Научная революция XVII в

Прошло почти полтора века после появления книги Коперника «О обращениях небесных сфер», когда в 1687 г. были опубликованы «Математические начала натуральной философии» Исаака Ньютона. К тому времени коренным образом изменились не только знания о природе, но и способы её изучения. Основы классической механики Ньютона как бы подвели итог научным открытиям XVII в., которые совершили революцию в науке. С тех пор её историю принято делить на два больших периода: до и после выхода в свет великой книги.

Революции в физике, химии или другой естественной дисциплине происходят, если становится ясно, что её основная теория не может объяснить всех накопившихся экспериментальных и теоретических фактов и находится в состоянии кризиса. Тогда эту теорию заменяют на другую. Так произошло в начале XX столетия, когда возникли теория относительности и квантовая механика. Но научная революция XVII в. утверждала нечто более значительное - новый научный метод, основанный на рациональном обобщении результатов экспериментов, поставленных для проверки ранее выдвинутых гипотез. Наука Нового времени стремилась к синтезу наблюдения и математического расчёта, техники и науки. А потому её невозможно представить без постоянного совер­шенствования измерительных приборов.

Важность повышения точности измерений и создания новых научных приборов хорошо понимали ещё учёные эпохи Возрождения. Датский астроном Тихо Браге (1546-1601) в обсерватории Ураниборг близ Копенгагена изготовил целый набор великолепных астрономических приборов. Предмет гордости Браге - огромный квадрант радиусом около 2 м. С его помощью учёный мог определять координаты звёзд с небывалой до того точностью - до 5 угловых секунд. Итогом наблюдений, длившихся 20 с лишним лет, стал каталог более чем 1000 звёзд. Результаты этой титанической работы использовал ученик и помощник Браге - выдающийся немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630) для вывода своих знаменитых законов движения небесных тел.

Один из основоположников нового научного метода - Галилео Галилей (1564-1642) был не только гениальным учёным, но и блестящим инженером. Первая самостоятельная работа Галилея - определение удельного веса посредством изобретённых им гидростатических весов. Техническому изобретению Галилей посвятил и первую публикацию, в которой описал пропорциональный циркуль для военно-инженерных работ. В своём доме в Падуе учёный устроил механическую мастерскую, по существу исследовательскую лабораторию, где кроме самого Галилея трудились его по­мощники, а также литейщики, токари и столяры. Как военный инженер, Галилей написал два руководства по фортификации (строительству крепостей и других оборонительных сооружений).

Таким образом, многие великие открытия естествоиспытателей, совершивших в XVIII столетии революцию в науке, прямо или косвенно связаны с не менее великими техническими изобре­тениями.

Изобретение часов. Человек давно научился определять время: ночью - по положению звёзд и Луны на небосклоне, а днём - по длине тени, от­брасываемой предметами в разные часы дня. Солнечные часы - привычный атрибут центральных площадей античных городов. Если же возникала необходимость измерить небольшой промежуток времени, использовали переносные водяные или песочные часы: их содержимое тоненькой струйкой перетекало или пересыпалось через маленькое отверстие из одного сосуда в другой. Подобные часы до сих пор применяют в поликлиниках при проведе­нии медицинских процедур. Некоторые естествоиспытатели древности измеряли время по пульсу. Наверное, они считали, что частота сердцебиения никогда не изменяется. С XI столетия в городах начали устанавливать механические башенные часы с колёсами и гирями. Позже их соединили с устройством для боя, оповещавшего о том, который час. Из-за неравномерности хода таких часов сторожам приходилось то и дело выверять их показания по Солнцу и передвигать стрелки вручную. Впрочем, точность времени в те годы - понятие весьма условное: первые башенные часы не снабжались минутной стрелкой. В ходу была поговорка: «Когда Бог создал время, он сделал его много».

Карманные часы с боем появились в 1505 г., после того как мастер Пётр Генлайн из Нюрнберга заменил гирю пружиной. Часы эти называли «нюрнбергскими яйцами».

В XVI в. обычным делом стали регулярные рейсы через Атлантику, поэтому задача определения местоположения корабля в открытом море стояла достаточно остро. Как известно, положение судна можно найти по двум координатам - широте и долготе. Широту измерить относительно просто - по углу над горизонтом Полярной звезды. Установить долготу тоже нетрудно, если известна разница между местным временем и временем на некоем нулевом меридиане.

В качестве нулевого в 1675 г. выбрали меридиан, проходящий через город Гринвич (Великобритания), где была построена Королевская обсерватория. Но как узнать время по Гринвичу, находясь за тысячи миль от берегов Англии? Вот если бы удалось сделать точные часы, которые могли бы «хранить» время после выхода корабля из порта. В 1474 г. немецкий астроном Региомонтан предложил метод определения долготы по так называемым лунным расстояниям, т. е. по взаимному расположению Луны и других небесных тел. Луна и звёзды в данном случае играют роль небесного хронометра. Однако для реализации идеи Региомонтана требовались таблицы лунных расстояний, аккуратные измерения и многочисленные вычисления. Лишь спустя без малого три века, в 1755 г., другой немецкий астроном, Тобиас Майер, опубликовал точные лунные таблицы. Метод лунных расстояний стал основным в морской навигации в XIX в. Пока же моряки должны были обходиться одной координатой и плавать вдоль параллелей.

В конце XVI в. Галилео Галилей открыл явление изохронности (от греч. «йсос» - «равный» и «хронос») колебаний маятника: время, за которое маятник совершает одно колебание, не зависит от его размаха - амплитуды. Уже в конце жизни учёный придумал, как использовать своё открытие для измерения времени, и изобрёл анкерный механизм. Независимо от Галилея к той же идее в 1655 г. пришёл голландец Христиан Гюйгенс (1629-1695). В 1658 г. он подробно описал принцип регулирования хода часов при помощи маятника и анкерного механизма в книге «Часы».

Тем не менее, не маятниковым часам суждено было стать «сердцем» морского хронометра. В 1714 г. британское Адмиралтейство предложило премию в 20 тыс. фунтов стерлингов тому, кто сможет сделать хронометр, позволяющий определить долготу корабля после шестинедельного плавания с точностью до 30 морских миль. Для этого часы должны спешить или отставать. Оказалось, что маятник здесь не годится, нужен уравновешенный крутильный балансир, приводимый в действие пружиной. Однако равномерность хода таких часов оставалась недостаточной из-за намагничивания и теплового расширения шестерёнок. Действию тепла был подвержен и сам балансир.

Английский механик-самоучка Джон Гаррисон (1693-1776) решил избавиться от всех этих проблем, сделав хронометр целиком из дерева. Но и этого оказалось недостаточно. Потребовалось множество технических ухищрений, чтобы удовлетворить требованиям Адмиралтейства. В 1762 г. ошибка четвёртой модели хронометра Гаррисона составила всего 5 с, но правительство не выдало премию полностью - выплатило лишь 5 тыс. фунтов в 1765 г., из-за того, что часы останавливались во время подзавода пружины. Избавиться от этого недостатка изобретатель смог через восемь лет, и только тогда он получил остаток премии.

Изобретение телескопа. В истории техники нередки случаи, когда изобретение связывают не с именем его творца, а с тем, кто наиболее удачно использовал изобретение или возвестил о нём миру. Например, первые конструкции телескопов называют именами Галилея, Кеплера и Ньютона, хотя, строго говоря, никто из них не был первым. Телескоп Галилея состоит из одной выпуклой и одной вогнутой линз, которые позволяют получить прямое изображение удалённого предмета. Телескоп Кеплера, где вогнутая линза заменена вы­пуклой, дает перевернутое изображение. Он неудобен в качестве зрительной трубы, но в астрономических наблюдениях эта осо­бенность не имеет принципиального значения. В телескопе Ньютона увеличение достигается не посредством преломления света в линзах, а за счёт отражения его сферическим (а ещё лучше - параболическим) зеркалом.

Однако о свойствах стеклянных линз и зеркал увеличивать наблюдаемые объекты было известно задолго до Галилея, Кеплера и Ньютона. Ещё в XIII в. об этом писал Роджер Бэкон, а в XVI в. -Джамбаттиста делла Порта. Последний долго оспаривал у Галилея право называть зрительную трубу своим именем.

Первые сколько-нибудь надёжные указания на изобретателей зрительных труб относятся к началу XVII столетия: в архивах Гааги хранится документ, датированный октябрём 1608 г. Он свидетельствует о тяжбе между Хансом Липперсхеем (1570-1619) и Якобом Мециусом. Оба претендовали на получение привилегий и денежной премии за изобретение зрительной трубы. Победившей стороной признали Липперсхея: его прошение было получено на несколько дней раньше, а кроме того, он удовлетворил требование комиссии и сделал инструмент, в который можно было смотреть двумя глазами. Липперсхею выплатили премию и передали заказ на изготовление ещё одного такого бинокля от короля Франции Генриха IV. Однако в привилегиях отказали обоим, поскольку, как указывалось в решении комиссии, и другие лица были знакомы с прибором. Тем самым выражалось сомнение в том, что именно претенденты являются авторами изобретения.

В 1655 г. французский врач Пьер Борель опубликовал книгу «Об истинном изобретателе телескопа». В ней приводились засви­детельствованные в судебном порядке слова Иоганна Янсена из города Миддельбурга в Голландии. Он сообщал, что его отец, Захарий Янсен, изобрёл микроскоп и короткую зрительную трубу ещё в 1590 г., а Липперсхей и Мециус сделали свои копии, пользуясь этой трубой как образцом. Обвинения Янсена трудно проверить, тем более что выдвинуты они были, когда обвиняемые уже умерли.

Галилей узнал о бинокле Липперсхея, отправленном в Париж Генриху IV, в мае-июне 1609 г. от Жака Боведера (Якова Бальдовера), своего корреспондента. Боведер предположил, что этот инструмент может быть полезен в астрономических исследованиях. Галилей, как он сам говорил, сразу понял, что основным элементом зрительной трубы должны быть два оптических стекла: одно выпуклое, другое вогнутое. Учёный начал шлифовать стёкла и экспериментировать с ними. Через некоторое время он достиг успеха.

Но, даже став опытным шлифовщиком, Галилей получал лишь одно пригодное для дальнейшей работы стекло на шестьдесят негодных.

Через месяц после первого успеха учёный сделал подзорную трубу с десятикратным увеличением. Он демонстрировал её венецианцам на крепостной башне Святого Марка. Зрители были потрясены: через трубу они видели корабли, плывущие в море, задолго до того, как могли различить их невооружённым глазом. Галилей подарил трубу Венецианской республике, за что его по­жизненно утвердили в должности профессора Падуанского университета, определив жалованье в 1000 скудо. В то время примерно столько же получали профессора медицины, но жалованье профессора математики было в десять раз меньше.

Постоянно совершенствуя свою трубу и улучшая её линзы, Галилей в конце концов добился 30-кратного увеличения - предельно возможного для технического устройства такой конструкции. Только теперь стали возможны астрономические наблюдения. Это случилось в конце 1609 г. И тогда люди узнали, что на Луне есть горы; что Млечный Путь не светящийся в ночном небе туман, а огромное скопление звёзд; что у Венеры, как и у Луны, есть фазы. Наконец, 7 января 1610 г. Галилей обнаружил спутники Юпитера.

«Чтобы взглянуть в телескоп, - писал историк А. X. Горфункель, - нужно было быть не только гениальным учёным, но учёным нового толка. Увидеть то, что увидел Галилей (и поверить своим глазам), мог только учёный, свободный от власти традиций и авторитета, с иным представлением о человеческом достоинстве, об индивидуальном праве на истину, добытую своими руками и своим умом, а не полученную из Божественного откровения и освящённого веками текста».

Благодаря быстрому обращению вокруг Юпитера его спутники представляли собой идеальный хронометр, по которому можно было бы определять время гораздо точнее, чем по лунным расстояниям. Проблема, однако, состояла в том, что для наблюдений требовался сильный телескоп. Малейшее смещение не позволяло удержать Юпитер в поле зрения и делало невозможными измерения. Но этот метод оказался очень полезным при проведении геодезических работ на суше. С его помощью к концу XVII в. была практически полностью прочерчена береговая линия Европы.

В 1668 г. английский математик, астроном и физик Исаак Ньютон (1643-1727) изготовил первый зеркальный телескоп. С длиной трубы всего лишь 160 мм прибор давал значительное уве­личение и в то же время был в принципе лишён главного недос­татка линзовых телескопов - хроматической аберрации.

Изобретение микроскопа. Микроскоп (от греч. «микрос» - «малый» и «скопёо» - «смотрю») - это оптический инструмент, позволяющий получать сильно увеличенное изображение весьма малых объектов. Микроскопы делят на простые, т. е. состоящие из одной линзы, и сложные - из двух и более. Простые микроскопы называют также лупами. Первые сложные микроскопы были изготовлены, по-видимому, ещё в конце XVI в. - возможно, Захарием Янсеном, возможно, кем-то другим. Иезуит Кристофер Шейнер в своей книге о солнечных пятнах с восторгом рассказывает о мухе величиной со слона и блохе размером с верблюда, которых он наблюдал в микроскоп собственного изготовления. Практического применения эти приборы долго не находили, и в научной литературе XVII в. о них почти не упоминается.

Славу микроскопу принесли работы голландского учёного Антониван Левенгука (1632-1723), открывшего и изучавшего с его помощью новый мир - мир микроорганизмов. Левенгук не пользовался сложными оптическими инструментами, не умея их делать, но зато достиг непревзойдённых результатов в шлифовке крошечных линз для простых микроскопов. Некоторые его прибо­ры позволяли получить увеличение в 300 раз. Левенгуку приходи­лось направлять дополнительное освещение на рассматриваемый объект, что представляло сложную техническую задачу. Как он это делал, до сих пор неизвестно. За свою жизнь учёный изготовил более 400 микроскопов.

Помимо микрофлоры, обнаруженной в дождевой воде, воде из прудов и колодцев, в слюне людей и животных, Левенгук изучал строение клеток растений и челюстей насекомых, дал первое описание красных кровяных телец. С 1673 г. до конца жизни учёный сообщал о своих исследованиях Лондонскому королевскому обществу, членом которого был избран в 1680 г. Там многие пытались повторять его опыты, в том числе английский естествоиспытатель Роберт Гук.

Применение сложных микроскопов сдерживалось, прежде всего, хроматической и сферической аберрациями. Они гораздо больше, чем в телескопе, искажали изображение наблюдаемого объекта. Дополнительная техническая сложность возникала в связи с необходимостью точного наведения на резкость. Объект нужно было максимально приближать к объективу, и малейшее его смещение делало изображение нерезким. Эту проблему решил итальянский инженер и шлифовщик Джузеппе Кампани (1635-1717). Он впервые применил сочетание винта и червячной передачи; этот принцип заложен в работу и современных микроскопов.

Тем не менее, по-настоящему широкое применение сложные микроскопы нашли только после удовлетворительного решения проблемы аберрации британским хирургом Джозефом Листером (1827-1912).

Изобретение конденсатора. «Хочу сообщить Вам о новом, но ужасном опыте, который не советую Вам ни в коем случае повторять самому...

Я проводил некоторые исследования по силе электричества. Для этой цели я подвесил на двух голубых шёлковых шнурах железный ствол, получивший сообщаемое ему электричество от стеклянного шара, который быстро вращали вокруг оси, прижимая к нему руки и тем самым потирая его, с другого конца свисала латунная проволока, коней которой был погружён в круглый стеклянный сосуд, частично заполненный водой, который я держал в правой руке, а другой рукой я попытался извлечь искры из электрического железного ствола; вдруг моя правая рука была поражена с такой силой, что всё моё тело содрогнулось, как от удара молнии! Сосуд, даже если он сделан из тонкого стекла, обычно не разбивается, а рука нисколько не смещается от такого сотрясения; но на руку и на всё тело это оказывает такое ужасное воздействие, что я даже не могу это выразить: одним словом, я думал, что мне конец». Так писал нидерландский физик Питер ван Мушенбрук (1692-1761) из города Лейдена французскому учёному Рене Антуану де Реомюру (1683-1757) об опыте, который он провёл в начале 1745 г. Явление электрического удара ранее было неизвестно, и потому эксперимент Мушенбрука произвёл огромное впечатление на его современников.

Что же произошло на самом деле? Стенка шара из тонкого прозрачного стекла - диэлектрик. Ладонь экспериментатора, касавшаяся сосуда, и вода - обкладки. Металлический проводник, опущенный в сосуд и погружённый в воду, послужил выводом внутренней (водяной) обкладки. Таким образом, всё устройство в целом представляло собой самый первый в истории техники электрический конденсатор, названный лейденской банкой.

Опытами с электричеством, которое добывают посредством электризации тел, увлекались тогда многие естествоиспытатели - и учёные, и любители. Поэтому к открывателям электрического конденсатора наряду с Мушенбруком иногда причисляют и других изобретателей. Спустя всего год после первого эксперимента лейденский сосуд, уже с обкладками из фольги, стал стандартным лабораторным прибором, широко использовавшимся для изучения электричества.

Изобретение ртутного барометра. О том, что воду в водяном насосе не поднять выше определённой высоты, знали ещё со времён поздней античности, хотя объяснения этому факту не существовало. Было также неясно, что образуется над водой. Пустота? Но, согласно принципам аристотелевой физики, это невозможно: «природа боится пустоты».

Воздух? Непонятно, откуда ему там взяться. В XVII в. к учению Аристотеля стали относиться критически.

Ещё в 90-х гг. XVI в. Галилей в своём раннем сочинении по механике «О движении» оспорил утверждение Аристотеля, что пустота невозможна. Она возможна, утверждал Галилей, но стремится исчезнуть и потому обладает определённой силой, - силой пустоты, которая и удерживает столб жидкости в насосе. В 1630 г. генуэзский чиновник и естествоиспытатель-любитель Джамбаттиста Бальяни предложил другое объяснение. Да, утверждал он, над водой образуется вакуум, но жидкость в насосе удерживается не им, а силой атмосферного давления.

Таким образом, имелось, по меньшей мере, три различные точки зрения на то, что же происходит в водяном насосе над поверхностью воды. Последователи Аристотеля (в основном учёные-иезуиты) отрицали существование вакуума. Кто-то из естествоиспытателей поддерживал точку зрения Галилея, на которой он про­должал настаивать; кто-то разделял теорию Бальяни. По традиции спор разрешили экспериментом. Провели его в Риме, вероятнее всего, в 1641 г., когда Галилей был ещё жив, под покровительством Бенедетто Кастелли - одного из самых влиятельных учёных того времени, ученика Галилея. В эксперименте участвовал ещё один ученик Галилея - Винченцо Вивиани. Обо всём происходив­шем подробно рассказал в 1644 г. Эванджелиста Торричелли (1608-1647) - бывший, очевидно, автором постановки опыта - в письме к Микеланджело Риччи.

Опыт заключался в том, что заполненную ртутью и запаянную с одного конца трубку опускали в сосуд с ртутью. Подобно воде, ртуть частично выливалась в сосуд, и так же, как в водяном насосе, над её поверхностью возникала пустота. При этом было отмечено, что отношение высоты, на которую поднимается в трубке ртуть, к высоте, на которую поднимается вода, равно отношению плотности воды к плотности ртути и не зависит ни от формы трубки, ни от объёма пустого пространства над поверхностью ртути.

С целью доказать, что над поверхностью ртути действительно образуется пустота, экспериментаторы поместили туда небольшой колокольчик (который приводили в действие магнитом) - его звон был еле слышен.

Нельзя сказать, чтобы результаты опыта убедили всех. Но эксперимент повторяли неоднократно на протяжении всего XVII столетия, и мало-помалу представления о возможности пустоты и об атмосферном давлении овладели умами и стали общепризнанными. «Мы погружены на дно безбрежного моря воздушной стихии, - писал Торричелли, - которая, как известно из неоспоримых опытов, имеет вес».

Об эксперименте узнал знаменитый французский математик, философ и естествоиспытатель, тогда ещё двадцатилетний юноша, Блез Паскаль (1623-1662), разделявший теорию «боязни пустоты». Он начал с опытов с различными жидкостями, думая, что результаты, полученные Торричелли, могут быть связаны с особыми свойствами ртути. Однако постепенно моло­дой учёный пришёл к выводу, что объяснение Торричелли верно. Но в таком случае, решил он, высота подъёма ртути в трубке должна уменьшаться при подъёме на высокую гору по той же причине, по которой давление под водой увеличивается по мере погружения. Соответствующий опыт провёл Флорен Перье, родственник Паскаля, 19 декабря 1648 г. на горе Пюи-де-Дом. Разница в уровнях на вершине горы и у её подножия превзошла все ожидания - она оказалась равна 84 мм. Окрылённый успехом, Паскаль сам повторил эксперимент в Париже - в знаменитом соборе Нотр-Дам, а затем на башне Сен-Жак и на длинной лестнице одного частного дома. Значение по­лученных результатов (Паскаль опубликовал их практически немедленно в том же, 1648 г.) трудно переоценить: правильность теории атмосферного давления решительно подтвердилась. Появилась новая единица измерения - миллиметр ртутного столба, - которой пользуются и по сей день (в международной системе единиц СИ единица давления названа «паскаль» - Па - в честь знаменитого француза). Получили первую оценку массы земной атмосферы. Ну и, наконец, был предложен прибор, с помощью которого атмо­сферное давление можно измерять, - ртутный барометр (наблюда­тельный Паскаль сразу заметил, что тот же прибор пригоден и для определения высоты).

Благодаря впечатляющим успехам наука к концу XVII столетия приобрела огромный авторитет в обществе. Новейшие открытия и изобретения стали интенсивно внедряться в хозяйственную жизнь, в создание новых образцов техники. В результате начались глубокие преобразования в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, коренным образом изменившие экономический уклад общества. Историки назвали этот процесс промышленной революцией.