Тема №3. Развитие естествознания

План лекции:

3.1 Эпоха Возрождения.

3.2 Достижения Кеплера и Дж. Бруно.

3.3 Открытия И. Кеплера.

3.4 Вклад Г.Галилея.

3.5 Механическая картина мира.

3.6 Электромагнитная картина мира.

3.7 Квантово-релятивистская картина мира.

Эпоха Возрождения (XIV – XVI вв.), получив свое название в связи с возрождением интереса к античности (философии, искусству, науке), в современном восприятии имеет более широкий смысл. Это было время возрождения самого Человека, освобождением человеческого духа, научной и философской мысли. Это – эпоха значительной свободы как в социальной, так и в духовной сфере, во всем облике жизни.

Развитию гуманитарного направления в культуре Западной Европы XV – XVI веков способствовало одно важное политическое событие – завоевание в 1453 году Константинополя турками, которое привело к массовому бегству на Запад последних представителей византийской образованности. В эту эпоху начала бурно развиваться светская литература. Широко переиздавались в подлинниках и в переводе вновь открытые в пыли архивов произведения античных писателей, поэтов, ораторов, историков, философов и естествоиспытателей. По сути дела, передовые слои западноевропейского общества только теперь достигли уровня образованности, предшествовавшего падению античной цивилизации.

С началом капиталистического производства и далеких путешествий начинают меняться место и сам образ наук о природе, которые не могли оставаться более в рамках незаинтересованного теоризирования.

В эпоху Возрождения произошло открытие Америки Христофором Колумбом. Это привело к созданию Мартином Бехаймом «Земного яблока» - глобуса и карт Меркататора, удобных для мореплавания. Мощным толчком для развития науки стало изобретение в 1436 г. Иоганном Гуттенбергом печатного станка.

Эпоха Возрождения подарила миру Леонардо да Винчи, в лице которого гармонично сочетались художник и естествоиспытатель, познающий природу, чтобы творить, и творящий, чтобы познать глубже. Многочисленные черновые тетради и разрозненные фрагменты написанных слева направо рукописей, увезенные в Париж после итальянской кампании Бонапарта, были расшифрованы и опубликованы лишь в XVIII – XIX веках.

Величайшим достижением эпохи Возрождения стало создание гелиоцентрической картины мира. Далеко выходящее за пределы не только астрономии, но и всего естествознания, да и вообще за пределы науки, учение Николая Коперника вызвало революцию в мировоззрении. Не менее революционным был и сам путь к системе Коперника. Проанализировав наблюдения и рассуждения древних астрономов, Коперник приходит к семи аксиомам, среди которых: чрезвычайная удаленность звездного неба, центральное положение Солнца и движение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси.

По заданию папского секретариата, Коперник занимался улучшением церковного календаря. Найденная им длина года составила 365 суток 5 часов 49 минут 16 секунд и превысила истинную всего на 28 секунд. Эта величина стала основой для календарной реформы.

Астрономическое открытие Коперника оказало огромное революционизирующее влияние на всю науку XVI и XVII веков. Отчасти это произошло благодаря Джордано Бруно, сумевшему сделать из этого открытия далеко идущие и философские и физические выводы. В своих выводах из концепций Коперника, в итоге приведших его на костер инквизиции, Бруно приписывает природе атрибуты, до сих пор связывавшиеся только с богом: вечность, бесконечность. Он выдвигает утверждение о бесконечности звездных миров. В его концепции Солнце вовсе не находится в центре Вселенной, как предполагал Коперник, так как у бесконечной Вселенной нет никакого центра.

Со вступлением в Новое время идеи одушевленной Вселенной постепенно начинают вытесняться механико – математической картиной мира. Переломной фигурой в этом сдвиге стал Иоганн Кеплер. Опираясь на опытные данные, он создает законы движения планет. Кеплер был первым, кто сказал о том, что планеты движутся не по окружностям, а по эллиптическим орбитам. Законы Кеплера стали вехой, возвестившей вступление науки в продолжавшуюся более двух веков эру механико – математического естествознания.

XVII век принято называть веком «опытной науки». Прежде всего это было вызвано усилившимися противоречиями между успехами техники и отставанием естествознания. Эти противоречия должны были быть разрешены в результате научного обобщения результатов технического опыта с помощью экспериментальных и теоретических исследований.

Первые успехи в этом направлении были достигнуты Галилео Галилеем и Христианом Гюйгенсом. Галилео Галилей – один из пионеров классического естествознания, т.е. его первый классик. Именно с Галилея начинается эра строгой аналитической науки, где опора на математику возведена в ранг непреложной методологической нормы. Ведущим научным методом у Галилея становится дедукция, т.е. выведение теоретических следствий, которые затем должны быть подвергнуты экспериментальной проверке. Галилей очень точно составил законы равноускоренного и равнозамедленного движения, закон свободного падения тел. Он автор закона инерции, который сегодня мы называем первым законом Ньютона. Принцип относительности Галилея – одно из двух положений, на котором базируется сегодня специальная теория относительности.

Новый этап в жизни Галилея начался с изготовлением телескопа в 1609 году. Его телескоп, дававший увеличение в 30 раз, был самым лучшим на тот период времени, а самое главное, ученый знал, куда надо смотреть. Прежде всего Галилей приступил к наблюдениям Луны. Он увидел лунный пейзаж – горы и кратеры, а также несколько больших темных пятен, которые назвал морями. При помощи телескопа он обнаружил, что Млечный путь – это огромное скопление звезд. У Юпитера Галилей увидел маленькие звездочки, которые оставались возле Юпитера, меняя свое положение относительно него. Впоследствии Кеплер для Луны и «звезд» Юпитера предложит название – «спутник», уверенный, что спутники есть и у других планет.

На Солнце Галилей увидел пятна, которые вращались вместе с ним.

У Венеры ученый обнаружил фазы, похожие на фазы Луны. Ученый сделал вывод, что Венера и другие планеты не светятся, а лишь отражают свет Солнца. При этом фазы планеты меняются так, что стало бесспорным: Венера движется вокруг Солнца, а не вокруг Земли.

Чтобы сохранить себе жизнь, Галилей был вынужден отречься от своих взглядов.

Большую роль в развитии науки XVII века сыграл лорд-канцлер короля Якова I Фрэнсис Бэкон. Бэкон считает, что главной опорой естествознания является эксперимент, и рекомендует эмпирический метод индуктивного исследования природы. По Бэкону даже общество должно быть построено на основе естественных законов.

Возрастает роль математики. Декарт выдвигает математику как идеальный прототип и образец всех наук. Он считает, что основным критерием достоверности естественнонаучных знаний должно быть их соответствие выводам, полученным дедуктивно из основных аксиом.

Наиболее ярким представителем классического естествознания является Исаак Ньютон. Родившись в год смерти Галилея, он как бы принимает эстафету. Именно благодаря трудам Ньютона естествознание приняло черты, присущие нашим дням.

Выделение особой роли математики привело английского ученого к фундаментальным разработкам в самой этой науке. Среди этих разработок особое место занимает создание, независимо от Лейбница, дифференциального и интегрального исчисления. Ньютон становится создателем одного из самых сложных разделов математики – математической физики.

Ньютон был превосходным экспериментатором. Он первым разложил свет призмой и открыл дисперсию света. Это открытие покончило с архаичным противостоянием света и тьмы. Исследования в оптике привели его к созданию рефлектора – отражательного телескопа.

На основании своих исследований Ньютон создает механическую картину мира, которая стала первой действительно научной картиной мира. Согласно Ньютону весь мир состоит из «твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц». Взаимодействие в механике Ньютона осуществлялось по механизму дальнодействия.

Значительное внимание уделяется в XVIII веке теории вероятностей и ее приложениям к разнообразным проблемам. Выдающуюся роль в этом вопросе принадлежит математику, физику и астроному Пьеру Симону Лапласу, впервые показавшему роль и значение теории вероятностей в научном познании. Лаплас говорит о полной детерминированности всех явлений самой природы. Эта концепция легла в основу широкого мировоззрения естествоиспытателей.

В это время возникают вопросы о взаимосвязи науки и религии. Лаплас приходит к выводу, что наука не опровергает религию и не может этого сделать, однако, объясняя явления без ссылок на Бога, она делает религию ненужной, излишней для познания.

XIX век для развития науки является веком неоднозначным. На основе исследований Майкла Фарадея был создан первый электрометр. Ламарк производит систематизацию животного мира исходя из идеи его единства. В 1830 г. Ч.Лайель в эволюционном духе разрабатывает «Основы геологии». В 1828 году Ф.Велер впервые синтезирует органическое вещество из неорганического (мочевину). Убедительными доказательствами материального единства мира стали открытия атомного строения вещества (Дж. Дальтон), клетки (Т.Шванн, 1839 г.), закона сохранения энергии (Р.Майер, 1842 г.), эволюционного учения Дарвина. Теория Дарвина не утратила своего значения и в наши дни, несмотря на некоторые неувязки. В 1861 г. русский химик А.М.Бутлеров создал и обосновал теорию химического строения вещества, согласно которой свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием.

Блистательным доказательством материального единства мира и диалектики природы стало создание в 1869 г. периодической системы элементов Д.И.Менделеева, который расположил элементы в таблице по возрастанию массы, при этом оказались сгруппированными элементы, имеющие одинаковые свойства.

Совершенно удивительными были открытия в области наследственности, сделанные сельским учителем ботаники Г.Менделем. Переоткрытые заново в XX веке, его законы дали начало новой науке - генетике.

В это же время в науке появляются открытия, которые выходили за рамки классического естествознания. Фундаментальным стало открытие в 1850 году II начала термодинамики (закон возрастания энтропии в замкнутой системе), сформулированного Р.Клаузиусом впервые в виде закона не сохранения, а изменения, развития. В 1877 г. Л.Больцман, связав энтропию с вероятностью, положил начало статистической термодинамике. Вероятностные и статистические процессы стали властно вторгаться в науку, и даже в классическую механику (К.Максвелл выводит распределение молекул по скоростям). Поезд механицизма стал постепенно уходить.

Д.К.Максвелл создает молекулярную теорию, а Х.А.Лоренц – электронную. Максвелл создает уравнения, которые описывают поведение электромагнитного поля как самостоятельной сущности.

На основе результатов Максвелла создается электродинамическая картина мира. При исследовании электромагнитных процессов выяснилось, что они не подчиняются механике Ньютона. Дж.Максвелл открыл новый тип фундаментальных законов, которые не сводятся к механике Ньютона, - это законы поведения электромагнитного поля. Наука о свойствах и закономерностях проявления в различных средах и в вакууме электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами, стала называться электродинамикой.

В начале XX века А.Эйнштейном создается специальная теория относительности, которая позволила связать в единое целое механическую и электромагнитную картины мира, но изменила при этом привычные представления об окружающем мире. Расстояния и промежутки времени, измеренные наблюдателями, движущимися относительно друг друга, оказываются различными, т.е. время и расстояние оказались не абсолютными, а относительными характеристиками. Для того, чтобы такие эффекты оказались заметными, необходимо, чтобы относительная скорость наблюдателей была близка к скорости света (релятивистская скорость). Сейчас положения специальной теории относительности полностью доказаны большим количеством экспериментов с элементарными частицами.

В 1897 году английский физик Дж.Дж.Томсон открывает электрон. В 1903 году он же создает и первую модель атома. Атом представлял собой заряженный положительным электрическим зарядом шар, внутри которого около своих положений равновесия колебались электроны.

Далее последовали опыты Э.Резерфорда по рассеянию α – частиц на золотой фольге. Исходя из своих опытов в 1911 г. Резерфорд предположил ядерную модель атома: вокруг положительного ядра, имеющего заряд Ze (Z – порядковый номер элемента в таблице Менделеева, е – заряд электрона со знаком плюс) по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Движущиеся по замкнутым орбитам электроны обладают центростремительным ускорением. Согласно классической электродинамике, ускоренно движущиеся электроны излучают электромагнитные волны, вследствие чего непрерывно теряют энергию. Поэтому электроны, излучая энергию, должны двигаться по спирали, то есть приближаться к ядру и, в конце концов, упасть на него. Таким образом, атом в модели Резерфорда оказался неустойчивым, что не соответствовало действительности.

Первую попытку построить качественно новую модель атома предпринял в 1913г. датский физик Нильс Бор. Он связал в единое целое эмпирические закономерности линейчатого спектра излучения атома водорода, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. Бор предположил, что в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся с течением времени) состояния, в которых он не излучает энергию. Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электрона по таким орбитам не сопровождается излучением энергии. При переходе электрона со стационарной орбиты с большим радиусом на другую стационарную орбиту с меньшим радиусом излучается один фотон с энергией hν=E_n-E_m, равной разности энергий E_n и E_m, соответствующих стационарным состояниям атома до и после излучения. Набор возможных дискретных частот квантовых переходов: ν= (E_n-E_m)/h определяет линейчатый спектр излучения атома.

На самом деле состояния электронов в атомах нельзя рассматривать как движение частицы по орбите, корректно их можно описать только в рамках квантово-механической концепции.

С создания теории относительности и квантовой механики начался современный этап развития науки. Впереди создание лазеров, сверхпроводящих материалов, нанотехнологий. Бурное развитие науки в ХХ веке, которое определяют как научно-техническую революцию (НТР), оказало огромное влияние на состояние общества в целом.

Контрольные вопросы:

1. Какой метод познания ввел Ф.Бэкон?

2. Кто впервые открыл явление дисперсии света?

3. Как называлась первая научная картина мира?

4. Назовите основные открытия Нового времени.

Рекомендуемая литература:

1. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания для вузов. Изд. 3-е, перераб., доп.. Москва, Альфа-М, ИНФРА-М, 2008 – 704 с. ISBN: 978-5-98281-102-8, 978-5-16-002918-4.

2. Романов В.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов Изд. 3-е, испр., доп. Москва, Вузовский учебник, 2008, 282 стр.ISBN: 978-5-9558-0058-5.

Интернет ресурсы:

1. http://project.megarulez.ru/forums/showthread.php?t=2358 – научные картины мира, мозаичный форум.

2. http://elementy.ru/trefil/43 - теории относительности