Естествознание нового времени. Становление гелиоцентрической космологической модели: работы Коперника, Галилея, законы Кеплера

Галилей считал, что истинное знание достижимо исключительно на пути изучения природы при помощи наблюдения, опыта (эксперимента), и вооруженного математическим знанием разума. Он был уверен, что законы природы написаны на языке математики.

Используя построенные им телескопы (сначала с трехкратным увеличением, а затем с 30-кратным), Галилей установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности есть пятна. У Юпитера Галилей обнаружил 4 спутника (из 13 известных в настоящее время). Галилей убедился в том, что кажущийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд.

Изучая падение тел, он установил, что

3. свободно падающее тело движется с постоянным ускорением;

4. время падения тела не зависит от массы.

Он получил формулу, связывающую ускорение, путь и время падения тела

;

Исследование Галилеем свободного падения тел имело большое значение для становления механики как науки.

Галилей строил механику по образцу геометрии Евклида: сначала вводил постулаты и определения, а затем получал из них необходимые следствия.

В учении Галилея были заложены основы нового механистического естествознания.

Он разграничил понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движения. Сформулировал понятие ускорения (скорость изменения скорости). Показал, что результатом действия силы на движущееся тело является не скорость, а ускорение.

До Галилея общепринятым в науке считалось понимание движения, выработанное Аристотелем. Оно сводилось к следующему: тело движется только при наличии внешнего на него воздействия. Если это воздействие прекращается, то тело останавливается. Галилей вместо него сформулировал совершенно иной принцип, получивший впоследствии название принципа инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится никакого внешнего воздействия.

Галилей выработал понятие инерциальной системы отсчета.

Галилей сформулировал принцип относительности: внутри равномерно движущейся системы все физические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся (говоря физические, он имел в виду механические явления).

Галилей открыл закон независимости действия сил (принцип суперпозиции): две различные причины, вызывающие движение одного и того же тела, не влияют друг на друга. Каждая действует так, словно другая отсутствует.

Исследования Галилея заложили надежный фундамент динамики, а также методологии классического естествознания. С полным основанием Галилея называют «отцом современного естествознания».

В 1580 году в Дании на островке Вен (в 20 км от Копенгагена) построили невиданную астрономическую обсерваторию, названную Небесным замком (Ураниборгом). Инициатором и организатором строительства обсерватории был Тихо Браге, датский дворянин, посвятивший свою жизнь не воинским подвигам, а служению богине неба – Урании. Более двадцати лет провел Браге в Ураниборге, определяя положение небесных объектов. Тихо Браге был блестящим астрономом-наблюдателем, но не теоретиком. К счастью, на своем жизненном пути Тихо Браге встретил Иоганна Кеплера. На смертном одре Т. Браге завещал Кеплеру все свои рукописи, содержавшие результаты многолетних астрономических наблюдений.

После пяти лет трудоемкой математической обработки огромного материала наблюдений Т. Браге за движением Марса Кеплер сделал великое открытие: он раскрыл главную тайну планетных орбит. Кеплер в 1605 году открыл и в 1609 году опубликовал первые два закона планетных движений:

1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце;

2. Скорость движения планет изменяется таким образом, что радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает одинаковые площади (закон постоянства площадей).

Кеплер нашел уравнение для вычисления положения планеты на орбите в любой момент времени (уравнение Кеплера). Затем он поставил вопрос о динамике движения планет. Он заметил, что с удалением от Солнца периоды обращения планет увеличиваются быстрее, чем радиусы их орбит, то есть уменьшается скорость движения планет. Кеплер объяснял это так: движущая сила едина для всей системы и сосредоточена в ее центре – Солнце, которое действует сильнее на близкие планеты и слабее на далекие планеты. В гелиоцентрической картине движения планет Кеплер увидел действие единой физической силы и поставил вопрос о ее физической природе и точном математическом законе. Ответил на этот вопрос через несколько лет Исаак Ньютон.

Через десять лет после опубликования первых двух законов (1619) Кеплер опубликовал третий закон: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы средних расстояний этих планет от солнца (кубы больших полуосей их орбит).

Иоганн Кеплер заложил фундамент новой теоретической астрономии и учения о гравитации.