Великие революции в естествознании

       Существует легенда, что 22 июня 1633г. в церкви Святой Марии после прочтения текста формального отречения Галилей произнес фразу «Eppur is 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 понятие равномерного  и неравномерного, ускоренного движения;

- сформировал  понятие ускорения (скорость изменения  скорости);

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

- вывел  форму, связывающую ускорение, путь и время:

S=1/2gt ;

- 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;

- сформировал  принцип относительности движения (все системы, которые движутся  прямолинейно и равномерно лру1  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, Х. Гюйгенс получил решения задач об ударе упругих шаров, о колебаниях физического маятника, нашел выражение для определения центробежной силы.

    Исследования Галилея заложили надежный фундамент динамики, а также методологии классического естествознания. Дальнейшие исследования лишь углубляли и укрепляли этот фундамент. С полным основанием Галилея называют «отцом современного естествознания».

Огромное  влияние на развитие теоретической  мысли в физики XVIIв. Оказал великий французский мыслитель и ученый Рене Декарт (Картезий). Критически пересмотрев старую схоластическую философию, он разработал рационалистическую методологию теоретического естествознания. («Оставим книги, посоветуемся с разумом!» - 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) получаются логическими путем, путем математических рассуждений. В проверке результатов важную роль играет опыт.

      Рационалистическая методология  вполне естественно приводит  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 механического  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 участие 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 допускал, 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 движутся 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, слепливаются 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.

       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. Борели, которого Ньютон также числит в ряду своих предшественников. Разрабатывая теорию спутников Юпитера, Борели в 1666г. Выдвинул идею о том, что если некоторая сила притягивает спутники к планете, а планеты – к Солнцу, то эта сила должна быть уравновешена противоположно направленной силой, возникающей при круговом движении. Таким образом, он объясняет эллиптическое движение планет вокруг Солнца. У Борели, в сущности, уже содержатся основные моменты понимания динамики Солнечного системы, по 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 возникают идея всемирного тяготения и идея о том, как можно вычислить силу тяготения.

      Результаты естествознания  XVII в. обобщим Исаак Ньютон. Именно он завершил постройку 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, изучением точных количественных проявлений этих закономерностей в природе.

          Обобщив существование 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 из них общих законов природы методом индукции.

        С именем Ньютона связано открытие  или окончательная формулировка основных законов динамики:

    - закона инерции; пропорциональность  между количеством движения mv и движущей силой

     F=d(mv)/dt

     - равенства по величине и противоположности  по направлению сил при центральном  характере взаимодействия. Вершиной  научного творчества Ньютона стала его теория тяготения и провозглашения первого действительно универсально закона природы – закона всемирного тяготения.

      В 1666 г. У Ньютона возникает  идея всемирного тяготения, его  родства с силой тяжести на  Земле и идея, каким образом  можно вычислить 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 тяготения 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:

                       F=G(m1m2/r)

Не будет  преувеличением сказать, что 28 апреля 1686 г. – одна из величайших дат в истории человечества. В этот день Ньютон предъявил Лондонскому королевскому обществу свою новую всеобщую теорию – механику земных и небесных процессов. В систематической форме изложение классической механики было дано Ньютоном 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. Формирование  основ классической механики- величайшее достижение естествознания XVII в. Классическая механика была первой фундаментальной естественно-научной теорией. В течение трех столетий (с XVII в. по начало XX в.) она выступала единственным теоретическим основанием физического познания, а также ядром второй естественно-научной картины мира – механической.

      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 величин – характеристик исследуемых движений Ньютон назвал «методом флюксии» 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 принадлежит также важнейшие труды по алгебре, аналитической и проективной геометрии и др.

     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, чем белый.

        Значительная часть необъятного  научного наследия Ньютона стала  фундаментом сознания 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.

        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. В1672 г. Он построил первый в мире рефлектор. Это был по нынешним меркам очень маленький инструмент: с трубой длинной 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.

    В1672 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 неизвестными свойствами и взаимодействующих с телами на расстоянии. Корпускулярная теория хорошо объясняла аберрацию и дисперсию света, но плохо объясняла интерференцию, дифракцию и поляризацию света.