Горяєв М.А.
У шумерів, вавілонян і єгиптян з окремих питань фізики були певні цінні знання, які, проте, справляють враження чогось випадкового, несистематичного. До числа перших наук слід віднести астрономію і математику, які зародилися у Вавілонії, Єгипті, Індії та Китаї. Це було пов'язано з розвитком матеріальної культури. Астрономія забезпечила створення календаря, вимірювання часу, що було необхідно для землеробства, прогнозування погоди. Математика також виникла у зв'язку з розвитком господарського життя, рішенням практичних завдань (розрахунків при обміні, вимірювання земельних ділянок і т.д.). Але це були зародкові пізнання, і науки як системи знань ще не існувало.
1. Натурфілософія і зародження наук
Важливий етап становлення наук - встановлення суворої зв'язку явищ з логічними доказами - виникнення стародавньої філософії. Це відбувалося майже одночасно в Індії, Китаї та Стародавньої Греції. Остання справила визначальний вплив на розвиток світового природознавства. Наявність великого комплексу знань і технічних навичок, високий загальний культурний рівень, а також відточений на тонких філософських і математичних дослідженнях мову створили в Греції в 6 столітті до н.е., тобто в період розквіту грецької держави, грунт для початку робіт по опису, упорядкування і пояснення явищ природи. Саме слово фізика походить від грецького - природа.
Родоначальниками грецької науки були представники Іонічне школи і, перш за все, Фалес Мілетський (624-547 рр. до н.е.). Вони висунули ідею про матеріальну першооснову всіх речей і явищ, наприклад, про воді, повітрі, вогні і т.п. Одночасно розвивалося і ідеалістичний напрям Піфагором (580-500 рр. до н.е.) і його школою, яка приписувала божественну роль числах, керуючими світом. Подальший розвиток філософії зв'язується з відмовою від праматерії і появою концепції елементів, атомістики. Яскравим представником цього напряму був Демокріт (460-370 рр. до н.е.).
Античні вчені прагнули дати цілісну картину світу, пояснюючи всі явища на основі невеликого числа "почав". При цьому відсутність чітко встановлених фактів компенсувалося здогадками, вигадкою, логічними спекуляціями. Ці перші етапи наукового мислення, розвитку природознавства отримали назву натуральної філософії.
Перші результати систематизації знань про природу - праці Аристотеля.
Аристотель (384 - 322 р. до н.е.) - давньогрецький вчений і філософ. Народився в Стагире на півночі Греції в сім'ї придворного лікаря македонських царів. У 367-347 р. до н.е. навчався в Академії Платона в Афінах. Після смерті Платона він відправився по Греції, в 343-335 р. до н.е. був вихователем Олександра Македонського. Останній дуже цінував Аристотеля: "Я шаную Аристотеля нарівні зі своїм батьком, тому що якщо батькові я зобов'язаний життям, то Арістотелем зобов'язаний усім, що дає їй ціну ". У 335 р. до н.е. Аристотель повернувся до Афін і заснував там за всебічної підтримки вінценосного покровителя школу "Лікей", якою керував протягом 12 років. Після смерті Олександра Македонського школа була закрита, Аристотель залишив Афіни і незабаром помер.
Дослідження відносяться до галузі механіки, акустики, оптики. В основі світу за Арістотелем - геоцентрична система. Фізика Аристотеля заснована на доцільності природи, містила окремі правильні положення, але не приймала ряд ідей попередників (геліоцентризм, атомізм та ін.) Вчення Арістотеля було канонізовано церквою і гальмувало до 16 століття розвиток природознавства.
Аристотель написав ряд натурфілософських робіт ("Фізика", "Про небо", "Про виникнення і знищення", "Метеорологія", "Механічні проблеми", "Метафізика" та ін), які систематизують всі природничонаукові знання того часу. У них він виклав свої уявлення про рух і природі. Первинними якостями матерії вважав дві пари протилежностей: "тепле - холодне" і "сухе - вологе", основними елементами чи стихіями - землю, повітря, воду і вогонь. Найбільш досконалим вважав п'ятий елемент - ефір. Аристотель намагався заснувати фізику на спостереженні та експерименті, проте прагнув охопити і пояснити всі. За традицією філософів того часу у своїх роботах він прагнув створити закінчену наукову картину замкнутого і обмеженого світу.
Особливий інтерес представляє вчення про рух, що за Арістотелем є будь-яке кількісне і якісне зміна, завдяки якому явище реалізується. Це вчення панувало у фізиці до епохи Відродження, і, незважаючи на виявлені суттєві помилки і помилки, ряд принципових уявлень залишився непорушність до сьогоднішнього дня. Великою заслугою Аристотелевої кінематики було формулювання точного правила додавання переміщень. До даних сучасної науки близько стоять його дослідження по статиці: рівновага важелів, дія ваг і блоків.
Чого не вистачало арістотелевой фізики - це аналітичної обробки, критичності і обережності при узагальненні. Сучасна фізика відноситься до даних експерименту з критичною обережністю, а аристотелева наука - з наївним простодушністю. Невдачі Аристотеля визначаються недостатністю його методів дослідження.
2. Фізика елліністичної епохи
Птолемей I (засновник єгипетської династії Птолемеїв) після смерті Олександра Македонського і закриття школи Аристотеля закликав до свого двору учня Аристотеля Деметрія Фалерського і доручив йому створити школу за зразком лікея - Олександрійський музей. При Птолемее П (з 285 р. до н.е.) Музей став великим культурним та науково-освітнім центром, де вчені жили на державний рахунок, були дві великі бібліотеки (до 48 р. до н.е. - 700 тис. томів ). Все це приваблювало в Олександрію велика кількість вчених з усього світу, і там розвивалися систематичні наукові дослідження конкретних явищ природи.
Тривалий час в Олександрії вчився і працював Архімед.
Архімед (287 - 212 р. до н.е.) - математик, фізик і астроном. Народився в Сіракузах (Сіцілія) в сім'ї відомого астронома Фідія.
Автор багатьох винаходів: гвинтів, блоків, військових метальних машин і т.п. Розробив наукові основи статики: ввів поняття центра ваги і моменту сил, вивів закони важеля, правило додавання паралельних сил, заснував гідростатику. Дійшли до нас праці "Про рівновагу плоских фігур" та "Про плаваючих тілах". Вчився і працював в Александрії. Загинув при захисті Сіракуз.
Архімед створив ряд чудових механічних винаходів: гвинти, поліспаст та ін Дуже багато військових винаходів використовувалося при захисті Сіракуз від римлян. Але Архімед підпорядковувався загальної тенденції і зневажливо ставився до прикладних областей знання і техніці, оскільки в той час ремісництво вважалося другосортним заняттям для вільної людини.
Архімед увійшов в історію, перш за все, як засновник статики і гідростатики. Його перша наукова праця - дослідження центрів тяжіння. Архімед на відміну від Арістотеля виводить умова рівноваги з постулатів, отриманих з безпосередніх дослідів з важелями. Підхід Архімеда до вирішення фізичних проблем заснований на простих, але строгих геометричних доказах, так що його можна вважати родоначальником математичної фізики. Загальновідомий гідростатичний закон Архімеда, який був сформульований ним також на основі дослідних даних. Однак, експериментальним методом він користувався, вірячи в непогрішність однієї лише математики.
Для олександрійської механіки характерний інтерес до вивчення простих механізмів, стисненого повітря, там були проведені також роботи зі створення бойових машин, що було узагальнено в "Механіці" Філона (~ 250 р. до н.е.). Але цю роботу затьмарив Герон, який створив двотомну працю по пневматиці, а також свою "Механіку" - своєрідну енциклопедію античної техніки.
Герон Олександрійський (ймовірно, 1-2 століття н.е.) - давньогрецький вчений і інженер. Викладав в Олександрії.
У "Механіці" докладно описані прості (комір, клин, важіль, блок і гвинт) і більш складні механізми. У двотомнику "Пневматика" описані механізми з використанням нагрітого або стисненого повітря і пари, в "Діопртре" - пристрої для вимірювання кутів і пройденого шляху, в "Катоптрике" висунув ідею про найкоротший шлях світлового променя при відображенні.
Математичні роботи є енциклопедією античної прикладної математики: Герон дав точні і наближені формули розрахунку різних фігур (формула Герона для визначення площі трикутника за трьома сторонами), правила чисельного розв'язання квадратних рівнянь і наближеного вилучення квадратних і кубічних коренів і ін
Механіка стала прийматися як наука про простих машинах, до яких в основному ставилися п'ять: воріт, важіль, блок, клин і гвинт. Грекам були відомі прості механізми, зубчасті передачі, гідростатика, застосування сифонів, стисливість повітря, рушійна сила пари. Відомо винахід Героном еолопіла - моделі першої моделі парової турбіни. Вони володіли і технічними знаннями, і науковим розумінням, щоб створити індустріальні машини. Однак цього не робилося, а все обмежувалося лише різними механічними "фокусами", іграшками для розваги, пристосуваннями для посилення релігійного марновірства народу і поодинокими прикладами військового застосування, тобто суспільство ще не дозріло до серійного втілення знань у техніку.
Інша заслуга олександрійської науки - поштовх оптичним дослідженням. Оптика існувала ще у філософів класичного періоду (з 6 в. До н.е.), але вони цікавилися лише фізіологічними, а не фізичними проблемами.
Геніальний геометр Евклід створив перший трактат з оптики, який по суті відповідає сучасним уявленням геометричної оптики, заснованим на прямолінійній поширення світла.
Евклід (~ 330 - 275 р. до н.е.) - давньогрецький математик.
Автор першого дійшов до нас трактату з математики ("Начала"), творець геометрії, яка носить його ім'я і на ній грунтується вся класична фізика. У трактатах "Оптика" і "Катоптрика" викладені основи геометричної оптики на базі законів відображення і прямолінійного поширення світла.
Але оптика Евкліда швидше успіхи геометрії, а не фізики. Зокрема, у вихідних постулатах про прямолінійному поширення світла він слід теорії зору Платона про те, що промені світла випускаються очима. Як математик Евклід систематизував математичні знання своїх попередників і виклав це у своїх "Засадах", які склали основу так званої евклідової геометрії.
У дусі евклідової традиції написаний і інший античний трактат - "Оптика" Птолемея.
Птолемей Клавдій (2 століття н.е.) - давньогрецький астроном, географ, оптик.
Автор трактату "Велике математична побудова астрономії в XIII книгах", що була більш тисячоліття енциклопедією астрономії. Завершив побудова геоцентричної системи світу. Досліджував астрономічну рефракцію, заломлення світла.
Великий астроном не обмежився розглядом лише геометричної оптики, він обговорював і фізичні процеси, особливо в дослідженнях з заломлення світла. На жаль, отриманий ним закон заломлення виявився невірним, але при цьому були проведені спеціально і ретельно поставлені експерименти. Інший важливий внесок Птолемея в оптику - дослідження астрономічної рефракції. У "Катоптрике" Герона вперше сформульований по суті принцип Ферма про мінімальності оптичного шляху. Проте це зроблено на основі суто геометричних міркувань.
В основному ж ім'я Птолемея пов'язано з його астрономічними дослідженнями, відомої птолемеевой геоцентричної системою будови світу. Слід сказати, що вже у давньогрецькій астрономії були дві різні точки зору на будову світу: геоцентрична і геліоцентрична. Ще піфагорійці висловили гіпотезу про рух Землі, а Архімедом зіставлялися ці дві системи. Однак більшість античних астрономів дотримувалося геоцентричних поглядів, і з-за авторитету Арістотеля ця ідея превалювала в стародавньому світі.
Розвиток астрономії і спроби пояснити рух небесних тіл викликало розвиток механіки як науки про рух. У птолемеевой системі рух небесних тіл описується у вигляді складної комбінації простих кругових рухів. При цьому виникав принципове питання, що ж реально: видимий рух тіл або прості кругові рухи? І натурфілософія сходилася до висновку, що не справа астрономії вирішувати, яке рух в дійсності, а її завдання полягає лише в умінні обчислювати положення і рух небесних тіл.
У зв'язку з розвитком астрономії вставав питання про відносність механічного руху. І хоча це питання не отримав остаточного дозволу, але перші моделі та подання, які використовувалися при обговоренні таких завдань, виникли саме в ці часи і широко використовувалися в подальшому (Коперником, Галілеєм і ін), наприклад, класична модель про враження людини, що знаходиться всередині пливе корабля.
На закінчення слід сказати, що в античності відбулися два етапи становлення науки: 1 - розвиток натурфілософії (науці про природу речей з відмовою від міфічних і релігійних уявлень); 2 - формування конкретних наук. Останнє, перш за все, відноситься до математики і астрономії, а також частково до фізики: з'являються зачатки механіки (вчення про рівновагу тіл і рідин) і оптики. Фізика античного періоду оперувала рядом різних і часом незрозумілих експериментальних фактів, але на базі яких раціональне мислення і математична культура греків все ж зуміли створити основи фізики. Однак, становлення фізики, як науки в сучасному розумінні, в античному світі ще не відбулося, тобто експериментальної фізики як такої в стародавній Греції не було. У силу панівного становища "чистих" наук - філософії і математики існувало зневага до емпіричного дослідження. Тому прикладів постановки спеціальних експериментів для вивчення тих чи інших явищ природи, підтвердження або спростування фізичних ідей практично не було.
Необхідно відзначити ряд обставин, які сприяли зародженню фізики. Хоча основні досягнення античної фізики пов'язані з іменами видатних вчених (Аристотель, Архімед, Евклід, Птолемей), але ці успіхи визначаються і тим, що в античному світі були створені перші наукові та освітні центри: Лікей та Олександрійський музей. Ще один важливий, незважаючи на гадану його другорядність, фактор, який зумовив розвиток фізики в стародавньому світі, - це прихильне ставлення до науки владноможців. І Лікей, і Олександрійський музей створено були й існували за всебічної підтримки тодішніх правителів. І ця підтримка носила не тільки альтруїстичний характер. Далі ми побачимо, що так було майже завжди протягом історії розвитку держав і науки. Це пов'язано в значній мірі з тим, що фізика забезпечує найбільш ефективний розвиток продуктивних сил, а особливо обороноздатності та військової могутності держави.