Вторая научная революция. Создание классической механики и экспериментального естествознания. Механическая картина мира

Трагическая гибель Джордано Бруно произошла на ру­беже двух эпох: эпохи Возрождения и эпохи Нового вре­мени. Последняя охватывает три столетия — XVII, XVIII, XIX века. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыг­рал XVII век, ознаменовавшийся рождением современной науки, у истоков которой стояли такие выдающиеся уче­ные, как Галилей, Кеплер, Ньютон.

В учении Галилео Галилея (1564-1642) были заложе­ны основы нового механического естествознания. Как сви­детельствуют А. Эйнштейн и Л. Инфельд, «самая фундамен­тальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет не­разрешенной из-за сложности, — это проблема движения»⁸.

До Галилея общепринятым в науке считалось понима­ние движения, выработанное Аристотелем и сводившееся к следующему принципу: тело движется только при нали­чии внешнего на него воздействия, и если это воздействие прекращается, тело останавливается. Галилей показал, что этот принцип Аристотеля (хотя и согласуется с вашим повседневным опытом) является ошибочным. Вместо него Галилей сформулировал совершенно иной принцип, полу­чивший впоследствии наименование принципа инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия.

Большое значение для становления механики как на­уки имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость свободного падения тел не за­висит от их массы (как думал Аристотель), а пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. Галилей открыл, что траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начального толчка и зем­ного притяжения, является параболой. Галилею принадле­жит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника, немалый вклад в разработку учения о сопротивлении материалов.

Галилей выработал условия дальнейшего прогресса естествознания, начавшегося в эпоху Нового времени. Он понимал, что слепая вера в авторитет Аристотеля сильно тормозит развитие науки. Истинное знание, считал Гали­лей, достижимо исключительно на пути изучения природы при помощи наблюдения, опыта (эксперимента) и воору­женного математическим знанием разума, — а не путем изучения и сличения текстов в рукописях античных мыс­лителей.

Росту научного авторитета Галилея способствовали его астрономические исследования, обосновывавшие и утверж­давшие гелиоцентрическую систему Коперника. Используя построенные им телескопы (вначале это был скромный оптический прибор с трехкратным увеличением, а впослед­ствии был создан телескоп и с 32-кратным увеличением), Галилей сделал целый ряд интересных наблюдений и от­крытий. Он установил, что Солнце вращается вокруг сво­ей оси, а на его поверхности имеются пятна. У самой боль­шой планеты Солнечной системы — Юпитера — Галилей

обнаружил 4 спутника (из 13 известных в настоящее вре­мя). Наблюдения за Луной показали, что ее поверхность гористого строения и что этот спутник Земли имеет либ­рацию, т.е. видимые периодические колебания маятнико­вого характера вокруг центра. Галилей убедился, что кажу­щийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд.

Но самым главным в деятельности Галилея как уче­ного-астронома было отстаивание справедливости учения Н. Коперника, которое подвергалось нападкам не только со стороны церковных кругов, но и со стороны некоторых ученых, высказывавших сомнения в правильности этого учения. Галилей сумел показать несостоятельность всех этих сомнений и дал блестящее естественнонаучное обосно­вание правильности идей Н.Коперника.

Как уже отмечалось выше, католической церковью в 1616 году было принято решение о запрещении книги Коперника «Об обращениях небесных сфер», а его учение объявлено еретическим. Галилей в этом решении упомя­нут не был, но ему все же пришлось предстать перед судом инквизиции. После длительных допросов он был вынуж­ден отречься от учения Коперника и принести публичное покаяние.

Однако остановить движение, прервать преемственность научной мысли было уже невозможно. С астрономическими наблюдениями Галилея, описанными им в сочинении «Звезд­ный вестник», ознакомился и дал им высокую оценку один из крупнейших математиков и астрономов конца XVI — первой трети XVII в. Иоган Кеплер (1571-1630). Эта оцен­ка астрономических исследований Галилея содержалась в работе Кеплера «Рассуждение о Звездном вестнике».

Кеплер занимался поисками законов небесной механи­ки и составлением звездных таблиц. На основе обобщения данных астрономических наблюдений он установил три закона движения планет относительно Солнца. В своем первом законе Кеплер отказывается от коперниковского представления о круговом движении планет вокруг Солн­ца. В этом законе утверждается, что каждая планета дви­жется по эллипсу, в одном из фокусов которого находит­ся Солнце. Согласно второму закону Кеплера, радиус-век­тор, проведенный от Солнца к планете, в равные промежут­ки времени описывает равные площади. Из этого закона

следовал вывод, что скорость движения планеты по орби­те непостоянна и она тем больше, чем ближе планета к Солнцу. Третий закон Кеплера гласит: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него.

Помимо сказанного, Кеплеру принадлежит немало заслуг в астрономии и математике. Он разработал теорию солнеч­ных и лунных затмений, предложил способы их предска­зания, уточнил величину расстояния между Землей и Солн­цем, составил так называемые Рудольфовы таблицы — по имени австрийского императора Рудольфа II, при дворе которого Кеплер занимал место астронома, сменив на этой должности умершего Тихо Браге. С помощью этих таблиц можно было с высокой степенью точности определять в любой момент времени положение планет. Кеплеру принад­лежит также решение ряда важных для практики стерео­метрических задач.

Поскольку Кеплер был сторонником гелиоцентриче­ской космологии Коперника и не скрывал этого, Ватикан относился к его сочинениям отрицательно, включив неко­торые из них в список запрещенных книг.

Конечно, главной заслугой Кеплера было открытие за­конов движения планет. Но он не объяснил причины их движения. И это неудивительно, ибо не существовало еще понятий силы и взаимодействия. В то время из разделов механики была разработана лишь статика — учение о рав­новесии (которая разрабатывалась еще в античности, в первую очередь, Архимедом), а в работах Галилея были сде­ланы первые шаги в разработке динамики. Но в полной мере динамика — учение о силах и их взаимодействии — была создана лишь позднее Исааком Ньютоном.

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 признанием 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 век 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.

Воображение ученых захватывала простота той карти­ны мира, которая складывалась на основе ньютоновской классической механики. В этой картине, носящей абстракт­ный характер, отбрасывалось все «липшее»: не имели зна­чения размеры небесных тел, их внутреннее строение, иду-

щие в них бурные процессы. Оставались только массы и расстояния между центрами этих масс, к тому же связан­ные несложной формулой.

В 1687 году вышел в свет главный труд Ньютона «Ма­тематические начала натуральной философии», заложив­ший основы современной теоретической физики. Оценивая это событие, видный физик XX века, бывший президент Академии наук СССР СИ. 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»⁹.

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»...¹⁰

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.

Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую физи­ку и эксперимент, определили направление развития есте­ствознания на многие десятилетия вперед. Вместе с тем, эти идеи предопределили механические взгляды на материаль­ный мир, которые господствовали в естествознании не толь­ко в течение XVII и XVIII веков, но и почти весь XIX век. В целом природа понималась как гигантская механиче­ская система, функционирующая по законам классической механики. Считалось, что в силу неумолимой необходимо­сти, действующей в природе, судьба даже отдельной мате­риальной частицы заранее предрешена на все времена. Ученые-естествоиспытатели видели в классической механи­ке прочную и окончательную основу естествознания.