СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

      В XVI-XVII вв. европейская наука вышла на новые рубежи. Передовые мыслители, исследовав Вселенную с помощью научных приборов, нарисовали совершенно новую картину мироздания и места человечества в нем.

      Научная революция стала возможной благодаря  динамичному развитию общества, уже достигшего значительного технологического прогресса. Огнестрельное оружие, порох и корабли, способные пересекать океаны, позволили европейцам открыть, исследовать и нанести на карту значительную часть мира; а изобретение книгопечатания означало, что любая задокументированная информация быстро становилась доступной ученым всего континента. Начиная с XVI века, взаимосвязь между обществом, наукой и техникой становилась все более тесной, поскольку прогресс в одной из областей знания подталкивал к развитию других.

      За  исключением нескольких блестящих  открытий, в период позднего средневековья  научная мысль уступала в развитии технологическим изобретениям. Техника занималась практическими вещами, которые либо работали, либо нет. Наука же изучала природу и законы Вселенной. Передовые идеи часто наталкивались на ожесточенное сопротивление. В частности, новые теории вошли в противоречие с религиозными догмами в объяснении природных явлений, подвергать сомнению которые считалось недопустимым.

      До XVI века, считающегося началом современной эры, преобладал взгляд на Вселенную, основанный на теориях древнегреческого философа Аристотеля (384- 322 до н. э.) и развившего их греческого астронома Птолемея (II век н. э.). Учения греков и римлян пользовались большим авторитетом в западном мире, особенно если они были приемлемы для Церкви.

      Церковью  было принято описание Птолемеем  небесного свода. Согласно Птолемею, Солнце, Луна и планеты вращаются вокруг неподвижной Земли. Когда же, производя астрономические наблюдения, ученые обнаружили противоречия в системе Птолемея, орбиты планет были вычерчены по-другому и приобрели весьма замысловатый вид исключительно для того, чтобы соответствовать данной теории. Понятно, что объектом исправлений была сама Земля, а за Луной, как верили, хрустальная планетарная сфера и звездный небесный свод, управляемые ангелами, были неизменными и нетленными в своем совершенстве. Где-то за ними находился рай и сам Бог.

      Не  все ученые разделяли точку зрения Птолемея, однако в течение всего  периода средневековья ее никто не оспаривал. Первая тщательно разработанная альтернативная теория была представлена польским ученым Николаем Коперником (1473-1543).

1. НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ КОПЕРНИКА

      Важнейшим моментом в подготовке научной революции XVI – XVII вв., приведшей к рождению нового естествознания, было переосмысление вопроса о месте Земли во Вселенной. Еще в Древней Греции Аристарх Самосский выдвинул идею об обращении Земли вокруг Солнца. Однако эта идея не стала общепринятой, и в течение многих столетий господствовала церковная система Птолемея. Это мешало не только развитию астрономии, но и развитию всего естествознания, препятствую осмыслению общности явлений природы. Поэтому выдвижение гелиоцентрической системы Н. Коперника рассматривается как крупнейшее событие в истории естествознания в целом.

1.1 Краткая биография

      Николай Коперник родился в Торуни на Висле 19 февраля 1473 г. в семье крупного купца, принадлежавшего местной  знати. Рано потеряв отца, он воспитывался у дяди, занимавшего высокие государственные посты в Вармийской епархии.

      Коперник  получил прекрасное образование. Три года он учился в крупнейшем в то время Ягеллонском университете в Кракове, затем ы течение десяти лет совершенствовал свое образование в университетах Болоньи и Падуи. Он увлеченно занимался медициной, астрономией, математикой, философией, юридическими науками. К 1503 г. он получил диплом доктора права, обеспечивший ему место каноника Вармийской епархии. В 1505 г. Коперник вернулся на родину и с тех пор безвыездно жил и работал в Вармии до своей кончины (24 мая 1543 г.)

1.2 Об обращениях небесных тел

      Николай Коперник, сделавший революционный  шаг, был сыном своей эпохи, одним из титанов, о которых писал Ф. Энгельс. Он подчеркивал, что такие люди не кабинетные ученые, а «живут в самой гуще интересов своей эпохи, принимают живое участие в практической борьбе»1 Коперник большую часть жизни посвятил научным исследованиям и сознавал, что его выводы могут оказаться еретическими. Поэтому он не спешил публиковать свой труд «Об обращениях небесных сфер», и увидел его типографский экземпляр лишь в последний день своей жизни.

      Данное  сочинение содержит шесть книг. На титульном листе напечатано обращение к читателю, которое рекомендует книгу как «расписание» движения планет, составленное на основе наблюдений и новых теорий. Сущность основной идеи труда Коперника: построить простую модель солнечной системы, ее кинетический механизм. И он предложил революционно новую модель мироздания, в которой Солнце является неподвижным центром, а центр Земли — не центр вселенной, но только центр масс и орбиты Луны. Делая Землю рядовым членом семейства планет, он порвал с аристотелевской и церковной доктринами.

      Коперник  первым расположил планеты в правильном порядке по степени их удаленности от Солнца – Меркурий как самую ближнюю, Сатурн как самую дальнюю (Уран, Нептун и Плутон еще не были открыты). За Сатурном, по мнению ученого, находится наивысшая сфера неподвижных звезд (см. Приложение 1).

      Коперник  утверждал, что Земля имеет всего три движения:

• обращение вокруг своей оси с запада на восток, соответствующее смене дня и ночи;
• годовое движение, описывающее зодиакальный круг вокруг Солнца в направлении последовательности знаков;
• тоже годовое движение, но против последовательности знаков;

      Последние два обращения почти равные и  противоположные друг другу вместе делают экваториальный круг, как будто бы они оставались все время не подвижными. Таким образом, Коперник заменил круговое поступательное движение, которое в современности соответствует обращению Земли вокруг Солнца, двумя вращениями.

      Новая теория Коперника в основном была правильной, но в ней имелись и слабые места. В частности эта система была почти такой же сложной, как и птолемеевская, главным образом потому, что ученый ошибочно считал орбиты планет окружностями. Она имела огромное стимулирующее значение, поставила перед наукой ряд важных проблем. Во-первых, было необходимо проверить соответствие новой теории фактам. Во-вторых, теория нуждалась в физическом обосновании кинетической схемы. Нужна была новая механика, механика движения – динамика, для развития которой необходима новая динамичная математика. Так из великого открытия Коперника возникла научная программа, осуществление которой привело к возникновению экспериментального и математического естествознания.

2. Иоганн Кеплер: открытие тайны планетных орбит

2.1 Биографический очерк

      Иоганн  Кеплер родился в городе Вейль-дер-Штадт  на юге Германии в бедной протестантской семье. После обучения в монастырской школе в 1596 г. поступил в духовную семинарию при Тюбингенской академии. В эти годы он познакомился с гелиоцентрической системой Н. Коперника. По окончании Академии в 1593 г. Кеплер, обвиненный в свободомыслии, не был допущен к богословской карьере и получил должность школьного учителя математики. В 1600 г. он приехал в Прагу к знаменитому астроному Т. Браге, после смерти которого получил материалы его многчисленных наблюдений.

      Кеплер  написал много научных трудов и статей. Важнейшее его сочинение - " Новая астрономия " (1609), посвящена изучению движения Марса по наблюдениям Т. Браге и содержащая первые два закона движения планет. В сочинении "Гармония Мира" (1619) Кеплер сформулировал третий закон, объединяющий теорию движения всех планет в стройное целое. В работе "Сокращение коперниковой астрономии" (1618-1622) Кеплер изложил теорию и способы предсказания солнечных и лунных затмений. Его исследования по оптике изложены в сочинении "Дополнение к Вителло" (1604) и "Диоптрики" (1611). Замечательные математические способности Кеплера проявились, в частности, в выводе формул для определения объемов многих тел вращения. Составленные Кеплером на основе наблюдений Браге "Рудольфовы таблицы" (1627) давали возможность вычислять для любого момента времени положение планеты с высокой для той эпохи точностью. Иоганн Кеплер прожил тяжелую жизнь, полную нужды и несчастья. Умер он от простуды 15 ноября 1630 года. Бессмертным памятником его трудной жизни остались открытые им законы.

2.2 Законы Кеплера

      Кеплер  уже был знаком с гелиоцентрической  системой Коперника и знал, что  Земля вращается вокруг Солнца. Но как именно вращается Земля и другие планеты? Представим проблему следующим образом: мы находитесь на планете, которая, во-первых, вращается вокруг своей оси, а во-вторых, вращается вокруг Солнца по неизвестной нам орбите. Глядя в небо, мы видим другие планеты, которые также движутся по неизвестным нам орбитам. Наша задача — определить по данным наблюдений, сделанных на нашем вращающемся вокруг своей оси вокруг Солнца земном шаре, геометрию орбит и скорости движения других планет. Именно это, в конечном итоге, удалось сделать Кеплеру, после чего, на основе полученных результатов, он и вывел три своих закона!

      Первый  закон (закон эллипсов) описывает геометрию траекторий планетарных орбит. Он утверждает, что орбиты планет представляют собой эллипсы, в одном из фокусов которых расположено Солнце. Эксцентриситеты (степень вытянутости) орбит и их удаления от Солнца в перигелии (ближайшей к Солнцу точке) и апогелии (самой удаленной точке) у всех планет разные, но все эллиптические орбиты роднит одно — Солнце расположено в одном из двух фокусов эллипса. Проанализировав данные наблюдений Тихо Браге, Кеплер сделал вывод, что планетарные орбиты представляют собой набор вложенных эллипсов. До него это просто не приходило в голову никому из астрономов.

      Историческое значение первого закона Кеплера трудно переоценить. До него астрономы считали, что планеты движутся исключительно по круговым орбитам, а если это не укладывалось в рамки наблюдений — главное круговое движение дополнялось малыми кругами, которые планеты описывали вокруг точек основной круговой орбиты. Это было, прежде всего, философской позицией, фактом, не подлежащим сомнению и проверке. Философы утверждали, что небесное устройство, в отличие от земного, совершенно по своей гармонии, а поскольку совершеннейшими из геометрических фигур являются окружность и сфера, значит, планеты движутся по окружности. Главное, что, получив доступ к обширным данным наблюдений Тихо Браге, Иоганн Кеплер сумел перешагнуть через этот философский предрассудок, увидев, что он не соответствует фактам — подобно тому как Коперник осмелился убрать Землю из центра мироздания, столкнувшись с противоречащими стойким геоцентрическим представлениям аргументами.

      Второй  закон Кеплера (закон площадей) гласит: каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём за равные времена радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади (см. Рис. 2).

      Таким образом, из этого закона следует, что планета движется вокруг Солнца неравномерно, имея в перигелии большую линейную скорость, чем в афелии. Каждый год в начале января Земля, проходя через перигелий, движется быстрее, поэтому видимое перемещение Солнца по эклиптике² к востоку также происходит быстрее, чем в среднем за год. В начале июля Земля, проходя апогелий, движется медленнее, поэтому и перемещение Солнца по эклиптике замедляется. Закон площадей указывает, что сила, управляющая орбитальным движением планет, направлена к Солнцу.

      В первых двух законах речь идет о  специфике орбитальных траекторий отдельно взятой планеты. Третий закон Кеплера (гармонический закон) позволяет сравнить орбиты планет между собой. В нем говорится, что чем дальше от Солнца находится планета, тем больше времени занимает ее полный оборот при движении по орбите и тем дольше, соответственно, длится «год» на этой планете: (где T₁ и T₂ — периоды обращения двух планет вокруг Солнца, а а₁ и a₂ — длины больших полуосей их орбит). Таким образом, труды ученого, твердо поставившего нас на путь правильного понимания устройства нашей Солнечной системы, и сегодня, спустя века после его смерти, играют столь важную роль в изучении строения необъятной Вселенной. Законы Кеплера соединяли в себе ясность, простоту и вычислительную мощь. Тем не менее уже современники Кеплера убедились в точности новых законов, хотя их глубинный смысл до Ньютона оставался непонятным. Никаких попыток реанимировать модель Птолемея или предложить иную систему движения, кроме гелиоцентрической, больше не предпринималось.

      Кроме знаменитых законов, Кеплер внес огромный вклад а развитие науки того времени. А именно:

• вывел «уравнение Кеплера», используемое в астрономии для определения положения небесных тел;
• нашёл способ определения объёмов разнообразных тел вращения, который содержал первые элементы интегрального исчисления;
• составил одну из первых таблиц логарифмов;
• ввёл в физику термин инерция как прирождённое свойство тел сопротивляться приложенной внешней силе;
• с его трудов начинается история оптики как науки. В этих сочинениях Кеплер подробно излагает как геометрическую, так и физиологическую оптику. Он описывает преломление света, рефракцию и понятие оптического изображения, общую теорию линз и их систем;
• создал Рудольфовы таблицы, с помощью которых было возможно предсказать движение планет в будущем.