Естествознание

Реферат:

Основные этапы развития естествознания

• Введение

Естествознание -- неотъемлемая и важная часть духовной культуры человечества. Знание его современных фундаментальных научных положений, мировоззренческих и методологических выводов является необходимым элементом общекультурной подготовки специалистов в любой области деятельности. Поэтому, изучение естественных наук - важный фактор для подготовки современных образованных специалистов.

Изучение современной науки необходимо начинать с изучения истоков - потому что именно там закладывались ее основы.

Историю развития естествознания можно проследить с VI в. до н.э. Начиная с эпохи Коперника история естествознания рассматривается в свете научных революций, связанных с выявлением фундаментальных принципов природы.

Этапов выделяют иногда три-четыре, иногда более десяти. Переходы от этапа к этапу и от одной научной революции к другой не похожи на триумфальное шествие человеческой мысли. Основные направления ее развития возникали в результате перебора многих «окольных путей», отступлений, «периодов топтания на месте».

Глава 1. Основные этапы развития естествознания

Самыми древними науками можно считать астрономию, геометрию и медицину, созданные жрецами Египта и Междуречья. Большие успехи в данных направлениях были достигнуты также в Древнем Китае и Древней Индии. Следует отметить определенные взаимосвязи, существовавшие между этими регионами Древнего Востока. Астрономия и медицина не представляли собой в те времена отдельных наук, а были прочно вплетены в ткань философско-религиозной мысли. Математика начала развиваться для нужд астрономии, но именно математика, по мнению ряда ученых, является единственной наукой, сформировавшейся в Древнем Мире.

Формирование наук осуществлялось очень медленно. «Принято считать, что к середине XVIII в. сформировались только четыре науки: механика, физика, математика и астрономия. Великие системы биологии, как и первые основные законы химии, пришлись на конец XVIII -- начало XIX в., основные идеи геологии находились в то время в стадии формирования».

1.1 Древнегреческий период

Естественнонаучные знания Древнего Востока проникли в Древнюю Грецию в VI в. до н.э. и обрели статус науки как определенной системы знаний. Эта наука называлась натурфилософией (от лат. natura -- природа). Натурфилософы были одновременно и философами, и учеными. Они воспринимали природу во всей ее полноте и были исследователями в различных областях знания. Эта стадия развития науки характеризуется концептуальным хаосом, проявлением которого и стала конкуренция различных воззрений на природу. Во всех трудах древнегреческих ученых естественнонаучные идеи тонко вплетены в философскую нить их мысли.

В VI в. до н.э. в древнегреческом городе Милете возникла первая научная школа, известная прежде всего не своими достижениями, а своими исканиями. Основной проблемой этой школы была проблема первоначала всех вещей: из чего состоят все вещи и окружающий мир? Предлагались разные варианты того, что считать первоосновой всех вещей: огонь (Гераклит), вода (Фалес), воздух (Анак-симен), апейрон (Анаксимандр). Следует особо подчеркнуть, что эти первоосновы не сводились просто к огню, воздуху или воде. Например, Фалес понимал под «водой» текучую субстанцию, охватывающую все существующее в природе. Обычная вода входит в это обобщенное понятие как один из элементов.

Другое научное сообщество рассматриваемого периода, пифагорейцы, в качестве первоначала мира -- взамен воды, воздуха или огня -- ввели понятие числа. Они также отмечали связь между законами музыки и числами. Согласно их учению, «элементы чисел должны быть элементами вещей». Пифагор (582--500 гг. до н.э.) был не только известным математиком и астрономом, но и духовным лидером своих учеников и многих ученых того времени. Пифагорейцы проповедовали тип жизни в поисках истины, научное познание, которое, как они считали, и есть высшее очищение - очищение души от тела. Следует отметить, что пифагорейские числа не соответствуют современным абстрактным представлениям о них. Пифагорейское число тянуло за собой длинный «шлейф» физических, геометрических и даже мистических понятий.

Исследование первоосновы вещей вслед за учеными милетской школы были продолжены Демокритом (ок. 460-370 гг. до н.э.) и его учителем Левкиппом, которые ввели понятие атома. Новое учение, атомистика, утверждало, что все в мире состоит из атомов -- неделимых, неизменных, неразрушимых, движущихся, невозникающих, вечных, мельчайших частиц. Учение об атоме явилось гениальной догадкой, которая намного опередила свое время и служила источником вдохновения для многих его последователей.

Самой яркой фигурой античной науки того периода был величайший ученый и философ Аристотель (384-322 гг. до н.э.), авторитет которого был незыблемым более полутора тысяч лет. Аристотель в совершенстве освоил учение своего учителя Платона, но не повторил его путь, а пошел дальше, выбрав свое собственное направление в научном поиске. Если для Платона было характерно состояние вечного поиска без конкретной окончательной позиции, то научный дух Аристотеля вел его к синтезу и систематизации, к постановке проблем и дифференциации методов. Он наметил магистральные пути развития метафизики, физики, психологии, логики, а также этики, эстетики, политики.

Сочинения Аристотеля разнообразны по тематике, многочисленны по объему и значительны по влиянию, которое они оказали на дальнейшее развитие различных наук. Среди его естественно-научных работ следует выделить прежде всего «Категории», «Об истолковании», «Физика», «О небе», «Метеорологика», «Метафизика», «История животных», «О частях животных», «О передвижении животных», трактаты по логике. Во многих из этих книг Аристотель продемонстрировал всесторонние и глубокие по тому времени знания.

Аристотель разделял все науки на три больших раздела: науки теоретические и практические, которые добывают знания ради достижения морального совершенствования, а также науки продуктивные, цель которых -- производство определенных объектов. Формальная логика, созданная Аристотелем, просуществовала в предложенной им форме вплоть до конца XIX в.

Зарождение медицины как самостоятельного научного знания связано с именем Гиппократа (460--370 гг. до н.э.), который придал ей статус науки и создал эффективно действующий метод, преемственно связанный с ионийской философией природы. За этим методом стояли усилия древних философов дать естественное объяснение каждому явлению, найти его причину и цепочку следствий, веру в возможность понять все тайны мира. Медицинские труды Гиппократа многочисленны и разнообразны. Основной его тезис: медицина должна развиваться на основе точного метода, систематического и организованного описания различных заболеваний.

1.2 Эллинистический период

Первой из эллинистических школ была школа Эпикура (341--270 гг. до н.э.). Эпикур делил философию на три части: логику, физику и этику. Эпикурейская физика -- это целостный взгляд на реальность. Эпикур развил идеи атомистики, заложенные Левкиппом и Демокритом. В его школе было показано, что атомы различаются весом и формой, а их разнообразие не бесконечно. Для объяснения причины движения атомов Эпикур ввел понятие первоначального толчка (первотолчка).

С 332 г. до н.э. началось сооружение города Александрии, который стал основным научным центром эллинистической эпохи, центром притяжения ученых всего средиземноморского региона.

В Александрии был создан знаменитый Музей, где были собраны необходимые инструменты для научных исследований: биологических, медицинских, астрономических. К Музею была присоединена Библиотека, которая вмещала в себя всю греческую литературу, литературу Египта и многих других стран. Объем этой Библиотеки достигал 11,7 тыс. книг, в ней нашла отражение культура всего античного мира.

В первой половине III в. до н.э. в Музее велись серьезные медицинские исследования. Герофил и Эрасистрат продвинули анатомию и физиологию, оперируя при помощи скальпеля. Герофилу медицина обязана многими открытиями. Например, он доказал, что центральным органом живого организма является мозг, а не сердце, как думали ранее. Он изучил разновидности пульса и его диагностическое значение.

В эллинистический период начали составляться труды, объединявшие все знания в какой-либо области. Так, например, одному из крупнейших математиков того периода Евклиду принадлежит знаменитый труд «Начала», где собраны воедино все достижения математической мысли. Опираясь на аристотелевскую логику, он создал метод аксиом, на основе которого построил все здание геометрии. По сути аксиомы есть фундаментальные утверждения интуитивного характера. Часто в виде аргументации Евклид использовал метод «приведения к абсурду».

Выдающимся ученым эллинистического периода был математик-теоретик Архимед (287--212 гг. до н.э.). Он был автором многих остроумных инженерных изобретений. Его баллистические орудия и зажигательные стекла использовались при обороне Сиракуз. Среди множества работ особое значение имеют следующие: «О сфере и цилиндре», «Об измерении круга», «О спиралях», «О квадратуре параболы», «О равновесии плоскости», «О плавающих телах». Архимед заложил основы статики и гидростатики.

Систематизатором географических знаний был друг Архимеда Эрастофен. Исторической заслугой Эрастофена явилось применение математики к географии для составления первой карты с меридианами и параллелями.

Следует отметить, что в рассматриваемый период завершили свое формирование основополагающие элементы наиболее древних наук -- математики (прежде всего геометрии), астрономии и медицины. Кроме того, началось формирование отдельных естественных наук, методами которых могут считаться наблюдение и измерение. Все эти науки создавались жрецами Египта, волхвами и магами Междуречья, мудрецами Древней Индии и Древнего Китая. Натурфилософы Древней Греции были теснейшим образом связаны с этими жрецами, а многие являлись их непосредственными учениками. Все науки того времени были тесно вплетены в философско-религиозную мысль и по существу считались знанием элиты (религиозной или философской) древнего общества.

1.3 Древнеримский период античной натурфилософии

В 30-х гг. до н.э. новым научным центром становится Рим со своими интересами и своим духовным климатом, ориентированным на практичность и результативность. Закончился период расцвета великой эллинистической науки. Новая эпоха может быть представлена работами Птолемея в астрономии и Галена в медицине.

Птолемей жил, возможно, в 100-170 гг. н.э. Особое место среди его работ занимает «Великое построение» (в арабском переводе -- «Альмагест»), которая является итогом всех астрономических знаний того времени. Эта работа посвящена математическому описанию картины мира (полученной от Аристотеля), в которой Солнце, Луна и 5 планет, известных к тому времени, вращаются вокруг Земли. Из всех наук Птолемей отдает предпочтение математике ввиду ее строгости и доказательности. Мастерское владение математическими расчетами в области астрономии совмещалось у Птолемея с убеждением, что звезды влияют на жизнь человека. Геоцентрическая картина мира, обоснованная им математически, служила основой мировоззрения ученых вплоть до опубликования труда Н.Коперника «Об обращении небесных сфер».

Наука античного мира обязана Галену (130-200 гг.?) систематизацией знания в области медицины. Он обобщил анатомические исследования, полученные медиками александрийского Музея; осмыслил элементы зоологии и биологии, воспринятые от Аристотеля; теорию элементов, качеств и жидкостей системы Гиппократа. К этому можно добавить его телеологическую концепцию.

1.4 Вклад Арабского мира в развитие естествознания.

В эпоху Средних веков возросло влияние церкви на все сферы жизни общества. Европейская наука переживала кризис вплоть до XII-XIII вв. В это время эстафету движения научной мысли Древнего Мира и античности перехватил Арабский мир, сохранив для человечества выдающиеся труды ученых тех времен. Ф. Шиллер писал, что арабы как губка впитали в себя мудрость античности, а затем передали его Европе, перешедшей из эпохи варварства в эпоху Возрождения.

Ислам, объединив всех арабов, позволил им потом в течение двух-трех поколений создать огромную империю, в которую помимо Аравийского полуострова вошли многие страны Ближнего Востока, Средней Азии, Северной Африки, половина Пиренейского полуострова. Развитие исламской государственности в VIII--XII вв. оказало благотворное влияние на общемировую культуру. К Х в. сформировались наиболее крупные культурные центры Арабского мира: Багдад и Кордова. В этих городах было много общественных библиотек, книжных магазинов, существовала мода и на личные библиотеки.

Арабский мир дал человечеству много выдающихся ученых и организаторов науки. Так, например, Мухаммед, прозванный аль-Хорезми (первая половина IX в.) был выдающимся астрономом и одним из создателей алгебры; Бируни (973-1048) -- выдающийся астроном, историк, географ, минералог; Омар Хайям (1201-- 1274) -- философ и ученый, более известный как поэт; Улугбек (XV в.) -- великий астроном и организатор науки, один из наследников Тимура, а также Джемшид, Али Кушчи и многие другие ученые.

Аль-Хорезми значительно улучшил таблицы движения планет и усовершенствовал астролябию -- прибор для определения положения небесных светил. Бируни со всей решительностью утверждал, что Земля имеет шарообразную форму, и значительно уточнил длину ее окружности. Он также допускал вращение Земли вокруг Солнца. Омар Хайям утверждал, что Вселенная существует вечно, а Земля и другие небесные тела движутся в бесконечном пространстве.

1.5 Естествознание в средневековой Европе

В то же самое время в Европе читали, главным образом, Библию, предавались рыцарским турнирам, войнам, походам. Была распространена куртуазная литература, посвященная прекрасным дамам и рыцарской любви. Только единицы имели склонность к философии и серьезной литературе времен античности.

Однако естествознание развивалось и в средневековой Европе, причем его развитие шло по самым разным путям. Особо необходимо упомянуть поиски алхимиков и влияние университетов, которые были чисто европейским порождением. Огромное число открытий в алхимии было сделано косвенно. Недостижимая цель (философский камень, человеческое бессмертие) требовала конкретных шагов, и, благодаря глубоким знаниям и скрупулезности в исследованиях, алхимики открыли новые законы, вещества, химические элементы.

С XIII в. в Европе начинают появляться университеты. Самыми первыми были университеты в Болонье и Париже. Благодаря университетам возникло сословие ученых и преподавателей христианской религии, которое можно считать фундаментом сословия интеллектуалов.

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.

Глава 2. Научные революции

2.1 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.

2.2 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.

2.3 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.

2.4 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”.

2.5 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.