Концепции современного естествознания

__________________________________

' Галилей считал  их простым воскрешением древней пифагорейской идеи о роли числа во Вселенной, несовместимой с новым экспериментальным естество-манием, за которое он боролся. Поэтому он не обратил внимания и на Кеплеровы законы (возможно, он и не ознакомился с ними, хотя Кеплер послал ему свое сочинение 1609 г.).

162

гальной борьбы”  за коперниканизм. Но он продолжал исследование законов движения тел под действием  сил в земных условиях. Основные итоги этих исследований он изложил  в книге “Диалог о двух системах мира”, которая была опубликована во Флоренции в 1632 г.

Книга Галилея  вызвала восторг в научных  кругах всех стран и бурю негодования  среди церковников. Иезуиты немедленно начали кампанию против Галилея, которая  привела ко второму процессу инквизиции в 1633 г. Инквизиция пригрозила Галилею не только осудить его как еретика, но и уничтожить все его рукописи и книги. 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 вдохновила 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:

• он разграничил  понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движения;

• сформулировал  понятие ускорения (скорость изменения скорости);

• показал, что  результатом действия силы на движущееся тело является не скорость, а ускорение;

• вывел формулу, связывающую ускорение, путь и время:

S= 1/2 gt²;

• сформулировал  принцип инерции (“если на тело не действует сила, то тело находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейного равномерного движения”);

• выработал  понятие инерциальной системы;

• сформулировал  принцип относительности движения (все системы, которые движутся прямолинейно и равномерно лру¹' относительно друга (т.е. инерциальные системы) равноправны между собой в отношении описания механических процессов);

• открыл закон  независимости действия сил (принцип  суперпозиции).

162

На основании  этих законов появилась возможность  решения простейших динамических задач. Так, например, X. Гюйгенс получил решения задач об ударе упругих шаров, о колебаниях физического маятника, нашел выражение для определения центробежной силы.

Исследования  Галилея заложили надежный фундамент  динамики, а также методологии классического естествознания. Дальнейшие исследования лишь углубляли и укрепляли этот фундамент. С полным основанием Галилея называют “отцом современного естествознания”.

6.2.2. Картезианская физика

Огромное влияние  на развитие теоретической мысли  в физике XVII в. оказал великий французский мыслитель и ученый Рене Декарт (Картезий). Критически пересмотрев старую схоластическую философию, он разработал рационалистическую методологию теоретического естествознания. (“Оставим книги, посоветуемся с разумом! ” — говорил Декарт.) Революционное значение для развития естествознания имело его знаменитое “Рассуждение о методе” (1637), где провозглашены новые принципы научного мышления и новые средства математического анализа в геометрии и оптике.

Требование простоты и ясности — основной принцип методологии Декарта. Поэтому в научной системе Декарта первостепенную роль играют простота и очевидность математических аксиом и принципов. Выводы из аксиом (простых, очевидных положений) получаются логическим путем, путем математических рассуждений. В проверке результатов важную роль играет опыт.

Рационалистическая  методология вполне естественно  приводит Декарта к аналитической  геометрии и геометризации физики. Отвлеченные числовые соотношения  проще и абстрактнее геометрических; отсюда вытекает задача сведения геометрических характеристик (положение точки в пространстве, расстояние между точками и др.) к числовым отношениям. Решая эту задачу, Декарт создает аналитическую геометрию.

Декарт закладывает  основы механистического мировоззрения, Центральная идея которого — идея тождества материальности и протяженности. Мир Декарта — это однородное пространство, или, что то же самое, протяженная материя. “...Мир, или протяженная материя, составляющая универсум, не имеет никаких границ”'. Все изменения, которые наблюдаются в этом пространстве, сводятся к един-

_______________________________

' Декарт Р. Первоначала философии // Соч.: В 2 т. М., 1989. Т. 1. С. 359.

163

ственному простейшему  изменению — механическому перемещению  тел. “Дайте мне материю и движение, и я построю мир” — таков лейтмотив, идейное знамя картезианской физики.

Декарт —  основоположник научной космогонии. Он автор первой новоевропейской  теории происхождения мира. Вселенной. Хотя мир создан Богом, Бог не принимает участия в его дальнейшем развитии. Мир развивается по естественным законам. Законы природы достаточны для того, чтобы понять не только совершающиеся в природе явления, но и ее эволюцию. Декарт допускает, что природа была создана Богом в виде первоначального хаоса ее частей и их движений. По Декарту, однородная материя дробима на части, имеющие различные формы и размеры. В процессе дробления и взаимодействия формируются три группы элементов материи — легкие и разнообразной формы (огонь); отшлифованные частицы круглой формы (воздух); крупные, медленно движущиеся частицы (земля). Все эти частицы вначале двигались хаотически и были хаотически перемешаны. Однако, по мнению Декарта, законы природы таковы, что они достаточны, чтобы заставить части материи расположиться в весьма стройном порядке. Благодаря этим законам материя принимает форму нашего “весьма совершенного мира”. Среди этих законов природы — принцип инерции' и закон сохранения количества движения. Из первоначального хаоса благодаря взаимодействиям частиц образовались вихри, каждый из которых имеет свой центр. Непрерывное трение частиц друг о друга шлифует их и дробит. Отшлифованные круглые частицы, находясь в непрерывном круговом движении, образуют материю “неба”, раздробленные части выпираются к центру, образуя материю “огня”. Этот огонь из тонких частиц, находящихся в бурном движении, формирует звезды и Солнце. Более массивные частицы вытесняются к периферии, сцепливаются и образуют тела планет. Каждая планета вовлекается своим вихрем в круговое движение около центрального светила.

Космогоническая теория Декарта объясняла суточное движение Земли вокруг своей оси  и ее годовое движение вокруг Солнца. Но объяснить не могла других особенностей Солнечной системы, в том числе  законов Кеплера. Это была умозрительная космогония, натурфилософская схема, не обоснованная математически. И тем не менее ей присуще великое достоинство — идея развития, поразительно смелая для той эпохи.

__________________________________

' Декарт следующим  образом формулирует принцип  инерции: “...Каждая частица материи в отдельности продолжает находиться в одном и том же состоянии до тех пор, пока столкновение г другими частицами не вынуждает ее изменить это состояние” (Декарт Р. Мир, или Трактат о свете // Соч.: В 2 т. Т. 1. С. 200).

164

Эволюционная  картина мира быстро распространялась в науке. Величием открывавшихся  горизонтов учение Декарта захватило  лучшие умы и надолго определило дальнейшее развитие физики и всего  естествознания. Большая часть XVIII в. в истории естествознания прошла под знаком борьбы картезианства и ньютонианства. Несмотря на то что Ньютоново направление на том этане развития науки было более прогрессивным, общие идеи Декарта продолжали оказывать серьезное влияние на формирование научных взглядов XVIII в. ц даже XIX в., а разработанная им идея космического вихревого движения не раз возрождалась в астрономии и космогонии вплоть до XX в.

Великий Ньютон имел все основания заявить: “Если  я вижу дальше Декарта, то это потому, что я стою на плечах гиганта”.

6.2.3. Новые идеи в динамике Солнечной системы

Ученые XVII в. внесли свой вклад в развитие предпосылок  классической механики. Весьма значительной была роль парижского астронома Ж.Б. Буйо, который высказал в своей  книге (1645) мысль о том, что поскольку  сила, распространяемая вращающимся Солнцем, о которой писал И. Кеплер, действует не только в плоскости вращения планет, а от всей поверхности Солнца ко всей поверхности планеты, то она, следовательно, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Ньютон был знаком с этой книгой и упоминает ее автора в качестве одного из своих предшественников.

Важную роль в становлении классической механики сыграло творчество итальянского астронома  Дж. Борелли, которого Ньютон также  числит в ряду своих предшественников. Разрабатывая теорию спутников Юпитера, Борелли в 1666 г. выдвинул идею о том, что если некоторая сила притягивает спутники к планете, а планеты — к Солнцу, то эта сила должна быть уравновешена противоположно направленной центробежной силой, возникающей при круговом движении. Таким образом он объясняет эллиптическое движение планет вокруг Солнца. У Борелли, в сущности, уже содержатся основные Моменты понимания динамики Солнечной системы, по пока без ее математического описания.

1666 г. был весьма  урожайным на идеи в области теории тяготения. В этом году Р. Гук на заседаниях Лондонского королевского общества дважды выступал с докладами о природе тяжести и пришел к выводу, что криволинейность планетных орбит порождена некоторой постоянно действующей силой. В этом же году у И. Ньютона возникает идея всемирного тяготения и идея о том, как можно вычислить силу тяготения.

165

6.3. Ньютонианская революция

Результаты естествознания XVII в. обобщил Исаак Ньютон. Именно он завершил постройку 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, изучением точных количественных проявлений этих закономерностей в природе.

Обобщив существовавшие независимо друг от друга результаты своих предшественников в стройную теоретическую систему знания (ньютоновскую механику), Ньютон стал родоначальником  классической теоретической физики. Он сформулировал ее цели, разработал ее методы и программу развития, которую он сформулировал следующим образом: “Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы”. В основе ньютоновского метода лежит экспериментальное установление точных количественных закономерных связей между явлениями и выведение из них общих законов природы методом индукции.

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 Кембриджский университет. Все свои великие открытия он сделал или подготовил в молодые годы, в 1665— 1667 гг., спасаясь в родном Вульсторпе от чумы, свирепствовавшей в городах Англии. (К этому периоду относится известный анекдот об упавшем яблоке, наведшем Ньютона на мысль о тяготении.) Среди этих открытий: законы динамики, закон всемирного тяготения, создание (одновременно с Г. Лейбницем) новых математических методов — дифференциального и интегрального исчислений, ставших фундаментом высшей математики; изобретение телескопа-рефлектора, открытие спектрального состава белого света и др.

6.3.1. Создание теории тяготения

С именем Ньютона  связано открытие или окончательная  формулировка основных законов динамики: закона инерции; пропорциональности между  количеством движения mv и движущей силой

F=d(mv)/dt

166

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 силы тяготения и силы тяжести на Земле Ньютон проводит на основе вычисления центростремительного ускорения Луны в ее обращении вокруг Земли; уменьшив это ускорение пропорционально квадрату расстояния Луны от Земли, он устанавливает, что оно равно ускорению силы тяжести у земной поверхности. Обобщая эти результаты, Ньютон сделал вывод, что для всех планет имеет место притяжение к Солнцу, что все планеты тяготеют друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Далее 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 формулирует закон всемирного тяготения в общем виде: