1. Специфіка перших систем теоретичного фізичного знання
У світлі сучасних історико-наукових досліджень вважається, що основи теоретичного фізичного знання закладалися в епоху античності в Древній Греції та інших країнах Середземномор'я. Державний устрій типу рабовласницької демократії, відносна толерантність до вибору релігійних вірувань дозволяли обговорювати проблеми природознавства і здійснювати розмежування науки і релігії при вирішенні цих проблем. Це сприяло появі спочатку різних натурфілософських концепцій на основі спостережень і експериментів, потім розробці теоретичних фізичних концепцій. У силу низького рівня розвитку техніки, що існувала недооцінки кількісних розрахунків і відстороненості потреб рабовласницького виробництва від досягнень науки, експеримент в епоху античності не став ні методом сісетематіческой перевірки отриманих знань, ні основним джерелом емпіричних знань. Але поступово на зміну міфологічним поясненням явищ дійсності стали приходити спроби їх наукового обгрунтування.
Основне питання, що займав мислителів у цей час було питання про співвідношення єдиного і багато чого (інакше кажучи, з якого почала утворилося оточує нас безліч речей).
Фалес, який висловив думку про те, що всі речі походять із води, по суті справив революційний переворот у світогляді, який означав відмову від міфологічного пояснення явищ дійсності на користь уявлень про них як перетворення речовин. Значення цього перевороту в культурі суспільства важко переоцінити, бо по суті своїй сучасні уявлення про дійсність вкладаються у цю парадигму (зрозуміло в конкретизированном вигляді). Слідом за Фалесом цим шляхом пішли Геракліт, який висловив ідею про вогонь, як першооснові всього існуючого, Анаксимандр - апейрон, Анаксагор - гомеомерий, Анаксимен - повітрі. Емпедокл - чотирьох стихій (вогні, повітрі, воді і землі). Таким чином, іонійські натурфілософські концепції стверджували ідею про дійсність як безперервному процесі перетворення матеріальних елементів (газоподібних, рідких, твердих).
Картина світу, побудована на основі даних концепцій, не потребувала божественне втручання, але її слабкістю був чисто описовий характер, що не допускав кількісних змін. Дана картина була доповнена Піфагором, які зробили ідею пояснення явищ реальності на основі математичної закономірності. Але в області фізичних явищ дослідне пізнання подменялось містикою чисел. Ідеалом пізнання піфагорійців було пасивне споглядання, а не активний експеримент. Разом з тим для розвитку фізичних концепцій була важлива встановлена піфагорійцями можливість операцій з фізичними величинами зведенням їх до міри і числа, що розширювало можливості людини у перетворенні природи. Таким чином, безсумнівно зміцнювалася ідея про природний характер розвитку дійсності, яка набувала все більш конкретних обрисів і вилилася в атомістичну концепцію, яка зіграла величезну роль у розвитку науки.
2. Концепція атомістики
Попередні концепції не допускали існування порожнечі. А раз у світі все заповнено, то рух неможливо - даний принцип затверджувався Парменідом і обгрунтовувався Законом Елейський (5 ст. До н.е.). Атомістична концепція, початок якої було покладено Левкіппа і Демокрітом, виходила з визнання порожнечі і рухаються в ній атомів - незліченних неподільних частинок (що відрізняються один від одного величиною і формою), різні поєднання яких утворюють безліч навколишніх речей. Окрім визнання порожнечі для атомістичної концепції характерно також визнання принципів збереження матерії (ніщо не може виникнути з нічого) і збереження форм матерії (природа все розкладає на тіла і в ніщо нічого не переводить, тобто в природі повторюються постійно одні й ті ж форми матерії). Наявність порожнечі (вакууму) було необхідно для існування руху, бо в заповненому світі речей рухатися нікуди. Епікур, на відміну від Демокріта, який долинав з панування необхідності в світі атомів, привніс у атомістики ідею випадкового відхилення атомів від закономірних траєкторій, завдяки чому вони можуть стикатися і утворювати тіла. Оскільки в поясненнях Демокріта і Епікура відсутні уявлення про взаємне притягання атомів, то з'єднання їх у цілісність при утворенні речей обумовлювалося наявністю у атомів гачків. Лукрецій Кар (1 ст до н.е.) вибірковість атомів при об'єднанні в тіла пояснювалося на основі принципу "подібний прагне до подібного". У поемі "Про природу речей" Лукрецій в поетичній формі виклав основні положення атомістичної концепції. Важливою є ідея про обмін тел своїми "витіканнями" - своєрідному прообразі дальнодіючих силах притягання. Ідея атомістики виявилася настільки плідною, що проіснувала до теперішнього часу.
Концепція атомістики в період античності не могла спиратися на експериментальне доказ існування атомів. Вона спиралася на факти спостереження типу "ступені палаців поступово стираються", "запахи переносяться", "поблизу моря одяг зволожується" і т.д., що дозволило припустити існування невидимих частинок, з яких складається все різноманіття речей.
3. Фізичне вчення Платона
Своєрідне фізичне вчення викладено Платоном в діалозі "Тімей". Запозичивши у своїх попередників уявлення про чотири види матерії (землі, воді, повітрі й вогні), він зображує їх взаімопревращается. Ці види матерії є проявом первинної матерії. Частинки (свого роду молекули) різних видів матерії розрізняються геометричною фігурою і розмірами. Платон, спираючись на розроблену Теетет геометрію правильних багатогранників, пояснював властивість видів матерії - твердість, плавкість, воздухообразность, огнеобразность - геометрією багатогранників. З п'яти видів правильних багатогранників тільки у тетраедра, октаедра і ікосаедра всі грані однакові - вони являють собою рівносторонній трикутники, кожен з яких може бути розбитий на шість прямокутних рівнобедрених трикутників. У додекаедра п'ятикутні грані на однакові трикутники не розділяються. Куб і додекаедр не можуть перетворюватися в такі фігури, у тому числі й один в одного. Оскільки з існуючих видів матерії самим стійким і найменше рухомим є Земля, то їй відповідає чотирикутна площина куба як найбільш забезпечує цю стійкість. Властивість інших видів матерії забезпечуються відповідними многогранниками.
4. Арістотельская фізика
Фізичне вчення Аристотеля відрізнялося від відповідних Демокрита і Платона своєї "антіатомістічностью". Вважаючи досвід джерелом знань, Арістотель виступав у своїй "Фізики" проти тлумачення чуттєво сприймаються тіл на основі недоступних спостереження атомів. Відкидає він і існування пустоти. Досвід свідчить про те, що чим щільніше середовище, тим більше вона чинить опір руху. У нескінченно розрідженому просторі опору руху немає, тому рух тіл було б у ньому нескінченним, що неможливо. Фізичний світ Арістотеля базується на принципі природності: кожне тіло знає своє місце. Природний рух виникає тоді, коли тіло прагне зайняти своє природне місце (падаючий камінь прагне вниз, до землі, іскри летять вгору, до небесних вогнів і т.д.). Тобто всі тіла в силу тяжіння або легкості прагнуть до центру світу або від нього. Так, в повітрі дерево прагне до центру, а у воді - від нього. В інших випадках, коли немає природних причин руху, воно може здійснюватися лише насильно, тобто під дією зовнішніх сил. Таким чином, природний рух можливо під дією тяжкості, у всіх інших випадках - під дією сили. Живі істоти в своєму русі реалізують своє природне призначення (птахи літають, риби плавають і т.д.).
Для пояснення всього існуючого Аристотель використовував чотири типи почав (причин): матеріальну причину (матерію - те, з чого щось виникає); формальну причину (форму - те, що в пасивної матерії існує як можливість, перетворює в дійсність), рушійну причину (дія - те, що рухає), цільову причину (мета - те, заради чого що-небудь здійснюється). Матеріальна причина була виділена представниками мілетської школи (Фалесом, Гераклітом і ін), Формальна причина - Платоном, рушійною причиною займалися Анаксагор і Емпедокл (у першого дію викликалося Нусом, у другого - ворожнечею і дружбою). Родоначальником цільової причини Аристотель вважав себе. За словами Д. Бернал, "ця теорія була бичем для науки в силу того, що вона забезпечувала легкий спосіб пояснення будь-якого явища за допомогою постулювання відповідної мети для нього, не намагаючись виявити те, як воно діє". [1]
Джерелом будь-якого руху Аристотель вважав нерухомий першодвигун (бога) або первоформу (що є, по суті, планом світу). Рух розумілося Аристотелем як перехід чого-небудь з можливості в дійсність, при цьому він розрізняв такі пологи руху, як якісне (зміна), кількісне (збільшення і зменшення), переміщення (рух в просторі), виникнення і знищення. Для Аристотеля навколишній світ складався з чуттєво сприймаються взаімопревращается елементарних якостей - тепле, холодне, вологе і сухе, які утворюють основні елементи світу: землю (холодну і суху), воду (холодну і вологу), повітря (тепле і вологе), вогонь (теплий і сухий). Подібне пояснення не свідчило про сутнісному розумінні законів руху неживої матерії, тобто не вносило в пізнання світу, власне, фізичного змісту. Тому фізичну концепцію Аристотеля часто називають феноменологічної. Відмовившись від атомістичної концепції, Арістотель не міг об'єктивно сприяти прогресу у розвитку цієї плідної фізичної ідеї. Але його безсумнівною заслугою було створення раціональної, всеосяжної, цілісної, впорядкованої на основі його логіки системи знань, що зробила величезний вплив на розвиток арабської та європейської середньовічної думки.
Статика і гідростатика Архімеда (III-II ст. До н.е.)
Епоха еллінізму характеризувалася найбільшим внеском у розвиток фізики з боку механіки. Потреби у створенні різного роду технічних пристроїв (будівельних, військових і т.д.) висували на перший план питання статики. Архімед, створивши теорію важеля, заклав основи статики. Будівельна і військова техніка грунтувалася на важіль, що дозволяє переміщати в просторі тіла великої ваги при відносно невеликих зусиллях. Проблема важеля стала узагальненням емпірично освоєних прийомів його використання в різних областях діяльності. У своїх працях "Про рівновагу плоских тіл і центри тяжіння плоских фігур" і не дійшли до нас "Про вагах" Архімед виклав основні постулати теорії важеля:
-Рівні тяжіння на рівних довжинах врівноважуються, на нерівних ж довжинах не врівноважуються, але переважує тяжкість на більшій довжині.
-Якщо при рівновазі тягарів на яких-небудь довжинах до однієї з тягарів буде щось додано, то вони не будуть врівноважуватися, але переважить та тяжкість, до якої було додано.
-Точно так само, якщо від однієї з тягарів буде відібрано що-небудь, то вони не будуть врівноважуватися, але переважить та тяжкість, від якої не було втрачено.
-Якщо дві величини врівноважуються на яких-небудь довжинах, то на тих же самих довжинах будуть врівноважуватися і рівні їм.
Виходячи з цих, багаторазово перевірених на практиці, постулатів, Архімед формулює закон важеля у вигляді наступних теорем:
- Співмірні величини врівноважуються на довжинах, назад пропорційно тяжкості.
- Якщо величини несумірні, то вони точно так само зрівноважаться на важелях, які обернено пропорційні цим величинам.
Давши визначення центру ваги тіла як розташованої всередині його точки, при підвішуванні за яку воно залишиться в спокої і збереже початкове положення, Архімед визначив центри ваги трикутника, паралелограма, трапеції та інших фігур.
Архімед з'явився також основоположником і гідростатики, законів плаваючих тіл. Цьому був присвячений його праця "Про плаваючих тілах". Гідростатика використовувалася при визначенні щільності тел шляхом зважування їх у воді і при визначенні вантажопідйомності корабля. Логічна схема обгрунтування законів гідростатики відрізнялася від схеми обгрунтування закону важеля. Спочатку Архімед формулює припущення про внутрішню структуру рідини, а потім формулює ряд теоретичних наслідків, що випливають з цього припущення. Архімед виходить з того, що поверхня всякої нерухомо усталеною рідини буде мати форму кулі, центр якого збігається з центром Землі, і що рідина по своїй природі така, що з її частинок, розташованих на однаковому рівні і прилеглих один до одного, менш стиснуті виштовхуються більш здавленими і що кожна з її часток стискається рідиною, що знаходиться над нею по схилу, якщо тільки рідина не криється у якому-небудь посудині і не стискається ще чимось іншим. Наслідки з цієї гіпотези, що виводяться математично, такі:
- Тіло, равнотяжелое з рідиною, будучи опущено в цю рідину, занурюється так, що ніяка їхня частина не виступає над поверхнею рідини, і не буде рухатися вниз.
- Тіло, більш легке, ніж рідина, будучи опущено в цю рідину, не розчиняється повністю і деяка його частина залишається над поверхнею рідини.
- Тіло, більш легке, ніж рідина, будучи опущено в цю рідину, занурюється настільки, щоб об'єм рідини, відповідний зануреної частини тіла, мав вагу, рівний вазі всього тіла.
- Тіло, більш легке, ніж рідина, опущене в цю рідину силою, буде виштовхувати вгору з силою, рівною того вазі, на який рідина, що має рівний обсяг з тілом, буде важче цього тіла.
- Тіло, більш важкий, ніж рідина, опущене в цю рідину, буде поглиблюватися, поки не дійде до самого низу, і в рідини стане легше на величину ваги рідини в обсязі, рівному обсягу зануреного тіла.
У більш стислому вигляді закон Архімеда формулюється в наступному вигляді: на всяке тіло, занурене в рідину, діє виштовхуюча сила, спрямована вгору і рівна вазі витісненої ним рідини. Даний закон виявився справедливим і для газу. Одним з перших випадків практичного застосування даного закону була перевірка складу корони, виготовленої для сиракузського царя Гієрона. На основі того, що короною витіснялося більшу кількість води, ніж золотим злитком Архімед встановив, що корона складається не з чистого золота, а зі сплаву.
6. Оптика Евкліда і Птолемея
В епоху античності в області оптики перш за все необхідно відмітити роботу по геометричній оптиці і перспективі. До їх числа відносяться "Оптика" і "Катоптрика" Евкліда (III ст. До н.е.). Евклід у галузі оптики спирався на розроблену атомістами концепцію зорових променів, згідно з якою від речей відокремлюються образи, що викликають в оці зорові відчуття. Він геометрично вивів закони перспективи з чотирнадцяти вихідних положень, які були результатом оптичних спостережень. Найбільш важливі з них:
- Промені, що виходять з ока, поширюються прямолінійно і розходяться в нескінченність.
- Постать, охоплювана сукупністю зорових променів, є конус, вершина якого розташована в оці, а основа - на поверхні видимих предметів.
- Мабуть ті предмети, на які падають зорові промені, і невидимі ті, на які зорові промені не падають.
- Предмети, видимі під великими кутами, здаються більше, видимі під меншими кутами здаються менше, а видимі під рівними кутами здаються однаковими.
- Предмети, видимі під великими кутами. відрізняються більш чітко.
- Усі промені мають однаковою швидкістю.
- Промінь є пряма лінія, середні ділянки якої з'єднують кінці.
- Все, що мабуть, мабуть в прямолінійному напрямі. [2]
Зорові промені розглядаються як лінії поширення світла. Евклідом вперше формулюється закон поширення світла, що є основою геометричної оптики. Архімед в концепцію "променів зору" ввів поправки, засновані на впливі величини зіниці на результат вимірювання. Герон Олександрійський чітко розрізняє оптику (вчення про бачення, про природу світла), Діоптріка (вчення про візуванні, візирних інструментах) і Катоптрика (вчення про відображення). Розглядаючи відображення світла від дзеркала він довів, що при рівності кута падіння та кута відображення сума довжин шляхів, які проходить падаючий промінь від ока до дзеркала і відбитий промінь від дзеркала до об'єкта, є найменшою відстанню з усіх можливих.
Найбільш повне дослідження заломлення світла здійснено Птолемеєм в його "Оптиці", де описані результати експериментування з заломлення світла у склі й воді, зведені у таблиці, які були дуже точні для свого часу. Він прагнув виявити причину того, що при відображенні кути падіння та відображення рівні, а при ламанні кути падіння нерівні кутах заломлення. Він порахував кут заломлення пропорційним куту падіння. Закон заломлення повинен був ще чекати свого відкриття Снеліусом в XVII столітті.
7. Роль фізичних концепцій античності в розвитку фізики
Оцінюючи значення фізичних концепцій античності, важливо мати на увазі, що не всі з них дійшло до нас. Але й дійшла дозволяє зробити висновок про те, що коріння сучасної фізики йдуть в античну фізику. Античні фізичні концепції містили постановку багатьох фундаментальних фізичних проблем. визначили зміст фізичних досліджень протягом багатьох наступних століть. Багато фізичні концепції античності виявили свою "живучість". Так, арістотельская фізика зберігала свій вплив до середини XVII століття, фізичне вчення Платона - до середини XIX століття, атомістична концепція Демокріта і Епікура - до XX століття. Прийнято вважати, що фізика Нового часу в якості своєї значної частини містить фундаментально перероблені фізичні концепції античності. З приводу оцінки рівня розвитку фізичного експерименту за часів античності існують різні точки зору. Одна виходить з того, що цей рівень в цілому був завжди невисокий, інша, навпаки, визнає цей рівень досить високим, (відповідним зразкам експерименту Нового часу і обмеженого лише можливостями античної техніки), за втраченими з катастрофою античної цивілізації. В останньому випадку європейській науці рівень розвитку експерименту довелося відбудовувати. Звідси випливає, що роль теоретичних. фізичних концепцій та фізичного експерименту античності у розвитку європейської науки різні. В усякому разі, абсолютно очевидно, що в результаті ударів варварів постраждали перш за все ті досягнення античної культури і науки, які залежали від "широкої матеріальної організації". [3]
При оцінці науки періоду античності все ж неможливо відволіктися від того соціокультурного контексту, в рамках якого вона розвивалася. Наука все-таки дійсна розвивалася переважно вельми заможними людьми, причому не для цілей безпосереднього практичного застосування - рабовласницький спосіб виробництва не міг не робити свого впливу на характер науки. Але головне значення античної культури в тому, що вона несла саму ідею природничих наук, яка пережила час політичної могутності античної цивілізації і яка справила найпотужніше вплив на характер розвитку європейської культури.