История науки

Что касается эллиптического движения планет по уже известным законам Кеплера, то Декарт не смог ясно этого объяснить. Он говорил, что под действием давления соседних вихрей и вследствие других причин вихри могут принимать сплюснутую или эллиптическую форму. Таким образом, теория вихрей Декарта фактически не могла объяснить движение планет по законам Кеплера.

Космологическая гипотеза Декарта оказалась несостоятельной и была отвергнута последующим развитием науки. Но Декарт обессмертил свое имя в другой области -- в математике. Создание им основ аналитической геометрии, введение осей координат, носящих по сей день наименование декартовых, введение им многих алгебраических обозначений, формулирование понятия переменной величины -- вот далеко не полный перечень того, что сделал Декарт в области математики, обеспечив ее существенный прогресс.

Вторая научная революция завершалась творчеством одного из величайших ученых в истории человечества, каковым был Исаак Ньютон (1643--1727). Его научное наследие чрезвычайно разнообразно. В него входит и создание (параллельно с Лейбницем, но независимо от него) дифференциального и интегрального исчисления, и важные астрономические наблюдения, которые Ньютон проводил с помощью собственноручно построенных зеркальных телескопов (он так же, как и Галилей, именно телескопу обязан первым признаниям своих научных заслуг), и большой вклад в развитие оптики (он, в частности, поставил опыты в области дисперсии света и дал объяснение этому явлению). Но самым главным научным достижением Ньютона было продолжение и завершение дела Галилея по созданию классической механики. Благодаря их трудам XVII в. считается началом длительной эпохи торжества механики, господства механистических представлений о мире.

Ньютон сформулировал три основных закона движения, которые легли в основу механики как науки. Первый закон механики Ньютона - это принцип инерции, впервые сформулированный еще Галилеем: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил. Существо второго закона механики Ньютона состоит в констатации того факта, что приобретаемое телом под действием какой-то силы ускорение прямо пропорционально этой действующей силе и обратно пропорционально массе тела. Наконец, третий закон механики Ньютона -- это закон равенства действия и противодействия. Этот закон гласит, что действия двух тел друг на друга всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны.

Данная система законов движения была дополнена открытым Ньютоном законом всемирного тяготения, согласно которому все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними.

Пожалуй, ни одно из всех ранее сделанных научных открытий не оказало такого громадного влияния на дальнейшее развитие естествознания, как открытие закона всемирного тяготения. Огромное впечатление на ученых производил масштаб обобщения, впервые достигнутый естествознанием. Это был поистине универсальный закон природы, которому подчинялось все -- малое и большое, земное и небесное. Этот закон явился основой создания небесной механики -- науки, изучающей движение тел Солнечной системы.

«Созданная Ньютоном теория тяготения и его вклад в астрономию знаменуют последний этап преобразования аристотелевской картины мира, начатого Коперником. Ибо представление о сферах, управляемых перводвигателем или ангелами по приказу бога, Ньютон успешно заменил представлением о механизме, действующем на основании простого естественного закона...».

Воображение ученых захватывала простота той картины мира, которая складывалась на основе ньютоновской классической механики. В этой картине, носящей абстрактный характер, отбрасывалось все «лишнее»: не имели значения размеры небесных тел, их внутреннее строение, идущие в них бурные процессы. Оставались только массы и расстояния между центрами этих масс, к тому же связанные несложной формулой. Как пишет известный японский физик X. Юкава, «Ньютон многое отсек у реального мира, о котором размышляют физики... Конечно, Ньютон абстрагируется, но он оставляет самое существенное и создает единую картину мира. Ему принадлежит, по крайней мере, построение теории Солнечной системы. Это один из миров. Остается еще... и множество других миров. В них он не успел разобраться, но Солнечная система прекрасно воссоздана в рамках его механики».16

В 1687 г. вышел в свет главный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», заложивший основы современной теоретической физики. Оценивая это событие, видный физик XX в., бывший президент Академии наук СССР С. И. Вавилов писал: «В истории естествознания не было события более крупного, чем появление «Начал» Ньютона. Причина была в том, что эта книга подводила итоги всему сделанному за предшествующие тысячелетия в учении о простейших формах движения материи. Сложные перипетии развития механики, физики и астрономии, выраженные в именах Аристотеля, Птоле-мея, Коперника, Галилея, Кеплера, Декарта, поглощались и заменялись гениальной ясностью и стройностью «Начал».

Не менее высокую оценку дает «Началам» Ньютона такой крупный специалист по истории науки, как Джон Бернал. «По убедительности аргументации, подкрепленной физическими доказательствами, -- пишет он, -- книга не имеет себе равных во всей истории науки. В математическом отношении ее можно сравнить только с «Элементами» Евклида, а по глубине физического анализа и влиянию на идеи того времени -- только с «Происхождением видов» Дарвина. Она сразу же стала библией новой науки, не столько как благоговейно чтимый источник догмы..., сколько как источник дальнейшего расширения изложенных в ней методов».

В своей знаменитой работе Ньютон предложил ученому миру научно-исследовательскую программу, которая вскоре стала ведущей не только в Англии, на родине великого ученого, но и в континентальной Европе. Свою научную программу Ньютон назвал «экспериментальной философией», подчеркивая решающее значение опыта, эксперимента в изучении природы.

Ньютон подверг критике картезианство, в частности, декартову гипотезу «вихрей». Главный упрек в адрес картезианцев (последователей Декарта) сводился к тому, что они не обращались в должной мере к опыту, конструировали «гипотезы», «обманчивые предположения» для объяснения природных явлений. «Гипотез не измышляю», -- таков был девиз Ньютона.

Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую физику и эксперимент, определили направление развития естествознания на многие десятилетия вперед.

В предисловии к своему знаменитому труду «Математические начала натуральной философии» И. Ньютон высказал следующую установку на будущее: «Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы,....ибо многое заставляет меня предполагать, что все эти явления обусловливаются некоторыми силами, с которыми частицы тел вследствие причин, пока неизвестных, или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются и удаляются друг от друга. Так как эти силы неизвестны, то до сих пор попытки философов объяснить явления природы оставались бесплодными. Я надеюсь, однако, что или этому способу рассуждения, или другому, более правильному, изложенные здесь основания доставят некоторое освещение.»

Многие естествоиспытатели вслед за Ньютоном старались объяснить, исходя из начал механики, самые различные явления природы. При этом они неправомерно экстраполировали законы, установленные лишь для механической сферы явлений, на все процессы окружающего мира. В торжестве законов Ньютона, считавшихся всеобщими и универсальными, черпали веру в успех ученые, работавшие в астрономии, физике, химии.

Длительное время теории, объяснявшие закономерности соединения химических элементов, опирались на идею тяготения между атомами. Французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас (1749 - 1827) был убежден, что к закону всемирного тяготения сводятся все явления, известные ученым. Исходя из этого, он работал над созданием, -- в дополнение к механике небесной, созданной Ньютоном, -- новой, молекулярной механики, которая, по его мнению, была призвана объяснить химические реакции, капиллярные явления, феномен кристаллизации, а также то, почему вещество может быть твердым, жидким или газообразным. Лаплас видел причины всего этого во взаимном притяжении между молекулами, которое, считал он, есть только «видоизменение всемирного тяготения».

Как очередное подтверждение ньютоновского подхода к вопросу об устройстве мира было первоначально воспринято физиками открытие, которое сделал французский военный инженер, впоследствии член Парижской Академии наук Шарль Огюст Кулон (1736-1806). Оказалось, что положительный и отрицательный электрические заряды притягиваются друг к другу прямо пропорционально величине зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Создавалось впечатление о новой демонстрации права закона всемирного тяготения служить своего рода образцом, универсальным ответом на любые задачи. Лишь впоследствии стало ясно: впервые появился в науке один из законов электромагнетизма. После Кулона открылась возможность построения математической теории электродинамических и магнитных явлений.

1. Научная революция XVII в.: возникновение классической механики (по Найдышу)

Капитализм качественно преобразовывал как характер деятельности, так и тип общения людей. Изменения характера деятельности состояли в появлении принципиальной отчужденности в капиталистическом производстве субъективного мотива деятельности и ее объективного результата. В этих условиях складывается полное господство абстрактного труда, товарно-денежных отношений, общественные отношения превалируют над межличностными, происходит «овеществление» личных связей и отношений, всех видов деятельности, их обезличивание. Кардинально изменяется и тип общения. Индивид вырывается из системы корпоративно-сословной принадлежности и непосредственно включается в функционирование общественных связей, прежде всего экономических. На смену индивидуальной ценности личности производителя приходит ценность произведенных им вещей; посредником отношений между людьми становятся товары, формируется «товарный фетишизм», отношения личной зависимости сменяются зависимостью субъекта от продуктов собственной деятельности.

Создание единого мирового рынка, универсальных общественных связей -- достижения буржуазной эпохи. Только при капитализме история становится всемирной, складываются предпосылки универсализации личности, ее индивидуальный опыт обогащается социально-историческим опытом не только своей страны, региона, но и всего человечества; человек включается в ансамбль универсальных социальных отношений, становится носителем всемирно-исторического опыта. Высвобождая человека из системы личностной зависимости, атомизируя личность, капитализм делает эти прогрессивные шаги за счет доведения до крайности отчуждения личности от общества: на смену единству коллектива и индивида приходит их противопоставление, отчуждение человека от человека, а значит, и общества от природы, В этих условиях складывается такой тип сознания, в котором на первый план выдвигается потребность в накоплении не столько релятивизированных ценностей, сколько объективного знания о мире.

Получение объективного знания о мире -- задача мышления, разума. Не случайно, что именно в это время формируются идеалы рационализма, провозглашается господство «века Разума» и соответственно изменяются (по сравнению с античностью и средневековьем) представления о целях, задачах, методах естественнонаучного познания. Формируется убеждение, что предметом естественнонаучного познания являются природные явления, полностью подчиняющиеся механическим закономерностям. Природа при этом предстает как своеобразная громадная машина, взаимодействие между частями которой осуществляется на основе причинно-следственных связей. Задачей естествознания становится определение лишь количественно измеримых параметров природных явлений и установление между ними функциональных зависимостей, которые могут (и должны быть) выражены строгим математическим языком. В этих условиях механика выходит на первое место среди естественных наук.

И. Кеплер: от поисков гармонии мира к открытию тайны планетных орбит

После работ Коперника дальнейшее развитие астрономии требовало значительного расширения и уточнения эмпирического материала, наблюдательных данных о небесных телах. Европейские астрономы продолжали пользоваться старыми античными результатами наблюдений. Но они устарели и часто были неточны. Проводимые же в ту пору европейскими астрономами наблюдения характеризовались большими погрешностями.

Кардинальные изменения наметились только в последней четверти XVI в., когда в 1580 г. в Дании на островке Вен (в 20 км от Копенгена) построили невиданную еще астрономическую обсерваторию, названную Небесным замком (Ураниборгом). Инициатором и организатором строительства обсерватории и новых огромных инструментов для астрономических наблюдений (квадранта радиусом 2 м, точность которого доходила до 1/6', сектанта для измерения угловых расстояний между звездами, большого небесного глобуса и др.) был Тихо Браге, датский дворянин, посвятивший свою жизнь не воинским подвигам, а служению богине Неба -- Урании.

Первое выдающееся открытие Тихо Браге сделал еще в 1572 г., когда, наблюдая за вспыхнувшей яркой звездой в созвездии Кассиопеи, показал, что это вовсе не атмосферное явление (как это следовало из аристотелевой картины мира), а удивительное изменение в мире звезд. Более двух десятков лет провел Браге в Ураниборге, определяя положение небесных объектов. Удивляет точность его данных, если помнить, что тогда еще не знали телескопов и других оптических инструментов. Так, при сравнении с современными данными оказалось, что средние ошибки при определении положений звезд у него не превышали 1', а для 21 опорной звезды -- даже 40".

Тихо Браге был блестящим астрономом-наблюдателем, но не теоретиком. Это мешало ему в полной мере оценить учение Коперника. Однако Браге тоже ощущал недостатки птолемеевской геоцентрической системы и разработал систему, занимавшую промежуточное место между геоцентрической и гелиоцентрической. В этой системе Солнце движется по эксцентрической окружности вокруг неподвижной Земли, а планеты обращаются вокруг Солнца.

К счастью, на своем жизненном пути Т. Браге встретил Иоганна Кеплера. 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 исполнено. Но Кеплер сделал несравненно более великое открытие -- он раскрыл главную тайну планетных орбит. Этот великий немецкий ученый (с удивительной судьбой, жизнь которого была полна невзгод и лишений) совершил величайший научный подвиг -- заложил фундамент новой теоретической астрономии и учения о гравитации. Он показал, что законы надо искать в природе, а не выдумывать их как искусственные схемы и подгонять под них явления природы.

Будучи глубоко религиозным человеком и увлекаясь в молодости астрологией, Кеплер поставил перед собой великую жизненную цель -- проникнуть в божественные планы творения мира, постичь тайны строения Вселенной. Считая, что Бог как высшее творческое начало при сотворении мира должен был руководствоваться идеальными, математически совершенными числовыми отношениями и геометрическими формами, Кеплер пытался объяснить существование только шести планет Солнечной системы существованием всего пяти правильных многогранников. Кеплер пытается математически связать орбиты планет со сферами, вписанными в многогранники и описанными вокруг них. Затем закономерно возникает и вопрос об отношениях радиусов орбит планет между собой, решение которого, в свою очередь, подводит Кеплера к поиску точных законов гелиоцентрического планетного мира и превращает эту задачу в главное дело жизни.

В ходе длительной напряженной, колоссальной исследовательской работы проявились его гениальность как астронома и математика, смелость мысли, свобода духа, благодаря которым он сумел преодолеть тысячелетние традиции и предрассудки. Многолетние поиски числовой гармонии Вселенной, простых числовых отношений в мире завершились открытием действительных законов, планетных движений, которые Кеплер изложил в сочинениях «Новая, изыскидающая причины астрономия, или Физика неба» (1609) и «Гармония дара» (1619).

В начале XVII в. основные космологические идеи древних греков утратили свое научное значение, но тем не менее некоторые из (их за столетия приобрели характер абсолютных истин, отказаться от которых не хватало смелости духа. К ним, в частности, относилось представление о том, что только круговое, равномерное, «естсственное» движение единственно допустимо для небесных тел. Даже Коперник и Галилей остались во власти этого убеждения, считая древний космологический принцип незыблемым. Против этой научной догмы и выступил Кеплер. После пяти лет трудоемкой математической обработки огромного материала наблюдений Т. Браге за движением Марса Кеплер в 1605 г. открыл и в 1609 г. опубликовал первые два закона планетных движений (сначала для Марса, затем распространил их на другие планеты и их спутники).

Первый утверждал эллиптическую форму орбит и тем разрушал принцип круговых движений в космосе; второй 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). Так рухнул и принцип равномерности небесных движений. Кеплер ввел пять параметров, определяющих гелиоцентрическую орбиту планеты (Кеплеровы элементы) и нашел уравнение для вычисления положения планеты на орбите в любой заданный момент времени (уравнение Кеплера). Таким образом, открытые им законы стали рабочим инструментом ля наблюдателей.

Далее Кеплер поставил вопрос о динамике движения планет. До Кеплера планетная космология, опиравшаяся на аристотелевский принцип «естественности» движений небесных тел, была кинематической. Авторы планетных теорий ограничивались разработкой кинематико-геометрических моделей мира, не пытаясь определить причины, вызывавшие движения небесных тел. 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 возможны два объяснения:

первое -- движущая сила сосредоточена в каждой планете, и у далеких планет она почему-то меньше, чем у близких (так думал Т. Браге);

второе -- движущая сила едина 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. В 1600 г. английский врач и физик У. Гильберт, справедливо считая Землю большим магнитом, выдвинул идею универсальности магнетизма и сводил к нему силу тяжести. Магнитным влиянием Луны пытались объяснить морские приливы и отливы. Опираясь на эти идеи, Кеплер в 1609 г. развил представление о механизме действия силы, движущей планеты, как о вихре, возникающем в эфирной среде от вращения магнитного Солнца. Кеплер полагал, что сила действовала на планету непосредственно вдоль орбиты.

Недостаточное развитие основ механики привело его к ошибочному выводу, что эта сила обратно пропорциональна расстоянию (а не его квадрату) от Солнца. Эксцентричность орбит он объяснял тем, что планеты -- это большие круглые магниты с постоянным направлением магнитной оси, которые в зависимости от расположения магнитных полюсов то притягиваются, то отталкиваются от Солнца.

Для установления истинного сложного характера причин орбитального движения планеты требовались уточнение основных физических понятий и создание основ механики. Это было делом будущего. Таким образом, в исследованиях механики неба Кеплер до предела исчерпал возможности современной ему физики.

2. Г. Галилей: разработка понятий и принципов «земной динамики»

В формировании классической механики и утверждении нового мировоззрения велика заслуга Г. Галилея. Год рождения Галилея -- это год смерти Микеланджело и год рождения Шекспира. Галилей -- выдающаяся личность переходной эпохи от Возрождения к Новому времени. С прошлым его сближает еще многое: неопределенная трактовка проблемы бесконечности мира; он не принимает Кеплеровых эллиптических орбит и ускорений планет; у него нет еще представления о том, что тела движутся в «плоском» однородном пространствe 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 -- он открывает дорогу математическому естествознанию. Он был уверен, что «законы природы написаны на языке математики»; его стихия -- мысленные кинематические и динамические эксперименты, логические конструкции; главный пафос его творчества -- возможность математического постижения мира; смысл своего творчества он видит в физическом обосновании гелиоцентризма, учения Коперника. Галилей закладывает основы экспериментального естествознания: показывает, что естествознание требует умения делать научные обобщения из опыта, эксперимент -- важнейший метод научного познания.

Еще будучи студентом (университета 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. После изобретения зрительной трубы (1608) он усовершенствовал ее и превратил в телескоп с 30-кратным приближением, с помощью которого совершил ряд выдающихся астрономических открытий: спутников Юпитера, Сатурна, фаз Венеры, солнечных пятен, обнаружение того, что Млечный Путь представляет собой скопление бесконечного множества звезд, и др.

За признание своих открытий Галилею пришлось вести борьбу с церковной ортодоксией. Ведь его деятельность происходила 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 воцарилось мрачное безмолвие.

Церковь дважды вела процессы против Галилея. После первого процесса в 1616 г. Галилей был вынужден перейти к методам «нелегальной борьбы» за коперниканизм. Но он продолжал исследование законов движения тел под действием сил в земных условиях. Основные итоги этих исследований он изложил в книге «Диалог о двух системах мира», которая была опубликована во Флоренции в 1632 г.

Книга Галилея вызвала восторг в научных кругах всех стран и бурю негодования среди церковников. Иезуиты немедленно начали кампанию против Галилея, которая привела ко второму процессу инквизиции в 1633 г. Инквизиция пригрозила Галилею не только осудить его как еретика, но и уничтожить все его рукописи и книги. 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 вдохновила 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:

он разграничил понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движения;

сформулировал понятие ускорения (скорость изменения скорости);

показал, что результатом действия силы на движущееся тело является не скорость, а ускорение;

вывел формулу, связывающую ускорение, путь и время:

S= 1/2 at2;

сформулировал принцип инерции («если на тело не действует сила, то тело находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейного равномерного движения»);

выработал понятие инерциальной системы;

сформулировал 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);

открыл закон независимости действия сил (принцип суперпозиции).

На основании этих законов появилась возможность решения простейших динамических задач. Так, например, X. Гюйгенс получил решения задач об ударе упругих шаров, о колебаниях физического маятника, нашел выражение для определения центробежной силы. Исследования Галилея заложили надежный фундамент динамика, а также методологии классического естествознания. Дальнейшие исследования лишь углубляли и укрепляли этот фундамент. С полным основанием Галилея называют «отцом современного естествознания».

3. Картезианская физика

Огромное влияние на развитие теоретической мысли в физике XVII в. оказал великий французский мыслитель и ученый Рене Декарт (Картезий). Критически пересмотрев старую схоластическую философию, он разработал рационалистическую методологию теоретического естествознания. («Оставим книги, посоветуемся с разумом1» -- говорил Декарт.) Революционное значение для развития естествознания имело его знаменитое «Рассуждение о методе» (1637), где провозглашены новые принципы научного мышления и новые средства математического анализа в геометрии и оптике.

Требование простоты и ясности -- основной принцип методологии Декарта. Поэтому в научной системе Декарта первостепенную роль играют простота и очевидность математических аксиом и принципов. Выводы из аксиом (простых, очевидных положений) получается логическим путем, путем математических рассуждений. В проверке результатов важную роль играет опыт.

Рационалистическая методология вполне естественно приводит Декарта к аналитической геометрии и геометризации физики. Отвлеченные числовые соотношения проще и абстрактнее геометрических; отсюда вытекает задача сведения геометрических характеристик (положение точки в пространстве, расстояние между точками и др.) к числовым отношениям. Решая эту задачу, Декарт создает аналитическую геометрию.

Декарт закладывает основы механистического мировоззрения, центральная идея которого -- идея тождества материальности и протяженности. Мир Декарта -- это однородное пространство, или, что то же самое, протяженная материя. «...Мир, или протяженная материя, составляющая универсум, не имеет никаких границ». Все изменения, которые наблюдаются в этом пространстве, сводятся к единственному простейшему изменению -- механическому перемещению тел. «Дайте мне материю и движение, и я построю мир» -- таков лейтмотив, идейное знамя картезианской физики.

Декарт -- основоположник научной космогонии. Он автор первой новоевропейской теории происхождения мира, Вселенной. Хотя мир создан Богом, Бог не принимает участия в его дальнейшем развитии. Мир развивается по естественным законам. Законы природы достаточны для того, чтобы понять не только совершающиеся в природе явления, но и ее эволюцию. Декарт допускает, что природа была создана Богом в виде первоначального хаоса ее частей и их движений. По Декарту, однородная материя дробима на части, имеющие различные формы и размеры. В процессе дробления и взаимодействия формируются три группы элементов материи

легкие и разнообразной формы (огонь);

отшлифованные частицы круглой формы (воздух);

крупные, медленно движущиеся частицы (земля).

Все эти частицы вначале двигались хаотически и были хаотически перемешаны. Однако, по мнению Декарта, законы природы таковы, что они достаточны, чтобы заставить части материи расположиться в весьма стройном порядке. Благодаря этим законам материя принимает форму нашего «весьма совершенного мира». Среди этих законов природы -- принцип инерции и закон сохранения количества движения. Из первоначального хаоса благодаря взаимодействиям частиц образовались вихри, каждый из которых имеет свой центр. Непрерывное трение частиц друг о друга шлифует их и дробит. Отшлифованные круглые частицы, находясь в непрерывном круговом движении, образуют материю «неба», раздробленные части выпираются к центру, образуя материю «огня». Этот огонь из тонких частиц, находящихся в бурном движении, формирует звезды и Солнце. Более массивные частицы вытесняются к периферии, сцепливаются и образуют тела планет. Каждая планета вовлекается своим вихрем в круговое движение около центрального светила.

Космогоническая теория Декарта объясняла суточное движение Земли вокруг своей оси и ее годовое движение вокруг Солнца. Но объяснить не могла других особенностей Солнечной системы, в том числе законов Кеплера. Это была умозрительная космогония, натурфилософская схема, не обоснованная математически. И, тем не менее, ей присуще великое достоинство -- идея развития, поразительно смелая для той эпохи.

Эволюционная картина мира быстро распространялась в науке. Величием открывавшихся горизонтов учение Декарта захватило лучшие умы и надолго определило дальнейшее развитие физики и всего естествознания. Большая часть XVIII в. в истории естествознания прошла под знаком борьбы картезианства и ньютонианства. Несмотря на то, что Ньютоново направление на этом этапе развития науки было более прогрессивным, общие идеи Декарта продолжали оказывать серьезное влияние на формирование научных взглядов XVIII в. и даже XIX в., а разработанная им идея космического вихревого движения не раз возрождалась в астрономии и космогонии вплоть до ХХ в.

Великий Ньютон имел все основания заявить: «Если я вижу дальше Декарта, то это потому, что я стою на плечах гиганта».

4. Новые идеи в динамике Солнечной системы

Ученые XVII в. внесли свой вклад в развитие предпосылок классической механики. Весьма значительной была роль парижского астронома Ж.Б. Буйо, который высказал в своей книге (1645) мысль о том, что, поскольку сила, распространяемая вращающимся Солнцем, о которой писал И. Кеплер, действует не только в плоскости вращения планет, а от всей поверхности Солнца ко всей поверхности планеты, то она, следовательно, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Ньютон был знаком с этой книгой и упоминает ее автора в качестве одного из своих предшественников.

Важную роль в становлении классической механики сыграло творчество итальянского астронома Дж. Борелли, которого Ньютон также числит в ряду своих предшественников. Разрабатывая теорию спутников Юпитера, Борелли в 1666 г. выдвинул идею о том, что если некоторая сила притягивает спутники к планете, а планеты -- к Солнцу, то эта сила должна быть уравновешена противоположно направленной центробежной силой, возникающей при круговом движении. Таким образом, он объясняет эллиптическое движение планет вокруг Солнца. У Борелли, в сущности, уже содержатся основные моменты понимания динамики Солнечной системы, но пока без ее математического описания.

1666 г. был весьма урожайным на идеи в области теории тяготения. В этом году Р. Гук на заседаниях Лондонского королевского общества дважды выступал с докладами о природе тяжести и пришел к выводу, что криволинейность планетных орбит порождена некоторой постоянно действующей силой. В этом же году у И. Ньютона возникает идея всемирного тяготения и идея о том, как можно вычислить силу тяготения.

5. Ньютонианская революция

Результаты естествознания XVII в. обобщил Исаак Ньютон. Именно он завершил постройку фундамента нового классического естествознания. Вразрез с многовековыми традициями в науке Ньютон впервые сознательно отказался от поисков «конечных причин» явлении и законов и ограничился, в противоположность картезианцам, изучением точных количественных проявлений этих закономерностей в природе.

Обобщив существовавшие независимо друг от друга результаты своих предшественников в стройную теоретическую систему знания (ньютоновскую механику), Ньютон стал родоначальником классической теоретической физики. Он сформулировал ее цели, разработал ее методы и программу развития, которую он сформулировал следующим образом: «Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы». В основе ньютоновского метода лежит экспериментальное установление точных количественных закономерных связей между явлениями и выведение из них общих законов природы методом индукции.

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 Кембриджский университет. Все свои великие открытия он сделал или подготовил в молодые годы, в 1665-- 1667 гг., спасаясь в родном Вульсторпе от чумы, свирепствовавшей в городах Англии. (К этому периоду относится известный анекдот об упавшем яблоке, наведшем Ньютона на мысль о тяготении.) Среди этих открытий: законы динамики, закон всемирного тяготения, создание (одновременно с Г. Лейбницем) новых математических методов -- дифференциального и интегрального исчислений, ставших фундаментом высшей математики; изобретение телескопа-рефлектора, открытие спектрального состава белого света и др.

Создание теории тяготения. С именем Ньютона связано открытие или окончательная формулировка основных законов динамики:

закона инерции;

пропорциональности между количеством движения mv u движущей силой

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 немирного тяготения.

В 1666 г. у Ньютона возникает идея всемирного тяготения, его родства с силой тяжести на Земле и идея о том, каким образом можно исчислить силу тяготения. Доказательство тождества силы тяготения и силы тяжести на Земле Ньютон проводит на основе вычисления центростремительного ускорения Луны в ее обращении вокруг Земли; уменьшив это ускорение пропорционально квадрату расстояния Луны от Земли, он устанавливает, что оно равно ускорению силы тяжести у земной поверхности. Обобщая эти результаты, Ньютон сделал вывод, что для всех планет имеет место притяжение к Солнцу, что все планеты тяготеют друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Далее 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 формулирует закон всемирного тяготения в общем виде:

Древняя идея взаимного стремления тел друг к другу («любви») благодаря Ньютону освободилась от антропоморфности и таинственности. В теории Ньютона тяготение предстало как универсальная сила, которая проявляется между любыми материальными частицами независимо от их конкретных качеств и состава, всегда пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Ньютон показал неразрывную связь, взаимообусловленность законов Кеплера и закона изменения действия силы тяготения обратно пропорционально квадрату расстояния. Законы движения планет предстали как следствия закона всемирного тяготения. Причину и природу тяготения Ньютон не считал возможным обсуждать, Не имея на этот счет достаточного количества фактов («Гипотез не измышляю!»).

Не будет преувеличением сказать, что 28 апреля 1686 г. -- 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 г. Современники Ньютона высоко оценили этот уникальный труд.

Разработанный Ньютоном способ изучения явлений природы оказался исключительно плодотворным. Его учение о тяготении -- не общее натурфилософское рассуждение и умозрительная схема, а логически строгая, точная (и более чем на два века единственная) фундаментальная теория, которая стала рабочим инструментом исследования окружающего мира, прежде всего движения небесных тел.

Физический фундамент небесной механики -- закон всемирного тяготения. Из этого закона Ньютон вывел в качестве простых следствий (и уточнил при этом) Кеплеровы законы эллиптического движения планет, показал, что в общем случае движение тел Солнечной системы может происходить по любому коническому сечению, включая параболу и гиперболу; он сделал вывод о единстве законов движения комет и планет и впервые включил кометы в состав Солнечной системы; дал математический метод вычисления истинной орбиты комет по их наблюдениям; четко объяснил приливы и отливы, сжатие планет (уже обнаруженное тогда у Юпитера), прецессию; сформулировал вывод о сплюснутой у полюсов форме Земли. Ньютону принадлежит и великая заслуга объяснения возмущенного движения в Солнечной системе как неизбежного следствия ее устройства.

Формирование основ классической механики -- величайшее достижение естествознания XVII в. Классическая механика была первой фундаментальной естественнонаучной теорией. В течение трех столетий (с XVII в. по начало XX 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 на основе бесконечно малых приращений величии -- 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 Г. Лейбница он составил основу дифференциального и интегрального исчислений. В математике Ньютону принадлежат также важнейшие труды по алгебре, аналитической и проективной геометрии и др.

Это вскоре позволило английскому астроному Э. Галлею открыть первую периодическую комету (комета Галлея).

6. Корпускулярная теория света

Оптика -- важнейшая часть физики, более «молодая», чем механика. Начало научной оптики связано с открытием законов отражения и преломления света в начале XVII в. (В. Снеллиус, Р. Декарт). Большую трудность для зарождающейся оптики представляло объяснение цветов. Поэтому по праву вторым великим достижением Ньютона было открытие (1666) того, что белый свет состоит из света различных цветов и, следовательно, цветной свет имеет более простую природу, нем белый.

Значительная часть необъятного научного наследия Ньютона стала фундаментом создания физической оптики и дальнейшего развития наблюдательной астрономии. Ньютон был тонким экспериментатором-универсалом: металлургом, химиком, но главным образом оптиком. Он, как и многие его современники, занимался шлифовкой линз для рефракторов и упорно искал форму объектива, свободного от аберраций, особенно ахроматической.

I. После открытия сложного состава белого света Ньютон приступил к исследованиям преломления монохроматических лучей, которое оказалось зависящим от цвета луча. Последнее открыло Ньютону причину хроматической аберрации линзовых объективов. Сделав вывод о принципиальной неустранимости этого дефекта стеклянных объективов (что было верно для однолинзовых объективов), он в поисках ахроматического объектива изобрел в 1668 г. отражательный зеркальный телескоп -- рефлектор. В 1672 г. он построил первый в мире рефлектор. Это был по нынешним меркам очень маленький инструмент: с трубой длиной всего 15 см и объективом диаметром 2,5 см. Но он, тем не менее, позволил наблюдать спутники Юпитера и стал прародителем будущих могучих орудий зондирования глубин Вселенной.

В 1672 г. Ньютон изложил перед членами Лондонского королевского общества и свою новую корпускулярную концепцию света. В соответствии с этой концепцией свет представляет собой поток «световых частиц», наделенных изначальными неизменными свойствами и взаимодействующих с телами на расстоянии. Корпускулярная теория хорошо объясняла аберрацию и дисперсию света, но плохо объясняла интерференцию, дифракцию и поляризацию света.

Аберрация (лат. aberratio -- уклонение), в общем смысле -- отклонение от нормы.

Аберрация оптических систем -- искажения изображения, вызванные неидеальностью оптической системы: изображение не вполне отчетливо, неточно соответствует объекту или окрашено. Различают геометрическую (сферическая аберрация, кома, астигматизм, кривизна поля изображения, дисторсия), хроматическую и дифракционную аберрацию.

Аберрация света в астрономии -- изменение направления светового луча из-за движения источника и приемника света друг относительно друга. Аберрация света вызывает смещение видимого положения светила на небесной сфере.

Дисперсия волн, зависимость фазовой скорости гармонических волн в среде от частоты их колебаний. Дисперсия волн наблюдается для волн любой природы. Наличие дисперсии волн приводит к искажению формы сигнала (напр., звукового импульса) при распространении в среде. Дисперсия света наблюдается в виде разложения света в спектр, напр. при прохождении его сквозь стеклянную призму. Дисперсия света при преломлении обусловлена зависимостью показателя преломления n среды от частоты w света; в прозрачном веществе наблюдается увеличение n с ростом w (нормальная дисперсия), возможно и уменьшение n с увеличением w (аномальная дисперсия).

Интерференция света, пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн; частный случай интерференции волн. Интерференция света наблюдается на экране или иной поверхности в виде характерного чередования светлых и темных полос или пятен (для монохроматического света) или окрашенных участков -- для белого света.

Дифракция волн (от лат. diffractus -- разломанный), огибание волнами различных препятствий. Дифракция волн свойственна всякому волновому движению; имеет место, если размеры препятствия порядка длины волны или больше. Напр., дифракция света наблюдается при распространении света вблизи краев непрозрачных тел, сквозь узкие отверстия, щели и т. д.; дифракционная картина (чередование световых максимумов и минимумов) -- результат интерференции световых волн.

Поляризация света, упорядоченность в ориентации векторов напряженностей электрических E и магнитных H полей световой волны в плоскости, перпендикулярной световому лучу. Различают линейную поляризацию света, когда E сохраняет постоянное направление (плоскостью поляризации называют плоскость, в которой лежат E и световой луч), эллиптическую поляризацию света, при которой конец E описывает эллипс в плоскости, перпендикулярной лучу, и круговую поляризацию света (конец E описывает окружность).

Вместе с тем Ньютон со вниманием относился и к высказанной нидерландским ученым X. Гюйгенсом волновой теории света (1690), в соответствии с которой свет -- это волновое движение в эфире. Некоторое время он даже сам пытался развивать следствия из этой теории, но, в конечном счете, все-таки склонился к мысли о ее несостоятельности

В XVII в. широко обсуждался и вопрос о том, конечна или бесконечна скорость света. Долгое время для эмпирического обоснования ответа на этот вопрос не было достаточных фактов. Большое значение для развития физических идей имело открытие О. Ремера, сделанное им на основе наблюдений затмения одного из спутников Юпитера в 1676 г., что скорость света в пустом пространстве конечна и равна 300 000 км/с.

7. Космология Ньютона

Несмотря на свой знаменитый девиз «Гипотез не измышляю!», Ньютон как мыслитель крупнейшего масштаба не мог не задумываться и над общими проблемами мироздания. Так, в частности, он распространил свою теорию тяготения на проблемы космологии.

Но и здесь он был не склонен давать волю фантазии и стремился анализировать прямые логические следствия из уже установленных законов. Распространив закон тяготения, подтвержденный тогда лишь для Солнечной системы, на всю Вселенную, Ньютон рассмотрел главную космологическую проблему: конечна или бесконечна Вселенная. Вопрос выглядел так: в каком случае возможна гравитирующая Вселенная, когда она конечна или когда она бесконечна? Он пришел к выводу, что лишь в случае бесконечности Вселенной материя может существовать в виде множества космических объектов -- центров гравитации. В конечной Вселенной материальные тела рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира. Это было первое строгое физико-теоретическое обоснование бесконечности мира.

Ньютон задумывался и над проблемой происхождения упорядоченной Вселенной. Однако здесь он столкнулся с задачей, для решения которой еще не располагал научными фактами. Он первым отчетливо осознал, что одних только механических свойств материи для этого недостаточно. Ньютон критиковал концепции атомистов и картезианцев, справедливо утверждая, что только из одних неупорядоченных механических движений частиц не могла возникнуть вся сложная организация мира. 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, силе -- к Богу. Поэтому Ньютон вынужден был допустить божественный «первый толчок», благодаря которому планеты приобрели орбитальное движение, а не упали на Солнце.

Понадобилось всего полвека для того, чтобы в естествознании сформировалась идея естественной эволюции материи, опровергающая божественный «первотолчок». Заслуга формирования этой идеи принадлежит И. Канту.

8. Изучение магнитных и электрических явлений

Но XVII в. -- это не только время радикальных революционных преобразований в механике и астрономии. В XVII в. начинается систематическое изучение магнитных и электрических явлений, результаты которого, как мы видели в творчестве Кеплера, также влияли на развитие механических и астрономических концепций.

Первые сведения об электрических и магнитных явлениях были накоплены еще в древности. Так, античные ученые знали свойство натертого янтаря притягивать легкие предметы, а также о существовании особого минерала -- железной руды (магнитный железняк), способной притягивать железные предметы: само слово «электричество» происходит от греческого слова «электрон», что значит янтарь. Залежи магнитного железняка находились возле греческого города Магнесии, названию которого и обязано происхождение слова «магнит».

В древности магнит уподоблялся живому существу. Но уже тогда предпринимались попытки научного объяснения магнитных явлений. Наиболее удачные из таких объяснений принадлежали атомистам; например, Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей» объяснял действие магнита существованием потоков мельчайших атомов, вытекающих из него.

Главное практическое применение магнитных явлений было связано с компасом и явилось результатом наблюдений направляющего действия земного магнетизма на естественные магниты. Первое дошедшее до нас описание водяного китайского компаса относится к ХI в. Как компас попал в Европу, неизвестно до сих пор. Но в одном из сказаний XII в. уже есть ссылка на него, как на нечто хорошо известное. В XIII в. появилось сочинение «Письмо о магнитах» француза Пьера Пилигрима (из Мерикура), посвященное описанию магнитных явлений. Автор описывает изготовленный им шарообразный магнит, действие его на магнитную стрелку, способ намагничивания железа и т.д. Это первая дошедшая до нас оригинальная научная работа западного христианского мира.

Развитие мореплавания делает все более и более важным изучение магнитного поля Земли, а вместе с тем и магнитных явлений вообще. Видимо, уже в XV в. было известно магнитное склонение, во всяком случае, Колумб уже понимал важность знания магнитного склонения для дальних океанических странствий. Потребности мореплавания стимулируют изучение земного магнетизма, составление карт магнитных склонений и т.д. С развитием навигационной техники возникает ряд практических задач, относящихся к магнетизму: изготовление искусственных магнитов, устранение влияния железных частей корабля на компас и т.д. Все это не могло не оказать сильного влияния на изучение магнитных явлений вообще.

Существенным шагом вперед в исследовании магнетизма была книга английского ученого, врача королевы Елизаветы У.Гильберта «О магните, магнитных телах и великом магните Земли», вышедшая в 1600 г.

В книге изложены экспериментально установленные свойства магнитных явлений:

магнитные свойства присущи только магнитной руде, железу и стали;

магнит всегда имеет два полюса, и одноименные полюса отталкиваются, а разнополюсные -- притягиваются;

описывается явление магнитной индукции.

Гильберт высказывал также гипотезу о земном магнетизме: Земля представляет собой большой шарообразный магнит, полюса которого расположены возле географических полюсов. Свою гипотезу он обосновывал следующим опытом: если приближать магнитную стрелку к поверхности большого шара, изготовленного из естественного магнита, то она всегда устанавливается в определенном направлении, подобно стрелке компаса на Земле.