В эпоху Возрождения была проведена основная мыслительная работа, подготовившая возникновение классического естествознания. Это стало возможным благодаря мировоззренческой революция, совершившейся в эпоху Ренессанса и состоявшей в изменении системы “человек – мир человека”. В эпоху Ренессанса происходит мировоззренческая переориентация субъекта: на первый план постепенно выдвигается отношение человека к Природе, отношение же человека к Богу выступает как производное. Важной заслугой культуры Возрождения являлось и то, что в ней главной ценностью становится бескорыстное объективное познание мира.
На основе этой важнейшей мировоззренческой ценности и складываются непосредственные предпосылки возникновения классического естествознания.
1. Коперниканская революция
В первую половину средневековья, длившегося более тысячелетия, в Европе господствовала библейская картина мира, сменившаяся затем догматизированным аристотелизмом и геоцентрической системой Птолемея. Постепенно накапливавшиеся астрономические наблюдения подтачивали основы этой картины. Несовершенство, сложность и запутанность птолемеевской системы становились очевидными. Все многочисленные попытки увеличения ее точности достигались за счет ее все прогрессирующего усложнения. Уже в средневековье сосуществовало несколько моделей планетных движений, но все они опирались на геоцентризм и в конце концов сводились к системе Птолемея, лишь усложняя ее.
Птолемеевская система не только не позволяла давать точные предсказания; она еще страдала явной несистематичностью, отсутствием внутреннего единства и целостности; каждая планета рассматривалась сама по себе, имела отдельную от остальных эпициклическую систему, свои собственные законы движения. В геоцентрических системах движение планет представлялось с помощью нескольких равноправных независимых математических моделей. Строго говоря, геоцентрическая теория не была геоцентрической системой
, так как объектом этой теории система планет (или планетная система) и не являлась; в ней речь шла об отдельных движениях, не связанных в некоторое системное целое. Геоцентрические теории позволяли предвычислять лишь направления на небесные светила, без попыток раскрыть истинную удаленность и расположение их в пространстве. Птолемей считал последние две задачи вообще неразрешимыми. Установка на поиск внутреннего единства и системности и была той стержневой основой, вокруг которой концентрировались непосредственные предпосылки геоцентрической системы.
Среди предпосылок создания гелиоцентрической теории особое место принадлежит возникшей необходимости реформы юлианского календаря, в котором два основные счисления - равноденствие и полнолуние - потеряли связь с реальными астрономическими событиями. Календарная дата весеннего равноденствия, приходившаяся в IV в. новой эры на 21 марта и закрепленная за этим числом Никейским собором в 325 г. как важная отправная дата при расчете основного христианского праздника пасхи, к XVI в. отставала от действительной даты равноденствия на 10 дней! Еще с VIII в. юлианский календарь пытались совершенствовать, но безуспешно. Проходивший в 1512 – 1517 гг. в Риме Латеранский собор отметил чрезвычайную остроту проблемы календаря и предложил ее решить крупнейшим астрономам. Среди них был и Н. Коперник, который ответил тогда отказом, так как считал недостаточно развитой и точной теорию движения Солнца и Луны, которые и лежат в основе календаря. Вместе с тем, это предложение стало для Н. Коперника одним из мотивов совершенствования геоцентрической теории.
Другая общественная потребность, стимулировавшая поиски новой теории планет, лежала в сфере мореходной практики. Новые, более точные таблицы движения небесных тел, прежде всего Луны и Солнца, нужны были для вычисления положений Луны для данного места и момента времени. Определяя разницу во времени одного и того же положения Луны на небе – по таблицам и по часам, установленным по Солнцу во время плавания, находили долготу места на море. Долгое время это был единственным способом нахождения долготы во время длительных морских плаваний в эпоху Великих географических открытий. Совершенствование теории планетной системы стимулировалось также и нуждами все еще популярной тогда астрологии.
Величайшим мыслителем, которому суждено было начать великую революцию в астрономии, повлекшую за собой революцию во всем естествознании, был гениальный польский астроном Николай Коперник (1473 – 1543). Еще в конце XV в., после знакомства и глубокого изучения “Альмагеста”, восхищение математическим гением Птолемея сменилось у Коперника сначала сомнениями в истинности этой теории, а затем и убеждением в существовании глубоких противоречий в геоцентризме. Он начал поиск других фундаментальных астрономических идей, изучал в подлинниках сохранившиеся сочинения или изложения учений древнегреческих математиков и философов, в том числе и первого гелиоцентриста Аристарха Самосского, и мыслителей, утверждавших подвижность Земли. (В древности кроме Аристарха Самосского гелиоцентрические идеи высказывались пифагорейцами Филолаем и Экфантом, учеником Аристотеля Гикетом Сиракузским и др.
Кроме того, в античности и средневековье в различных мистических, эзотерических учениях духовный центр мира (Единое, Благо, Логос, Абсолют и др.) олицетворялся с Солнцем как источником “духовного” света. Такое олицетворение получило название “духовного гелиоцентризма”.)
Обладая широким складом мышления, Коперник первым взглянул на весь накопившийся за тысячелетия опыт астрономии глазами человека эпохи Возрождения: смелого, уверенного, творческого, новатора. Предшественники Коперника не имели смелости отказаться от самого геоцентрического принципа и пытались либо совершенствовать мелкие детали птолемеевой системы либо обращаться к еще более древней схеме гомоцентрических сфер. Коперник сумел разорвать с этой тысячелетней консервативной астрономической традицией, преодолеть преклонение перед древними авторитетами. Н. Коперник был движим идеей внутреннего единства и системности астрономического знания; он искал простоту и гармонию в природе, ключ к объяснению единой сущности многих; кажущихся различными явлений. Результатом этих поисков и явилась гелиоцентрическая система мира.
Где-то между 1505-1507 г.г. Коперник в “Малом комментарии” излагает принципиальные основы гелиоцентрической астрономии. Теоретическая обработка астрономических данных завершается к 1530 г. Но только в 1543 г. полностью увидело свет одно из величайших творений в истории человеческой мысли - “ О вращениях небесных сфер”. В нем изложена математическая теория сложных видимых движений Солнца, Луны, пяти планет и сферы звезд с соответствующими математическими таблицами и приложением каталога звезд. В центре мира Коперник поместил Солнце, вокруг которого движутся планеты,– и среди них впервые зачисленная в ранг “подвижных звезд” Земля со своим спутником Луной. На огромном расстоянии от планетной системы находилась сфера звезд. Его вывод о чудовищной удаленности этой сферы теперь диктовался самим гелиоцентрическим принципом: только так мог Коперник согласовать его с видимым отсутствием у звезд смещений за счет движения самого наблюдателя вместе с Землей, отсутствием у них параллаксов.
Система Коперника была проще и точнее системы Птолемея. Этой простотой и точностью сразу же воспользовались в практических целях. На ее основе составили “Прусские таблицы” (Э. Рейнгольд, 1551 г.). Она позволила уточнить длину тропического года и провести в 1582 г. давно назревшую реформу календаря. В результате был введен новый, или григорианский, стиль.
Меньшая сложность теории Коперника и получавшаяся, но лишь на первых порах, большая точность вычислений положений планет по гелиоцентрическим таблицам были не самыми главными достоинствами его теории.
В чем же действительное достоинство, привлекательность и истинная сила теории Коперника? Почему она вызвала революционное преобразование всего естествознания?
Любое новое всегда возникает на базе и в системе старого. Коперник не был в этом отношении исключением. Он во многом еще разделял представления старой, аристотелевской космологии. Так, он представлял Вселенную замкнутым пространством, ограниченным сферой неподвижных звезд. Он не отступал от аристотелевской догмы, в соответствии с которой истинные движения небесных тел могут быть только равномерными и круговыми. Стремление восстановить аристотелевские принципы движения небесных тел, нарушавшиеся в ходе развития геоцентрической системы, кстати сказать, было для Коперника одним из мотивов поисков иных, негеоцентрических походов к описанию движений планет.
И, кроме того, Коперник стремился создать логически простую и стройную планетную теорию. В отсутствии такой простоты и стройности, системности Коперник и увидел коренную несостоятельность теории Птолемея. В этой теории отсутствовал единый стержневой принцип, который мог бы объяснить системные закономерности в движениях планет. Коперник был уверен, что представление движений небесных тел как единой системы позволит определить реальные физические характеристики небесных тел, т.е. то, о чем в геоцентрической модели вовсе не было и речи. И потому свою теорию он рассматривал как теорию реального устройства Вселенной.
Возможность перехода к гелиоцентризму (подвижности Земли, обращающейся вокруг реального тела – неподвижного Солнца, расположенного в центре мира) Коперник совершенно справедливо усмотрел в представлении об относительном характере движения. Принцип относительности был известен древним грекам, хотя и применялся ими недостаточно, но был совершенно забыт в Средние века. Неравномерное петлеобразное движение планет, неравномерное движение Солнца Коперник, как и Птолемей, считал кажущимся эффектом. Но он представил этот эффект не по- птолемеевски, т. е. как результат подбора и комбинации движений по условным вспомогательным окружностям, а впервые указал на реальную кинематическую его причину: перемещение самого наблюдателя (как при наблюдении с плывущего корабля предметов, находящихся на берегу). Иначе говоря, этот эффект объяснялся тем, что наблюдение ведется с движущейся Земли. Это допущение подвижности Земли и было главным новым принципом в системе Коперника.
Обоснование введения принципа гелиоцентризма Коперник усматривал в особой роли Солнца, отразившейся уже в птолемеевской схеме. В этой схеме планеты по свойствам их движений как бы разделялись Солнцем на две группы – нижние (ближе к Земле, чем Солнце) и верхние. В комбинации кругов для описания видимого движения каждой планеты существовал обязательно один круг с годичным, как у Солнца, периодом движения по нему. Для верхних планет- это был первый, или главный эпицикл, для нижних – деферент. Кроме того, Меркурий и Венера (нижние планеты) вообще все время сопровождали Солнце, лишь совершая около него колебательные движения. Революционное значение гелиоцентрического принципа состояло в том, что представил движения всех планет как единую систему, объяснил многие ранее непонятные эффекты. Так, с помощью двух основных действительных движений Земли – годичного и суточного – теория Коперника сразу же объяснила все главные особенности запутанных видимых движений планет (попятные движения, стояния, петли) и раскрыла причину суточного движения небосвода. Впервые получила объяснение смена времен года: Земля движется вокруг Солнца, сохраняя неизменным в пространстве положение оси своего суточного вращения.
В системе Коперника впервые получила объяснение загадочная прежде последовательность размеров первых, или главных, эпициклов у верхних планет, введенных Птолемеем для описания петлеобразных движений планет. Размеры их оказались убывающими с удалением планеты от Земли. Движение по этим элициклам, равно как и движение по деферентам для нижних планет, совершалось с одним и тем же годичным периодом, равным периоду обращения Солнца вокруг Земли! Все эти годичные круги геоцентрической системы оказались излишними в системе Коперника. Петлеобразные движения планет теперь объяснялись одной единственной причиной – годичным движением Земли вокруг Солнца. В различии же размеров петель (и, следовательно, радиусов соответствующих эпициклов) Коперник правильно увидел отображение того же орбитального движения Земли: наблюдаемая с Земли планета должна описывать видимую петлю тем меньшую, чем дальше она от Земли.
Более того, это глубокое объяснение видимых явлений позволило Копернику впервые в истории астрономии поставить вопрос об определении действительных расстояний планет от Солнца. Коперник понял, что этими расстояниями планет были величины, обратные радиусам первых зпициклов для внешних планет и совпадающие с радиусами деферентов – для внутренних. (Таким образом, то, что Птолемей считал в принципе непостижимым, на самом деле уже содержалось в скрытом виде в его системе.) Таким образом он получает весьма точные относительные расстояния планет от Солнца (в расстояниях Земля – Солнце, т. е. в астрономических единицах, выражаясь современным языком)
Относительные расстояния планет в Солнечной системе по Копернику
(в скобках – современные данные) (Довольно хорошее совпадение оценок показывает достаточно высокую точность, достигнутую в измерениях некоторых постоянных астрономических величин уже в древности.).
Меркурий 0,375 (0,387)
Венера 0,720 (0,723)
Земля . 1,000 (1,000)
Марс 1,52 (1,52)
Юпитер. 5,2 1 (5,20)
Сатурн 9,18 (9,54)
Логическая стройность, четкость, простота и совершенство теории Коперника, ее способность объяснить немногими причинами то, что раньше либо не объяснялось вовсе, либо объяснялось совершенно искусственно, связывать в единое то, что ранее считалось совершенно различными явлениями - несомненные достоинства этой теории; они свидетельствовали о ее истинности. Наиболее проницательные мыслители, ученые это поняли сразу.
И уже не столь важным было то, что Коперник отдал дань античным и средневековым традициям: он принял круговые равномерные движения небесных тел, центральное положение Солнца во Вселенной, конечность Вселенной, ограниченной сферой звезд, ограничивал мир единственной планетной системой. Допуская лишь круговые равномерные движения по окружностям, Коперник отверг эквант – эту, быть может, наиболее остроумную находку Птолемея. Этим он сделал даже некоторый принципиальный шаг назад. Сохранил Коперник и эпициклы и деференты. Принцип круговых равномерных движений вынудил его для достаточно точного описания движения планет сохранить свыше трех десятков эпициклов (правда, всего 34 вместо почти 80 в геоцентрической системе).
И тем не менее теория Коперника содержала в себе колоссальный творческий, мировоззренческий и теоретико-методологический потенциал. Ее историческое значение трудно переоценить.
2. Дж. Бруно: мировоззренческие выводы из коперниканизма
Задача сравнения птолемеевской и коперниковской теорий актуализировалась лишь в 70-е годы ХVI столетия, когда два знаменитых астрономических события (вспышка сверхновой в 1572 г. и яркая комета 1577 г.) в очередной раз поставили под сомнение основы аристотелевской космологии. Мировоззренческие и теоретические выводы из гелиоцентризма, его развитие и совершенствование - заслуга ученых следующего поколения. Среди них: Тихо Браге, Дж. Бруно, И. Кеплер, Г. Галилей, Дж. Борелли и др.
Прежде всего, не замедлили мировоззренческие выводы из коперниканизма. Признав подвижность, планетарность, неуникальность Земли, теория Коперника тем самым устраняла вековое представление об уникальности центра вращения во Вселенной. Центром вращения стало Солнце. Но Солнце не было уникальным телом. О его тождественности со звездами догадывались еще в античное время. И потому следующий шаг в мировоззренческих выводах был вполне закономерен. Он был сделан бывшим монахом одного из неаполитанских монастырей Джордано Бруно (1548 – 1600), личности исключительно яркой, смелой, способной на бескомпромиссное стремление к истине. Познакомившись в 60-e годы с гелиоцентрической теорией Коперника, Бруно сначала отнесся к ней с недоверием. И чтобы выработать свое собственное отношение к проблеме устройства космоса, он обратился к изучению системы Птолемея и к материалистическим учениям древнегреческих мыслителей, и в первую очередь атомистов, о бесконечности Вселенной. Кроме того, большую роль в формировании его взглядов сыграло его знакомство с идеями Николая Кузанского, который отрицал возможность для любого тела быть центром Bceленной в силу ее бесконечности. Пораженный этой идеей, Бруно понял, какие грандиозные перспективы открывал гелиоцентризм, если обогатить его идеей бесконечности Вселенной. Объединив гелиоцентризм с идеями Н. Кузанского об изотропности, однородности и безграничности Вселенной, Дж. Бруно и пришел к построению концепции множественности планетных систем в бесконечной Вселенной.
Бруно отвергал замкнутую сферу звезд, центральное положение Солнца во Вселенной и провозглашал тождество Солнца и звезд, множественность “солнечных систем” в бесконечной Вселенной, множественную населенность Вселенной. Бруно писал о колоссальных различиях расстояний до разных звезд и сделал вывод, что поэтому соотношение их видимого блеска может быть обманчивым. Он разделял небесные тела на самосветящиеся – звезды, солнца, и на темные, которые лишь отражают солнечный свет “из-за обилия на них водных или облачных поверхностей”.Бруно утверждал изменяемость всех небесных тел, полагая, что существует непрерывный обмен между ними и космическим веществом. Он утверждал общность элементов, составляющих Землю и все другие небесные тела, и считал, что в основе всех вещей лежит неизменная неисчезающая первичная материальная субстанция.
Именно Бруно набросал первый и достаточно четкий эскиз современной картины вечной, никем не сотворенной, вещественной единой бесконечной развивающейся Вселенной с бесконечным числом очагов Разума в ней. В свете учения Дж. Бруно теория Коперника снижает свой ранг: она оказывается не теорией всей Вселенной, а теорией лишь одной из множества планетных систем Вселенной и, возможно, не самой выдающейся такой системы. Но Н. Коперник, будь он современником этих дерзновенных воззрений бескомпромиссного итальянского монаха, как мы сейчас может предполагать, не был бы на него в обиде за такую переоценку гелиоцентрической теории.
Новое, ошеломляюще смелое учение Бруно, открыто провозглашавшееся им в бурных и победных диспутах с представителями церковных кругов, определило дальнейшую трагическую судьбу ученого. К тому же дерзость его научных выступлений была хорошими предлогом, чтобы расправиться с ним и за его откровенную критику непомерного обогащения монастырей и церкви. 17 февраля 1600 г. великий мыслитель был сожжен на площади Цветов в Риме....А спустя почти три столетия на месте казни Бруно, где некогда был зажжен костер, был воздвигнут памятник великому мыслителю с посвящением, начинающимся словами: “От столетия, которое он предвидел...”
К середине ХVII века гелиоцентрическая теория окончательно победила геоцентризм. Коперниканизм был признан научной общественностью и стал рассматриваться как теория действительного строения Вселенной. На повестке дня оказалась проблема физического обоснования гелиоцентризма. И потому в середине ХVII века астрономическая революция закономерно перерастает в физическую революцию.
3. И. Кеплер: открытие тайны планетных орбит
В 1580 г. в Дании на островке Вен (в 20 км от Копенгагена) была построена невиданная еще астрономическая обсерватория, названная “Небесным замком” (“Ураниборгом”). Инициатором и организатором строительства обсерватории и новых огромных инструментов для астрономических наблюдений (квадрант радиусом в 2 метра, точность которого доходила до 1 / 6 ' , сектанта для измерения угловых расстояний между звездами, большого небесного глобуса и др.) был Тихо Браге (1546 – 1601), датский дворянин, посвятивший свою жизнь не воинским подвигам, а служению “Богине Неба” – Урании.
Первое выдающееся открытие Тихо Браге сделал еще в 1572 году, когда с помощью наблюдений над вспыхнувшей яркой звездой в созвездии Кассиопеи показал, что это вовсе не атмосферное явление (как считалось в соответствии с аристотелевой картиной мира), но что это удивительное изменение произошло в сфере (считавшихся неподвижными) звезд. (Впоследствии выяснилось, что эта звезда была сверхновой). Более двух десятков лет провел Т. Браге в Ураниборге, определяя положение небесных объектов с удивительной точностью, если помнить, что тогда не знали еще телескопов и других оптических инструментов.
Тихо Браге был блестящим астрономом-наблюдателем, но не теоретиком. Это и мешало ему воспринять учение Коперника. Однако Браге ощущал и недостатки птолемеевской геоцентрической системы. Поэтому им была разработана система, занимавшая промежуточное место между геоцентрической и гелиоцентрической: по этой системе Солнце движется на эксцентрической окружности вокруг неподвижной Земли, а в это время планеты обращаются вокруг Солнца.
К счастью, судьба распорядилась так, что жизненные пути Тихо Браге пересеклись с трудными, полными невзгод и лишений жизненные дорогами И. Кеплера (1571 – 1630). И. Кеплер - великий немецкий ученый, который заложил фундамент новой теоретической астрономии и учения о гравитации, показавший, что законы надо искать в природе, а не выдумывать их в голове как искусственные схемы и подгонять под такие схемы явления природы. На смертном одре Тихо Браге завещал Кеплеру все свои рукописи, содержавшие результаты многолетних астрономических наблюдений, с тем, чтобы Кеплер доказал справедливость его, Браге, гипотезы о строении планетной системы. Это завещание не было и не могло быть выполнено. Но Кеплер сделал несравненно более великое открытие - он раскрыл главную тайну планетных орбит!
Будучи глубоко религиозным человеком и увлекаясь в молодости астрологией, Кеплер поставил перед собой жизненную цель - проникнуть в божественные планы творения мира, постичь тайны строения Вселенной. Будучи уверенным, что бог как высшее творческое начало при сотворении мира должен был руководствоваться идеальными, математическими, совершенными числовыми отношениями и геометрическими формами, Кеплер пытался объяснить существование только шести планет (Во времена Кеплера было известно только шесть планет Солнечной системы, наблюдаемых невооруженным глазом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн. Планета Уран была открыта В. Гершелем в 1781 г., Нептун открыт астрономом Галле и математиком Леверье в 1846., Плутон был обнаружен только в 1930 г.) у Солнечной системы существованием всего 5 правильных многогранников. На этом пути Кеплер решает задачу связать орбиты планет со вписанными в многогранники и описанными вокруг них сферами. Затем закономерно возникает и вопрос об отношениях радиусов орбит планет между собой, решение которого, в свою очередь, подводит Кеплера к поискам точных законов гелиоцентрического планетного мира и превращает это в главное дело его жизни.
В ходе такой колоссальной работы проявились не только его гениальность как астронома и математика, но и смелость мысли, свобода духа, благодаря которым он сумел преодолеть тысячелетние традиции и предрассудки. Многолетние поиски проявления числовой гармонии Вселенной, простых числовых отношений в мире завершились для Кеплера открытием действительных законов планетных движений, изложенные в его сочинениях “Новая, изыскивающая причины астрономия, или физика неба” (1609) и “Гармония мира” (1619).
В начале XVII в., хотя основные космологические идеи древних греков и утратили свое научное значение, тем не менее некоторые из них за столетия приобрели характер абсолютных положений, отказаться от которых не хватало смелости духа. Так, в плоть и кровь ученых вошло представление о том, что только круговое, равномерное, “естественное” движение единственно допустимо для небесных тел. Даже Коперник и Галилей остались во власти этого убеждения, незыблемости этих древних космологических принципов. Против этой древней научной догмы и выступил Кеплер. После пяти лет трудоемкой математической обработки огромного материала наблюдений Тихо Браге за движением Марса, Кеплер к 1605 г. открыл и в 1609 г. опубликовал первые два закона планетных движений (сначала для Марса, затем распространил их на другие планеты и спутники).
Один из них утверждал эллиптическую форму орбит
и тем разрушал принцип круговых движений в космосе. Другой показывал, что планеты не только движутся по эллиптическим орбитам, но и движутся по ним неравномерно.
Скорость планет изменяется таким образом, что площади, описываемые радиусом-вектором в равные промежутки времени, равны между собой (закон постоянства площадей), в связи с чем рухнул принцип равномерности истинных небесных движений.
Но Кеплер идет еще дальше и ставит вопрос о динамике движения планет. До Кеплера планетная космология, опиравшаяся на принцип “естественности” движений небесных тел, была кинематической. Преследуя одну цель – предвычисление видимых положений светил, т. е. направлений на них, авторы планетных теорий, начиная с Птолемея, ограничивались разработкой кинематико-геометрических моделей мира, даже не пытаясь определить его действительное устройство. Даже у Коперника схема орбитальных движений планет оставалась старой, кинематической. И только Кеплер увидел в гелиоцентрической картине движений планет действие единой физической силы и поставил вопрос о ее природе.
Уже в 1596 г. в своем первом сочинении “Космографическая тайна” он обратил внимание на то, что с удалением от Солнца периоды обращения планет увеличиваются быстрее, чем радиусы их орбит, т. е. уменьшается скорость движения планет. Здесь возможно было два объяснения. Первое - движущая сила сосредоточена в каждой планете, и у далеких планет она почему-то меньше, чем у близких (так думал Тихо Браге). Второе - движущая сила единая для всей системы и сосредоточена в ее центре – Солнце, которое действует сильнее на близкие и слабее на далекие планеты. Кеплер остановился на втором, поскольку эта идея лучше объясняла первые два закона планетных движений.
Через десять лет после опубликования первых двух законов Кеплер установил (1619) универсальную зависимость между периодами обращения планет и средними расстояниями их от Солнца (третий закон Кеплера - квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы средних расстояний этих планет от Солнца).
Это окончательно убедило его в том, что движением планет управляет именно Солнце.
Поэтому Кеплер впервые поставил вопрос о физической природе и точном математическом законе действия силы, движущей планеты. Действие Солнца на планеты Кеплер сравнивал с действием магнита. Такое сравнение было вполне в духе времени, для которого характерно особое увлечение магнитными явлениями.
4. Г. Галилей: разработка понятий и принципов “земной динамики”
В формировании классической механики и утверждении нового мировоззрения велика заслуга Г. Галилея (1564-1642). Год рождения Галилея - это год смерти Микеланджело и год рождения В. Шекспира. Галилей - выдающаяся личность переходной эпохи от Возрождения к Новому времени.
С прошлым его сближает неопределенная трактовка проблемы бесконечности мира; он не принимает кеплеровых эллиптических орбит и ускорений планет; (Галилей считал их простым воскрешением древней пифагорейской идеи о роли числа во Вселенной, несовместимой с новым экспериментальным естествознанием, за которое он боролся. Поэтому он не обратил внимания и на кеплеровы законы (а, возможно, и не ознакомился с ними, хотя Кеплер послал ему свое сочинение 1609 г.).) у него нет еще представления о том, что тела движутся по кривым в “плоском” однородном пространстве благодаря их взаимодействиям; он еще не освободился от чувственных образов и качественных противопоставлений и др. Но в то же время он весь устремлен в будущее. Галилей уже открывает дорогу математическому естествознанию; он был уверен, что “законы природы написаны на языке математики”; его стихия - мысленные кинематические и динамические эксперименты, логические конструкции; главный пафос его творчества - возможность математического постижения мира; смысл своего творчества он видит в физическом обосновании гелиоцентризма, учения Коперника. Галилей закладывает основы экспериментального
естествознания: показывает, что естествознание - это умение делать научные обобщения из опыта, а эксперимент - важнейший метод научного познания.
Еще будучи студентом (университет г. Пиза), Галилей делает открытие большой научной и практической значимости - открывает закон изотропности колебаний маятника, который сразу же нашел применение в медицине, астрономии, географии, прикладной механике. Сразу же после изобретения зрительной трубы (1608 г.) он усовершенствовал ее и превратил в телескоп с 30-кратным увеличением, с помощью которого совершил ряд выдающихся астрономических открытий: открыл спутники Юпитера, Сатурна, фазы Венеры, солнечные пятна, обнаружил, что Млечный Путь представляет собой скопление бесконечного множества звезд, и др.
За истинность и признание своих открытий Галилею пришлось вести сложнейшую борьбу с церковной ортодоксией. Ведь его жизнь и деятельность происходили в атмосфере Контрреформации, усиления католической реакции. Это был трагический для естествознания период истории. Речь шла о суверенитете разума в поисках истины. В 1616 г. учение Коперника было запрещено, а его книга внесена в инквизиционный “Индекс запрещенных книг”. После выхода в свет декрета начались сумерки итальянской науки, в научных кругах воцарило мрачное безмолвие.
Церковь дважды вела процессы против Галилея. После первого процесса в 1616 году Галилей вынужден был перейти к методам “нелегальной борьбы” за коперниканизм. В то же время он продолжает исследование законов движения тел под действием сил в земных условиях. Основные итоги этих исследований были изложены им в книге “Диалог о двух системах мира”, которая вышла в свет во Флоренции в 1632 году.
Книга Галилея вызвала восторг в научных кругах всех стран и бурю негодования среди церковников. Иезуиты немедленно начали компанию против Галилея, которая привела ко второму процессу инквизиции в 1633 году. Инквизиция пригрозила Галилею не только его осуждением как еретика, но и уничтожением всех его рукописей и книг. От него требовали признания ложности учения Коперника. Галилей вынужден был уступить. Ценой тягчайшей моральной пытки, невероятных унижений перед теми, кого он так страстно бичевал в своих произведениях, Галилей купил возможность завершения своего дела.
Существует легенда, что 22 июня 1633 г. в церкви Святой Марии после прочтения текста формального отречения Галилей произнес фразу “Eppur si muove!” (И все-таки она движется!). Эта легенда вдохновляла многих художников, писателей, поэтов. На самом деле эта фраза не была произнесена ни в этот день, ни позже. Но тем не менее эта непроизнесенная фраза выражает действительный смысл жизни и творчества Галилея после приговора. В годы, последовавшие за процессом, Галилей продолжал разработку рациональной динамики.
Историческая заслуга Галилея перед естествознанием состоит в следующем:
· Галилей разграничивает понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движения;
· формулирует понятие ускорения (скорость изменения скорости);
· показывает, что результатом действия силы на движущееся тело является не скорость, а ускорение;
· выводит формулу, связывающую ускорение, путь и время S = 1 / 2 ( a t І );
· формулирует принцип инерции (“если на тело не действует сила, то тело находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейного равномерного движения”);
· вырабатывает понятие инерциальной системы;
· формулирует принцип относительности движения (все системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга (т.е. инерциальные системы) равноправны между собой в отношении описания механических процессов);
· открывает закон независимости действия сил (принцип суперпозиции).
На основании этих законов появилась возможность решения простейших динамических задач. Так, например, Х. Гюйгенс дал решение задач об ударе упругих шаров, о колебаниях физического маятника, нашел выражение центробежной силы.
Исследованиями Галилея был заложен прочный и надежный фундамент динамики и методологии классического естествознания. Дальнейшие исследования лишь углубляли и укрепляли этот фундамент. С полным основанием Галилея называют “отцом современного естествознания”.
5. Ньютонианская революция
Целая плеяда ученых ХVII века внесли свой вклад в развитие предпосылок классической механики (И. Буйо, Дж. Борелли, Гук и др.).
Обобщение результатов естествознания ХУП века выпала на долю И. Ньютона (1643 – 1727). Именно Ньютон завершил грандиозную работу постройки фундамента нового классического естествознания. Вразрез с многовековыми традициями в науке, Ньютон впервые сознательно отказался от поисков “конечных причин” явлений и законов и ограничился, в противоположность картезианцам, точным изучением количественных проявлений этих закономерностей в природе.
Обобщая существовавшие независимо друг от друга результаты своих предшественников в стройную теоретическую систему знания (ньютоновскую механику), Ньютон тем самым явился и родоначальником классической теоретической физики.
Родился И. Ньютон в небольшой деревушке Вульсторп в графстве Линкольн 5 января 1643 г. в семье мелкого фермера. Детские и отроческие годы прошли в среде фермеров и сельских пасторов. В детстве Исаак жил в основном на попечении бабушки. Склонный к одиночеству, размышлениям, упорный в учебе мальчик закончил школу первым и в 1660 г. поступил в Кембридж. Все свои великие открытия он сделал или подготовил в молодые годы, в 1665 – 1667 гг., спасаясь в родной деревушке Вулсторпе под Лондоном от чумы, свирепствовавшей в городах Англии. (К этому периоду относится известный анекдот о падающем яблоке, наведшим Ньютона на мысль о тяготении). Среди этих открытий: знаменитые законы динамики, закон всемирного тяготения, создание (одновременно с Лейбницем) новых математических методов – дифференциального и интегрального исчислений, ставших фундаментом высшей математики; изобретение телескопа-рефлектора, открытие спектрального состава белого света и др.
С именем Ньютона связано открытие или окончательная формулировка основных законов динамики: закона инерции; пропорциональности между количеством движения (mv) и величиной движущей силы (F); равенства по величине и противоположности по направлению сил при центральном характере взаимодействия. Вершиной научного творчества Ньютона стала его теория тяготения и провозглашение первого действительно универсального закона природы – закона всемирного тяготения.
В 1666 г. у Ньютона возникает идея всемирного тяготения, его родства с силой тяжести на Земле и идея о том, каким образом можно вычислить силу тяготения. Доказательство тождества между силой тяготения и силой тяжести на Земле проводится у Ньютона путем вычисления центростремительного ускорения Луны в ее обращении вокруг Земли; затем Ньютон уменьшает это ускорение пропорционально квадрату расстояния Луны от Земли, после чего оно оказывается равным ускорению силы тяжести у земной поверхности. Обобщая эти результаты, Ньютон приходит к выводу, что для всех планет имеет место притяжение к Солнцу, что все планеты тяготеют друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Дальнейший шаг заключался в том, что Ньютон выдвинул тезис, в соответствии с которым сила тяжести пропорциональна лишь количеству материи (массе) и не зависит от формы материала и других свойств тела. Развивая это положение, Ньютон приходит к закону всемирного тяготения в общем виде.
Не будет преувеличением сказать, что 28 апреля 1686 года - одна из величайших дат в истории человечества. В этот день Ньютон представил Лондонскому королевскому обществу свою новую всеобщую теорию - механику земных и небесных процессов. В систематической форме изложение классической механики было дано Ньютоном в книге “Математические начала натуральной философии”, которая вышла в свет в 1687 году. Современники Ньютона тотчас же высоко и достойно оценили этот уникальный труд.
Исключительно плодотворным оказался способ изучения явлений природы, разработанный Ньютоном. Eго учение о тяготения была уже не общим натурфилософским рассуждением и умозрительной схемой, а логически строгой, точной (и более чем на два века единственной) фундаментальной теорией - особым рабочим инструментом исследования окружающего мира, прежде всего движения небесных тел. Физическим фундаментом небесной механики стал закон всемирного тяготения.
Из закона всемирного тяготения Ньютон вывел в качестве простых следствий (и уточнил при этом) кеплеровы законы эллиптического движения планет и показал, что в Солнечной системе в общем случае движение ее тел может происходить по любому коническому сечению, включая параболу и гиперболу. На этом основании он сделал вывод о единстве законов движения комет и планет и включил впервые кометы в состав Солнечной системы. Ньютон дал также математический (геометрический) метод вычисления истинной орбиты кометы по ее наблюдениям, что вскоре позволило Галлею открыть первую периодическую комету (комета Галлея). Разрозненные прежде и загадочные явления на Земле и на небе: приливы и отливы, сжатие планет (уже обнаруженное тогда у Юпитера), наконец, прецессия – нашли четкое объяснение в единой теории всемирного тяготения Ньютона. Новыми, подтвердившимися лишь после смерти Ньютона, были его выводы о сплюснутой у полюсов форме Земли. Ньютону принадлежит и великая заслуга объяснения возмущенного движения в Солнечной системе как неизбежного следствия устройства этой системы. Чисто кеплеровского движение, определяемое действием одного центрального светила – Солнца, как показал Ньютон, обязательно будет нарушаться у планет и спутников из-за их взаимного воздействия друг на друга. (Эти отклонения от некоего правильного движения еще задолго до открытия законов Кеплера были впервые обнаружены Птолемеем в движении Луны. Ньютон открыл в ее движении новые неравенства – попятное движение узлов, годичное и параллактическое неравенства и др.).
Формирование основ классической механики
было величайшим достижением естествознания ХVII века. Классическая механика была первой фундаментальной естественнонаучной теорией. В течение трех столетий (с ХVII в. по начало ХХ в.) она выступала единственным теоретическим основанием физического познания, а также ядром второй естественнонаучной картины мира - механистической.
Нельзя не сказать о математических достижениях
Ньютона, без которых не было бы и его гениальной теории тяготения. Свой метод расчета механических движений путем рассмотрения бесконечно малых приращений величин – характеристик исследуемых движений Ньютон назвал “методом флюксий” и описал его в сочинении “Метод флюксий и бесконечных рядов с приложением его к геометрии кривых” (закончено в 1671 г., полностью опубликовано в 1736 г.). Вместе с методом Лейница он составил основу современных дифференциального и интегрального исчислений. В математике Ньютону принадлежат также важнейшие труды по алгебре, аналитической и проективной геометрии и др.
Несмотря на свой знаменитый девиз “Гипотез я не измышляю””, Ньютон как мыслитель крупнейшего масштаба не мог не задумываться и над предельно общими проблемами мироздания. Так, в частности, он распространил свою теорию тяготения на проблемы космологии
.
Применив закон тяготения, подтвержденный тогда лишь для Солнечной системы, ко всей Вселенной, Ньютон рассмотрел главную космологическую проблему: конечна или бесконечна вселенная. И пришел к выводу, что лишь в случае бесконечности вселенной материя может существовать в виде множества космических объектов – центров гравитации. В конечной же вселенной материальные тела рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира. Это было первой строгое физико-теоретическое обоснование бесконечности мира.
Ньютон задумывался и над проблемой происхождения такой упорядоченной Вселенной. Однако здесь он столкнулся с задачей, для решения которой еще не располагал научными фактами. Он считал, что материя сама по себе косна, пассивна и не способна к движению. И потому, например, для него тайной являлось начало орбитального движения планет. Для раскрытия этой тайны оставалось прибегнуть лишь к некоей более могучей, чем тяготение, организующей силе. В ту эпоху в качестве такой силы мыслился, разумеется, лишь бог. Поэтому Ньютон допускал божественный “первый толчок”, благодаря которому планеты приобрели орбитальное движение, а не упали на Солнце. Обнаружив неизбежность возмущений в движениях планет и спутников (т.е. отклонений от кеплеровых законов), которые могли иметь вековой характер, нарастая со временем, Ньютон вынужден был сделать вывод о необходимости в время от времени подправлять расшатывающийся механизм планетных движений. Подобную функцию опять-таки мог выполнять только бог...
Потребовалось всего полвека развития науки и общего мировоззрения под воздействием открытий самого Ньютона, чтобы появились мыслители, категорически отвергавшие идею божественного начального толчка и внесшие в естествознание идею естественной эволюции материи. Первым из таких мыслителей был И. Кант.
Список литературы
Азимов А. Краткая история биологии. М.,1967.
Алексеев В.П. Становление человечества. М.,1984. Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. М.,1961 Борн М. Эйнштейновская теория относительности.М.,1964.
Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М.,1981.
Гинзбург В.Л.О теории относительности. М.,1979.
Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала 19 века до середины 20 века. М.,1979.
Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М.,1986.
Кемпфер Ф. Путь в современную физику. М.,1972.
Либберт Э. Общая биология. М.,1978 Льоцци М. История физики. М.,1972.
Моисеев Н.Н. Человек и биосфера. М.,1990.
Мэрион Дж. Б. Физика и физический мир. М.,1975
Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.
Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М.,1993.
Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М.,1990.
Пригожин И.,Стенгерс И. Порядок из хаоса. М.,1986.
Пригожин И., Стенгерс И. Время, Хаос и Квант. М.,1994.
Пригожин И. От существующего к возникающему. М.,1985.
Степин В.С. Философская антропология и философия науки. М.,1992.
Фейнберг Е.Л. Две культуры. Интуиция и логика в искусстве и науке. М.,1992.
Фролов И.Т. Перспективы человека. М.,1983.
|
