Вторая научная революция. Механистическая картина мира
Трагическая гибель Джордано Бруно произошла на рубеже двух эпох: эпохи Возрождения и эпохи Нового времени. Последняя охватывает три столетия - XVII, XVIII, XIX вв. 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 гг.) были заложены основы нового механистического естествознания. Как свидетельствуют А. Эйнштейн и Л. Инфельд, «самая фундаментальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет неразрешенной из-за сложности, - это проблема движения».
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 нашим 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.
Открытие, сделанное Галилеем, и применение им методов научного рассуждения были одним из самых важных достижений в истории человеческой мысли, и оно отмечает действительное начало физики. Это открытие учит нас тому, что интуитивным выводам, базирующимся на непосредственном наблюдении, не всегда можно доверять, так как они иногда ведут по ложному следу.
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, обосновавшие 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). Наблюдение 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 самое главное в деятельности Галилея как ученого-астронома состояло в отстаивании 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 дать блестящее естественнонаучное доказательство справедливости гелиоцентрической системы в знаменитой работе «Диалог о двух системах мира - Птолемеевской и Коперниковой».
Как уже отмечалось выше, католической церковью в 1616 г. 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 астрологическими наблюдениями Галилея, описанными им в сочинении «Звездный вестник», ознакомился и дал высокую оценку один из крупнейших математиков и астрономов конца XVI - первой трети XVII вв. 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 не постоянна 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. Но сам Кеплер прекрасно понимал значение выполненных им работ. Не без сарказма он писал: «Мне все равно, кто будет меня читать: люди нынешнего или люди будущего поколения. Разве Господь Бог не дожидался шесть тысяч лет, чтобы кто-нибудь занялся созерцанием его творений?» (Седов, 1964).
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 были разработаны 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.
В такой ситуации большое впечатление на естествоиспытателей произвела теория вихрей, выдвинутая в 40-х годах XVII в. французским ученым Рене Декартом(1596-1650). Декарт полагал, что мировое пространство заполнено особым легким, подвижным веществом, способным образовывать гигантские вихри. Вихревые потоки, окружая все небесные тела, увлекают их и приводят в движение. Солнечная система представляет собой громадный вихрь, в центре которого находится Солнце. Этот солнечный вихрь увлекает в своем движении все планеты. Центрами других, меньших вихрей, вращающихся вокруг Солнца, являются планеты. Планетные вихри вовлекают в круговое движение спутники этих планет. Так, вихрь, окружающий Землю, приводит в движение вокруг Земли ее спутник - Луну. Причем в каждом вихре тело, находящееся ближе к центру, вращается вокруг него быстрее, чем более далекое. Этим Декарт объяснял тот факт, что чем ближе планеты к Солнцу, тем короче периоды их обращения вокруг него (всего 88 дней для Меркурия, 225 дней для Венеры, 365 дней для Земли и т. д.).
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 механических 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 (Бернал, 1981).
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(1981), «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».
Существует легенда о знаменитом яблоке, падение которого с дерева будто бы навело Ньютона на мысль о законе всемирного тяготения. Но эта легенда имеет различные толкования. Стукелей - друг Ньютона - утверждал, что якобы сам Ньютон рассказал ему эпизод с яблоком, который и помог ему открыть закон всемирного тяготения. А другой друг Ньютона, Пембертон, считал, что Ньютон, возможно, специально выдумал историю с яблоком, чтобы отделаться от не в меру любопытных собеседников типа Стукелея.
В 1687 г. 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 С. И. Вавилов (1989) 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, Птолемея, 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 (1981). «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.