4.3.Создание классической механики

и экспериментального естествознания

Трагическая гибель Джордано Бруно произошла на ру- беже двух эпох: эпохи Возрождения и эпохи Нового време- ни. Последняя охватывает три столетия — ХVП, ХVIII, ХIХ вв. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыграл ХVII век, ознаменовавшийся рождением современной на- уки, у истоков которой стояли такие выдающиеся ученые, как Галилей, Кеплер, Ньютон.

В учении Галилео Галилея (1564 — 1642) были заложены основы нового механистического естествознания. Как сви- детельствуют А. Эйнштейн и Л. Инфельд, "самая фунда- ментальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет неразрешенной из-за сложности — это проблема движения" ⁴.

До Галилея общепринятым в науке считалось понима- ние движения, выработанное Аристотелем и сводившееся к следующему принципу: тело движется только при наличии внешнего на него воздействия, и если это воздействие пре- кращается, тело останавливается. Галилей показал, что этот принцип Аристотеля (хотя и согласуется с нашим повсе- дневным опытом) является ошибочным. Вместо него Га- лилей сформулировал совершенно иной принцип, получив- ший впоследствии наименование принципа инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не из- меняя направления и скорости своего движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия.

"Открытие, сделанное Галилеем, и применение им ме- тодов научного рассуждения были одним из самых важных достижений в истории человеческой мысли, и оно отмечает действительное начало физики. Это открытие учит нас тому, что интуитивным выводам, базирующимся на непос- редственном наблюдении, не всегда можно доверять, так как они иногда ведут по ложному следу"⁵.

Большое значение для становления механики как науки имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость свободного падения тел не зависит от их массы (как думал Аристотель), а пройденный падаю- щим телом путь пропорционален квадрату времени падения. Галилей открыл, что траектория брошенного тела, движу- щегося под воздействием начального толчка и земного при- тяжения, является параболой. Галилею принадлежит экс- периментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника, немалый вклад в разработку учения о сопротивлении материалов.

Галилей выработал условия дальнейшего прогресса естествознания, начавшегося в эпоху Нового времени. Он понимал, что слепая вера в авторитет Аристотеля силь- но тормозит развитие науки. Истинное знание, считал Галилей, достижимо исключительно на пути изучения при- роды при помощи наблюдения, опыта (эксперимента) и вооруженного математическим знанием разума, — а не пу- тём изучения и сличения текстов в рукописях античных мыслителей.

Росту научного авторитета Галилея способствовали его астрономические исследования, обосновавшие и утверждав- шие гелиоцентрическую систему Коперника. Используя построенные им телескопы (вначале это был скромный оп- тический прибор с трехкратным увеличением, а впослед- ствии был создан телескоп и с 32-кратным увеличением), Галилей сделал целый ряд интересных наблюдений и откры- тий. Он установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности имеются пятна. У самой большой пла- неты Солнечной системы — Юпитера — Галилей обнару- жил 4 спутника (из 13 известных в настоящее время). На- блюдение за Луной показали, что ее поверхность гористого строения и что этот спутник Земли имеет либрацию, т. е. видимые периодические колебания маятникового характера вокруг центра. Галилей убедился, что кажущийся туманно- стью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд.

Но самое главное в деятельности Галилея как ученого- астронома состояло в отстаивании справедливости учения Н. Коперника, которое подвергалось нападкам не только со стороны церковных кругов, но и со стороны некоторых ученых, высказывавших сомнения в правильности этого учения. Галилей сумел показать несостоятельность всех этих сомнений и дать блестящее естественнонаучное доказатель- ство справедливости гелиоцентрической системы в знаме- нитой работе "Диалог о двух системах мира – Птолемеев- ской и Коперниковой".

Как уже отмечалось выше, католической церковью в 1616 г. было принято решение о запрещении книги Коперника "Об обращениях небесных сфер", а его учение объявле- но еретическим. Галилей в этом решении упомянут не был, но ему все же пришлось предстать перед судом инквизиции. После длительных допросов он был вынужден отречься от учения Коперника и принести публичное покаяние⁶.

Однако остановить движение, прервать преемственность научной мысли было уже невозможно. С астрологическими наблюдениями Галилея, описанными им в сочинении "Звездный вестник", ознакомился и дал высокую оценку один из крупнейших математиков и астрономов конца ХVI — первой трети ХVIII вв. Иоган Кеплер (1571 — 1630). Эта оценка астрономических исследований Галилея содержалась в работе Кеплера "Рассуждение о "Звездном вестнике".

Кеплер занимался поисками законов небесной механи- ки и составлением звездных таблиц. На основе обобщения данных астрономических наблюдений он установил три за- кона движения планет относительно Солнца. В своем пер- вом законе Кеплер отказывается от коперниковского пред- ставления о круговом движении планет вокруг Солнца. В этом законе утверждается, что каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Согласно второму закону Кеплера, радиус-вектор, прове- денный от Солнца к планете, в равные промежутки време- ни описывает равные площади. Из этого закона следовал вывод, что скорость движения планеты по орбите не посто- янна и она тем больше, чем ближе планета к Солнцу. Тре- тий закон Кеплера гласит: квадраты времен обращения пла- нет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстоя- ний от него.

Помимо сказанного, Кеплеру принадлежит немало заслуг в астрономии и математике. Он разработал теорию солнечных и лунных затмений, предложил способы их пред- сказания, уточнил величину расстояния между Землей и Солнцем, составил так называемые Рудольфовы таблицы — по имени австрийского императора Рудольфа II, при дворе которого Кеплер занимал место астронома, сменив на этой должности умершего Тихо Браге. С помощью этих таблиц можно было с высокой степенью точности определять в лю- бой момент времени положение планет. Кеплеру принад- лежит также решение ряда важных для практики стереомет- рических задач.

Поскольку Кеплер был сторонником гелиоцентричес- кой космологии Коперника и не скрывал этого, Ватикан относился к его сочинениям отрицательно, включив неко- торые из них в список запрещенных книг. Но сам Кеплер прекрасно понимал значение выполненных им работ. Не без сарказма он писал: "Мне все равно, кто будет меня чи- тать: люди нынешнего или люди будущего поколения. Раз- ве Господь Бог не дожидался шесть тысяч лет, чтобы кто-- нибудь занялся созерцанием его творений? "⁷

Конечно, главной заслугой Кеплера было открытие за- конов движения планет. Но он не объяснил причины их движения. И это неудивительно, ибо не существовало еще понятий силы и взаимодействия. В то время из разделов механики были разработаны лишь статика — учение о рав- новесии (которая разрабатывалась еще в античности, в пер- вую очередь, Архимедом), а в работах Галилея были сдела- ны первые шаги в разработке динамики. Но в полной мере динамика — учение о силах и их взаимодействии — была создана лишь позднее Исааком Ньютоном.

В такой ситуации большое впечатление на естествоис- пытателей произвела теория вихрей, выдвинутая в 40-х го- дах ХVII в. французским ученым Рене Декартом (1596— 1650)⁸. Декарт полагал, что мировое пространство заполнено особым легким, подвижным веществом, способным образовывать гигантские вихри. Вихревые потоки, окру- жая все небесные тела, увлекают их и приводят в движе- ние. Солнечная система представляет собой громадный вихрь, в центре которого находится Солнце. Этот солнеч- ный вихрь увлекает в своем движении все планеты. Цент- рами других, меньших вихрей, вращающихся вокруг Солн- ца, являются планеты. Планетные вихри вовлекают в кру- говое движение спутники этих планет. Так, вихрь, окру- жающий Землю, приводит в движение вокруг Земли ее спут- ник — Луну. Причем в каждом вихре тело, находящееся ближе к центру, вращается вокруг него быстрее, чем более далекое. Этим Декарт объяснял тот факт, что чем ближе планеты к Солнцу, тем короче периоды их обращения вок- руг него (всего 88 дней для Меркурия, 225 дней для Вене- ры, 365 дней для Земли и т. д.).

Что касается эллиптического движения планет по уже известным законам Кеплера, то Декарт не смог ясно этого объяснить. Он говорил, что под действием давления со- седних вихрей и вследствие других причин вихри могут при- нимать сплюснутую или эллиптическую форму. Таким об- разом, теория вихрей Декарта фактически не могла объяс- нить движение планет по законам Кеплера.

Космологическая гипотеза Декарта оказалась несостоя- тельной, и была отвергнута последующим развитием науки. Но Декарт обессмертил свое имя в другой области — в мате- матике. Создание им основ аналитической геометрии, вве- дение осей координат, носящих по сей день наименование декартовых, введение им многих алгебраических обозначе- ний, формулирование понятия переменной величины — вот далеко не полный перечень того, что сделал Декарт в обла- сти математики, обеспечив ее существенный прогресс.

Вторая научная революция завершалась творчеством од- ного из величайших ученых в истории человечества, како- вым был Исаак Ньютон (1643 — 1727). Его научное насле- дие чрезвычайно разнообразно. В него входит и создание (параллельно с Лейбницем, но независимо от него) дифференциального и интегрального исчисления, и важные ас- трономические наблюдения, которые Ньютон проводил с помощью собственноручно построенных зеркальных телеско- пов (он, так же как и Галилей, именно телескопу обязан первым признаниям своих научных заслуг), и большой вклад в развитие оптики (он, в частности, поставил опыты в об- ласти дисперсии света и дал объяснение этому явлению). Но самым главным научным достижением Ньютона было продолжение и завершение дела Галилея по созданию клас- сической механики. Благодаря их трудам, ХVII в. считается началом длительной эпохи торжества механики, господства механических представлений о мире.

Ньютон сформулировал три основных закона движения, которые легли в основу механики как науки. Первый закон механики Ньютона — это принцип инерции, впервые сфор- мулированный еще Галилеем: всякое тело сохраняет состоя- ние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил. Существо второго закона механи- ки Ньютона состоит в констатации того факта, что приоб- ретаемое телом под действием какой-то силы ускорение пря- мо пропорционально этой действующей силе и обратно про- порционально массе тела. Наконец, третий закон механи- ки Ньютона — это закон равенства действия и противодей- ствия. Этот закон гласит, что действия двух тел друг на друга всегда равны по величине и направлены в противопо- ложные стороны.

Данная система законов движения была дополнена от- крытым Ньютоном законом всемирного тяготения⁹, соглас- но которому все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное при- тяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно про- порциональное квадрату расстояния между ними.

Пожалуй, ни одно из всех ранее сделанных научных от- крытий не оказало такого громадного влияния на дальней- шее развитие естествознания, как открытие закона всемирного тяготения. Огромное впечатление на ученых произво- дил масштаб обобщения, впервые достигнутый естествозна- нием. Это был поистине универсальный закон природы, ко- торому подчинялось все — малое и большое, земное и небес- ное. Этот закон явился основой создания небесной механи- ки — науки, изучающей движение тел Солнечной системы.

"Созданная Ньютоном теория тяготения и его вклад в астрономию знаменуют последний этап преобразования ари- стотелевской картины мира, начатого Коперником. Ибо представление о сферах, управляемых перводвигателем или ангелами по приказу бога, Ньютон успешно заменил пред- ставлением о механизме, действующем на основании про- стого естественного закона..."¹⁰

Воображение ученых захватывала простота той картины мира, которая складывалась на основе ньютоновской клас- сической механики. В этой картине, носящей абстрактный характер, отбрасывалось все "лишнее": не имели значения размеры небесных тел, их внутреннее строение, идущие в них бурные процессы. Оставались только массы и расстоя- ния между центрами этих масс, к тому же связанные не- сложной формулой. Как пишет известный японский физик Х. Юкава, "Ньютон многое отсек у реального мира, о ко- тором размышляют физики... Конечно, Ньютон абстраги- руется, но он оставляет самое существенное и создает еди- ную картину мира. Ему принадлежит, по крайней мере, построение теории Солнечной системы. Это один из ми- ров. Остается еще... и множество других миров. В них он не успел разобраться, но Солнечная система прекрасно вос- создана в рамках его механики"¹¹.

В 1687 г. вышел в свет главный труд Ньютона "Мате- матические начала натуральной философии", заложивший основы современной теоретической физики. Оценивая это событие, видный физик ХХ века, бывший президент Ака- демии наук СССР С. И. Вавилов писал: "В истории есте- ствознания не было события более крупного, чем появле- ние "Начал" Ньютона. Причина была в том, что эта книга подводила итоги всему сделанному за предшествующие ты- сячелетия в учении о простейших формах движения мате- рии. Сложные перипетии развития механики, физики и астрономии, выраженные в именах Аристотеля, Птолемея, Коперника, Галилея, Кеплера, Декарта, поглощались и заменялись гениальной ясностью и стройностью "Начал"¹².

Не менее высокую оценку дает "Началам" Ньютона та- кой крупный специалист по истории науки, как Джон Бер- нал. "По убедительности аргументации, подкрепленной физическими доказательствами, — пишет он, — книга не имеет себе равных во всей истории науки. В математичес- ком отношении ее можно сравнить только с "Элементами" Евклида, а по глубине физического анализа и влиянию на идеи того времени — только с "Происхождением видов" Дар- вина. Она сразу же стала библией новой науки, не столько как благоговейно чтимый источник догмы..., сколько как источник дальнейшего расширения изложенных в ней ме- тодов"¹³.

В своей знаменитой работе Ньютон предложил учено- му миру научно-исследовательскую программу, которая вскоре стала ведущей не только в Англии, на родине вели- кого ученого, но и в континентальной Европе. Свою науч- ную программу Ньютон назвал "экспериментальной фило- софией", подчеркивая решающее значение опыта, экспе- римента в изучении природы.

Ньютон подверг критике картезианство, в частности, декартову гипотезу "вихрей". Главный упрек в адрес карте- зианцев (последователей Декарта) сводился к тому, что они не обращались в должной мере к опыту, конструировали «гипотезы», «обманчивые предположения» для объяснения природных явлений. «Гипотез не измышляю» – таков был девиз Ньютона.

Литература

Бернал Дж. Наука в истории общества. М., 1956.

Бруно Джордано. О бесконечности, Вселенной и мирах. М.: ОГИЗ, 1936.

Вавилов С. И. Исаак Ньютон. М., 1989.

Концепции современного естествознания: Сер. «Учебники и учебные пособия». Авторский коллектив под руководством С. И. Самыгина. Ростов н/Д: «Феникс», 1997. – 448 с.

Маркс К., Энгельс Ф. Сочинения. Т. 20.

Седов Л. И. Галилей и основы механики. М., 1964.

Эйнштейн А. и Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.

Юкава Х. Лекции по физике. М., 1981

Недельский Н.Ф., Олейников Б.И., Тулинов В.Ф. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. Москва, 1998. – 143 с.

Самыгин С. И., Голубинцев В. О. и др. Концепции современного естествознания: экзаменационные ответы. Серия «Сдаем экзамен». Ростов н/Д: Феникс, 2001. – 320 с.

Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. М.: «Культура и спорт», из-во «Юнити», 1997, - 287с.