Лекция 15 (2 ч.). Развитие техники в Новое время
Научная революция XVII века, становление экспериментального метода познания; становление высшей школы
Процесс формирования нового знания, кульминацией которого было создание Ньютоном в 1687 г. своего великого труда «Математических начал натуральной философии», является беспрецедентным преобразованием в истории цивилизации, во многом определившим ее дальнейшую судьбу. Это преобразование получило название научной революции и стало основой всего здания современной науки.
Процесс становления новой науки продолжался но крайней мере полтора с лишним столетия — с появлением книги Коперника «О вращении небесных сфер» (1543) до выхода в свет «Начал» (1687). Как показывают современные исследования, многие из так называемых новых идей были выдвинуты частично или целиком во времена, предшествующие научной революции. Например, представление о бесконечности Вселенной было выдвинуто Николаем Кузанским на 100 лет раньше Коперника. Точно так же своеобразное понятие «инерциального» движения планет было предложено Николем Оремом еще в XIV в., и оно не привело ни к каким существенным выводам, сколько-нибудь сравнимым с теми, что следовали из представления об инерциальном движении, провозглашенном в XVII в. Галилеем.
Средние века не были периодом бесплодных абстракций, напротив, это было время накопления и распространения эксперимента.
К концу периода Средневековья в Европе возникли и выросли города, развились ремесла и торговля, расширились политические, экономические и культурные связи между государствами Европы и со странами Востока. В городах появились новые слои населения - буржуазия и пролетариат. Это был период быстрого становления капитализма. Буржуазные революции в Голландии, Англии и Франции способствовали развитию экономики, активизации товарно-денежных отношений. На данном этапе основным типом предприятия была мануфактура. В период мануфактурного производства в различных отраслях промышленности стали появляться сравнительно сложные механизмы и устройства. Особенно в металлургии, металлообработке и горнодобывающей промышленности. Оживление экономической и политической жизни сопровождалось оживлением в области культуры. Этому способствовало изобретение печатного станка и начало активного книгопечатания. Книга стала дешевой, и ее могли покупать и читать все более широкие слои населения. Появилась потребность в грамотных людях, а затем и в специалистах. Это привело к развитию светских школ и Университетов. Первый светский Университет был открыт в итальянском городе Болонья, где получали образование в области математики, астрономии, юриспруденции и ряда других светских дисциплин.
Расширяющееся производство приносило новый естественнонаучный материал, опытные научные данные. Огромное значение в накоплении научных знаний имели Великие географические открытия. Они дали новые сведения о строении Земли, о ее животном и растительном мире. Были открыты новые острова и континенты. В итоге возникла необходимость обобщения полученного нового естественнонаучного материала. Однако, средневековая схоластика не могла дать никакого разумного объяснения наблюдаемым фактам. Требовалось новое мировоззрение, новое понимание задач и методов познания, освобождение науки от схоластики и религии.
Таким образом, к концу XVII века в естествознании сложились серьезные предпосылки для смены научной парадигмы, господствовавшей со времен Аристотеля.
Предпосылки научной революции
1. Потребности развивающегося сельскохозяйственного производства.
2. Изменение структуры населения – миграция сельского населения в города и освобождение от крепостной зависимости.
3. Промышленные революции в Италии, Англии, Германии, Франции
4. Прекращение тоталитарного преследования инакомыслящих со стороны католической церкви.
5. Развитие книгопечатания.
6. Светское свободомыслие Ренессанса – гуманизм – основа для восприятия науки.
7. Открытие Америки и информация о новых континентах.
8. Разработка методов экспериментального естествознания – Р.Бэкон, Н.Кузанский.
9. Появление наук, использующих эксперимент в ходе своих исследований – алхимия, ятрохимия.
10. Накопление научных данных, противоречащих парадигме Аристотеля в астрономии, физике, химии, биологии.
Научная революция ХVI – ХVII веков охватила все стороны мировоззрения. Это был новый взгляд на мир, в результате которого возникло новое направление в науке – экспериментальное естествознание. Ее исходным пунктом считается переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической. Этот переход был обусловлен серией открытий, связанных с именами Н. Коперника, Г. Галилея, И. Кеплера, Р. Декарта. И. Ньютон, подвел итог их исследованиям и сформулировал базовые принципы новой научной картины мира в общем виде.
Новую систему мира, находящуюся в противоречии с геоцентризмом Аристотеля предложил Николай Коперник (1473-1543). Польский математик Н. Коперник занялся разработкой гелиоцентрической системы, когда к нему обратились с предложением уточнить таблицы движения планет, известные со времен Птолемея. Он обнаружил в работе Птолемея некоторые несоответствия. В первую очередь это представления о неподвижности Земли, о ее центральном положении в системе мироздания, сложность объяснения видимых движений планет в небе. Главный аргумент Птолемея против вращения Земли – если бы она вращалась вокруг своей оси, она бы распалась на куски под действием центробежного эффекта. Коперник легко опровергает это положение Птолемея, вводя понятие о тяжести. Все тела, находящиеся на Земле и вокруг нее не разлетаются при вращении, так как обладают стремлением притягиваться к ее центру под влиянием своей тяжести. Он предполагал, что такие свойства присущи Луне, Солнцу и другим планетам. То есть, Коперник считал, что Земля и другие небесные тела не покоятся, а находятся в непрерывном движении. Следовательно, раз Земля может вращаться вокруг своей оси, она может вращаться и вокруг другого небесного тела, например Солнца. Вся система Коперника базируется на едином принципе, новом для ученых своего времени. Это – принцип относительности механических движений, согласно которому, всякое движение можно определить только относительно какой - то системы отсчета, в котором оно рассматривается.
Коперник первый ясно сформулировал гелиоцентрическую теорию строения солнечной системы. Однако у него еще 1200 лет назад был предшественник- Аристарх Самосский. Нет никаких данных, был ли Коперник знаком с работами этого ученого. В своем трактате «Об обращении небесных сфер» он приводит свою гипотезу о строении Вселенной. В обобщенном виде она была сформулирована в работе ученого «Малый комментарий».
Согласно Копернику, Земля не является центром Вселенной, таким центром является Солнце. Вокруг Солнца, как вокруг центра, вращаются все планеты, и Земля стоит третьей в этом ряду. Вслед за последней планетой, Сатурном, на очень большом расстоянии находится сфера неподвижных звезд. Для объяснения траектории планет он все еще следует идее Птолемея об их простых круговых движениях с постоянной скоростью. Поэтому для объяснения видимого движения планет ему приходится также создавать модели с использованием эпициклов, деферентов, эксцентриков и т.д. В некоторых случаях математический аппарат, применяемый Клавдием Птолемеем, позволял с большей точностью описывать движения планет, чем способ, применяемый Коперником. Рассчитанные на основе теории Коперника таблицы движения планет стали предсказывать их положения с еще большими погрешностями.
Главная же заслуга Коперника в том, что его теория совершенно перевернула астрономические взгляды и создала новую эпоху в науке. Коперник четко изложил свою концепцию, но конкретных подтверждений ее правильности не привел. Единственное, что было определенно - то, что на основе этой концепции существенно упрощалось объяснение видимого движения планет.
Роль идеи гелиоцентризма в научной революции XVI века очевидна. Новая система мира наносила удар, прежде всего по иерархической структуре мироздания. Превращение Солнца в центр движения планет лишило Землю выделенного места во Вселенной. Такой подход упраздняет иерархию небесных сфер, очень существенную в системе мира Аристотеля и подрывает основы старой парадигмы естествознания.
Не все ученые приняли и поддержали новую гелиоцентрическую систему мира. Она была воспринята как математическая система, необходимая для упрощения описания траекторий движения небесных объектов. Поэтому церковные иерархи спокойно отнеслись к изложению Коперником своих идей и никаких репрессий с их стороны не последовало.
Поисками точных законов гелиоцентрического планетного мира почти через пол века после смерти Коперника занялся немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630). Именно он оказался основателем современной астрономии, используя массу точных наблюдений за положением планет, выполненных его учителем датским астрономом Тихо Браге. Кеплер показал, что сложная и неизящная комбинация Коперника с эпициклом и эксцентр - эпициклом не вносит ничего нового в математическое описание движения планет по сравнению с Птолемеем. Он долгое время безуспешно пытался рассчитать круговые орбиты планет. Наконец, наблюдения за движениями Марса привели его к счастливой идее попробовать вместо круга эллипс, что дало положительный результат. Был открыт первый закон Кеплера и первый закон в астрономии – закон эллиптических орбит. Этот закон говорит о том, что все планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, причем Солнце находится в одном из фокусов эллипса.
Кеплер установил также, что Земля и все другие планеты движутся в плоскости, проходящей через центр Солнца. Он стал искать связь между скоростью движения планет и их расстоянием от Солнца. Он пришел к выводу, что линия, соединяющая Солнце с планетой за равные промежутки времени отмеряет на орбите разные расстояния, однако площади, которые при этом покрывает радиус – вектор равны. Это открытие представляет собой знаменитый второй закон Кеплера – закон равенства площадей.
Далее Кеплер продолжил поиски общей закономерности, объединяющей все планеты, и отражающей тот факт, что планеты движутся тем медленнее, чем дальше они от Солнца. Он интуитивно высказал мнение, что причиной планетных движений является некоторая сила, исходящая от Солнца и ослабевающая с расстоянием. Так был открыт третий закон – квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся, как кубы больших полуосей их эллиптических орбит. Эти три закона связали движение планет в единое стройное целое. Впервые ученый увидел в гелиоцентрической картине движения планет действие единой физической силы, исходящей от Солнца. Он сравнивал эту силу с действием магнита и считал, что она воздействует на расстоянии через особую тонкую среду. По мнению современных физиков, подход Кеплера к устройству мира близок и идеям, изложенным А. Эйнштейном в его общей теории относительности.
Большой интерес представляет развитие учения о строении Вселенной итальянским философом Джордано Бруно (1548-1600). Бруно, монах-доминиканец, был философом и писателем, активным борцом против религиозного диктата в науке. Он написал целый ряд работ, в которых выступал против схоластики и ее враждебности по отношению к опытному знанию. Он никогда не был ученым, таким как Коперник или Галилей. Естественнонаучные достижения являлись для Бруно лишь фактами, подтверждающими его философскую систему.
Бруно не был простым последователем коперниканства. Он постоянно подчеркивал преемственность этой идеи с учением Николая Кузанского о бесконечности и вечности Вселенной. Именно эта сторона учения Бруно и представляла особую опасность для религии. Согласно его теории, Вселенная едина, материальна, бесконечна и вечна. То, что мы видим перед собой - лишь малая часть вселенной. Фиксированному центру, каким являлась ранее Земля, а в системе Коперника стало Солнце, нет места во Вселенной. Да и само Солнце не остается неподвижным по отношению к другим солнечным системам. Каждая звезда представляет собой такое же солнце, как наше и имеет планеты. Все звездные системы находятся в постоянном движении друг относительно друга. Вселенная – одна, миры же бесчисленны. Вне Вселенной нет ничего, так как именно она представляет собой все сущее. Она вечна, не сотворена Богом, неподвижна. Смысл ее неподвижности - невозможность перемещения в другое место, так как такого места, такой пустоты не существует. В самой же Вселенной вечно происходит постоянное изменение, развитие. То есть в естествознание впервые проникает целостная картина находящейся в постоянном движении однородной Вселенной.
Одним из следствий учения Бруно является идея о существовании иной разумной жизни на других планетах. Жизнь, согласно его концепции, есть вечное свойство материи, не зависящее ни от случая, ни от Бога. Он считал человека разумным животным. Бруно предполагал, что на других планетах разум мог принимать другие телесные формы, то есть, впервые в истории пытался преодолеть антропоцентристский взгляд на мир.
Его концепция бесконечности Вселенной и бесконечного множества миров, их обитаемости, в которую не вписывался Бог – вот что было главным. К отречению именно от этих еретических идей его безуспешно в течение семи лет пытались склонить инквизиторы. Ничего не добившись, его осудили как нарушителя монашеского обета и еретика.
Философия Джордано Бруно намного опередила то время, когда гелиоцентризм, как астрономическая концепция был принят достаточно широко.
Дальнейшую поддержку учение Коперника получило с развитием физики - особенно механики небесных тел. Наиболее важное развитие концепция гелиоцентризма получила в работах флорентийца Галилео Галилея (1564-1642). Галилей не только поддержал систему Коперника. Он впервые получил реальные подтверждения ее правильности. В этой связи наибольший интерес представляют его собственные многочисленные наблюдения, сделанные на изобретенном голландскими мастерами и изготовленном им самим телескопе – зрительной трубе.
Ему удалось установить, что Млечный Путь – это огромное скопление отдельных звезд, которые отличаются по яркости и размерам. Он сделал вывод об их различной удаленности от нас. Следовательно, они не могли быть прикреплены к неподвижной сфере, отмечающей границу мира, как считалось в концепции Аристотеля.
Галилей обнаружил кольца Сатурна, спутники Юпитера (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто), получившие название галилеевых лун, сделал новую карту Луны и установил, что она не является идеальным шаром, а имеет неровную поверхность с горами и кратерами и обращена к Земле всегда одной стороной. Наблюдая пятна на Солнце, он определил время его обращения вокруг оси. Он определил, что все планеты, в отличие от звезд, при наблюдении их в телескоп видны в виде круглых светящихся дисков. Венера, как и Луна, с течением времени меняет свой вид от круглого диска, до узкого серпа.
Все эти исследования на практике подтвердили правильность теории Коперника.
Галилей начал серьезно заниматься исследованиями в области механики в связи с борьбой за признание учения Коперника. Необходимо подчеркнуть, что именно он впервые ввел в практику научных исследований физический эксперимент.
Работы Галилея в области кинематики в корне изменили представления ученых о причинах и характере движения.
Галилей изучал движение тел по наклонной плоскости и установил, что они движутся с постоянной скоростью, если отсутствует трение. Таким образом, он вышел на закон инерции: «когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая сопротивления, то это движение является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца». Одновременно с этим он установил второй фундаментальный закон механики - закон независимости действия сил применительно к движению тел в поле силы тяжести земли. Этот закон говорил о том, что когда тело свободно падает, то оно стремится сохранить горизонтальную составляющую своей скорости. На эту составляющую скорости сила тяжести не действует. На основе этих законов Галилей объяснил почему мы не чувствуем скорости вращения Земли, находясь на ней, То есть он сформулировал классический принцип относительности. В нем речь идет о том, что движение по инерции можно заметить, только не участвуя в этом движении, так как оно не воздействует на вещи, находящиеся в таком движении. Из этого положения вытекает, что все системы координат, в которых справедлив закон инерции, равноправны. Следовательно, различие между покоем и движением относительно.
Главное его творение – закон свободного падения тел, движения тела, брошенного горизонтально и под углом к горизонту.
Законы механики Галилея вместе с его астрономическими открытиями подводили ту физическую базу под теорию Коперника, которой тот не располагал. Из гипотезы гелиоцентрическая доктрина превращалась в теорию. Кроме того, впервые в истории человеческой мысли было сформулировано само понятие физического закона в современном его значении.
С именем Галилея связывается утверждение в науке гипотетико-дедуктивной методологии познания. Основу этого метода, составляющего ядро современного естествознания, образует логический вывод утверждения из принятой гипотезы и ее последующая эмпирическая проверка. В основе его метода лежит опыт, однако построение гипотезы базируется не непосредственно на опытных данных, а на некоей логической абстракции. Именно абстракция лежит в основе теоретических построений.
Галилей наметил также основные черты нового представления о природе материи, движении и закономерностях материального мира – механистического материализма Материя, по Галилею, обладает лишь простыми геометрическими и механическими свойствами. Это мировоззрение – механистический материализм – на долгие годы стало основным мировоззрением физиков.
Параллельно с накоплением новых экспериментальных данных, разрушавших старую научную парадигму, большую роль играла разработка методов естественнонаучного познания. Большой вклад в развитие учения о научном методе внес Р. Бэкон.
Проблеме метода познания посвящена его работа « Новый Органон». Основой познания, по его мнению, является опыт: наука есть опытная наука, она состоит в применении рационального метода к известным данным. Он подробно разработал новый метод и привел схему познания с его использованием. В настоящее время в логике метод Бэкона известен, как «Индукция Бэкона». Он заключает в себе следующие ступени: накопление новых фактов, их обобщение, установление частных закономерностей, установление аксиом, подтверждение аксиом путем накопления новых фактов. Для получения объективных данных необходим не случайный набор фактов, а специально поставленный научный эксперимент.
Акцентирование значения метода позволило Бэкону выдвинуть важный для педагогики принцип, согласно которому цель образования – не накопление возможно большей суммы знаний, а умение пользоваться методами их приобретения. Призыв Бэкона к экспериментальному изучению природы явился стимулом для естествознания XVII века и сыграл великую роль в создании научных организаций, например Лондонского Королевского общества.
Не менее выдающуюся роль в становлении методологии науки и естествознания, в частности, сыграл автор известной максимы: «Я мыслю, значит, я существую» француз Рене Декарт (1596-1650).
Он видел конечную задачу знания в господстве человека над силами природы, в открытии и изобретении технических средств, в усовершенствовании самой природы человека.
Правила рационалистического метода Декарта состояли из четырех требований:
1. Допускать в качестве истинных только такие положения, которые представляются ясными и отчетливыми, не могут вызвать никаких сомнений в их истинности
2. Расчленять каждую сложную проблему на составляющие ее частные проблемы или задачи
3. Методически переходить от известного и доказанного к неизвестному и недоказанному
4. Не допускать никаких пропусков в логических звеньях исследования
Метод познания природы, который предлагал Декарт, заметно отличался от метода Бэкона. По Декарту, прежде всего, нужно установить самые общие принципы, лежащие в основе всех законов и явлений природы, а затем с помощью дедукции из этих общих принципов вывести частные закономерности. На их основе можно объяснить все явления, которые происходят в природе. Сами общие принципы познаются благодаря интеллектуальной интуиции, исключительно рассудком, а не выводятся из опыта. Опыт играет роль критерия правильности выводов из общих принципов конкретных законов природы, а не критерия истинности самих общих принципов.
В этот переломный для естествознания момент появился такой выдающийся ученый, как Исаак Ньютон.
За свою жизнь он сделал огромное количество открытий в естествознании и, особенно в области физики. Он завершил период становления физики как самостоятельной науки, окончательно отделил физику от натурфилософии и наметил программу ее развития. Вначале Ньютон занялся проблемами оптики. Он сконструировал новый тип телескопа – зеркальный (не добившись качественного производства линз). Главное его достижение в оптике – разработка теории, сочетавшей корпускулярные и волновые представления о свете, он открыл и объяснил дисперсию света на отдельные компоненты цветности и преломляемости, обнаружил явление дифракции света, интерференции его в тонких пластинках. Наконец, он первым измерил длину световой волны. Все эти открытия он описал в двух капитальных монографиях – «Новая теория света и цветов» (1672) и «Оптика» (1704).
В 1687 году он опубликовал свой грандиозный труд – «Математические начала натуральной философии» (обычно эту монографию коротко, но многозначительно называют «Начала»). В ней он обобщил научные результаты, полученные его предшественниками Галилеем, Кеплером, Декартом, Гюйгенсом, Гуком, Галлеем и др. и свои собственные исследования.
В «Началах» впервые дана общая схема строго математического подхода к решению любой конкретной задачи земной или небесной механики. Ньютон показал, что вести продуктивную научную работу можно только на основе строгой методики, продуманных экспериментов и глубокого анализа результатов. Его работа олицетворяла качественный эталон подхода к науке.
Ньютон дал определение исходных понятий в физике – количества материи, эквивалентного массе, плотности; количества движения, эквивалентного импульсу и различных видов силы.
Ньютон сформулировал свои знаменитые «аксиомы или законы движения»:
1. «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока на него не действуют другие тела».
2. «Ускорение, приобретаемое телом, пропорционально вызвавшей его силе и обратно пропорционально массе тела».
3. «Действию всегда равно и противоположно противодействие, иначе, взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны».
На основе 2 и 3 законов он вывел закон сохранения количества движения для замкнутой системы.
Наконец, вершина творчества Ньютона – закон всемирного тяготения.
Надо сказать, что ряд современников и даже предшественников Ньютона – И.Кеплер, Р.Гук и другие высказывали соображения, что движение планет может быть объяснено действием силы, которая притягивает планеты к Солнцу и которая убывает пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Однако только Ньютон, опираясь на первые два закона механики и с помощью созданных им новых математических методов, доказал, что «каждые две материальные частицы притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними».
Закон тяготения явился основой небесной механики. С его помощью было объяснено во всех деталях движение планет, Луны, комет, звезд, галактик. Этот закон используется для расчетов движения искусственных спутников, космических зондов.
Работа над законами небесной механики привела Ньютона к разработке новых математических методов. Эта разработка была, как бы вынужденной - математика для Ньютона являлась главным орудием в физических изысканиях.
Он сформулировал понятие бесконечных рядов и дал конкретное решение теоремы бинома на случай любого действительного показателя – «Бином Ньютона».
Но, конечно, главным его достижением в области математики является разработка дифференциального и интегрального исчисления, открывшая новую эпоху в математике. Правда, авторство этой разработки Ньютон делит с Готфридом Лейбницем.
Ньютон заставил физику мыслить по-своему, «классически», как мы выражаемся теперь. Можно утверждать, что на всей физике лежал отпечаток его мысли. Без Ньютона физика не совершила бы рывка, окончательно развеявшего державшиеся вплоть до XVII века античные физические концепции Аристотеля и других. Ньютон сформулировал основные представления и законы механики, сделал крупнейшие открытия в оптике. Окончательно отделил физику от натурфилософии и сделал ее самостоятельной наукой. Он сформулировал ее метод на данный период и наметил пути ее дальнейшего развития. Значение открытий Ньютона тем более велико, что они полностью сохранили свое содержание и значение, несмотря на то, что физика шагнула далеко вперед и ньютоновская физика стала частью новой физики. Физика Аристотеля, считавшаяся непререкаемой тысячу лет, ушла в историю, а физика Ньютона – осталась.
Деятельность Ньютона - это пример крупнейшей научной революции, радикальной смены практически всех научных представлений в естествознании. Со времени Ньютона возникла и стала основной и определяющей системой взглядов в науке парадигма классической физики. Значение, влияние этой революции было огромно.
Подводя итоги научной революции XVI -XVII веков, можно выделить основные представления и подходы, сформировавшие научное естествознание в рамках классической парадигмы.
Ньютоновская механика и космология утвердились как основание нового мировоззрения, сменив господствовавшее тысячу лет учение Аристотеля и средневековые схоластические построения. Однако они были ограничены особенностями науки данного периода, и слабостью ее экспериментальной базы. На этом этапе естествознание не могло еще решать задачу построения научной картины мира. Надо было сначала исследовать отдельные явления и предметы, а затем устанавливать закономерности между ними. Этот метод и приводит к метафизическому взгляду на природу (вне ее развития). Механистичность естествознания определялась тем, что техника того периода могла изучить только одну форму движения материи – механическую. Поэтому, в глазах ученых все изменения в природе сводились только к механическому перемещению ее компонентов. То есть, систематическое изучение движения материи началось с простейшей его формы - механической.
Итогом всех этих изменений явилась научная парадигма классического естествознания - механистическая научная картина мира на базе экспериментально математического естествознания. Новая концепция естествознания того времени подчеркивала практическую пользу науки. От науки требовалось, чтобы она приносила конкретные, практические результаты. Наука из созерцательно - описательной превратилась в экспериментальную и практически прикладную.
Список литературы
Основная литература
1. Бегинин, В.И. История и методология науки: учебно-метод. пособие для аспирантов, магистров, и студ. всех спец. [Текст] – Саратов: ФГБОУ ВПО "Саратовский ГАУ", 2012. – 56 с.