КСЕ!!!!!ИТОГОВАЯ АТТЕСТАЦИЯ!!!
1 вопрос!!
Классическая наука определяется совокупностью конкретных критериев:
Научность признана объективной, т.е. нацеленной на конкретный объект, постигаемый через опыт;
Наука носит опытный характер знаний. Основными методами для получения и подтверждения полученных знаний применяются наблюдение, измерение, эксперимент. Поэтому к научному эксперименту всегда предъявляются высокие требования повторяемости и воспроизводимости в любом месте в любое время без малейших изменений;
Классическая наука должна быть достоверной и иметь общую значимость и универсальность научного познания, т.е. быть интерсубъективной. Соответственно, чем достовернее научное высказывание, тем меньшее количество субъективных привнесений содержится в ней.
Становление классической науки началось со стремления элиминировать (т.е. исключить) из контекста внутренних научных построений субъекта, поскольку наука должна предоставлять только реальные и обоснованные знания. Таким образом, идеальная модель классической науки характеризуется следующими критериями научности: истинность, объективность, универсализм, интерсубъективность, воспроизводимость, опытность знания и достоверность.
Зачастую на практике критерии научности встречаются не всегда и имеют следующие характерные особенности. К ним относятся: достоверность научных высказываний, экспериментальный характер; фундаментализм и универсализм. Данные критерии представляют систему ограничений, связанных между собой. Подобная совокупность требований, которые предъявляются к знанию, позволяющему тестировать научные исследования. Она обусловлена социально-культурной ситуацией, в которой собственно и сформировалась классическая наука.
2)Современная наука
Развитие науки является частью общей динамики современных цивилизационных процессов. Мир становится единым, более унифицированным, чем в прежние времена. Эту важнейшую особенность нынешней цивилизационной ситуации сегодня все чаще называют глобализацией. Современная наука тоже изменяется в сторону колоссального усложнения, ускоренной динамики, наращивания технического потенциала. Сегодня изменяется и сама профессия ученого, его образ жизни и действий. Основные тенденции современной науки Среди главных тенденций современной науки чаще всего называют следующие: 1) интеграцию; 2) дифференциацию; 3) математизацию; 4) индустриализацию; 5) информатизацию. В этом комплексе важных тенденций новейшего времени различимы как положительные, так и отрицательные стороны. Интеграция науки. Под интеграцией понимают тенденцию объединения научного знания. Наука, как и другие социальные сферы, тоже глобализируется. Стираются границы между прежде совершенно различными дисциплинами. Это проявляется в различных формах. А. Важнейшую роль играют процессы взаимодействия научных областей. Современная наука богата различными плодотворными междисциплинарными связями, которые, связывают направления, ранее развивавшиеся отдельно, — математику и лингвистику, физику и химию, математику и экономику и т.п. Науки сходятся на едином изучаемом объекте, на той или иной комплексной проблеме, обеспечивают одна другую методологической базой, оказывают друг на друга эвристическое, стимулирующее воздействие. Б. Проявлением интеграции является, кроме того, отчетливое стремление к унификации понятийного аппарата науки. В связи с этим в нашей философско-методологической литературе прошлых десятилетий активно обсуждался вопрос о т.н. общенаучных понятиях, примерами которых являются система, структура, энтропия, вероятность, алгоритм, информация. В. Ярким выражением интегративной тенденции является то, что на фоне общего массива наук периодически возникают и выдвигаются на роль объединяющего центра определенные интегративные науки, в которых производятся широкие и перспективные обобщения. Примерами таких наук и научных подходов могут служить кибернетика, общая теория систем, семиотика, теория информации, синергетика. Видимо, тяга к единству научного знания столь сильна, что возникновение подобных интегрирующих направлений всегда вызывает оптимизм ученых и философов и сопровождается несколько завышенными ожиданиями. Дифференциация науки. Это противоположно направленная тенденция дробления научных областей. Ко второй половине XX в. возникла масса тонких подразделений внутри наук (например, в физике: физика плазмы, физика твердого тела, механика сплошных сред и т.д.). Внутри наук нарастает специализация, приводящая к тому, что традиционно сложившаяся наука рассыпается на массу узких областей с собственной усложненной терминологией и проблематикой, отделенных друг от друга профессионально-институциональными заслонами. Так, в наше время в одной только геологии насчитывается не менее 80 дисциплин! Все это вызвано объективным требованием концентрации усилий ученых на точечных участках, и, конечно, это в значительной мере повышает эффективность научного поиска. Действительно, сегодня мы видим продолжающийся прирост специальных знаний. Но существуют и отрицательные следствия — утрата стратегического видения научного продвижения, затруднение взаимопонимания ученых, нарастание потерь информации (феномены пересечения одних и тех же результатов в разных направлениях, невостребованность узких знаний высокоспециализированных научных областей). Сегодня многие исследователи высказывают свои опасения по поводу того, что дифференциация в ряде научных областей явно преобладает над интеграцией. Например, в отношении медицинской науки эту точку зрения проводят Ю.П. Лисицын и В.П. Петленко. Математизация. Это одна из центральных тенденций современной науки, набравшая особую интенсивность во второй половине XX в. Математизация — это проникновение математических подходов и методов в другие области научного познания. Общеизвестна огромная роль точных методов, математического моделирования, вычислительных экспериментов. Помимо естественных наук, которые существенно связаны с математикой, явление математизации коснулось и гуманитарных наук — истории, социологии, лингвистики и др. Интересные перспективы внедрения математики в гуманитарное знание связаны с разработкой новых неколичественных подходов в ряде математических направлений — теории множеств, топологии, теории графов и других, позволивших подойти к более точному изучению качественных аспектов и соотношений. Более общей стратегией, заключающейся в том, что научная проблема переводится на уточненный искусственный язык, является формализация (§ 2.7). Общий принцип формализационных подходов был разработан в математической логике. Формализация является также одним из опорных моментов тенденции информатизации, о которой речь пойдет чуть ниже. Заметим, однако, что к концу XX в. стала заметна некоторая утрата оптимизма в отношении возможностей математизации. Это, конечно, не означает приостановки данной тенденции, просто отношение к ней стало сдержаннее по сравнению, скажем, с периодом 1950-1970-х гг. Более осторожно стали относиться к таким направлениям, как, например, распознавание образов, оптимизационные методы, теории принятия решений, математическое моделирование (по поводу моделирования см. § 2.5). Критики наряду с признанием несомненных достоинств математизации в большинстве ее разновидностей тем не менее указывают, что существует ряд серьезных ограничений в использовании математических методов. Так, часто затруднен процесс интерпретации и экстраполяции полученных результатов; слабо осуществляется взаимопонимание разработчиков моделей — математиков и нематематиков; существуют серьезные вычислительные трудности; перевод проблем на язык чисел “размывает” содержательную основу принятия решений. В ряде областей не оправдались надежды на конструирование имитирующих технических систем, способных конкурировать с профессиональной деятельностью человека. Не совсем оправдали себя и математические подходы в гуманитарном регионе. Все это говорит о том, что математика, конечно, имеет границы своих приложений. Сегодня более четко осознается то, что математизация науки не является самооправдываюгцимся предприятием, не может служить способом автоматического решения научных проблем. Видимо, новые перспективы науки будут связаны с более взвешенным подходом, с умелым сочетанием количественных и. качественных методов. Иными словами, новые достижения науки будут зависеть от наращивания содержательной рациональности. Индустриализация. Связи науки и техники приводят к взаимопроникновению этих областей науки в технологию и технологии в науку. Сегодня наука опирается на мощную индустриальную базу. Для проведения экспериментов, наблюдений, исследований моделей теперь часто требуются колоссальные специализированные установки и коллективы обслуживающего персонала. Разумеется, эта тенденция также имеет не только положительные стороны. Скажем, в гуманитарных науках привычка организовывать исследовательский проект масштабно, на основе солидного финансирования приводит, как отмечают некоторые критики, к снижению собственно креативной составляющей поиска; в некотором смысле здесь организационная практика начинает доминировать над собственно познавательной. Поэтому нередко широкомасштабные, технически оснащенные и дорогие программы исследований приводят парадоксальным образом к скудным научным результатам. Информатизация. Информатика — группа дисциплин, занимающихся изучением к совершенствованием информационных процессов и обслуживающих их технических систем. Информатизация — это использование современных информационных технологий, их постоянное совершенствование во всех важнейших областях человеческой деятельности — науке, управлении, образовании, производстве и т.п. Как известно, главными событиями информатизации явились микропроцессорная революция 70-х гг. XX в., разработка стандартной модели IBM PC с открытой архитектурой в начале 1980-х гг. и становление доступной для массового потребителя глобальной компьютерной сети Интернет в 1990-е гг. Информатизацию науки можно считать специальным случаем ее общей индустриализации. Сегодня компьютер является необходимым инструментом в любых областях, науки. Он включается во все стадии работы: в поиск базовой информации по теме, планирование эксперимента, управление процессом экспериментирования, теоретический анализ, предоставление результатов, научную коммуникацию и т.п. Информатизация резко повышает возможности человека, позволяет ему осилить чрезвычайно сложные задачи. Однако, говоря об общеизвестных достоинствах компьютеризации, следует отметить и ряд негативных моментов. Успехи информатизации заставили человека слишком доверять машине. Возникает тенденция трактовки тех или иных ситуаций (управленческих, познавательных и т.н.) в терминах компьютерных возможностей, т.е. ориентация на то, как эта ситуация будет проанализирована машинным способом; принятие решения в этом случае прямо связывается с тем горизонтом, который охватывается компьютерными технологиями. Кроме того, ситуация в ряде областей человеческой деятельности показывает, что, к сожалению, в них наметилась определенная тенденция снижения собственного профессионализма пользователей информационных систем: человек перестает проявлять инициативу в обучении, анализе обстановки, принятии решений. Между тем всегда существуют нестандартные ситуации, которые не могут быть предусмотрены в программе. Критики отмечают, что в ряде крупных аварий и катастроф последнего времени сыграла свою роль и повышенная вера в машину, утрата личной инициативы и ответственности. Общая ориентация на технические системы и подходы, связанная с компьютеризацией научных исследований, ведет к унифицированности, обезличенности исследовательского мышления, способствует формализаторскому крену. При этом снижается уровень качественного, собственно человеческого видения проблемы (ценностно-ориентированного, смыслового, неформального), что особенно неоправданно в социально значимых областях — медицине и здравоохранении, экономике, педагогике, политике и др. В итоге забывается, что машина является лишь вспомогательным средством человеческой деятельности и что единственным (и никем не заменимым) субъектом познавательной деятельности и принятия решений является человек.
3) Мировоззренческая революция эпохи Ренессанса
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 революции, 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.
В первую половину средневековья, длившегося более тысячелетия, в Европе господствовала библейская картина мира, сменившаяся затем догматизированным аристотелизмом и геоцентрической системой Птолемея. Постепенно несовершенство, сложность, и запутанность птолемеевской системы становились очевидными. Эта система страдала отсутствием внутреннего единства и целостности; каждая планета рассматривалась сама по себе, имела отдельную от остальных эпициклическую систему, свои собственные законы движения, позволяла предвычислять лишь направления на небесные светила, без попыток раскрыть истинную удаленность и расположение их в пространстве. Птолемей считал последние две задачи вообще неразрешимыми.
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) и совершенствования мореходной практики.
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). Обладая широким складом мышления, Коперник первым взглянул на весь накопившийся за тысячелетия опыт астрономии глазами человека эпохи Возрождения: смелого, уверенного, творческого, новатора. Коперник сумел разорвать с 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. В отсутствии такой простоты и стройности, системности Коперник и увидел коренную несостоятельность теории Птолемея. 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. Неравномерное петлеобразное движение планет, неравномерное движение Солнца Коперник считал кажущимся эффектом, порожденным перемещением самого наблюдателя (как при наблюдении с плывущего корабля предметов, находящихся на берегу). Это допущение подвижности Земли и было главным новым принципом в системе Коперника.
В 1543 г. вышло в 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.
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 эпициклам, 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. Объяснение видимых явлений позволило Копернику впервые в истории астрономии поставить вопрос об определении действительных расстояний планет от Солнца.
Система Коперника была проще и точнее системы Птолемея. Этой простотой и точностью сразу же воспользовались в практических целях. На ее основе составили «Прусские таблицы» (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.
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. 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.
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.
4) 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.
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.
5) 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.
6) Вклад Г. Галилея в развитие естественных наук.
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 основыэкспериментального 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”.
7) Вклад И. Ньютона в создание классической механики – первой естественнонаучной фундаментальной теории.
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. 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 между силой тяготения и силой тяжести на Земле проводится у Ньютона путем вычисления центростремительного ускорения Луны в ее обращении вокруг Земли; затем Ньютон уменьшает это ускорение пропорционально квадрату расстояния Луны от Земли, после чего оно оказывается равным ускорению силы тяжести у земной поверхности. Обобщая эти результаты, Ньютон приходит к выводу, что для всех планет имеет место притяжение к Солнцу, что все планеты тяготеют друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Дальнейший шаг заключался в том, что 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 приходит к закону всемирного тяготения в общем виде.
Не будет преувеличением сказать, что 28 апреля 1686 года - одна из величайших дат в истории человечества. В этот день Ньютон представил Лондонскому королевскому обществу свою новую всеобщую теорию - механику земных и небесных процессов. В систематической форме изложение классической механики было дано Ньютоном в книге “Математические начала натуральной философии”, которая вышла в свет в 1687 году. Современники Ньютона тотчас же высоко и достойно оценили этот уникальный труд.
Исключительно плодотворным оказался способ изучения явлений природы, разработанный Ньютоном. Eго учение о тяготения была уже не общим натурфилософским рассуждением и умозрительной схемой, а логически строгой, точной (и более чем на два века единственной) фундаментальной теорией - особым рабочим инструментом исследования окружающего мира, прежде всего движения небесных тел. Физическим фундаментом небесной механики стал закон всемирного тяготения.
Из закона всемирного тяготения Ньютон вывел в качестве простых следствий (и уточнил при этом) кеплеровы законы эллиптического движения планет и показал, что в Солнечной системе в общем случае движение ее тел может происходить по любому коническому сечению, включая параболу и гиперболу. На этом основании он сделал вывод о единстве законов движения комет и планет и включил впервые кометы в состав Солнечной системы. Ньютон дал также математический (геометрический) метод вычисления истинной орбиты кометы по ее наблюдениям, что вскоре позволило Галлею открыть первую периодическую комету (комета Галлея). Разрозненные прежде и загадочные явления на Земле и на небе: приливы и отливы, сжатие планет (уже обнаруженное тогда у Юпитера), наконец, прецессия - нашли четкое объяснение в единой теории всемирного тяготения Ньютона. Новыми, подтвердившимися лишь после смерти Ньютона, были его выводы о сплюснутой у полюсов форме Земли. Ньютону принадлежит и великая заслуга объяснения возмущенного движения в Солнечной системе как неизбежного следствия устройства этой системы. Чисто кеплеровского движение, определяемое действием одного центрального светила - Солнца, как показал Ньютон, обязательно будет нарушаться у планет и спутников из-за их взаимного воздействия друг на друга. (Эти отклонения от некоего правильного движения еще задолго до открытия законов Кеплера были впервые обнаружены Птолемеем в движении Луны. Ньютон открыл в ее движении новые неравенства - попятное движение узлов, годичное и параллактическое неравенства и др.).
Формирование основ классической механики было величайшим достижением естествознания ХVII века. Классическая механика была первой фундаментальной естественнонаучной теорией. В течение трех столетий (с ХVII в. по начало ХХ в.) она выступала единственным теоретическим основанием физического познания, а также ядром второй естественнонаучной картины мира - механистической.
Нельзя не сказать о математических достижениях Ньютона, без которых не было бы и его гениальной теории тяготения. Свой метод расчета механических движений путем рассмотрения бесконечно малых приращений величин - характеристик исследуемых движений Ньютон назвал “методом флюксий” и описал его в сочинении “Метод флюксий и бесконечных рядов с приложением его к геометрии кривых” (закончено в 1671 г., полностью опубликовано в 1736 г.). Вместе с методом Лейница он составил основу современных дифференциального и интегрального исчислений. В математике Ньютону принадлежат также важнейшие труды по алгебре, аналитической и проективной геометрии и др.
Несмотря на свой знаменитый девиз “Гипотез я не измышляю””, Ньютон как мыслитель крупнейшего масштаба не мог не задумываться и над предельно общими проблемами мироздания. Так, в частности, он распространил свою теорию тяготения на проблемы космологии.
Применив закон тяготения, подтвержденный тогда лишь для Солнечной системы, ко всей Вселенной, Ньютон рассмотрел главную космологическую проблему: конечна или бесконечна вселенная. И пришел к выводу, что лишь в случае бесконечности вселенной материя может существовать в виде множества космических объектов - центров гравитации. В конечной же вселенной материальные тела рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира. Это было первой строгое физико-теоретическое обоснование бесконечности мира.
Ньютон задумывался и над проблемой происхождения такой упорядоченной Вселенной. Однако здесь он столкнулся с задачей, для решения которой еще не располагал научными фактами. Он считал, что материя сама по себе косна, пассивна и не способна к движению. И потому, например, для него тайной являлось начало орбитального движения планет. Для раскрытия этой тайны оставалось прибегнуть лишь к некоей более могучей, чем тяготение, организующей силе. В ту эпоху в качестве такой силы мыслился, разумеется, лишь бог. Поэтому Ньютон допускал божественный “первый толчок”, благодаря которому планеты приобрели орбитальное движение, а не упали на Солнце. Обнаружив неизбежность возмущений в движениях планет и спутников (т.е. отклонений от кеплеровых законов), которые могли иметь вековой характер, нарастая со временем, Ньютон вынужден был сделать вывод о необходимости в время от времени подправлять расшатывающийся механизм планетных движений. Подобную функцию опять-таки мог выполнять только бог...
Потребовалось всего полвека развития науки и общего мировоззрения под воздействием открытий самого Ньютона, чтобы появились мыслители, категорически отвергавшие идею божественного начального толчка и внесшие в естествознание идею естественной эволюции материи. Первым из таких мыслителей был И. Кант.
8) Вклад М. Фарадея и Д. Максвелла
Однако
последовательную, единственно признаваемую
и сегодня, теорию электромагнитных
явлений удалось построить лишь самому
Максвеллу, который отказался от
представления о дальнодействии й взял
за основу в электромагнетизме идею о
поле, выдвинутую впервые великим
физиком-экспериментатором Майклом
Фарадеем (1791-1867), который благодаря своим
опытам доказал также тождественность
различных видов электричества.
Установленные Фарадеем законы электролиза
доказывали выдающийся факт природы —
дискретность электрического заряда.
Начиная с 30-х годов XIX столетия, у Фарадея,
под влиянием проводимых им экспериментов,
начинает формироваться идея о передаче
электромагнитных взаимодействий
посредством поля. По мнению А. Эйнштейна,
идея поля была самым важным открытием
не только в физике, но во всей классической
науке, со времен Ньютона (Эйнштейн тогда
еще не подозревал, что электромагнетизм,
эксперименты Фарадея и теория Максвелла
дали начало новому этапу науки —
неклассическому).
Ученым, который осознал глубину и
оригинальность представлений Фарадея
о поле на примере электромагнитного
поля, стал именно Джеймс Максвелл
(1831-1867). В 1865 году Максвелл опубликовал
свою основополагающую работу “Динамическая
теория электромагнитного поля”, в
которой он вывел математические уравнения
теории поля — уравнения Максвелла.
Одним из самых поразительных выводов
электромагнитной теории Максвелла было
указание на возможность распространения
электромагнитных волн со скоростью
света. Вывод Максвелла о том, что свет
— электромагнитные волны, по праву
считается вершиной его исследований в
области электромагнетизма. Электромагнитная
теория волн и поля позволяет наилучшим
образом объяснить все явления, связанные
со светом.
Специальная теория относительности.
Есть одно замечательное явление в
природе, которое сопровождает человека
практически непрерывно да и, вероятно,
обуславливает существование самого
человека — это свет. Важное место в
проблеме света занимал вопрос о его
скорости, который не смогли прояснить
ученые ни в античные, ни в средние века.
Но вот Авиценна, например, полагал, что
эта скорость хотя и весьма велика, но
ограничена. Первую известную, но
безуспешную попытку измерения скорости
света сделал еще великий Галилей. Первое
же успешное измерение скорости
распространения света было проведено
датским астрономом О. Ремером в 1676 году,
использовавшим для этого экспериментальный
факт запаздывания затмений спутников
Юпитера, которое он объяснял конечностью
скорости распространения света. В XIX
веке некоторые физики развивали теорию
эфира с целью объяснения природы
распространения света в пространстве.
Одновременно с этим проводились
эксперименты по все более точному
определению скорости света. В 1881 году
американский ученый Альберт Майкелъсон
(1852-1931) вместе с помощником Мор-ли, с
помощью сконструированного ими
интерферометра, определили скорость
света с точностью до восьмого знака (т.
е. с точностью до нескольких м/с, и это-то
при величине скорости света около 300
000 тыс. км/с). У Майкельсо-на была
определенная цель: подтвердить
существование постулированного еще в
античные времена эфира и обнаружить
“эфирный ветер”, следствием которого
было бы различие в скорости света в
разных направлениях по отношению к
скорости движения Земли по околосолнечной
орбите. Результат оказался отрицательным,
под таким названием он известен в науке
— отрицательный результат опыта
Майкельсона.
Из опытов Майкельсона следовало, что
для света не выполняется принцип сложения
скоростей классической механики (вот
это и есть первое противоречие канонам
классической физики, в XX столетии их,
этих противоречий, последует еще
несколько), скорость света не зависит
от скорости движения источника света.
Например, согласно классической механике,
скорость света от звезды, измеряемая
по ходу движения Земли, должна быть
300030 км/с, а всегда получается 300000 км/с.
Т. е. “с” плюс или минус “v”, все равно
получим “с”.
Разрешить эту, на первый взгляд,
неразрешимую проблему смог в 1905 году
великий немецкий физик Альберт Эйнштейн,
создавший для этого специальную теорию
относительности (СТО) или так называемую
релятивистскую механику, заменившую
для быстрых, околосветовых скоростей
классическую механику. В основу новой
теории движения и пространства-времени
Эйнштейном были положены два постулата:
1. Релятивистский принцип относительности
— в любых инерциальных системах все
физические процессы — механические,
оптические, электрические и другие —
протекают одинаково, или, в формулировке
русского советского физика Владимира
Фока, явления природы не зависят от
неускоренного движения.
2. Принцип постоянства скорости света
— скорость света в вакууме не зависит
от скоростей движения источника и
приемника, она одинакова во всех
направлениях, во всех инерциальных
системах отсчета. Иногда этот принцип
интерпретируют как принцип существования
предельной скорости распространения
(например, В. Фок).
Позднее, в 1908 г., в теорию Эйнштейна
внедрилась идея немецкого математика,
выходца из России, Германа Минковского
о том, что весь наш мир представляет
собой четырехмерный пространственно-временной
континуум событий. Иначе, такой континуум
следует понимать как сплошное четырехмерное
пространство-время мировых точек
событий, в геометрическом представлении
(описании) которого три измерения
(размерности) ответственны за пространство
и одно измерение (размерность) — за
время. При таком выборе описания мировых
событий частице, любому объекту
соответствует так называемая мировая
линия. Точки этой линии определяют
координаты частицы во все моменты
времени. Так, например, равномерно и
прямолинейно движущейся материальной
частице соответствует прямая мировая
линия. Среди основных следствий СТО
можно выделить такие:
а) продольные размеры движущегося тела
всегда меньше размеров покоящегося;
б) движущиеся часы идут медленнее
покоящихся часов (время замедляется);
в) события, одновременные в одной системе
отсчета, никогда не будут одновременными
в какой-либо другой системе;
г) одновременность — понятие относительное
(имен но анализ понятия одновременности
привел Эйнштейна к созданию СТО);
д) масса движущегося тела всегда больше
массы покоящегося тела.
Новый вид и новую сущность приобретает
теорема сложения скоростей V1 и V2; если
в ньютоновой механике ее вид был V = V1 +
V2, то в эйнштейновой он таков: 
Видно, что если подставить в эту формулу
самые предельные скорости с, то V будет
равно с! Во всех остальных случаях V <
c
Таким образом, в этой новой теории
пространства и времени утрачивают свою
физическую абсолютность: традиционное
евклидово (пифагорейское) расстояние,
ньютоново время, ньютонова масса, ее
импульс, энергия (но законы сохранения
этих величин не нарушаются!). Большинство
отмеченных физических характеристик
объектов оказываются чувствительны к
отношению скорости их движения v к
скорости света с — отношению v/c, так что
все наблюдаемые и регистрируемые новые
эффекты, называемые релятивистскими,
возникают при приближении этого отношения
к 1. Оказалось, что ничто материальное,
т. е имеющее массу, не может достичь
скорости света! В эйнштейновой
релятивистской механике появилась
самая знаменитая формула в мире, кстати,
высеченная на надгробии Альберту
Эйнштейну в Принстоне. Это формула для
энергии массы т, известная практически
всякому грамотному человеку, а именно,
Е = тс2. Это вовсе не энергия движения
массы т, поскольку, повторим, никакая
масса не может достичь скорости света
с, это некая запасенная энергия этой
массой, характеризующая ее потенциальные
энергетические возможности. При
определенных условиях эта энергия вся,
без остатка, может превратиться в энергию
излучения либо кванта электромагнитного
поля Е = hn, либо кванта какого-то другого
поля (см. п. 4.4). Такие возможности возникают
при реакции аннигиляции любых частиц
и античастиц, например, при лобовом
столкновении электрона и позитрона.
Рассмотренная эйнштейнова формула
энергии парадоксальна (или противоречива)
тем, что масса т в ней умножается на
квадрат скорости света с, скорости,
которой она сама никогда достичь не
может! Поскольку скорость света есть
предельная, универсальная скорость в
мировом пространстве (во Вселенной), то
очевидно, что и сама масса есть проявление
(следствие) универсальных свойств
мирового пространства и времени, так
что ни масса, ни пространство, ни время
не отделимы одно от другого и третьего,
ни от одной из своих трехгранных
сущностей. Их объединяющая фундаментальная
взаимосвязь, их своеобразное родство,
единство их общей природы качественно
проявляется уже в СТО, что, кстати, до
нас не отметил пока никто из интерпретаторов
СТО. Эйнштейн доказал их физическую
взаимосвязь математически, т. е.
количественно, в общей теории
относительности. Концептуальные
положения этой теории будут рассмотрены
подробно в п. 4.2, а ее космологические и
космогонические следствия и структура
Вселенной — в главе 6.
Основной, фундаментальный смысл СТО
(как его определяет отечественный
академик Анатолий Логунов) состоит в
том, что все явления (физические,
химические, биологические и пр.) протекают
в четырехмерном пространстве-времени,
геометрия которого псевдоевклидова.
Псевдоевклидовой принято часто называть
геометрию Минковского, в которой квадрат
расстояния между двумя мировыми точками
(он называется интервал) на какой-либо
плоскости, например, с координатами ct
и х, определяется не суммой их квадратов,
как в геометрии Евклида, а их разностью.
В дополнение существующих неевклидовых
геометрий Лобачевского и Римана (о них
читайте в п. 4.2), геометрия Минковского
стала еще одной, вновь созданной
человеческим гением геометрией, которую
физики стали использовать для познания
явлений; и структуры природы.
Ценность и фундаментальность специальной
теории относительности заключается в
неограниченно глубоком влиянии СТО на
физическое мировоззрение. В дальнейшем
приведенные в соответствие со специальной
теорией относительности физические
теории стали называться релятивистскими.
Например, есть классическая механика
движущихся и покоящихся тел, и есть
релятивистская механика этих тел,
нерелятивистская и релятивистская
квантовая механика и т. д.
9) Фундаментальные противоречия в принципиальных основах классической механики в конце XIX – начале хх вв.
В начале XX в. на смену классической механике пришла новая фундаментальная теория — специальная теория относительности (СТО). Созданная усилиями ряда ученых, прежде всего А. Эйнштейна, она позволила непротиворечиво объяснить многие физические явления, которые не укладывались в рамки классических представлений. В первую очередь это касалось закономерностей электромагнитных явлений в движущихся телах. Создание теории электромагнитного поля и экспериментальное доказательство его реальности поставили перед физиками задачу выяснить, распространяется ли принцип относительности движения (сформулированный еще Галилеем), справедливый для механических явлений, на явления, присущие электромагнитному полю. Во всех инерциальных системах (т.е. движущихся прямолинейно и равномерно друг по отношению к другу) применимы одни и те же законы механики. Но справедлив ли принцип, установленный для механических движений материальных объектов, для немеханических явлений, особенно тех, которые представлены полевой формой материи.
Ответ на этот вопрос требовал изучения закономерностей взаимосвязи движущихся тел с эфиром, но не как с механической средой, а как со средой — носителем электромагнитных колебаний. Отдаленные истоки такого рода исследований складывались еще в XVIII в. в оптике движущихся тел. Впервые вопрос о влиянии движения источников света и приемников, регистрирующих световые сигналы, на оптические явления возник в связи с открытием аберрации света английским астрономом Брадлеем в 1728 г. (см. 7.1). Данный вопрос применительно к волновой теории света был значительно более сложным, чем для теории, основанной на представлении о корпускулярной природе света. Его решение требовало введения ряда гипотетических допущений относительно явлений, которые очень сложно выявить в опыте: как взаимодействуют весомые тела и эфир (полагали, что эфир проникает в тела); отличается ли эфир внутри тел от эфира, находящегося вне их, а если отличается, то чем; как ведет себя эфир внутри тел при их движении, и т.д. В физике сложилось три различных интерпретации характера взаимодействия вещества и эфира.
Возрождавший волновую теорию света в начале XIX в. Т. Юнг, касаясь вопросов оптики движущихся тел, отметил, что явление аберрации света может быть объяснено волновой теорией света, если предположить, что эфир повсюду, в том числе и внутри движущихся тел, остается неподвижным. В этом случае явление аберрации объясняется, как и в корпускулярной теории света.
В 1846 г. английский физик Дж. Г. Стокc разработал новую теорию аберрации, основанную на аналогиях с гидродинамикой. Он исходил из предположения, что Земля при своем движении полностью увлекает окружающий ее эфир и скорость эфира на поверхности Земли в точности равна ее скорости. Но последующие слои эфира движутся все медленнее и медленнее, и это обстоятельство и вызывает искривление волнового фронта, что и воспринимается как аберрация. Из этой теории следует, что в любых оптических опытах, проведенных на Земле, не может быть обнаружена скорость ее движения.
Существовала и третья точка зрения, принадлежавшая Френелю. Он предположил, что эфир частично увлекается движущимися телами. Френель показал также, что коэффициент увлечения имеет порядок (v/c) 2 , а значит, опытная проверка этой идеи требует очень точного эксперимента.
Сравнивая свою теорию с теорией Френеля, Стокc указывал, что эти теории хотя и основываются на противоположных гипотезах, но практически приводят к одинаковым результатам. Опыты, имевшие целью обнаружить скорость движения Земли относительно эфира, не дали положительных результатов. Они объяснялись и теорией Стокса, и теорией Френеля, поскольку их точность была недостаточной для обнаружения эффекта порядка (v/c) 2 .
Принципиальная сторона вопроса сводилась в сущности к двум возможным гипотетическим допущениям. Первое допущение достояло в том, что эфир полностью увлекается движущейся системой.
Допустим, система X'Y'O' (рис. 2) с источником света (скорость света с) движется со скоростью V по отношению к неподвижной системе XYO (в условиях, когда эфир полностью увлекается движущейся системой). Тогда в соответствии с принципом относительности:
для наблюдателя в системе X'Y'O' скорость света будет одинакова и равна с;
для наблюдателя в системе XYO скорость света будет различной и равна V = с ± V.
Вместе с тем ряд опытов, которые были поставлены еще в XIX в., показал, что скорость света всегда одинакова во всех системах координат независимо от того, движется ли излучающий его источник или нет, и независимо от того, как он движется. Таким образом, гипотеза о том, что эфир полностью увлекается движущейся системой, позволяла придерживаться принципа относительности, но тем не менее противоречила опыту.
Второе допущение прямо противоположно первому: движущаяся система проходит через эфир, не захватывая его. Это предположение, по сути, отождествляет эфир с абсолютной системой отсчета и приводит к отказу от принципа относительности Галилея – ведь в системе координат, связанной с эфирным морем, законы природы отличаются от законов во всех других системах.
Пусть система XYO (см. рис. 2) жестко связана с эфиром, а система X'Y'О' движется по отношению к ней, а значит, и по отношению к неподвижному эфиру со скоростью V. В таком случае:
для наблюдателя в системе XYO скорость света всегда постоянна и равна с;
для наблюдателя в системе Х'Y'О' скорость света должна зависеть от скорости движения самой системы и быть равной V = с ± V.
Таким образом, только в одной системе координат, связанной с неподвижным эфирным морем, скорость света была бы одинакова во всех направлениях. В любой другой системе, движущейся относительно эфирного моря, она зависела бы от направления, в котором производилось измерение. Следовательно, для того чтобы проверить вторую гипотезу, необходимо измерить скорость света в двух противоположных направлениях.
С этой целью можно воспользоваться движением Земли вокруг Солнца: тогда скорость света в направлении движения Земли будет отличаться от скорости света в противоположном направлении.
Очевидно, что если Земля не увлекает при своем движении окружающий эфир, то в одном случае эта скорость
с 1 = с+ v =c(l +v/c),
а в другом случае
с 2 = с – v = с (1 – v/c),
где v — скорость Земли. Таким образом, разница в скорости света в первом и втором случаях имеет первый порядок малости относительно v/c. Для проведения такого опыта нужно уметь измерять время, необходимое для прохождения светом известного расстояния в направлении движения Земли, однако не ясно, как эта задача может быть экспериментально разрешима.
Реальный эксперимент по определению скорости света на Земле возможен тогда, когда скорость света измеряется по времени, которое требуется для прохождения светом расстояния в прямом и обратном направлениях. В частности, существует экспериментальная возможность сравнения времени прохождения светом определенного расстояния S туда и обратно – первый раз вдоль движения Земли, а второй раз – в направлении, перпендикулярном этому движению. Разница во времени в первом и втором случаях является величиной второго порядка относительно v/c, т.е. # v 2 /c 2 . Но v 2 /c 2 чрезвычайно мало (?10 -8 ), и потому эксперимент должен быть исключительно точным. Такой эксперимент в 1887 г. был проведен А. Майкельсоном. Результаты эксперимента достоверно свидетельствовали о том, что на скорость света не влияет движение Земли, а следовательно, о несостоятельности второго допущения.
Для того чтобы «спасти» его, Дж. Фитцджеральд и независимо от него Х.А. Лоренц высказали в 1892 г. оригинальную гипотезу, согласно которой отрицательный результат опыта Майкельсона может быть объяснен тем, что размеры каждого движущегося в эфире тела уменьшаются в направлении движения относительно эфира в 1/(1 – v 2 /с 2 ) 1/2 раз. Эта гипотеза чисто формально объясняла отрицательный результат опыта Майкельсона, не давая никаких разумных теоретических объяснений причин изменения размеров тел. Более того, из этой гипотезы следовало, что вообще отсутствуют какие-либо средства, позволяющие решить вопрос о том, движется ли тело относительно эфира или покоится.
Впоследствии было показано, что для последовательного проведения «гипотезы сокращения» необходимо также допустить, что в системе, движущейся равномерно в неподвижном эфирном море, необходима и новая мера времени, а допущение о неувле-каемом эфире будет соответствовать опыту и принципу относительности, если вместо преобразований Галилея ввести новую формальную систему преобразрваний, которая получила название «преобразования Лоренца»:
Заметим, что при скоростях системы, существенно меньших скорости света (т.е. v << с), отношение v 2 /c 2 —> 0 и тогда преобразования Лоренца превращаются в классические преобразования Галилея.
Таким образом, к рубежу XIX-XX вв. развитие физики привело к осознанию противоречивости и несовместимости трех принципиальных положений классической механики:
скорость света в пустом пространстве всегда постоянна независимо от движения источника или приемника света;
в двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение (принцип относительности);
координаты и скорости преобразовываются из одной инер-циальной системы в другую согласно классическим преобразованиям Галилея.
Было ясно, что эти три положения не могут быть объединены, поскольку они несовместимы. Долгое время усилия физиков были направлены на то, чтобы попытаться каким-либо образом изменить первые два положения, оставив неизменным третье как само собой разумеющееся. С другой стороны, каждый раз результаты опытов доказывали истинность первых двух положений. В конце концов появилась даже идея замены преобразований Галилея, но она выступила лишь в виде гипотезы ad hoc (для данного случая).
Внутренняя логика развития подводила физику к необходимости найти нестандартный путь разрешения этого фундаментального противоречия в ее основаниях.