Становление классической науки (Новое время)

Период Нового времени охватывает три столетия – XVII,XVIII,XIXвв. В этом периоде особую роль сыгралXVIIв., ознаменовавшийся рождением современной науки. У ееистоков стояли такие выдающиеся ученые, как Галилей, Кеплер, Декарт, Ньютон. С их именамисвязывают вторую научную революцию.

Галилео Галилеем (1564–1642) были заложены основы нового механистического естествознания. Самой фундаментальной проблемой, остававшейся в течение тысячи лет неразрешенной из-за ее сложности, по мнению А. Эйнштейна и Л. Инфельда, являлась проблема движения.

До Галилея общепринятым в науке считалось аристотелевское понимание движения: тело движется только при наличии внешнего воздействия, и если это воздействие прекращается, тело останавливается. Галилей показал, что этот принцип Аристотеля, согласующийся с нашим повседневным опытом, ошибочен. Вместо него Галилей сформулировал совершенно иной принцип, принцип инерции, или принцип относительности Галилея: тело либонаходится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своегодвижения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия.

Галилей также установил, что скорость свободного падения тел не зависит от их массы(как думал Аристотель), и пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. Он установил, что траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начального толчка и земного притяжения, является параболой. Галилею принадлежит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника.

Используя построенные им телескопы (вначале с трехкратным, а впоследствии с32-кратным увеличением), Галилей сделал целый ряд важных наблюдений и открытий. Он установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности имеются пятна. У самой большой планеты Солнечной системы – Юпитера – Галилей обнаружил 4 спутника. Наблюдения за Луной показали, что ее поверхность гористого строения и что этот спутник Земли имеет либрацию, то есть видимые периодические колебания маятникового характера вокруг центра. Галилей убедился, что кажущийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд. Астрономические исследования Галилея обосновывали гелиоцентрическую систему Коперника. Галилей сумел дать блестящее естественно-научное доказательство справедливости гелиоцентрической системы в знаменитой работе «Диалог о двух системах мира – Птолемеевой и Коперниковой».

Как последователь Коперника он был обвинен в ереси и предстал перед судом инквизиции. После длительных допросов он был вынужден отречься от гелиоцентрических взглядов и принести публичное покаяние. После суда до конца своих дней он находился под надзором инквизиции.

Лишь в октябре 1992 г. Галилей был реабилитирован католической церковью, его осуждение было признано ошибочным, а учение – правильным. Глава римско-католической церкви папа Иоанн-Павел IIзаявил при этом, что церковь не должна выступать против науки, а, наоборот, должна поддерживать научный прогресс.

Труды Галилея имели большое значение еще и потому, что утвердили в естествознании использование экспериментального и математического методов. Истинное знание, считалГалилей, достижимо исключительно на пути изучения природы при помощи наблюдения,опыта и вооруженного математическим знанием разума, а не путем изучения и сличения текстовв рукописях античных мыслителей.

С астрономическими наблюдениями Галилея, описанными им в сочинении «Звездный вестник», ознакомился и дал высокую оценку один из крупнейших математиков и астрономовконцаXVI– первой третиXVIIв. Иоган Кеплер (1571–1630).

В 1600 г. Иоганн Кеплер стал ассистентом знаменитого датского астронома-наблюдателя Тихо Браге (1546–1601), который произвел основательный пересмотр астрономических данных с античных времен.

Кеплер занимался поисками законов небесной механики и составлением звездных таблиц. Получив в свое распоряжение данные многолетних наблюдений Тихо Браге, Кеплер смог уточнить гелиоцентрическую картину Коперника, сформулировав свои знаменитыезаконы движения планетвокруг Солнца:

1-й закон. Все планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых движется Солнце.

2-й закон. Радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, за равные промежутки времени описывает равные площади.

3-й закон. Квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него.

Он разработал теорию солнечных и лунных затмений, предложил способы их предсказания, уточнил величину расстояния между Землей и Солнцем. Поскольку Кеплер был сторонником гелиоцентрической космологии Коперника и не скрывал этого, Ватикан включил некоторые из его трудов в список запрещенных книг. Но сам Кеплер прекрасно понимал значение выполненных им работ. Не без сарказма он писал: «Мне все равно, кто будет меня читать: люди нынешнего или люди будущего поколения. Разве Господь Бог не дожидался шесть тысяч лет, чтобы кто-нибудь занялся созерцанием его творений?»

Конечно, главной заслугой Кеплера было открытие законов движения планет. Но он не объяснил причины их движения. И это неудивительно, ибо в физике еще не существовало понятий силы и взаимодействия.

В такой ситуации большое впечатление на естествоиспытателей произвела теория вихрей, выдвинутая в 40-х гг. XVIIв. французским ученым Рене Декартом (1596–1650). Онполагал, что мировое пространство заполнено особым легким, подвижным веществом,способным образовывать гигантские вихри. Вихревые потоки, окружая все небесные тела, увлекают их и приводят в движение. Солнечная система представляет собой громадныйвихрь, в центре которого находится Солнце. Этот солнечный вихрь увлекает в своем движениивсе планеты. 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 вокруг него (всего 88 дней для Меркурия, 225 дней для Венеры, 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 соседних вихрей и вследствие других причин вихри могут принимать сплюснутую или эллиптическую форму. Таким образом, теория вихрей Декарта фактически не могла объяснить движение планет по законам Кеплера.

Труды Декарта сыграли большую роль в развитии другой области – математики. Он создал основы аналитической геометрии, ввел оси координат, носящие по сей день наименование “декартовых”, сформулировал понятие “переменной величины”.

Для Декарта весь физический мир – огромная машина, функционирующая по определенным объективным законам, открыть которые человечество способно путем математическихрассуждений. Декарт считал, что только математика обеспечивает надежный путь к истине.Он заявлял, что «не приемлет и не надеется найти в физике каких-либо принципов, отличных от тех, которые существуют в Геометрии или абстрактной Математике, потому что они позволяют объяснить все явления природы и привести доказательства, не оставляющие сомнений». С точки зрения Декарта, реальный мир полностью подвластен математическому описанию.

Вторая научная революция завершилась творчеством Исаака Ньютона (1643–1727), одного из величайших ученых в истории человечества. Его научное наследие чрезвычайно разнообразно. Он внес вклад в развитие математики, параллельно с Лейбницем создав дифференциальное и интегральное исчисление, в развитие оптики (он, в частности, поставилопыты в области дисперсии света и дал объяснение этому явлению), проводил важные астрономические наблюдения с помощью собственноручно построенных зеркальныхтелескопов. Но главным научным достижением Ньютона было завершение дела Галилея посозданию классической механики. Благодаря их трудам XVII в. считается началомдлительнойэпохи 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 сформулированный еще Галилеем: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил.

Второй закон механики Ньютона, закон динамики поступательного движения, гласит, что приобретаемое телом под действием какой-то силы ускорение прямо пропорционально этой действующей силе и обратно пропорционально массе тела.

Третий закон механики Ньютона – это закон равенства действия и противодействия:действия двух тел друг на друга всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны.

Наибольшее влияние на дальнейшее развитие естествознания оказал открытыйНьютономзакон всемирного тяготения, согласно которому все тела, независимо от их свойств и свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямопропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояния междуними. Это был поистине универсальный закон природы, которому подчинялось все – малое и большое, земное и небесное.

В 1687 г. вышел в свет главный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», заложивший основы современной теоретической физики. В этом труде Ньютон сформулировал научно-исследовательскую программу, которую назвал «экспериментальной философией», подчеркивая решающее значение опыта, эксперимента в изучении природы. Он писал: «Как в математике, так и в натуральной философии исследование трудныхпредметов методом анализа всегда должно предшествовать методу соединения. Такой анализ состоит в производстве опытов и наблюдений, извлечении общих заключений из них посредством индукции и недопущении иных возражений против заключений, кроме полученных из опыта или других достоверных истин. Ибо гипотезы не должны рассматриваться в экспериментальной философии… Путем такого анализа мы можем переходить от соединений к ингредиентам, от движений – к силам, их производящим, и вообще от действий – к их причинам, от частных причин – к более общим, пока аргумент не закончится наиболее общей причиной».

На открытых Ньютоном законах была основана классическая механическая картина мира (МКМ), первая научная картина мира, важным преимуществом которой была ее простота. В этой картине, носящей абстрактный характер, отбрасывалось все “лишнее”: не имели значения размеры небесных и земных тел, их внутреннее строение, идущие в них процессы. Оставались только массы и расстояния между центрами этих масс, связанные простой формулой. Законы Ньютона управляют движениями объектов, заполняющих пространственно-временную сцену. Пространство трехмерно и евклидово, траектории тел – элементы геометрии Евклида. Время и пространство у Ньютона – абсолютны, не оказывают влияния на тела, размещенные в них. Сила тяготения распространяется в пространстве с бесконечной скоростью и не меняет ход времени. Можно предсказать и прошлое, и будущее динамическое состояние системы, так как замена знака времени в уравнениях Ньютона не оказывает влияния на движение. Уравнения динамики Ньютона линейны, действие равно противодействию; интенсивность следствия определяется интенсивностью причины. Поэтому все в мире предопределено, строгодетерминировано.

Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую физику и эксперимент, определили направление развития естествознания на многие десятилетия вперед. В течение XVIII–XIXвв. механика Ньютона была приведена в стройную систему, были разработаны методы вычисления (строгие и приближенные) задач движения. Л. Эйлер, Ж. Даламбер, Ж. Л. Лагранж (1736–1813) П. С. Лаплас (1749–1827) и У. Р. Гамильтон (1805–1865), сделалимеханику аналитической, обладающей строгостью математического анализа. Лаплас выдвинулконцепцию полной детерминированности явлений природы. Опираясь на небесную механикуНьютона, он пытался разработать молекулярную механику, объяснявшую движение частиц.В рамках МКМ Кантом (1724–1804) и Лапласом была построена космогония солнечнойсистемы, открыты законы взаимодействия электрических зарядов (Кулон) и взаимодействия точечных магнитных полюсов. Ломоносов (1711–1765) с помощью кинетической теории объяснял упругие свойства газов. Под влиянием идей Ньютона Адам Смит пришел к научному обоснованию теории стоимости.

Параллельно с развитием механики в XVIII в. разрабатываются представления о тепле.Так, один из разделов физики – термометрия – получил развитие в началеXVIIIв. благодаря работам Реомюра, Цельсия, Фаренгейта. Познание явлений, связанных с теплом, привело к развитию новой ветви классического физического естествознания –термодинамики.

Кинетические представления о теплоте начал развивать еще Ломоносов, но появление термодинамики связывают с трудом французского физика и инженера Сади Карно (1796–1832) «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Предложенный им термодинамический способ решения задач используется и в современной физике. В своей работе Карно практически дал формулировку закона сохранения энергии, используя понятие тепло: «Тепло не что иное, как движущая сила, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тела. Движущая сила существует в природе внеизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается и не уничтожается». С этогомомента временитепло,теплота,тепловая энергия становятся предметом пристального внимания и изучения учеными многих специальностей – физиков, химиков, врачей и т. д.

Один из самых фундаментальных законов – закон сохранения энергии. Открытиезакона сохранения и превращения энергии, илипервого начала термрдинамики, связывают с именами многих ученых. Считается, что этот закон независимо сформулировали Р. Майер, Д. Джоуль, Г. Гельмгольц, Э. Ленц. Открытию закона сохранения энергии способствовали экспериментальные и теоретические работы в области физики и физиологии.

Немецкий врач и ученый Роберт Майер (1814–1878) во время своего путешествия в Ост-Индию в 1840 г. обнаружил, что венозная кровь больных в тропиках была краснее, чем в Европе, и объяснил это явление более высоким содержанием кислорода в крови. Последнее,полагал Майер, обусловлено тем, что при высоких температурах в организме человека сгораетменьше пищи, поскольку тело в этих условиях требует меньше тепла, получаемого за счет питания. Поэтому в венозной крови остается больше кислорода. Таким образом, Майерфактически высказал мысль, что химическая энергия, содержащаяся в пище, превращается втеплоту. В 1845 г. он написал работу, в которой подробно исследовал различные виды сил (энергий): механическую силу, силу падения (не до конца осознавая, что она являетсянекоторым видом потенциальной энергии), теплоту, электричество, химическую силу. Он составилтаблицу всех рассмотренных сил и описал 25 случаев перехода одной формы движения (силы,энергии) в другую, анализируя их на основе закона сохранения.

Английский физик Джеймс Джоуль (1818–1889) в 1841 г., а российский академик физик и электротехник Эмилий Ленц (1804–1865) в 1842, изучаятепловое действие электрического тока, открывают независимо друг от друга закон о количестве выделяющегося тепла, который получил впоследствии имя Джоуля-Ленца. Более того, хотя Ленц не сформулировал закон сохранения энергии как таковой, он неявно использовал этот закон в своих исследованиях. Многочисленные опыты Джоуля показали, чтомеханическая энергия превращается в теплоту, и определили механический эквивалент теплоты.В работе «О тепловом эффектемагнито-электричества и механическом эффекте теплоты» (1843) Джоуль в качестве результатасвоих измерений указывал, что «количество тепла, которое в состоянии нагреть один фунт воды на один градус Фаренгейта, может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в один фут». Из работ Джоуля следовало, что теплота не является веществом, что она состоит в движении частиц. Герман Гельмгольц (1821–1894), признавая приоритет Майера и Джоуля, пошел дальше и увязал этот закон с принципом невозможности вечного двигателя первого рода.

Изучение термодинамических процессов привело к выявлению принципиальнойнеобратимости явлений, связанных с передачей энергии в виде теплоты. В 1850 г. Р. Клаузиус (1822–1888), один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории теплоты, одновременно с У. Томсоном (лордом Кельвином), дал первуюформулировку второго начала термодинамики. Позднее он ввел понятие “энтропия” и поддержалгипотезу тепловой смерти Вселенной.

Представления о материи в XIXв. существенно изменились в связи с изучениемэлектрических и магнитных явлений. Несмотря на то, что еще в 1678 г. Христиан Гюйгенс (1629–1695) создал волновую теорию света, механистическая картина мира предполагала только один вид материи – дискретное вещество, состоящее из частиц, имеющих массу.

Длительное время теории, объяснявшие закономерности соединения химическихэлементов, опирались на идею тяготения между атомами. Как очередное подтверждениеуниверсальности классической механики было первоначально воспринято физиками открытие Шарля Огюста Кулона (1736–1806). Оказалось, что положительный и отрицательный электрические заряды притягиваются друг к другу прямо пропорционально величине зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Создавалось впечатление, что закон взаимодействия зарядов – это лишь “разновидность” закона всемирного тяготения. Лишь впоследствии стало ясно, что это один из законов электромагнетизма.

Английскому химику и физику Майклу Фарадею (1791–1867) удалось показать опытным путем, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. Тем самым он впервые объединил электричество и магнетизм, признав их одной и той жесилой природы. Он ввел в науку понятие электромагнитного поля – еще одного вида материи, который, в отличие от вещества, характеризуется непрерывностью. Идеи Фарадея облек в математическую форму выдающийся английский ученый Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879). Его основной работой, заключавшей в себе математическую теорию электромагнитного поля, явился «Трактат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 г. Из теории электромагнитного поля следовало предсказание существования в природе электромагнитных волн. Лишь 1886 г. Герц в эксперименте продемонстрировал их распространение. Он смог также доказать принципиальную тождественность полученных им электромагнитных переменных полей и световых волн.

Введение Фарадеем понятия электромагнитного поля и математическое определение его законов, данное в уравнениях Максвелла, явились самыми крупными событиями в физике со времен Галилея и Ньютона. Работы в области электромагнетизма положили начало крушению механистической картины мира и формированию основ электродинамической картины мира.