Формирование классического естествознания
Развитие науки в эпоху Возрождения.Этот период истории характеризуется возрождением культурных ценностей античности, расцветом искусства, утверждением идей гуманизма. Это время первых буржуазных революций, великих географических открытий, выдающихся изобретений. Кардинально меняются представления о месте и роли человека в объективном мире: он понимается не как природное существо (так было в античности) и не как Божье создание (средневековые представления), а как творец самого себя и окружающего мира. Меняется и отношение к познанию. Если в Средние века целью познания считалась суть Божественного творения, то в эпоху Возрождения изучается природа, одухотворенная и проникнутая Божественным началом. Иными словами, теизм Средневековья сменяется пантеизмом Возрождения. Возвращается приоритет разума и рационального познания мира. Идет стирание граней между теоретиками-учеными и практиками-инженерами. Становится важным не только открыть законы мира, но и использовать их на практике. Новый взгляд на мир и человека позволил сделать выдающиеся открытия и создать новые теории, ставшие основой классического естествознания.
Ключевым событием в науке эпохи Возрождения стал выход в 1543 г. знаменитой книги Н. Коперника «О вращении небесных сфер». С этого времени начался переход от геоцентрических представлений о мире к гелиоцентрической модели Вселенной. В схеме Коперника в центре сферической Вселенной находилось Солнце, вокруг которого по круговым орбитам вращались планеты. Новая модель мира сразу объяснила многие непонятные ранее эффекты: петлеобразные движения планет, смену времен года и др. Помимо достоинств у нее, безусловно, были и недостатки: движение планет считалось круговым, а Вселенная – конечной и ограничивалась одной Солнечной системой. Но эти погрешности не снижают значения открытия великого ученого, давшего толчок дальнейшим исследованиям.
Научная революция XVI-XVII веков.Следующие шаги в становлении гелиоцентрической картины мира были сделаны в работах Джордано Бруно, Галилео Галилея, Иоганна Кеплера, Исаака Ньютона и других выдающихся ученых.
Дж. Бруно в учении о множественности миров и бесконечности пространства отверг представление о космосе как о замкнутой сфере и впервые заявил о том, что звезды – это не светильники, созданные Богом для освещения ночного неба, а такие же солнца, как и наше. Вокруг них могут вращаться планеты, на которых, возможно, живут люди. Это был набросок новой полицентрической картины мира, утвердившейся век спустя.
Работа по математическому обоснованию гелиоцентризма была начата Г. Галилеем (1564-1642), труды которого предопределили облик классической, а во многом и современной науки. Им были заложены основы математического опытного естествознания. Чтобы глубже проникнуть в законы природы, Галилей усовершенствовал и изобрел множество технических приборов и инструментов – линзу, телескоп, микроскоп, магнит, воздушный термометр, барометр и др. Систематическое использование экспериментальных методов он сочетал со стремлением к математическому осмыслению полученных результатов.
Особое значение для утверждения гелиоцентризма имели открытия Галилея в области астрономии. С помощью изобретенного им телескопа Галилей открыл горы на Луне, пятна на Солнце, фазы Венеры, четыре крупнейших спутника Юпитера, увидел, что Млечный Путь представляет собой скопление огромного множества звезд. Все эти факты доказывали, что небесные тела – не эфирные создания, а вполне материальные объекты.
Огромный вклад был внесен Галилеем в развитие механики, в частности ее нового раздела – динамики. Он проверил опытным путем многие утверждения Аристотеля, сформулировал понятия скорости, ускорения, инерции, принцип относительности.
И. Кеплер (1571-1630), обработав наблюдения за движением Марса, вывел три закона движения планет. Им было установлено, что орбиты планет являются эллиптическими, движение по ним происходит неравномерно, с удалением от Солнца скорость движения планет уменьшается.
Но оставался неясным вопрос: какая сила заставляет планеты отклоняться от прямолинейной траектории и постоянно «падать» по направлению к Солнцу? Природа этой силы была открыта И. Ньютоном. После целого ряда математических открытий, среди которых создание дифференциального и интегрального исчислений, Ньютон в 1666 г. установил, что планеты удерживаются на устойчивых орбитах потому, что их притягивает к Солнцу сила, обратно пропорциональная квадрату расстояния до Солнца. Этому же закону подчиняются и тела, падающие на Землю. Так, в общем виде был сформулирован закон всемирного тяготения: F = Gm1m2 /r2 (где m1 , m2 – массы притягивающихся тел, r – расстояние между ними). На основании этого закона Ньютон математическим путем вывел эллиптическую форму планетных орбит и изменение их скоростей. Законы движения планет И. Кеплера предстали как следствия закона всемирного тяготения.
В систематическом виде основы новой классической механики были изложены Ньютоном в 1687 г. в книге «Математические начала натуральной философии». Так появилась первая фундаментальная физическая теория, ставшая ядром картины мира Нового времени и до начала ХХ в. определившая направление развития естествознания.
К началу XVIII в. каждый образованный человек в Европе знал, что Бог сотворил Вселенную как сложную механическую систему, состоящую из материальных частиц, которые движутся в бесконечном, однородном пространстве в соответствии с несколькими поддающимися математическому анализу принципами – такими, как инерция и гравитация. В этой Вселенной Земля вращается вокруг Солнца, а Солнце представляет собой одну из звезд, которых великое множество, Земля же – одну из многих планет. Сотворив столь сложную и подчиненную строгому порядку Вселенную, Бог устранился от дальнейшего вмешательства в природу и предоставил ее самой себе, чтобы она продолжала существовать на основе тех немногих и совершенных законов, которые были заложены в ней при сотворении мира.
Классическое естествознание Нового времени. Понятие «классическое естествознание» охватывает период развития науки с XVII до начала ХIХ в. Этот этап развития науки характеризуется целым рядом специфических особенностей.
1.Важнейшая черта классического естествознания - механистичность т.е. представление мира в виде гигантского механизма, действующего на основе вечных и неизменных законов механики. Механика служит эталоном для построения любой науки и рассматривается как универсальный метод изучения окружающих явлений. Это выражается в стремлении свести любые процессы, в том числе биологические и социальные, к простым механическим перемещениям.
2.Среди методов исследования преобладает анализ – стремление к разложению рассматриваемых объектов на составные элементы и изучение каждого элемента в отдельности.
3.Широко используются эксперимент и количественные методы описания предметов и явлений окружающего мира.
4.Признается существование жестких причинно-следственных связей между явлениями и фактами (детерминизм), однозначность в истолковании событий. Вероятность и случайность полностью исключаются из результатов исследования.
5.При познании мира считается возможным получить абсолютную истину, т.е. полное, завершенное знание о мире.
6.Каждое явление рассматривается отдельно от других, игнорируются его связи с другими объектами, не учитывается динамика развития (метафизичность).
В Новое время бурно развивается производство, идет интенсивное накопление и систематизация знаний о самых разных природных явлениях и процессах, так как для технического применения важны конкретные детали. Важнейшей формой исследования становится эксперимент. Происходит дифференциация естествознания: физика, механика, оптика и другие разделы натурфилософии выделяются в виде самостоятельных наук.
Помимо физики, очень серьезные изменения происходят в XVIII в. с химией, которая, наконец-то, из алхимии и ремесленной химии становится настоящей наукой. Основная заслуга в этом принадлежит английскому ученому Р. Бойлю и французскому ученому А. Лавуазье. Бойль ввел в химию понятие о химическом элементе, экспериментальный метод, положил начало химическому анализу. Лавуазье выяснил роль кислорода в процессах горения, доказал сложный состав атмосферного воздуха, сформулировал закон сохранения массы вещества в химических реакциях, руководил разработкой новой химической номенклатуры, составил первую классификацию химических элементов.
Биология Нового времени характеризуется отчетливым стремлением к классификации и систематизации накопленного эмпирического материала. В этот период появляются – «Система природы» К. Линнея, многотомный труд Ж. Бюффона «Естественная история», «Мемуары по истории насекомых» Р.А. Реомюра и др. Первая научная классификация видов была предложена в 1758 г. К. Линнеем, описавшим около 10 тыс. видов растений и 4 тыс. видов животных. Он ввел точную терминологию для описания растений и животных, бинарную номенклатуру для обозначения видов, определил соотношение между различными систематическими группами – классами, отрядами, видами и подвидами, показав их иерархическую соподчиненность. К сожалению, в основу своей классификации Линней положил произвольно выбранные, часто единичные признаки, поэтому допустил ряд ошибок. Тем не менее, его «Система природы» была гигантским шагом вперед, она дала толчок дальнейшим исследованиям и появлению более точных классификаций. Ж. Бюффоном была выдвинута идея о единстве растительного и животного мира и об изменяемости видов под влиянием условий среды. В XVI-XVIII вв. благодаря работам Р. Гука, Я. Гельманта, Н. Грю, М. Мальпиги, проводившихся с использованием микроскопа, получила развитие анатомия растений, были открыты клеточный и тканевый уровни организации растений. В эмбриологии формируются концепции эпигенеза, трактующие образование организма как его постепенное развитие из бесструктурной, неоформленной субстанции. Был сделан ряд открытий в области физиологии, в частности, У. Гарвеем было создано учение о кровообращении и установлена роль сердца в организме.
Таким образом, к концу XVIII в. было сделано множество открытий, дополнявших и усложнявших картину мира. Она постепенно теряла наглядность. При этом система понятий в механистической картине мира была догматичной и негибкой. Новые открытия, не находя в ней своего объяснения, постепенно ее разрушали.
Естествознание XIX века. Новый век принес много перемен в классическую науку. В целом она еще оставалась механистической и метафизической, но в ней постепенно начинают формироваться диалектические и эволюционные идеи о всеобщей связи и развитии. Все более тесной становится связь науки с производством. Промышленная революция требовала постоянного совершенствования техники, что стимулировало развитие науки и, прежде всего, точного естествознания.
Крупнейшими достижениями физической науки начала XIX в. стали открытия дифракции, интерференции и поляризации света, что привело к утверждению волновой теории света (Т. Юнг, О. Френель).
Не менее фундаментальные открытия произошли в области науки об электричестве и магнетизме. Исследования Х. Эрстеда, А. Ампера, М. Фарадея привели к открытию явления электромагнитной индукции (возникновение тока в проводнике вблизи движущегося магнита) и развитию нового раздела физики – электродинамики, ставшей теоретической основой таких важных изобретений, как электродвигатель и электрогенератор. Изучая электромагнетизм, Фарадей пришел к принципиально новым полевым взглядам на природу материи, согласно которыми исходным материальным образованием является поле, а не атом. Что касается самого понятия электромагнитного поля, заслуга по его выдвижению принадлежит Дж. Максвеллу, который первым обратил внимание на идеи Фарадея и в 1864 г. создал теорию электромагнитного поля.
Идея всеобщей связи и развития находит свое место и в других разделах физики, в частности в термодинамике. Исследования тепловых, химических, электрических процессов способствовали возникновению идеи о взаимопревращении различных видов энергии и привели к открытию закона сохранения энергии Т. Майером и Дж. Джоулем.
В астрономии появляется гипотеза И. Канта о возникновении Солнечной системы из газопылевой туманности – первая теория развития Вселенной на основе теории гравитации. Хотя космогоническая гипотеза Канта имела немало недостатков, ее важнейшим достоинством было разрушение метафизических взглядов на происхождение Вселенной, внесение идеи развития и в эту область естествознания.
Величайшим открытием в химии стало создание Д.И. Менделеевым в 1869 г. Периодической системы химических элементов, которая не просто установила связь между физическими и химическими свойствами элементов, но и взаимную связь между всеми химическими элементами.
Биология также не осталась в стороне от новых идей. С начала XIX в. в ней появляются первые эволюционные теории, среди которых особого внимания заслуживает концепция Ж.Б. Ламарка. Он выдвинул предположение о роли среды в процессе эволюции, представлявшем естественный процесс развития от низших форм к высшим. Он считал, что под воздействием окружающей среды меняются органы и ткани и эти изменения передаются по наследству. Самым крупным событием в биологии XIX в. стало появление эволюционной теории Ч. Дарвина о происхождении видов под влиянием трех основных факторов – наследственности, изменчивости и естественного отбора.
Эти и многие другие достижения XIX в. подняли естествознание на качественно новый уровень. Оно развивалось быстрыми темпами, во всех его областях происходили удивительные открытия, увеличивалось число ученых и научных институтов, возникали новые, самостоятельные разделы внутри физики, химии, биологии. Казалось, что наука вступила в свой золотой век. Тем неожиданнее стали те научные открытия, которые послужили толчком к новой научной революции, разрушившей стройное здание классической науки и механистическую картину мира.
Эта революция началась в физике с целого ряда блестящих открытий. В 1888 г. Г. Герц открыл электромагнитные волны, подтвердив предсказание Максвелла. В 1895 г. В. Рентген обнаружил Х-лучи, названные позднее рентгеновскими. Изучение природы этих загадочных лучей, способных проникать через светонепроницаемые тела, привело Д. Томсона к открытию первой элементарной частицы – электрона. В 1896 г. А. Беккерель обнаружил явление радиоактивности (самопроизвольное превращение нестойких атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием ядерных излучений). Все эти открытия не находили своего объяснения в рамках классической механики. Прежние представления о материи, ее строении, движении, о форме физических законов, о пространстве и времени, которые еще в начале 80-х гг. XIX в. казались неоспоримыми, были опровергнуты. Это привело к кризису физики и всего естествознания, который большинством ученых переживался очень тяжело. К лучшему ситуация стала меняться только в 20-е гг. ХХ в., когда на основе теории относительности и квантовой механики начала складываться новая квантово-релятивистская картина мира, в которой открытия, породившие кризис в физике, были объяснены.