Реферат
ІСТОРІЯ, ПАНОРАМА СУЧАСНОГО природознавства І ТЕНДЕНЦІЇ ЙОГО РОЗВИТКУ.
Зміст:
Глава 1. Виникнення науки 3
Глава 2. Розвиток раціональних знань Стародавнього Сходу 6
Глава 3. Наука Стародавньої Греції 12
Глава 4. Формування природознавства в епоху середньовіччя 21
Глава 5. Революція в світогляді в епоху Відродження 28
Глава 6. Наукова революція XVI - XVII ст. і становлення класичної науки 33
Глава 7. Природознавство XVIII в 43
Глава 8. Розвиток і завершення класичної науки в XIX в 47
Глава 9. Наукова революція в природознавстві початку XX в 55
Глава 10. Криза сучасної науки. На шляху до постнекласичної науці XXI в 66
Бібліографічний список 69
Глава 1. Виникнення науки
Сучасне наукознавство розглядає науку в кількох аспектах:
наука - певна історична форма пізнання:
наука - це сукупність знань і діяльність з виробництва цих знань;
наука - це безпосередня продуктивна сила суспільства;
наука - це система професійної підготовки та відтворення кадрів.
У залежності від того, який аспект приймається до уваги, отримуємо різні точки відліку початку розвитку науки. Прийнято вважати, що наука як форма пізнання складалася в Стародавній Греції в VII-VI ст. до н.е., як результат тривалого розвитку пізнавальної діяльності в епоху перших цивілізацій Стародавнього Сходу.
Перші цивілізації Стародавнього Сходу почали складатися в Дворіччя і в долині Нілу в IV тис. до н.е. Економічною основою цих цивілізацій було іригаційне землеробство, яке хоч і вимагало колосальних трудових витрат, кооперації і особливої організації робіт, але зате дозволяло збирати навіть не один, а кілька багатих врожаїв на рік. Одержання значної надлишкового продукту стало економічною передумовою швидкого розвитку соціальних відносин, класоутворення, суспільного поділу праці, виникнення спеціалізованих ремесел (гончарного, ткацького, кораблебудівного, металургійного, каменерізного і ін); відокремлення власності, генезису сусідської-територіальних громад, освіти панівного класу, державного апарату, храмового персоналу.
На такому економічному базисі склалася і відповідна соціально-класова структура, представлена трьома основними класами. Вищий клас - це клас людей, які безпосередньо не займалися продуктивною працею, але або самі володіли засобами виробництва, або розпоряджалися державної та храмової власністю від імені царя чи касти жерців. Завдяки діяльності частини представників цього класу складається особлива система духовного виробництва, незалежна від матеріального виробництва. Саме в цій системі духовного виробництва зароджується наукова діяльність.
Другий, середній клас - це клас вільних селян-общинників і міських (чи сільських) ремісників, безпосередньо володіли засобами виробництва і зайнятих продуктивною працею.
І, нарешті, третій, нижчий клас - залежні, що не володіли власністю працівники, які піддавалися позаекономічної експлуатації. В якості таких працівників виступали позбулися власності і потрапили в залежність селяни, а також раби.
Разом з тим особливістю давньосхідних цивілізацій є наявність ще значних слідів міфологічної свідомості, для якого характерна образність, слабкий розвиток абстрактних понять, категорій, слабке розрізнення закономірного і необхідного, причинно-наслідкових зв'язків, домінування асоціативного мислення за аналогією, орієнтація на традиційність, а не на новації, антропоморфізм. Дуже повільно йшов у свідомості процес відмінності природного і людського, подолання злитості людини з природою.
Тут ще світ речей не відривався від світу людей, речі наділялися якостями людей, а людина - якостями речей, які йому належать.
Людина давньосхідних цивілізацій жив у світі, в якому найтіснішим чином перепліталися земне і божественне, світ людей і світ богів. На думку людей того часу, безліч богів постійно втручається в повсякденне життя людей і людина знаходиться в їх повної влади. Тому божественними знаменнями цікавилися, їх боялися, намагалися уникнути.
Основна тенденція розвитку духовної культури давньосхідних цивілізацій - зростання індивідуалізації свідомості.
Людина починає усвідомлювати себе як індивідуальність, як самоцінність, як особистість, постійно вирішує проблему вибору оптимальної лінії своєї поведінки, питання координації своїх відносин з іншими людьми, з колективом, із суспільством, з природою.
У цих умовах складається героїчний епос, у центрі якого - образ героя напівлюдини-напівбога. Герой кидає виклик не тільки людям, але і самим богам, він може подолати всі, крім одного - своєї долі.
Таке протиставлення героя і богів, героя і натовпу є показником того, що раціоналізація свідомості піднялася на новий рівень - рівень теоретичного усвідомлення відносин людини і світу, рівень самосвідомості. Міф трансформується в раціональний Логос. На цьому шляху поступово зароджується наука в самій простій формі.
Глава 2. Розвиток раціональних знань Стародавнього Сходу
Зростання населення, його рухливість, динамізм способу життя, зміцнення племінних союзів, розвиток військової справи, політичний і військовий експансіонізм, розвиток обміну, торгівлі - все це сприяло значному розширенню географічного кругозору людини.
Поряд з освоєнням нових просторів, розвитком уявлень про межі ойкумени (населеній частині планети) вдосконалювалися форми картографії, створювалися карти-схеми місцевості, способи орієнтації за зірками, особливо у народів, що освоювали океанські простори, народів-мореплавців (наприклад, у народів Океанії).
На зміну простим способам схематичного зображення місцевості з допомогою каменів, палиць, малюнків на піску та інші, які були характерні для первісного суспільства, приходять більш довготривалі і досконалі "карти". Їх або малювали, або вишивали на шкірі або тканини, або креслили ножем на корі дерева і т.п. Ці карти зазвичай були схемами маршруту, так як відбивали не місцевість у цілому, а окремий маршрут. На такій карті-схемі зображувалися гідрографічна мережа (головна річка, її притоки, озера S та ін), річкові пороги, броди, дороги, стежки, житла, гори, сліди проживання людей в даному районі та ін Довжина маршруту визначалася в днях шляху. Є етнографічні дані про те, що в деяких народів була традиція збирати такі карти місцевості в особливих сховищах.
Новий додатковий імпульс розвитку картографії був отриманий разом з розширенням торговельної діяльності, появою класу купців, що освоювали далекі і незвідані торгові шляхи. Найбільш поширені і важкі маршрути забезпечувалися певними вказівними знаками (на деревах, на каменях, на скелях і т.п.), включаючи знаки, що попереджають про можливість нападу (так зароджувалося те, що на сучасній мові називається "служба експлуатації доріг"). Вказівні знаки також відзначалися на картах-схемах маршрутів.
Біологічні знання
Становлення виробничого господарства (землеробства й скотарства) стимулювало і розвиток біологічних знань. Перш за все, це пов'язано з доместикації 1, що мала колосальне значення для доль цивілізації. Одомашнення тварин і рослин за самою своєю суттю припускає використання такого фундаментального біологічного явища, як штучний відбір (селекція). Люди були ще дуже далекі від розуміння сутності штучного відбору, але вже вміли використовувати цей метод для вдосконалення своєї господарської діяльності. Досвід селекції передавався з покоління в покоління.
Завдяки селекції було виведено багато нових порід тварин і рослин, закладено базу сучасної аграрної культури. Розвиток скотарства дозволило освоїти нові масиви зоологічних, ветеринарних знань і навичок, а розвиток землеробства сприяло накопиченню ботанічних, агрохімічних і гідротехнічних (у зв'язку з меліорацією і ирригацией) знань. Ще в Стародавній Месопотамії було відкрито штучне запилення фінікової пальми, яке призвело до отримання великого сортового різноманіття.
Медичні знання
В епоху класоутворення Стародавнього Сходу від системи біологічних знань поступово відгалужується медицина як відносно самостійна галузь знань і практичних навичок. Глибинною основою цього процесу є зміна ставлення до людини. Людина починає усвідомлювати своє кардинальна відмінність не тільки від природи, її предметів і процесів, але і від інших людей. Відриваючись від родових зв'язків, людина усвідомлює себе як самоцінне істота, яка хоч і пов'язане з колективом (сусідської-територіальною громадою, патріархальної сім'єю та ін), його традиціями і цінностями, але вже має і свої індивідуальні цінності. У свідомості з'являються нові елементи, що представляють собою зародкові форми смисложиттєвих орієнтирів. Людина вперше стикається з проблемою сенсу свого існування. А це значить, що і підтримання життя людини, його працездатності набуває особливої цінності, значимість.
У цих умовах пріоритетною сферою раціональної діяльності стає медична практика. У суспільстві зростає престиж тих, хто береться лікувати людей і кому це вдається.
Лікар, лікар - це перш за все знавець лікувальних трав і народної медицини. Розвивається найдавніша традиція лікувального застосування засобів рослинного походження (трави, квіти, плоди, кора дерев тощо) і засобів мінерального і тваринного походження (жир, частини організмів тварин та ін.) Створюються прийоми санітарії та гігієни, з'являються фізіотерапевтичні процедури, масаж, голкотерапія, діетіке, розробляються нові хірургічні прийоми і відповідно металеві хірургічні інструменти (скальпель, щипці та ін.) Удосконалюється акушерство - одна з перших медичних спеціальностей.
Звичайно ж, у первісній медицині поряд з раціональними знаннями ще багато і наївного. Так, стародавні вавілоняни вважали, що життя пов'язане з кров'ю, печінка - головний орган життя, що містить запас крові; органом ж мислення вони вважали серце. Тому поряд з народною медициною, лікарями - знавцями лікарських трав, найпростішої хірургії складається і інший тип лікарів - знахарі-заклинателі, що спиралися на міфологічні та магічні процедури. Ця гілка древньої медицини з часом трансформується в храмову медицину.
Астрономічні знання
Розвиток астрономічних знань у розглянуту епоху визначався в першу чергу потребами вдосконалення календаря, відліку часу. Найважливішою умовою зародження наукової астрономії було усвідомлення зв'язку небесних явищ і сезонів року.
Якщо привласнює господарство цілком могло обходитися місячним календарем, то виробляє господарство вимагало більш точних знань часу сільськогосподарських робіт (особливо часу посіву і збору врожаю), які могли базуватися лише на сонячному календарі, на сонячних циклах (річному, добовому, сезонному).
Важливою умовою переходу від місячного календаря до сонячного було відділення спостережень за інтервалами часу від їхньої прив'язки до біологічних ритмів (пов'язаним з людиною і домашніми тваринами) і виділення деяких внебіологіческі природних "систем відліку" для виміру інтервалів часу. У такій якості виступали, наприклад, точки сходу Сонця в день літнього сонцестояння і заходу в день зимового сонцестояння, спостереження за зоряною групою Плеяд у сузір'ї Тельця, що дозволяли коректувати сонячне і місячне літочислення. Щоб результатами подібного роду спостережень можна було користуватися неодноразово, їх слід було якимось чином фіксувати. Так з'явилася потреба у створенні відповідних споруд. У археології такі споруди відомі у вигляді різного роду мегалітичних конструкцій.
Мегалітичні споруди - це будівлі з величезних кам'яних плит і каменів. Відомі їхні різні види - дольмени (кілька вертикально встановлених величезних кам'яних плит, перекритих зверху горизонтально укладеними плитами), кромлехи (збудовані в коло гігантські моноліти, іноді разом з дольменами) та ін Більшість з них виконувало одночасно кілька функцій - релігійно-культову, твори монументальної архітектури, наукової астрономічної обсерваторії та ін Одним з найбільш відомих є грандіозний мегалітичний комплекс Стоунхендж в Англії, створений на рубежі неоліту і бронзового століття.
Мегалітичні споруди будувалися так, що вони дозволяли з досить високою точністю орієнтуватися на точку сходу Сонця, фіксувати день літнього і зимового сонцестояння і навіть передбачати місячні затемнення. Споруди з величезних кам'яних плит і монолітів вимагали колосальних трудових витрат, були результатом колективного тривалого праці багатьох десятків і сотень, а іноді і тисяч людей. Це говорить про те, яке важливе значення надавалося астрономічних знань в період становлення цивілізації.
Накопичувалися знання і в системі астрології. Астрологія - це йде своїми коренями в магію діяльність, що складається в пророкуванні майбутнього (доль людей, подій різного роду) по поводженню, розташуванню небесних тіл (зірок, планет і ін) у формі гороскопів. Найдавніший з дійшли до нас гороскопів (з Вавилону) датується другою половиною V ст. до н.е. Астрологія будувалася, з одного боку, на релігійному переконанні, що небесні тіла є всесильними божествами і мають вирішальний вплив на долі людей і народів. З іншого боку, в основі астрології лежить уявлення про загальну причинного зв'язку речей і їхньої повторюваності - щоразу, коли на небі буде спостерігатися одна і та ж подія, підуть ті ж наслідки. З взаємного розташування планет між собою, а також з їх відносини до знаків зодіаку, астрологія намагається вгадати майбутні події і весь плин життя людини.
Математичні знання
У розглянуту епоху математичні знання розвивалися в наступних основних напрямках.
По-перше, розширюються межі вважається предметом, з'являються словесні позначення для чисел понад 100 одиниць - спочатку до 1000, а потім аж до 10 000.
По-друге, закладаються передумови позиційної системи числення. Вони полягали в удосконаленні вміння рахувати не одиницями, а відразу деяким набором одиниць (4, 5, частіше всього 10). Коли потрібно було перерахувати велику кількість однакових предметів (наприклад, стадо худоби), застосовувався так званий груповий рахунок. Такий рахунок вело кілька людей: один вів рахунок одиницям, другий - десяткам, третій - сотням (спостереження М. М. Миклухо-Маклая). Розвиток господарства, торгівлі вимагало не просто вміння рахувати, але й уміння зберігати на тривалий час або передавати на відстані результати рахунки (дуже часто - великі числа). Для цього застосовувалися відомі ще з найдавніших часів бирки, шнури, нарізки або вузли, на яких вже позначаються не тільки одиниці, а й групи одиниць (по 4, 5, 10, 20 одиниць). По суті, формувався прообраз різних систем числення.
По-третє, формуються найпростіші геометричні абстракції - прямій лінії, кута, обсягу та ін Розвиток землеробства, відносин земельної власності зажадало вміння вимірювати відстані, площі земельних ділянок (звідси і походження слова "геометрія" - від давньогрецького "землемірство"). Розвиток будівельної справи, гончарного виробництва, розподіл урожаю зернових і т.п. вимагало вміння визначати обсяги тел. У будівництві було необхідно вміти проводити прямі горизонтальні і вертикальні лінії, будувати прямі кути і т.д.
На Древньому Сході математика одержала особливий розвиток в Ме-сопотамии. Математика розвивалася як засіб вирішення повсякденних практичних завдань, що виникали в царських храмових господарствах (землемірство, обчислення обсягів будівельних та земляних робіт, розподіл продуктів між великою кількістю людей та ін.) Знайдено більше сотні клинописних математичних текстів, які відносяться до епохи древневавилонского царства (1894-1595). Їх розшифровка показала, що в той час вже були освоєні операції множення, визначення зворотних величин, квадратів і кубів чисел, існували таблиці з типовими завданнями на обчислення, які заучували напам'ять.
ІСТОРІЯ, ПАНОРАМА СУЧАСНОГО природознавства І ТЕНДЕНЦІЇ ЙОГО РОЗВИТКУ.
Зміст:
Глава 1. Виникнення науки 3
Глава 2. Розвиток раціональних знань Стародавнього Сходу 6
Глава 3. Наука Стародавньої Греції 12
Глава 4. Формування природознавства в епоху середньовіччя 21
Глава 5. Революція в світогляді в епоху Відродження 28
Глава 6. Наукова революція XVI - XVII ст. і становлення класичної науки 33
Глава 7. Природознавство XVIII в 43
Глава 8. Розвиток і завершення класичної науки в XIX в 47
Глава 9. Наукова революція в природознавстві початку XX в 55
Глава 10. Криза сучасної науки. На шляху до постнекласичної науці XXI в 66
Бібліографічний список 69
Глава 1. Виникнення науки
Сучасне наукознавство розглядає науку в кількох аспектах:
наука - певна історична форма пізнання:
наука - це сукупність знань і діяльність з виробництва цих знань;
наука - це безпосередня продуктивна сила суспільства;
наука - це система професійної підготовки та відтворення кадрів.
У залежності від того, який аспект приймається до уваги, отримуємо різні точки відліку початку розвитку науки. Прийнято вважати, що наука як форма пізнання складалася в Стародавній Греції в VII-VI ст. до н.е., як результат тривалого розвитку пізнавальної діяльності в епоху перших цивілізацій Стародавнього Сходу.
Перші цивілізації Стародавнього Сходу почали складатися в Дворіччя і в долині Нілу в IV тис. до н.е. Економічною основою цих цивілізацій було іригаційне землеробство, яке хоч і вимагало колосальних трудових витрат, кооперації і особливої організації робіт, але зате дозволяло збирати навіть не один, а кілька багатих врожаїв на рік. Одержання значної надлишкового продукту стало економічною передумовою швидкого розвитку соціальних відносин, класоутворення, суспільного поділу праці, виникнення спеціалізованих ремесел (гончарного, ткацького, кораблебудівного, металургійного, каменерізного і ін); відокремлення власності, генезису сусідської-територіальних громад, освіти панівного класу, державного апарату, храмового персоналу.
На такому економічному базисі склалася і відповідна соціально-класова структура, представлена трьома основними класами. Вищий клас - це клас людей, які безпосередньо не займалися продуктивною працею, але або самі володіли засобами виробництва, або розпоряджалися державної та храмової власністю від імені царя чи касти жерців. Завдяки діяльності частини представників цього класу складається особлива система духовного виробництва, незалежна від матеріального виробництва. Саме в цій системі духовного виробництва зароджується наукова діяльність.
Другий, середній клас - це клас вільних селян-общинників і міських (чи сільських) ремісників, безпосередньо володіли засобами виробництва і зайнятих продуктивною працею.
І, нарешті, третій, нижчий клас - залежні, що не володіли власністю працівники, які піддавалися позаекономічної експлуатації. В якості таких працівників виступали позбулися власності і потрапили в залежність селяни, а також раби.
Разом з тим особливістю давньосхідних цивілізацій є наявність ще значних слідів міфологічної свідомості, для якого характерна образність, слабкий розвиток абстрактних понять, категорій, слабке розрізнення закономірного і необхідного, причинно-наслідкових зв'язків, домінування асоціативного мислення за аналогією, орієнтація на традиційність, а не на новації, антропоморфізм. Дуже повільно йшов у свідомості процес відмінності природного і людського, подолання злитості людини з природою.
Тут ще світ речей не відривався від світу людей, речі наділялися якостями людей, а людина - якостями речей, які йому належать.
Людина давньосхідних цивілізацій жив у світі, в якому найтіснішим чином перепліталися земне і божественне, світ людей і світ богів. На думку людей того часу, безліч богів постійно втручається в повсякденне життя людей і людина знаходиться в їх повної влади. Тому божественними знаменнями цікавилися, їх боялися, намагалися уникнути.
Основна тенденція розвитку духовної культури давньосхідних цивілізацій - зростання індивідуалізації свідомості.
Людина починає усвідомлювати себе як індивідуальність, як самоцінність, як особистість, постійно вирішує проблему вибору оптимальної лінії своєї поведінки, питання координації своїх відносин з іншими людьми, з колективом, із суспільством, з природою.
У цих умовах складається героїчний епос, у центрі якого - образ героя напівлюдини-напівбога. Герой кидає виклик не тільки людям, але і самим богам, він може подолати всі, крім одного - своєї долі.
Таке протиставлення героя і богів, героя і натовпу є показником того, що раціоналізація свідомості піднялася на новий рівень - рівень теоретичного усвідомлення відносин людини і світу, рівень самосвідомості. Міф трансформується в раціональний Логос. На цьому шляху поступово зароджується наука в самій простій формі.
Глава 2. Розвиток раціональних знань Стародавнього Сходу
Зростання населення, його рухливість, динамізм способу життя, зміцнення племінних союзів, розвиток військової справи, політичний і військовий експансіонізм, розвиток обміну, торгівлі - все це сприяло значному розширенню географічного кругозору людини.
Поряд з освоєнням нових просторів, розвитком уявлень про межі ойкумени (населеній частині планети) вдосконалювалися форми картографії, створювалися карти-схеми місцевості, способи орієнтації за зірками, особливо у народів, що освоювали океанські простори, народів-мореплавців (наприклад, у народів Океанії).
На зміну простим способам схематичного зображення місцевості з допомогою каменів, палиць, малюнків на піску та інші, які були характерні для первісного суспільства, приходять більш довготривалі і досконалі "карти". Їх або малювали, або вишивали на шкірі або тканини, або креслили ножем на корі дерева і т.п. Ці карти зазвичай були схемами маршруту, так як відбивали не місцевість у цілому, а окремий маршрут. На такій карті-схемі зображувалися гідрографічна мережа (головна річка, її притоки, озера S та ін), річкові пороги, броди, дороги, стежки, житла, гори, сліди проживання людей в даному районі та ін Довжина маршруту визначалася в днях шляху. Є етнографічні дані про те, що в деяких народів була традиція збирати такі карти місцевості в особливих сховищах.
Новий додатковий імпульс розвитку картографії був отриманий разом з розширенням торговельної діяльності, появою класу купців, що освоювали далекі і незвідані торгові шляхи. Найбільш поширені і важкі маршрути забезпечувалися певними вказівними знаками (на деревах, на каменях, на скелях і т.п.), включаючи знаки, що попереджають про можливість нападу (так зароджувалося те, що на сучасній мові називається "служба експлуатації доріг"). Вказівні знаки також відзначалися на картах-схемах маршрутів.
Біологічні знання
Становлення виробничого господарства (землеробства й скотарства) стимулювало і розвиток біологічних знань. Перш за все, це пов'язано з доместикації 1, що мала колосальне значення для доль цивілізації. Одомашнення тварин і рослин за самою своєю суттю припускає використання такого фундаментального біологічного явища, як штучний відбір (селекція). Люди були ще дуже далекі від розуміння сутності штучного відбору, але вже вміли використовувати цей метод для вдосконалення своєї господарської діяльності. Досвід селекції передавався з покоління в покоління.
Завдяки селекції було виведено багато нових порід тварин і рослин, закладено базу сучасної аграрної культури. Розвиток скотарства дозволило освоїти нові масиви зоологічних, ветеринарних знань і навичок, а розвиток землеробства сприяло накопиченню ботанічних, агрохімічних і гідротехнічних (у зв'язку з меліорацією і ирригацией) знань. Ще в Стародавній Месопотамії було відкрито штучне запилення фінікової пальми, яке призвело до отримання великого сортового різноманіття.
Медичні знання
В епоху класоутворення Стародавнього Сходу від системи біологічних знань поступово відгалужується медицина як відносно самостійна галузь знань і практичних навичок. Глибинною основою цього процесу є зміна ставлення до людини. Людина починає усвідомлювати своє кардинальна відмінність не тільки від природи, її предметів і процесів, але і від інших людей. Відриваючись від родових зв'язків, людина усвідомлює себе як самоцінне істота, яка хоч і пов'язане з колективом (сусідської-територіальною громадою, патріархальної сім'єю та ін), його традиціями і цінностями, але вже має і свої індивідуальні цінності. У свідомості з'являються нові елементи, що представляють собою зародкові форми смисложиттєвих орієнтирів. Людина вперше стикається з проблемою сенсу свого існування. А це значить, що і підтримання життя людини, його працездатності набуває особливої цінності, значимість.
У цих умовах пріоритетною сферою раціональної діяльності стає медична практика. У суспільстві зростає престиж тих, хто береться лікувати людей і кому це вдається.
Лікар, лікар - це перш за все знавець лікувальних трав і народної медицини. Розвивається найдавніша традиція лікувального застосування засобів рослинного походження (трави, квіти, плоди, кора дерев тощо) і засобів мінерального і тваринного походження (жир, частини організмів тварин та ін.) Створюються прийоми санітарії та гігієни, з'являються фізіотерапевтичні процедури, масаж, голкотерапія, діетіке, розробляються нові хірургічні прийоми і відповідно металеві хірургічні інструменти (скальпель, щипці та ін.) Удосконалюється акушерство - одна з перших медичних спеціальностей.
Звичайно ж, у первісній медицині поряд з раціональними знаннями ще багато і наївного. Так, стародавні вавілоняни вважали, що життя пов'язане з кров'ю, печінка - головний орган життя, що містить запас крові; органом ж мислення вони вважали серце. Тому поряд з народною медициною, лікарями - знавцями лікарських трав, найпростішої хірургії складається і інший тип лікарів - знахарі-заклинателі, що спиралися на міфологічні та магічні процедури. Ця гілка древньої медицини з часом трансформується в храмову медицину.
Астрономічні знання
Розвиток астрономічних знань у розглянуту епоху визначався в першу чергу потребами вдосконалення календаря, відліку часу. Найважливішою умовою зародження наукової астрономії було усвідомлення зв'язку небесних явищ і сезонів року.
Якщо привласнює господарство цілком могло обходитися місячним календарем, то виробляє господарство вимагало більш точних знань часу сільськогосподарських робіт (особливо часу посіву і збору врожаю), які могли базуватися лише на сонячному календарі, на сонячних циклах (річному, добовому, сезонному).
Важливою умовою переходу від місячного календаря до сонячного було відділення спостережень за інтервалами часу від їхньої прив'язки до біологічних ритмів (пов'язаним з людиною і домашніми тваринами) і виділення деяких внебіологіческі природних "систем відліку" для виміру інтервалів часу. У такій якості виступали, наприклад, точки сходу Сонця в день літнього сонцестояння і заходу в день зимового сонцестояння, спостереження за зоряною групою Плеяд у сузір'ї Тельця, що дозволяли коректувати сонячне і місячне літочислення. Щоб результатами подібного роду спостережень можна було користуватися неодноразово, їх слід було якимось чином фіксувати. Так з'явилася потреба у створенні відповідних споруд. У археології такі споруди відомі у вигляді різного роду мегалітичних конструкцій.
Мегалітичні споруди - це будівлі з величезних кам'яних плит і каменів. Відомі їхні різні види - дольмени (кілька вертикально встановлених величезних кам'яних плит, перекритих зверху горизонтально укладеними плитами), кромлехи (збудовані в коло гігантські моноліти, іноді разом з дольменами) та ін Більшість з них виконувало одночасно кілька функцій - релігійно-культову, твори монументальної архітектури, наукової астрономічної обсерваторії та ін Одним з найбільш відомих є грандіозний мегалітичний комплекс Стоунхендж в Англії, створений на рубежі неоліту і бронзового століття.
Мегалітичні споруди будувалися так, що вони дозволяли з досить високою точністю орієнтуватися на точку сходу Сонця, фіксувати день літнього і зимового сонцестояння і навіть передбачати місячні затемнення. Споруди з величезних кам'яних плит і монолітів вимагали колосальних трудових витрат, були результатом колективного тривалого праці багатьох десятків і сотень, а іноді і тисяч людей. Це говорить про те, яке важливе значення надавалося астрономічних знань в період становлення цивілізації.
Накопичувалися знання і в системі астрології. Астрологія - це йде своїми коренями в магію діяльність, що складається в пророкуванні майбутнього (доль людей, подій різного роду) по поводженню, розташуванню небесних тіл (зірок, планет і ін) у формі гороскопів. Найдавніший з дійшли до нас гороскопів (з Вавилону) датується другою половиною V ст. до н.е. Астрологія будувалася, з одного боку, на релігійному переконанні, що небесні тіла є всесильними божествами і мають вирішальний вплив на долі людей і народів. З іншого боку, в основі астрології лежить уявлення про загальну причинного зв'язку речей і їхньої повторюваності - щоразу, коли на небі буде спостерігатися одна і та ж подія, підуть ті ж наслідки. З взаємного розташування планет між собою, а також з їх відносини до знаків зодіаку, астрологія намагається вгадати майбутні події і весь плин життя людини.
Математичні знання
У розглянуту епоху математичні знання розвивалися в наступних основних напрямках.
По-перше, розширюються межі вважається предметом, з'являються словесні позначення для чисел понад 100 одиниць - спочатку до 1000, а потім аж до 10 000.
По-друге, закладаються передумови позиційної системи числення. Вони полягали в удосконаленні вміння рахувати не одиницями, а відразу деяким набором одиниць (4, 5, частіше всього 10). Коли потрібно було перерахувати велику кількість однакових предметів (наприклад, стадо худоби), застосовувався так званий груповий рахунок. Такий рахунок вело кілька людей: один вів рахунок одиницям, другий - десяткам, третій - сотням (спостереження М. М. Миклухо-Маклая). Розвиток господарства, торгівлі вимагало не просто вміння рахувати, але й уміння зберігати на тривалий час або передавати на відстані результати рахунки (дуже часто - великі числа). Для цього застосовувалися відомі ще з найдавніших часів бирки, шнури, нарізки або вузли, на яких вже позначаються не тільки одиниці, а й групи одиниць (по 4, 5, 10, 20 одиниць). По суті, формувався прообраз різних систем числення.
По-третє, формуються найпростіші геометричні абстракції - прямій лінії, кута, обсягу та ін Розвиток землеробства, відносин земельної власності зажадало вміння вимірювати відстані, площі земельних ділянок (звідси і походження слова "геометрія" - від давньогрецького "землемірство"). Розвиток будівельної справи, гончарного виробництва, розподіл урожаю зернових і т.п. вимагало вміння визначати обсяги тел. У будівництві було необхідно вміти проводити прямі горизонтальні і вертикальні лінії, будувати прямі кути і т.д.
На Древньому Сході математика одержала особливий розвиток в Ме-сопотамии. Математика розвивалася як засіб вирішення повсякденних практичних завдань, що виникали в царських храмових господарствах (землемірство, обчислення обсягів будівельних та земляних робіт, розподіл продуктів між великою кількістю людей та ін.) Знайдено більше сотні клинописних математичних текстів, які відносяться до епохи древневавилонского царства (1894-1595). Їх розшифровка показала, що в той час вже були освоєні операції множення, визначення зворотних величин, квадратів і кубів чисел, існували таблиці з типовими завданнями на обчислення, які заучували напам'ять.
Глава 3. Наука Стародавньої Греції
Завдання зрозуміти і пояснити світ без залучення таємничих сил була вперше поставлена стародавніми греками в період розвитку
рабовласницького ладу [3]. Виникнення грецької науки (VII-VI ст. До н. Е..) Зазвичай пов'язують з розквітом іонічних міст Мілета і Ефеса, островів Середземномор'я і грецьких колоній в Італії. У Греції вперше з'явилися професійні вчені і вчителі, праця яких оплачувалася як державою, так і приватними особами, перші наукові установи: академія Платона, ліцей Аристотеля, Олександрійський музей. Саме в Греції була вперше висунута ідея про єдину матеріальній основі світу і про розвиток його з цієї основи.
Родоначальник грецької науки Мілетський купець Фалес (~ 624-547) такою основою, наприклад, вважав воду. Його учень Анаксимандр (~ 610-546) джерелом всього сущого, субстанцією всіх речей вважав не воду, а якесь вічне, безмежне, безмежне, нескінченне начало, яке він назвав апейроном (тобто "безмежне"). У цьому вічному, що знаходиться в безперервному русі невизначеному первовещество виникає як би зародок майбутнього світу. Світ періодично повертається в цей первовещество. Стародавні повідомляли, що Анаксимандр був першим греком, накреслили географічну карту Землі. Він же поширював серед греків запозичені на Сході сонячний годинник (гномон).
Останнім великим представником мілетської школи був Анаксімен, який початком, основою, субстанцією світу вважав повітря. Все виникає з повітря, через його розрядження і згущення. Розряджаючись, повітря стає спочатку вогнем, потім ефіром, а Згущаючи - вітром, хмарами, водою, землею і каменем. Але якщо перші іонійці не розглядали питання про джерело руху, то Геракліт з Ефеса (~ 544-483) вважав джерелом руху боротьбу протилежностей. За Геракліту в цій постійній боротьбі єдина матеріальна першооснова породжує різноманіття речей і явищ, що становлять разом єдину сутність. Геракліт - один з самих глибоких мислителів Греції зробив значний вплив на подальший розвиток науки філософії. У центрі вчення Геракліта - ідея невпинної мінливості речей, їх плинності. Геракліт учив, що все в світі мінливе, "все тече". Ніщо у світі не повторюється, все минуще і одноразово.
Яке ж речовина найбільше відповідає як субстанції світу його постійної рухливості, плинності, мінливості, становленню? Геракліт бачив таку першооснову у вогні, який у той час представлявся самим рухомим і мінливим речовиною.
У Древній Греції були побудовані перші моделі Всесвіту (Анаксимандр, Філолай, Аристарх Самоський). Найбільш вірною та прогресивної була модель Аристарха Самоський, згідно з якою сферична Земля і ще сім сфер - Меркурія, Венери, Марса, Юпітера, Сатурна, Місяця і зірок - рухаються навколо Сонця. Це була перша геліоцентрична система світу. Крім того, Аристарх Самоський стверджував про обертання Землі навколо своєї осі. За все це він був оголошений духовними властями безбожником і вигнаний з Афін.
Греція є батьківщиною логіки і діалектичного методу. Від греків веде початок і термін "діалектика". Під діалектикою в давнину розуміли мистецтво вести бесіду і досягати істини шляхом виявлення суперечностей у судженнях супротивника. Вимоги логічного обгрунтування і докази висунутих положень істотно відрізняли науку Стародавньої Греції від рецептурних приписів єгиптян і вавилонян. "Знайти одне наукове доказ для мене значить більше, ніж опанувати всім перським царством", - говорив засновник атомістики Демокріт. Ці слова в значній мірі визначають характер і метод грецької науки. Назви сучасних наук: математика, механіка, фізика, географія, біологія та ін; наукові поняття: атом, маса, електрон, протон і пр.; імена: Фалес, Демокріт, Аристотель, Піфагор і т.д., а головне - характер , метод і досягнення науки Стародавньої Греції служать одним з переконливих доказів того, що Давня Греція по праву вважається батьківщиною сучасної науки.
Перші природно - наукові програми античності
Атоміческая програма. Ідея атомістичного будови матерії була висловлена вперше Левкіппа (500-440) і розвинена його учнем-геніальним Демокрітом [3]. Демокріт (460-370) походив з фракійського міста Абдери на березі Егейського моря. Він дуже багато подорожував, був у Вавилоні, Персії, Єгипті, Індії, Ефіопії. Демокріт поставив перед собою завдання створити таке вчення, яке змогло б подолати протиріччя, зафіксовані еліатів 1. Інакше кажучи, таке вчення, яке забезпечувало відповідність картини світу, що відкривається людським почуттям, картині світу, конструюється діяльністю мислення, дискурсивно, логікою. На цьому шляху він здійснив перехід від континуального 2 до дискретного баченню світу. Демокріт виходив з беззастережного визнання істинного буття існуючим і існуючим як багато чого. Він переконливо показав, що мислити буття як багато, мислити рух можна, якщо ввести поняття про неподільність елементарних підстав цього буття - атомів. Буття у власному розумінні цього слова - це атоми, які рухаються в порожнечі (небутті). Демокріт написав багато творів з фізики, астрономії та філософії. На жаль, його твори не дійшли до нашого часу і про їхній зміст ми дізнаємося лише з книг інших авторів. Суть навчання Демокріта зводиться до наступного.
1. Не існує нічого, крім атомів і чистого простору, всі
інше - тільки погляд.
2. Атоми нескінченні за кількістю і нескінченно різноманітні за формою.
3. З нічого не відбувається нічого.
4. Ніщо не відбувається випадково, але все відбувається по якому-небудь підставі і з необхідністю.
5. Різниця між речами відбувається від відмінності їх атомів в числі, величиною, формою і порядку. Якісного відмінності між атомами не існує.
За Демокріту світ в цілому - це безмежна порожнеча, начинена багатьма окремими світами. Окремі світи утворилися в результаті того, що безліч атомів, стикаючись один з одним, утворюють вихори - колоподібні руху атомів. У вихорах великі і важкі атоми скупчуються в центрі, а більш легкі та малі витісняються до периферії. Так виникли земля і небо. Небо утворює вогонь, повітря, світила. Земля-центр нашого світу, на краю якого знаходяться зірки. Кожен світ замкнутий. Число світів нескінченно. Багато хто з них можуть бути населеними. Демокріт вперше описав Чумацький Шлях як величезне скупчення зірок. Світи минають: одні з них тільки виникають, інші перебувають у розквіті, а треті вже гинуть.
Розвиваючи вчення Демокріта, Епікур (341-270) намагався пояснити на основі атомних уявлень всі природні, психічні та соціальні явища. Атоми Епікура мають вже вага, а саме уявлення про них виводиться з добре відомих фактів: білизна, наприклад, сохне тому, що під дією вітру і сонця від нього відриваються невидимі частинки води. Атоми перебувають у безперервному русі, причому: атоми падають у порожнечі (у сучасному понятті - у вакуумі) з однаковою швидкістю, в деякі моменти вони можуть випадково відхилятися від свого шляху. Це і призводить до утворення з атомів світів. Так виникла Земля, "потім від неї відокремилося високе небо, стали моря відходити, відокремивши водним простором, і виділятися вогні стали чисті в далекому ефірі". Земля породила життя, все, що не було пристосоване до життя, помирало. Так, в кінці кінців, природним шляхом виник тваринний і рослинний світ, з'явилося людське суспільство.
Як видно, Епікур не залишає місця для бога ні у створенні світу, ні в його розвитку. Крім того, у філософській системі Епікура стверджувалося, що метою життя має бути відсутність страждань. А щоб їх не було, життя має бути заснована на розумі та справедливості, повинен бути знищений страх смерті та пов'язані з ним вірування.
Історичною заслугою античного атомізму було також формулювання і розробка принципу детермінізму (причинності). Відповідно до цього принципу будь-які події тягнуть за собою певні наслідки і в той же час являють собою слідство з деяких інших подій, що відбувалися раніше. Демокріт розумів принцип детермінізму механічно, ототожнюючи причинність і необхідність. Все, що відбувається у світі, не тільки психічно обумовлено, але і необхідно, неминуче. Він відкидав об'єктивне існування випадковості, кажучи, що людина називає подія випадковим, коли не знає (або не хоче дізнатися) причини події. Світ атомістів - світ суцільний необхідності, в якому немає об'єктивних випадковостей.
Концепція атомізму - одна з найбільш евристичних, одна з найбільш плідних і перспективних науково-дослідних програм в історії науки. Вона зіграла визначну роль у розвитку уявлень про структуру матерії, в орієнтації руху природно - наукової думки на пізнання все більш глибоких структурних рівнів організації матерії.
Математична програма. Другий науковою програмою античності, що зробила величезний вплив на весь наступний розвиток науки, стала математична програма, представлена Піфагором і пізніше розвинена Платоном.
У її основі, як і в основі інших античних програм, лежить уявлення про те, що Космос - це впорядкована вираз цілого ряду первинних сутностей, які можна осягати по-різному. Піфагор знайшов ці сутності в числах і представив як першооснову світу. При цьому числа зовсім не є тими цеглинками світобудови, з яких складаються всі речі. Речі не рівні числах, а подібні до них, засновані на кількісних відносинах дійсності, є справді фундаментальними. Картина світу, представлена піфагорійцями, вражала своєю гармонією протяжного світу тіл, підпорядкованої законам геометрії, а рух небесних тіл - математичним законам.
Своє завершення математична програма отримала у філософії Платона, який намалював грандіозну картину справжнього світу - світу ідей, що представляє собою ієрархічно впорядковану структуру.
Значну роль у своїй теорії ідей Платон відводить математики. У Платона все буття пронизане числами, числа - це шлях до розуміння ідей, сутності світу. Про значення, яке він надавав математиці, свідчить напис над входом в платонівську Академію: "Недосвідченим в геометрії вхід заборонено". Ця висока оцінка математики визначалася філософськими поглядами Платона. Він вважав, що лише заняття математикою є реальним засобом пізнання вічних, ідеальних, абсолютних істин. Платон не відкидав значення емпіричного знання про світ земних речей, але вважав, що це знання не може бути основою науки, так як - приблизно, неточно і лише ймовірно. Тільки пізнання світу ідей, перш за все, за допомогою математики, є єдиною формою наукового, достовірного пізнання. Математичними образами і аналогіями пронизана вся філософія Платона.
Слідом за піфагорійцями Платон закладав основи програми математизації пізнання природи. Але якщо піфагорійці вважали Космос як деяку однорідну гармонійну сферу, то Платон вперше вводить уявлення про неоднорідність буття, Космосу. Він поділяє Космос на дві якісно різні області: божественну (вічне, незмінне буття, небо) і земну (минущі, мінливі речі). З подання про божественність Космосу Платон робить висновок, що небесні світила можуть рухатися тільки рівномірно, по ідеальним кіл і в одному і тому ж напрямку.
Програма Аристотеля стала третьою науковою програмою античності. Вона виникла на переломі епох. З одного боку, вона ще близька до античної класики з її прагненням до цілісного філософського осмислення дійсності (при цьому вона намагається знайти компроміс між двома попередніми програмами). З іншого, в ній виразно проявляються елліністичні тенденції до виділення окремих напрямів дослідження у відносно самостійні науки, зі своїми предметом і методом.
Намагаючись знайти третій шлях, заперечуючи і Демокріту, і Платону з Піфагором, Аристотель відмовляється визнати існування ідей або математичних об'єктів, що існують незалежно від речей. Але не влаштовує його і демокрітовское поява речей з атомів. Намагаючись зняти цю суперечність, Аристотель пропонує чотири причини буття: формальну, матеріальну, діючу і цільову. У його "Метафізика" відтворюється світ як цілісне, природно виникло освіту, має причини в собі самому. Це утворення постає перед нами у вигляді подвійного світу, який має незмінну основу, але проявляється через рухливу емпіричну видимість. Предметом науки повинні стати речі умосяжні, не підвладні миттєвим змін.
Мабуть, жоден вчений давнину не надав на розвиток науки і мислення такого глибокого і тривалого впливу, як Арістотель. У своїй "Фізики" він піднімає й глибоко розглядає багато питань: про матерію і рух, про простір і час, про існування порожнечі, про кінцевому і нескінченному, про діючі причини. Рух тіл відбувається в просторі, властивості якого Аристотель пов'язує з властивостями самих тел. Він заперечує існування порожнього простору, аргументуючи це різними аргументами. Науці знадобилося тривалий час, щоб розібратися в цій аргументації, що було зроблено Галілеєм і Ейнштейном.
За Аристотелем, немає і часу, що існує незалежно від подій, що відбуваються, від будь-яких змін. "Якби" тепер "не було кожен раз іншим, а тотожним і єдиним, часу не було б".
Простір і час - безперервні величини; простір по протяжності - кінцева межа однієї його частини є початковою кордоном інший; час по послідовності - "тепер" стикається з минулим і майбутнім.
Аристотель визнавав об'єктивне існування матеріального світу і його пізнаванність. Будучи учнем Платона, він порвав з його ідеалістичними поглядами на світ як відображеннями ідей, осягаються душею, і на пізнання, яке повинно відвернутися від реального досвіду.
Знамениті слова Арістотеля: "Платон мені друг, але істина дорожче" - означали відхід його від поглядів свого вчителя.
Але разом з тим Аристотель вірив у бога, протиставляв земне і небесне, у центрі обмеженої Вселенной він помістив нерухому Землю, як тіло, що володіє найбільшою вагою. За ці і подібні їм моменти в навчанні Аристотеля схопилася церква, перетворивши їх у догми. А тих, хто виступав проти Аристотеля, часто звинувачували у виступі проти релігії і церкви, і церква жорстоко розправлялася з єретиками.
Аристотеля називають хресним батьком фізики: адже назва його книги "Фізика" стало назвою усієї фізичної науки.
Він дуже вірно визначає завдання фізики, зводячи їх до дослідження "перших причин" природи (основних законів), "перших начал" (принципів) і її "елементів" (основоположних частинок). Говорячи про шляхи пізнання, Аристотель так визначає його: "Від більш явного для нас до більш явного за природою". Дійсно, люди спочатку сприймають речі такими, якими вони їм видаються ("явними для нас"), а не такими, якими вони є насправді ("за природою"). Так, Земля представлялася нам спочатку плоскою і нерухомою; відкриття її кулястості було великим кроком у напрямку до "явного за природою" і "менш явного для нас". Історія науки підтверджує цей шлях пізнання.
Що стосується математики, то Аристотель вважав неприпустимим її застосування до дослідження природи з двох причин:
математика має справу з постійними величинами і відносинами, природа ж знаходиться в безперервному русі і зміні;
математика придатна для предметів, у яких немає матерії, а оскільки природа майже у всіх випадках пов'язана з матерією, то математика не підходить для науки про природу.
У працях великого філософа, незважаючи на безліч наївного і примітивного, містилися і глибокі думки, які є предметом дослідження науки до цього дня і отримують в ній нове, сучасне тлумачення. Широтою, стрункістю і логічністю своєї системи Аристотель підпорядкував грецької філософії світ, подібно до того, як Олександр Македонський підпорядкував його грецькому панування. Якщо ще врахувати, що вчення Арістотеля було визнано і оброблено церквою, то стане ясно, чому природознавство протягом майже двадцяти століть (аж до XVII ст.) Містилося за Аристотелем.
Глава 4. Формування природознавства в епоху середньовіччя Основні риси середньовічного світогляду
Стрижнем середньовічної свідомості стало релігійний світогляд, в якому тлумачення всіх явищ природи і суспільства, їх оцінка, а також регламентація поведінки людини обгрунтовуються посиланням на надприродні сили, які повністю панують над матеріальним світом, здатні за своїм уподобанням як завгодно змінювати хід природних подій і навіть творити буття з небуття. Вищої надприродною силою виступав Бог. Такі уявлення породжувалися як практичним безсиллям людини перед природою (нерозвиненість продуктивних сил, сільськогосподарський та ремісничий характер виробництва), так і стихійним характером соціально-класових процесів, процесів спілкування (соціальний гніт, соціальна несправедливість, непередбачуваність життєвих ситуацій та ін.)
Середньовічне свідомість було орієнтоване переважно на міжособистісні відносини. Але в їх відображенні і відтворенні переважають емоційні сторони, фактори свідомості.
Природа більше не сприймалася як щось самостійне, що несе в собі свою мету і свій закон, як це було в античності. Вона створена Богом для блага людини. Бог всемогутній і здатний в будь-який момент порушити природний хід природних процесів в ім'я своїх цілей. Стикаючись з незвичайними, що вражають уяву явищами природи, людина сприймала їх як диво, як промисел Божий, незбагненний для людського розуму, дуже обмеженого у своїх можливостях.
Для середньовічної людини природа - це світ речей, за якими треба прагнути бачити символи Бога. Тому і ставлення до природи роздвоювалася на предметну і символічну складові. Пізнавальний аспект середньовічної свідомості був спрямований не стільки на виявлення об'єктивних властивостей предметів зримого світу, скільки на осмислення їх символічних значень, тобто їх відношення до божества. Пізнавальна діяльність була переважаючою герменевтичної 1, тлумачної, а отже, в остаточному рахунку спиралася на ієрархізовану і субординований систему цінностей, на ціннісна свідомість.
В епоху середньовіччя всі форми людської діяльності та спілкування були пронизані ритуалами. Всі форми дій людей, включаючи колективні, суворо регламентовані. Магічні, обрядові і ритуальні дії розглядалися як спосіб впливу на природні і божественні стихії. З ними пов'язувалися надії на додаткову надприродну допомогу з боку "добрих" сил і огорожу від "злих". Точне дотримання ритуально-магічних дій, звичаїв, свят, виконання різного роду заклинань, прохань, закликів вважалося необхідною умовою успішного результату діяльності, причому не тільки в господарській області, але й у сфері спілкування людей, у сфері пізнання, політичної і юридичної практики та ін . У ремісничому і мануфактурному виробництві ритуали супроводжували кожну технологічну процедуру, оскільки в їх виконанні бачилося умову повного розкриття закладених в предметах праці потенційних можливостей.
Зазначені нами особливості середньовічного світогляду і мислення відповідним чином позначилися на процесі середньовічного пізнання, зумовивши наступні його специфічні риси.
1. Вся діяльність людини сприймалася в руслі релігійних
уявлень, а всі суперечить догматам церкви заборонялося
спеціальними декретами. Всі погляди на природу проходили через
цензуру біблійних концепцій. Це посилювало елемент споглядальності
пізнання, налаштовувало його на відверто містичний лад, що і
зумовило регрес або, в кращому випадку, стагнацію наукового
пізнання.
2. Оскільки причина взаємозв'язку і цілісності елементів світу в Середні століття вбачалася в Бозі, в середньовічній картині світу не могло бути концепції об'єктивних законів, без якої не могло оформитися природознавство. Адже закон - це необхідна істотна зв'язок якихось явищ. Середньовічний ж мислитель шукав не ці зв'язки між явищами, а відношення їх до Бога, місце в ієрархії речей.
3. У силу теологічно-текстового характеру пізнавальної діяльності зусилля інтелекту зосереджувалися не на аналізі речей, а на аналізі понять. Універсальним методом служила дедукція, здійснювала субординацію понять, якої відповідав певний ієрархічний ряд дійсних речей. Оскільки маніпулювання поняттями заміщав маніпулювання об'єктами дійсності, не було необхідності контакту з останніми. Звідси принципово позадослідні стиль умоглядної науки, приреченої на марне теоретизування і відірваність від реальної дійсності.
Природно - наукові досягнення в середні століття
Математичні досягнення. Араби істотно розширили античну систему математичних знань. Вони запозичили з Індії і широко використовували десяткову позиційну систему числення. Вона проникла по караванних шляхах на Близький Схід в епоху Сасанідів (224-041), коли Персія, Єгипет і Індія переживали період культурної взаємодії.
Отримала також значний розвиток (властива ще Стародавньому Сходу) традиція створення нових обчислювальних прийомів і спеціальних алгоритмів. Так, наприклад, аль-Каші з допомогою вписаних і описаних правильних багатокутників обчислив число π до 17 вірних знаків.
Арабські математики вміли також підсумовувати арифметичні і геометричні прогресії. Не обмежуючись методами геометричної алгебри, арабські математики сміливо переходять до операцій над алгебраїчними ірраціональності. Вони створили єдину концепцію дійсних чисел шляхом об'єднання раціональних чисел і відносин і поступово стерли грань між раціональними числами й ірраціональність.
Арабські математики вдосконалювали методи рішень 2-ї і 3-го ступенів, вирішували окремі типи рівнянь 4-го ступеня.
Найбільш значним досягненням арабів в алгебрі був "Трактат про докази завдань" Омара Хайяма, присвячений в основному кубічним рівнянням. Хайям побудував теорію кубічних рівнянь, засновану на геометричних методах древніх. Він класифікував всі кубічні рівняння з позитивними корінням на 14 видів. Кожен вид рівнянь він вирішував відповідною побудовою. Хайям намагався знайти правило рішення кубічних рівнянь у загальному вигляді, але безуспішно.
Якщо окремі зародкові елементи сферичної тригонометрії були відомі ще стародавнім грекам (наприклад, Птолемей користувався поняттям "хорда кута"), то в систематичному вигляді тригонометрія створена арабськими математиками. Уже в роботах аль-Баттані міститься значна частина тригонометрії, включаючи таблиці значень котангенс для кожного градуса.
Історична заслуга середньовічних арабських математиків полягала і в тому, що вони почали глибокі дослідження з підстав геометрії. Перші спроби доказів постулатів описані в творах О. Хайяма.
Досягнення у фізиці. З розділів механіки найбільший розвиток отримала статика, чому сприяли умови економічного життя середньовічного Сходу. Інтенсивне грошовий обіг і торгівля, як внутрішня, так і міжнародна, вимагали постійного вдосконалення методів зважування, а також системи мір і ваг. Це визначило розвиток вчення про зважування та теоретичної основи зважування - науки про рівновагу, створення численних конструкцій, різних видів терезів.
Арабські вчені широко використовували поняття питомої ваги, удосконалюючи методи визначення питомих ваг різних металів і мінералів. Цим питанням займалися аль-Біруні, О. Хайям, ать-Хазіні (ХII ст.). Для визначення питомої ваги застосовувався закон Архімеда, вантажі зважувалися не тільки в повітрі, але і воді. Отримані результати були виключно точні. Наприклад, питома вага ртуті було визначено аль-Хазіні в 13,56 г / см 3 (за сучасними даними - 13,557), питома вага срібла 10,150 г / см 3 (за сучасними даними - 10,49), золота - 19,05 г / см 3 (сучасні дані - 19,27), міді 8,80 г / см 3 (сучасні дані -8,91) і т.д. Настільки точні дані дозволяли вирішувати ряд практичних завдань: відрізняти чистий метал і коштовні камені від підробок, встановлювати справжню цінність монет, виявляти відмінність питомої ваги води при різних температурах та ін
Розвиток кінематики було пов'язано з потребами астрономії в суворих методах для опису руху небесних тіл. У цьому напрямі й розвивається апарат кінематики - геометричного моделювання руху небесних тіл на основі "Альмагеста" К. Птолемея. Крім того, в ряді робіт вивчалася кінематика "земних" рухів. Зокрема, поняття руху залучається для безпосереднього докази геометричних положень (Ібн Корра Сабіт, Насіретдін ат-Тусі), механічні рухи використовуються для пояснення оптичних явищ (Ібн аль-Хай-Сам), вивчається паралелограм рухів і т.п. Один з напрямків середньовічної арабської кінематики - розробки інфінітезимального методів (тобто розгляд нескінченних процесів, безперервності, граничних переходів і ін.)
Динаміка розвивалася на основі коментування та осмислення творів Арістотеля. Середньовічними арабськими вченими обговорювалися проблеми існування порожнечі і можливості руху в порожнечі, характер руху в чинять опір середовищі, механізм передачі руху, вільне падіння тіл, рух тіл, кинутих під кутом до горизонту.
В епоху пізнього середньовіччя значний розвиток отримала динамічна "теорія імпетуса", яка була мостом, що з'єднав динаміку Аристотеля з динамікою Галілея.
Крім того, "теорія імпетуса" сприяла розвитку і уточнення поняття сили. Старе, античне і середньовічне, поняття сили завдяки "теорії імпетуса" у подальшому розвитку фізики роздвоїлося на два поняття. Перше - те, що І. Ньютон називав "силою" (ma), розуміючи під силою вплив на тіло, зовнішнє по відношенню до руху цього тіла. Друге - те, що Р. Декарт називав кількістю руху, тобто чинники процесу руху (mv), пов'язані з самим рухомим тілом.
Все це поступово готувало виникнення динаміки Галілея.
Астрономія. Істотний внесок внесений арабськими вченими і в астрономію. Вони удосконалили техніку астрономічних вимірів, значно доповнили і уточнили дані про рух небесних тіл. Один з видатних астрономів-спостерігачів аз-Дзеркала (Арзахель) з Кордови, якого вважали кращим спостерігачем XI ст., Склав так звані Толедські планетні таблиці (1080). Вони мали значний вплив на розвиток тригонометрії в Західній Європі.
Вершиною в області астрономії спостережень стала діяльність Улугбека, який був улюбленим онуком творця величезної імперії Тимура. Рухомий пристрастю до науки, Улугбек побудував у Самарканді на ті часи найбільшу в світі астрономічну обсерваторію, що мала гігантський подвійний квадрант і багато інших астрономічних інструментів (азимутальний коло, астролябії, трікветри, армілярна сфери та ін.) У обсерваторії був створений працю "Нові астрономічні таблиці", який містив виклад теоретичних основ астрономії і каталог положення 1018 зірок.
У теоретичній астрономії основна увага приділялася уточненню кінематики-геометричних моделей "Альмагеста", усунення протиріч у теорії Птолемея (у тому числі за допомогою більш досконалої тригонометрії) та пошуку нептолемеевскіх методів моделювання руху небесних тіл.
Алхімія в середньовічній культурі. У середньовічній алхімії (розквіт припав на XIII-XV ст.) Виділялися дві тенденції. Перша-містифікована алхімія, орієнтована на хімічні перетворення (зокрема ртуті в золото) і в кінцевому рахунку на доказ можливості людськими зусиллями здійснювати космічні перетворення. У руслі цієї тенденції арабські алхіміки сформулювали ідею "філософського каменя" - гіпотетичного речовини, прискорює "дозрівання" золота в надрах землі. Ця речовина заодно трактувалося і як еліксир життя, що дає безсмертя.
Друга тенденція була більше орієнтована на конкурентну практичну технохімію. У цій області досягнення алхімії безперечні. До них відносять способи отримання сірчаної, соляної, азотної кислот, "царської горілки", селітри, сплавів ртуті з металами, багатьох лікарських речовин, створення хімічного посуду та ін
Серед алхіміків поряд з шарлатанами і фальсифікаторами, було чимало щиро переконаних у реальності загальної взаімопревращаемості речовин, у тому числі й великих мислителів, таких як Раймунд Луллій, Арнольдо да Вілланова, Альберт Великий, Фома Аквінський, Бонавентура та ін Майже неможливо в середньовіччі відокремити один від одного діяльність, пов'язану з хімією, і діяльність, пов'язану з алхімією. Вони перепліталися найтіснішим чином.
Середньовічне світогляд поступово починає обмежувати і стримувати розвиток науки. Тому необхідна була зміна світогляду, яка сталася в епоху Відродження.
Глава 5. Революція в світогляді в епоху Відродження
Епоха Відродження зробила величезний внесок у розвиток наукової думки завдяки новому розумінню місця і ролі людини в об'єктивному світі. Людина стала розумітися відтепер не як природна істота, а як творець самого себе, що й виділяє його з усіх інших живих істот. Людина стає на місце Бога: він сам свій власний творець, він владика природи. Ця думка була чужа язичницької Греції, тому що для неї природа це те, що існує саме по собі, що ніким не створено. Більше того, для античної науки небесні тіла - щось принципово відмінне від земного світу, це божественні істоти, і створити їх за допомогою знарядь і небесного матеріалу було б рівносильно створенню богів-блюзнірська для античності думку.
Відродження робить наступний крок - людина відчуває себе божественним. Тому в цю епоху настільки символічне значення отримує постать митця - в ній найбільш адекватно виражається сама глибока ренесансна ідея - ідея людини-творця, людини, що став на місце Бога.
В епоху Відродження змінилася ситуація в сфері пізнання живого. Тут особливе місце належить XVI ст. В історії біології цей період виділяється як початок глибокого перелому у способах пізнання живого. Ренесансний гуманізм, переглянувши уявлення про місце людини в природі, підніс роль людини в світі.
Значні зміни відбуваються в способі біологічного пізнання - виробляються стандарти, критерії і норми дослідження органічного світу. На зміну стихійності, спекулятивним домислів, фантазіям і забобонам поступово приходить установка на об'єктивне, доказове, емпірично обгрунтоване знання. Завдяки колективним зусиллям учених багатьох європейських країн така установка забезпечила поступове накопичення колосального фактичного матеріалу. Значну роль у цьому процесі зіграли Великі географічні відкриття, епоха яких розсунула світоглядний обрій європейців - вони дізналися безліч нових біологічних, геологічних, географічних і інших явищ. Фауна і флора знову відкритих країн і континентів не тільки значно розширили емпіричний базис біології, але і поставили питання про його систематизації.
Важливою віхою в розвитку анатомії стала творчість А. Везалия, виправити ряд великих помилок, що вкоренилися в біології та медицині з часів античності. М. Сервет, що став жертвою протестантського релігійного фанатизму, і У. Гарвей досліджували проблему кровообігу. У. Альдрованді звернувся до традиції античної ембріології, а його учень В. Койтер, систематично вивчаючи розвиток курячого зародка, заклав основи методології експериментального ембріологічного дослідження. Г. Фаллопій і Б. Євстахій проводять порівняння структури людського зародка і дорослої людини, з'єднуючи тим самим анатомію з ембріологією.
Найбільшим мислителем, якому судилося почати велику революцію в астрономії, яка спричинила за собою революцію в усьому природознавстві, був геніальний польський астроном Микола Коперник. Ще в кінці XV ст., Після знайомства і глибокого вивчення "Альмагеста", захоплення математичним генієм Птолемеєм, змінилося у Коперника спочатку сумнівами в істинності цієї теорії, а потім і переконанням в існуванні глибоких протиріч в геоцентризм. Він почав шукати інших фундаментальних астрономічних ідей, вивчав збережені твори чи викладу навчань давньогрецьких математиків і філософів, у тому числі й першого геліоцентріста Аристарха Самоський, і мислителів, які стверджували рухливість Землі.
Коперник першим глянув на весь тисячолітній досвід розвитку астрономії очима людини епохи Відродження: сміливого, впевненого, творчого, новатора. Попередники Коперника не мали сміливості відмовитися від самого геоцентричного принципу і намагалися або удосконалювати дрібні деталі птолемеевской системи, або звертатися до ще більш давньої схемою гомоцентріческіх сфер. Коперник зумів розірвати з цією тисячолітньої консервативної астрономічної традицією, подолати схиляння перед древніми авторитетами.
Між 1505-1507 рр.. Коперник у "Малому коментарі" виклав принципові засади геліоцентричної астрономії. Теоретична обробка астрономічних даних була завершена до 1530 р. Але тільки в 1543 р. побачило світ одне з найвидатніших творінь в Історії людської думки - "Про обертання небесних сфер", де викладена математична теорія складних видимих рухів Сонця, Місяця, п'яти планет і сфери зірок з відповідними математичними таблицями і додатком каталогу зірок.
У центрі світу Коперник помістив Сонце, навколо якого рухаються планети, і серед них вперше зарахована до рангу "рухливих зірок" Земля зі своїм супутником Місяцем. На величезній відстані від планетної системи знаходиться сфера зірок (мал. 2).
Його висновок про жахливу віддаленості цієї сфери диктувався геліоцентричних принципом. Тільки так міг Коперник погодити його з видимим відсутністю у зірок зміщень за рахунок руху самого спостерігача разом з Землею (тобто відсутністю у них паралаксів).
На відміну від своїх попередників, Коперник намагався створити логічно просту і струнку планетну теорію. У відсутність простоти, стрункості, системності Коперник побачив корінну неспроможність теорії Птолемея, в якій не було єдиного стрижневого принципу, що пояснює системні закономірності в рухах планет.
пояснення зміна рухається навколо незмінним в осі свого
Рис. 2. Геліоцентрична система Коперника
Коперник був упевнений, що подання рухів небесних тіл як єдиної системи дозволить визначити реальні фізичні характеристики небесних тіл, тобто те, про що в геоцентричної моделі зовсім не було й мови. Тому свою теорію він розглядав як теорію реального пристрою Всесвіту. Вперше отримала пір року: Земля Сонця, зберігаючи просторі положення добового обертання.
Теорія Коперника логічно струнка, чітка і проста. Вона здатна раціонально пояснити те, що раніше або не пояснювалося зовсім, або пояснювалося штучно, зв'язати в єдине те, що раніше вважалося абсолютно різними явищами. Це - її безперечні переваги. Вони свідчили про істинність геліоцентризму. Найбільш проникливі мислителі зрозуміли це відразу.
Наступний крок у світоглядних висновках був зроблений ченцем одного з неаполітанських монастирів Джордано Бруно. Познайомившись у 60-і рр.. XVI ст. з геліоцентричної теорією Коперника, Бруно спочатку поставився до неї з недовірою. Щоб виробити своє власне ставлення до проблеми пристрої Космосу, він звернувся до вивчення системи Птолемея і матеріалістичних вчень давньогрецьких мислителів, у першу чергу атомістів, про нескінченність Всесвіту. Велику роль у формуванні поглядів Бруно зіграло його знайомство з ідеями Миколи Кузанського, який стверджував, що жодне тіло не може бути центром Всесвіту в силу її нескінченності. Об'єднавши геліоцентризм М. Коперника з ідеями М. Кузанського про ізотропності, однорідності і безмежності Всесвіту, Бруно прийшов до концепції множинності планетних систем у нескінченному Всесвіті.
Бруно відкидав замкнуту сферу зірок, центральне положення Сонця у Всесвіті і проголошував тотожність Сонця і зірок, множинність "сонячних систем" у нескінченному Всесвіті, множинну населеність Всесвіту. Вказуючи на колосальні розбіжності відстаней до різних зірок, він зробив висновок, що тому співвідношення їх видимого блиску може бути оманливим. Він поділяв небесні тіла на самосветящіеся - зірки, сонця, і на темні, які лише відбивають сонячне світло. Бруно стверджував, по-перше, змінність всіх небесних тіл, вважаючи, що існує безперервний обмін між ними і космічним речовиною, по-друге, спільність елементів, складових Землю і всі інші небесні тіла, і вважав, що в основі всіх речей лежить незмінна, незникаючих первинна матеріальна субстанція.
Саме Бруно належить перший, і досить чіткий ескіз сучасної картини вічної, ніким не створеною, речової, єдиної, безмежної, розвивається Всесвіту з нескінченним числом осередків Розуму в ній.
Новий погляд на світ і людину в епоху Відродження дозволив зробити видатні відкриття і створити нові теорії, які стали прологом наукової революції XVI-XVII ст., В ході яких оформилося класичне природознавство.
Глава 6. Наукова революція XVI - XVII ст. і становлення класичної науки
Відправною точкою наукової революції, в результаті якої з'явилася класична наука і сучасне природознавство, став вихід книги Миколи Коперника "Про обертання небесних сфер" у 1543 р. Але геліоцентричні ідеї, висловлені там, були всього лише гіпотезою, котра потребувала доказі. Пошук аргументів на користь цієї гіпотези і став основним завданням наукової революції XVI-XVII ст., Яка починається з робіт І. Кеплера.
І. Кеплер - великий астроном і математик
Після робіт Коперника подальший розвиток астрономії вимагало значного розширення і уточнення емпіричного матеріалу, спостережних даних про небесні тіла. Європейські астрономи продовжували користуватися старими античними результатами спостережень. Але вони застаріли і часто були неточні. Проведені ж в ту пору європейськими астрономами спостереження характеризувалися великими похибками.
Кардинальні зміни намітилися лише в останній чверті XVI ст. в працях видатного астронома світу Йоганна Кеплера (1531-1630).
Цей великий німецький учений (з дивовижною долею, життя якого було повне негод і поневірянь) здійснив найбільший науковий подвиг - заклав фундамент нової теоретичної астрономії і вчення про гравітацію. Він показав, що закони треба шукати в природі, а не вигадувати їх як штучні схеми і підганяти під них явища природи.
Його перша книга, видана в 1597 р., вийшла під цікавою назвою "космографічна таємниця". У цій роботі, знаходячись під впливом піфагорійців про всемогутньої силі чисел, Кеплер поставив завдання знайти числові відношення між орбітами планет. Пробуючи різні комбінації чисел, він прийшов до геометричної схемою, за якою можна було відшукувати відстані планет від Сонця.
У 1609 р. у Празі вийшла в світ книга Кеплера "Нова астрономія, або Небесна фізика з коментарями на рух планети Марс за спостереженнями Тихо Браге".
У цій книзі і були сформульовані перші два закони руху планет.
1. Всі планети рухаються по еліпсах, в одному з фокусів яких
знаходиться Сонце.
2. Радіус-вектор, проведений від Сонця до планети, за рівні
проміжки часу описує рівні площі.
У 1619 р. виходить твір Кеплера "Гармонія світу", що містить третій закон небесної механіки: квадрати періодів обертання планет відносяться як шляху великих півосей їхніх орбіт.
Крім вже названих вище робіт, Кеплер є автором оптичних трактатів "Додатки до Вителло", "Діоптріка". У роботах з оптики він дає теорію камери-обскури, викладає теорію зору, виправляючи помилки Алхазов, правильно пояснює короткозорість і далекозорість, описує конструкцію телескопа (труби Кеплера), розглядає хід променів у лінзах, приходить до висновку про існування повного внутрішнього відображення, знаходить фокусні відстані плосковипуклих і двоопуклою лінз.
З математичних робіт Кеплера найбільш відомі "Рудольфовими таблиці" - це астрономічні планетні таблиці, над якими Кеплер працював понад 20 років. Названі вони були так на честь імператора Рудольфа II. Ці таблиці протягом майже двох століть служили морякам і астрономам, укладачам календарів і астрологів і лише в XIX ст. були замінені більш точними. Своїми роботами з математики Кеплер вніс великий внесок в теорію конічних перетинів, у розробку теорії логарифмів, сприяв розробці інтегрального числення і винаходу першої обчислювальної машини.
Для встановлення істинного складного характеру причин орбітального руху планети потрібно уточнення основних фізичних понять і створення основ механіки.
У формуванні класичної механіки і затвердження нового світогляду велика заслуга Г. Галілея.
Г. Галілей - один з основоположників дослідного природознавства і нової науки
Основи нового типу світогляду, нової науки були закладені Галілеєм (1564-1642). Він почав створювати її як математичне та дослідне природознавство.
У 1586 р. з'являється перше невеликий твір Галілея про сконструйованих їм гідростатичних вагах. А в 1589 р. двадцятип'ятирічний Галілей призначається професором математики в Пізанський університет.
Три роки роботи Галілея в Пізанського університету овіяні поруч легенд. Одна з них розповідала про публічних дослідах молодого професора зі скидання тіл з "падаючої" Пізанської башти. Подібні досліди Галілей проводив для спростування вчення Аристотеля про пропорційність швидкості падіння ваги тіла. Галілей брав два тіла, однакових за формою та розмірами, наприклад, чавунний і дерев'яний кулі, щоб відволіктися від впливу побічних обставин (не враховувати опору повітря). Знаходячи співвідношення між швидкістю і часом падіння куль, між пройденим шляхом і часом падіння, він довів, що тіла падають з однаковим прискоренням.
У 1592 р. Галілей став професором університету в Падуї, де пропрацював 18 років (за 1610 р.). Це був найбільш плідний період його діяльності. У ці роки він займається питаннями механіки (падіння тіл, рух їх по похилій площині і під кутом до горизонту), гідростатики, теорією найпростіших машин та опором матеріалів. До кінця Падуанського періоду Галілей відкрито виступає проти системи Птолемея - Арістотеля.
Почувши про винахід зорової труби, Галілей почав працювати над її конструкцією. Перша труба, створена ним протягом року, давала збільшення в 3 рази. Незабаром він виготовив трубу зі збільшенням у 32 рази. Спрямувавши цю трубу на небо, Галілей виявив гори на Місяці, чотири супутники в Юпітера, фази Венери. Чумацький Шлях виявився складається з безлічі зірок, число яких росло з зростанням збільшення труби. Все це не відповідало поглядам Аристотеля про протилежності земного і небесного, а підтверджувало систему Коперника. Галілей пише "Зоряний вісник", де спокійним, діловим тоном звітує про свої спостереження і робить висновки. Книга справила на сучасників приголомшуюче враження. Галілея стали називати "Колумбом неба".
У 1612 р. Галілей видає свою працю "Міркування про тіла, перебувають у воді, і тих, які в ній рухаються". Робота була спрямована проти механіки Ньютона. Слідом за нею з'являється лист Галілея про сонячні плями. Це було вже зіткнення з Арістотелем на головній ділянці, і воно не могло пройти непоміченим церквою. У своїх доносах у святу інквізицію перипатетики 1 звинувачували Галілея в тому, що він доводить рух Землі і нерухомість Сонця. Вони намагаються домогтися заборони вчення Коперника.
З 1616 по 1623 рр.. Галілей хоча і мовчить, але багато працює, приховуючи результати своїх праць від зовнішнього світу. У 1629 р. Галілей закінчив свою основну роботу "Діалог про дві найголовніші системи світу: Птолемеевой і Коперникової". З цього приводу він писав: "Я довів майже до пристані мій" Діалог "і розкрив дуже виразно багато, що мені здавалося майже незбагненним". У "Діалог" увійшли всі твори Галілея, все те, що було створено ним з 1590 по 1625 Мета вченого - представити не тільки астрономічні, а й механічні доводи на користь істинності вчення Коперника.
Спростовуючи аргументи Птоломея проти обертання Землі шляхом розбору безлічі механічних явищ, Галилей приходить до відкриття закону інерції і механічного принципу відносності. Відкриттям закону інерції була ліквідована багатовікова омана, висунуте Аристотелем, про необхідність постійної сили для підтримки рівномірного руху. Виявилося, що рівномірний і прямолінійний рух, так само як і спокій, може існувати за відсутності будь-яких сил. Це мало величезне не тільки чисто наукове, але і світоглядне значення. Як відомо, до інерціальних систем відліку відносяться покояться (нерухомі) системи і системи, які рухаються щодо нерухомих рівномірно і прямолінійно. Рівноправність таких систем Галилей доводить різними досвідами і логічними міркуваннями. У результаті він дійде висновку важливому висновку: "Ніякими механічними досвідами, проведеними усередині системи, неможливо установити, спочиває чи система рухається рівномірно і прямолінійно". Це і є механічний принцип відносності.
Книга Галілея "Діалог" викликала захоплення в наукових колах всіх країн і бурю обурення серед церковників. Єзуїти негайно почали кампанію проти Галілея, яка призвела до другого процесу інквізиції в 1633 р. Інквізиція пригрозила Галілею не лише засудити його як єретика, а й знищити всі його рукописи і книги. Від нього вимагали зізнання хибності вчення Коперника. Галілей змушений був поступитися. Ціною найтяжчої моральної тортури, неймовірних принижень перед тими, кого він так пристрасно картав у своїх творах, Галілей купив можливість завершення своєї справи.
Галілей по праву вважається одним з основоположників дослідного природознавства і нової науки. Саме він вперше сформулював вимоги до наукового експерименту, що складаються в усуненні побічних обставин, в умінні бачити головне і відволіктися від несуттєвого. Шляхом експерименту Галілей спростував вчення Арістотеля про пропорційність швидкості падіння ваги тіла. Він був першим, хто направив зорову трубу на небо в наукових цілях, тим самим значно розширивши сферу пізнання. Це був переворот в світогляді і метод науки: нескінченна Всесвіт міг досліджуватися методами земної механіки.
Галілей вірив у силу людського розуму, в нескінченність пізнання: "Хто візьме на себе сміливість поставити межа людського духу? Хто наважиться стверджувати, що ми знаємо все, що може бути пізнане?". Велику увагу він звертав на повноту і точність формулювань положень, що висуваються. Слід зауважити, що роботи Галілея написані мовою, близьким до сучасного.
Що ж Галілей конкретно зробив в механіці? Він прийшов до відкриття закону інерції і сформулював механічний принцип відносності руху, узагальнений пізніше А. Ейнштейном. Галілей вперше дав суворе визначення рівноприскореного руху, знайшов закони зміни швидкості і шляху в цьому русі. Він показав, що такий рух властиво вільно падаючого тіла.
Галілей довів, що тіло, кинуте під кутом до горизонту, буде летіти по параболі. Він дав метод розрахунку траєкторії для будь-яких кутів вильоту і різних початкових швидкостей, показавши, що найбільша дальність польоту досягається при вильоті тіла під кутом 45 ° до горизонту.
Галілей вперше встановив, що період коливань маятника залежить лише від довжини підвісу (якщо масою підвісу можна знехтувати в порівнянні з масою тіла) і не залежить від амплітуди коливань (якщо вона мала). Так як рух маятника можна розглядати як послідовний ряд падінь і підйомів тіла по дузі кола, то, в разі незалежності швидкості падіння тіла від його тяжкості, маятники однакової довжини повинні мати рівні періоди коливань незалежно від ваги вантажів. Взявши два маятника з однією і тією ж довжиною підвісу, однакові
за формою та розмірами, але різні за вагою, Галілей встановив подібність їх періодів коливання, спростувавши тим самим положення Аристотеля про більшу швидкості падіння важких тіл.
Що стосується оптики, то Галілей вперше не тільки припустив, що швидкість світла є кінцевою величиною, а й зробив першу спробу визначити її в земних умовах (це загальновідомий досвід з двома спостерігачами, у кожного з яких був запалений ліхтар). Хоча досвід закінчився невдачею (інакше і не могло бути з-за великого значення швидкості світла, про що Галілей не припускав), але сама спроба довести кінцівку швидкості світла і в принципі вірна методика були для того часу, безсумнівно, дуже сміливим і прогресивним кроком.
Галілей розчистив шлях для творців класичної і сучасної фізики, і його безсмертні твори будуть завжди служити прикладом того, як геніально він "все життя читав відкриту для всіх велику книгу природи".
Факел наукового знання, запалений Галілеєм, підхопив І. Ньютон. У його працях і відкриттях справа життя італійського вченого знайшло своє блискуче завершення.
І. Ньютон і створення фундаменту класичної фізики
Результати природознавства XVI-XVII ст. узагальнив Ісаак Ньютон (1643-1727). Саме він завершив спорудження фундаменту нового класичного природознавства.
Перші наукові роботи Ньютона відносяться до оптики. У 1666 р., пропускаючи світло через тригранну скляну призму, він виявив його складний склад, розклавши на сім кольорів (у спектр), тобто відкрив явище дисперсії. Крім того, виявивши хроматичну аберацію у лінз і вважаючи її непереборний, Ньютон прийшов до висновку, що лінзи в телескопі треба замінити сферичними дзеркалами. У своїх роботах з оптики Ньютон поставив дуже важливий і складний питання: "Чи не є промені світла дуже дрібними частинками, що випускаються світяться тілами?". Послідовники Ньютона відповіли на це питання ствердно і однозначно, і гіпотеза закінчення, підкріплена авторитетом Ньютона, стала панівною в оптиці XVIII ст., Незважаючи на заперечення проти неї Ломоносова, Ейлера і інших учених, незважаючи на успіхи хвильової теорії Гюйгенса.
Дуже цікава також думка Ньютона про можливе перетворення тіл у світ і назад. "Перетворення тіл у світло і світла в тіла відповідають ходу природи, яка як би насолоджується перетвореннями", - говорив Ньютон. І дійсно, в 1933-1934 рр.. були відкриті факти перетворення заряджених частинок електрона і позитрона в світ і назад. Так Ньютон передбачив одне з далеких майбутніх відкриттів атомної фізики.
1687 увійшов назавжди в історію фізики як рік виходу у світ видатного праці професора Кембриджського університету Ісаака Ньютона "Математичні начала натуральної філософії" (іноді його називають "Математичними основами природознавства" і навіть просто "Початками"). Проте багато хто тоді не зрозуміли значення цієї події для науки. Досить сказати, що деякі з професорів університету, за словами секретаря Ньютона, отримавши примірник "Почав" і перегорнувши його сторінки, похмуро заявляли, що треба років сім ще вчитися, перш ніж що-небудь зрозуміти в цій книзі.
"Початки" - вершина наукової творчості Ньютона - складаються з трьох частин: по-перше двох мова йде про рух тіл, остання частина присвячена системі світу.
Приведемо формулювання законів Ньютон в російській перекладі зробленому академіком А. Н. Крилов.
I. Усяке тіло продовжує утримуватися в стані спокою або
рівномірного прямолінійного руху, поки й оскільки воно не
примушується прикладеними силами змінити цей стан.
Зміна кількості руху пропорційно прикладеній рушійній силі і відбувається по напрямку тієї прямої, по якій ця сила діє.
Дії завжди є рівна і протилежна протидія, інакше, - взаємодії двох тіл один на одного між собою рівні і спрямовані в протилежні сторони.
Четвертим законом, який Ньютон формулює в своїх "Засадах", був закон всесвітнього тяжіння.
У другій частині Ньютон розглянув сили опору середовища при русі в ній тіл, гідро-і аеростатіку, закони хвильового руху, найпростіші випадки вихрових рухів.
У третій книзі вчений виклав загальну систему світу і небесну механіку, зокрема, теорію стиснення Землі біля полюсів, теорію припливів і відливів, рух комет, збурення в русі планет і т. д. Розглядаючи всі ці явища, Ньютон скрізь знаходить підтвердження свого закону тяжіння .
"Початки" Ньютона знаменували нову еру в розвитку науки. Вони з'явилися міцним фундаментом, на якому успішно будувалася фізика XVIII-XIX ст., Що одержала назву класичної. Книга підбивала підсумок усьому зробленому за попередні тисячоріччя в навчанні про найпростіші форми руху матерії.
У роботах Ньютона розкривається його світогляд і методологія досліджень. Ньютон був стихійним матеріалістом. Він був переконаний у об'єктивному існуванні матерії, простору і часу, в існуванні об'єктивних законів світу, доступних людському пізнанню. Своїм прагненням звести все до механіки Ньютон підтримував механістичний матеріалізм (механіцизм).
Свій метод пізнання, названий згодом методом принципів, Ньютон виклав у "Правилах філософствування". Цих правил чотири.
Не приймати в природі інших причин понад ті, які істинні та достатні для пояснення явищ.
Однаковим явищам необхідно приписувати однакові причини.
3. Незалежні і незмінні при експериментах властивості тіл, підданих дослідженню, треба приймати за загальні властивості матеріальних тіл.
4. Закони, індуктивно знайдені з досвіду, потрібно вважати вірними, поки їм не суперечать інші спостереження.
Не можна не сказати про математичних досягненнях Ньютона, без яких не було б і його геніальної теорії тяжіння. Свій метод розрахунку механічних рухів на основі нескінченно малих приростів величин - характеристик досліджуваних рухів - Ньютон назвав "методом флюксій" і описав його у творі "Метод флюксій і нескінченних рядів з додатком його до геометрії кривих" (закінчено в 1671 р., повністю опубліковано в 1736 р.). Разом з методом Г. Лейбніца він склав основу диференціального й інтегрального числень. У математиці Ньютону належать також найважливіші праці з алгебри, аналітичної та проективної геометрії та ін
Глава 7. Природознавство XVIII ст.
У XVIII ст. в механіку проникають методи диференціального й інтегрального числень, і вона стає аналітичною.
Величезна заслуга в розвитку механіки належала петербурзькому академіку Леонарду Ейлера (1707-1783) і паризькому академікові Жозефу Луї Лагранжа (1736-1813). "Mexaніка" Ейлера з'явилася в 1736 р. у Петербурзі в 2 томах. Eго ж "Теорія руху твердого тіла", розглянута як 3-й том "Механіки", вийшла в 1765 р. Ейлер визначає механіку як науку про рух, викладену аналітично (методами аналізу), "завдяки чому тільки можна досягти повного розуміння речей" .
Ейлер переформулював основні поняття ньютонівської механіки, надавши їм сучасну форму, але зберігши сутність по Ньютону. Саме Ейлер вперше записав другий закон динаміки в аналітичній формі, зробивши його основним законом всієї механіки. У "Теорії руху твердого тіла" він розвинув механіку обертального руху.
Ейлер своїм генієм охоплював усі розділи математики. Прекрасні роботи виконані їм в галузі математичної фізики та гідродинаміки. Він написав підручники з арифметики і елементарної алгебри, введення в математичний аналіз та аналітичної геометрії. Його система викладу тригонометрії дійшла до нас майже в незмінному вигляді. Багато робіт Ейлера присвячено і чисто прикладних наук. Двотомна "Морська наука" зіграла колосальну роль у розвитку кораблебудування і кораблеводіння у XVIII ст. Його "Теорія руху Місяця" і складені на її основі таблиці, сотні років використовувалися мореплавцями. На основі його тритомної "Діоптрики" створювалися поліпшені конструкції телескопів і мікроскопів.
XVIII століття галузі механіки характеризується також пошуками більш загальних принципів, ніж закони Ньютона. У цей період створюється теоретична механіка. Найбільший внесок у її розвиток вніс Лагранж.
Головна робота Лагранжа "Аналітична механіка" вийшла в Парижі в 1788 р. У ній була вирішена задача, яку він сам формулював так: "Я поставив мету звести теорію механіки і методи вирішення пов'язаних з нею завдань до загальними формулами, просте розвиток яких дає всі рівняння для вирішення кожного завдання ". "Аналітична механіка" Лагранжа складається з двох частин: статики та динаміки. Ірландський математик У. Гамільтон (1805-1865), оцінюючи внесок Лагранжа у розвиток механіки, писав, що "з числа послідовників цих блискучих учених (малися на увазі Галілей і Ньютон) Лагранж, мабуть, більше, ніж будь-хто інший, зробив для розширення і надання стрункості всій механіці. При цьому краса методу настільки відповідає гідності результату, що ця велика робота перетворюється на свого роду математичну поему ".
Одним з прикладних розділів оптики, отримали розвиток у XVIII ст., Була фотометрія. Цього вимагали практичні потреби освітлення (багато вчених займалися питаннями освітлення палаців і вулиць міст). Основоположниками фотометрії є П. Бугер (1698-1758) та І. Ламберт (1728-1777). Робота Бугера "Досвід про градації світла" вийшла в 1729 р., "Фотометрія" Ламберта - в 1760 р. Саме в цих роботах були введені основні фотометричні поняття: світловий потік, сила світла, освітленість, яскравість. Головним методом фотометрії був метод порівняння освітленостей. Бугер сконструював фотометр і відкрив закон поглинання світла.
Вчення про електрику і магнетизм у XVIII ст. дістало подальший розвиток. У цей період закладаються основи електростатики. Великий внесок у розвиток цих розділів фізики внесли Франклін, Ріхман, Ломоносов, Епінус, Кулон.
Георг Ріхман, професор Петербурзької академії наук, вивчав електричні явища з 1745 р. Він намагався виміряти електрику за допомогою ваг і винайшов прилад для порівняння електричних сил. За допомогою винайденого покажчика електрики Ріхман передбачив існування електричного поля навколо зарядженого тіла.
У 1759 р. вийшла робота петербурзького академіка Епінуса (1724-1802) "Досвід теорії електрики і магнетизму", де вчений шукає не відмінності, а схожість між електрикою і магнетизмом. Епінус вважав, що за аналогією з законом тяжіння сила взаємодії зарядів обернено пропорційна квадрату відстані між ними.
Закон взаємодії електричних зарядів був заново відкритий у 1784 р. французьким військовим інженером, членом Паризької академії наук Ш. Кулоном (1736-1806) за допомогою сконструйованих ним крутильних терезів і по праву носить його ім'я. Тільки з відкриттям цього закону вчення про електрику було поставлено на кількісну основу.
Наука про теплоту у XVIII ст. робить лише перші кроки. Одним з її розділів була термометрія, виник в першій чверті століття. Саме в цей період створюються термометри з двома опорними точками. Великий внесок у розвиток цієї галузі науки внесли Амонтоном, Фаренгейт, Реомюр, Цельсій та інші вчені.
У XVIII ст. створюються перші теорії теплоти. Одна з них розглядала теплоту як особливу невагому рідину - теплорода, інша, прихильником який був М. В. Ломоносов, стверджувала, що теплота - це особливий рід руху "нечутливих частинок". Ломоносов вважав, що теплота обумовлена обертальним рухом корпускул (молекул). Оскільки немає верхньої межі швидкості руху частинок, то немає, по Ломоносову, і верхньої межі температури. Але повинна існувати "найбільша і остання ступінь холоду", яка полягає "в повному припиненні обертального руху частинок". Ці думки були викладені Ломоносовим в роботі "Роздуми про причину тепла і холоду", опублікованій в 1750 р. і що явилася однією з основних робіт по кінетичної теорії тепла.
Період 1745-1750 рр.. характеризується великими творчими досягненнями Ломоносова. Він розробив і обгрунтував нову галузь знання - фізичну хімію, кінетичну теорію теплоти і газів, сформулював закон збереження матерії і руху.
У наступне п'ятиріччя (1750-1755) діяльність Ломоносова розгортається також широким фронтом. Його наукова робота протікає за двома напрямками: електричні явища і хімія. У цей же період Ломоносов багато займається питаннями фарбування скла. До 1752 ці досліди були в основному закінчені, а в 1753 р. завдяки величезним зусиллям Ломоносова був пущений перший завод мозаїчного скла (нині це знаменитий завод художніх виробів під Санкт-Петербургом).
Ломоносов вперше передбачив існування абсолютного нуля температури, пояснив виходячи з кінетичних міркувань закон Бойля. Ввівши в хімію ваги, він довів неправильність думки про збільшення ваги металів при їх обпаленні в "заплавленних міцно скляних посудинах". Він вперше висловив думку про зв'язок електричних і світлових явищ, про електричну природу північного сяйва, про вертикальні течіях як джерелі атмосферної електрики. Захищаючи хвильову теорію світла, Ломоносов в оптиці виконав велику роботу по конструюванню оптичних приладів, за кольором і фарбників, з заломлення світла.
Глава 8. Розвиток і завершення класичної науки в XIX ст.
Залишаючись в цілому метафізичної і механістичної, класична наука і особливо природознавство, готують поступове крах метафізичного погляду на природу.
На перший план висуваються фізика і хімія, які вивчають взаємоперетворення енергії та видів речовини (хімічна атомистика). У геології виникає теорія розвитку Землі (Ч. Лайєль), в біології зароджується еволюційна теорія (Ж.-Б. Ламарк), розвиваються такі науки, як палеонтологія (Ж. Кюв), ембріологія (К. М. Бер).
Особливе значення мали революції, пов'язані з трьома великими відкриттями другої третини XIX ст. - Клітинної теорії Шлейденом і Шванном, закону збереження і перетворення енергії Майєром і Джоулем, створення Дарвіном еволюційного вчення. Потім послідували відкриття, що продемонстрували діалектику природи повніше: створення теорії хімічної будови органічних сполук (AM Бутлеров, 1861), періодичної системи елементів (Д. І. Менделєєв, 1869), хімічної термодинаміки (Я. Х. Вант-Гофф, Дж. Гіббс) , основ наукової фізіології (І. М. Сєченов, 1863), електромагнітної теорії світла (Дж. К. Максвелл, 1873).
У результаті цих наукових відкриттів природознавство піднімається на якісно новий щабель і стає дисциплінарно-організованої наукою.
XIX століття стало століттям урочистості хвильової теорії світла, створеної і обгрунтованої головним чином роботами Томаса Юнга (1773-1829).
Першою роботою Юнга був твір "Спостереження над процесом зору", написане в 1793 р., в якому він розробив теорію акомодації ока. Займаючись питаннями оптики, Юнг в 1800 р. сформулював принцип суперпозиції хвиль, пояснив явище інтерференції, ввівши в науку цей термін. У 1801 р. вийшла його "Теорія світла і кольору", де була викладена хвильова теорія світла.
У цей період в області оптики йшло накопичення та інших експериментальних фактів, що вимагають створення єдиної теорії, що пояснює все розмаїття оптичних явищ. Творцем її з'явився французький інженер Огюстен Жан Френель.
Зі своєї теорії Френель зробив висновок про те, що швидкість світла у склі менше, ніж швидкість світла в повітрі. Висновок Ньютона, заснований на корпускулярних уявленнях, був протилежним. Фізика незабаром підтвердила правильність висновку Френеля.
З ім'ям Фарадея пов'язаний останній, переломний етап класичної фізики. В історії природознавства це був період виникнення нового методу, нового підходу до явищ природи. Якщо панівної методологією в природознавстві XVIII ст. був метафізичний матеріалізм, зокрема механіцизм, розчленований світ на окремі, не пов'язані області, то відкриття фізики XIX ст. призвели до необхідності відмови від такого підходу. Ідея загального зв'язку явищ матеріального світу, ідея розвитку, стрибкоподібний перехід кількісних змін у нову якість і інші положення діалектичного матеріалізму поступово ставали керівними в дослідженнях вчених.
До діячів нового типу, стихійно використовують ідею загального зв'язку явищ, належав і Майкл Фарадей (1791-1867).
На початку XIX ст. з'ясувалося, що між електрикою і магнетизмом існує глибокий зв'язок. Ерстед виявив, що електричний струм створює навколо себе магнітне поле. Думка про тісний двостороннього зв'язку електрики і магнетизму здається Фарадею абсолютно очевидною, і вже в 1821 р. він ставить перед собою завдання "перетворити магнетизм в електрику". Але тільки в 1831 р. М. Фарадей показав, що змінне магнітне поле індукує в провіднику електричний струм. Ці відкриття лягли в основу розробки електродвигуна і електрогенератора, що грають нині настільки важливу роль у техніці.
З 1824 р. Фарадей - член Королівського товариства. Одержимий ідеями про нерозривний зв'язок і взаємовплив сил природи Фарадей безуспішно поки що намагається знайти зв'язок між магнетизмом і електрикою. Але раз Ампер зміг за допомогою електрики створити магніти, то чому не можна з допомогою магнітів створити електрику?! Фарадей ставить безліч дослідів, веде педантичні запису кожного експерименту, кожної думки. Про величезної працездатності Фарадея говорить хоча б той факт, що останній параграф "Щоденника" був записаний під номером 16041! Слід зауважити, що в 1827 р. Фарадей одержав професорську кафедру в Королівському інституті. Ретельна підготовка до лекцій теж вимагала чимало часу.
Але от завзятий десятирічний працю Фарадея винагороджений: 17 жовтня 1831 тріумфальний експеримент - відкрито явище електромагнітної індукції. Це був добре підготовлений і заздалегідь продуманий досвід.
Слідом за відкриттям електромагнітної індукції Фарадей перевіряє нову ідею. Якщо рух магніту щодо провідника створює електрика, то, мабуть, рух провідника щодо магніту повинно приводити до такого ж слідству. Значить, є можливість створити генератор електричного струму, забезпечивши безперервне відносний рух провідника і магніту. Фарадей швидко будує і відчуває нове простий пристрій: між полюсами підковоподібного магніту обертається мідний диск, з якого за допомогою ковзних контактів (один на осі, інший на периферії) знімається напруга. Це був перший генератор електричного струму!
З листопада 1831 Фарадей почав систематично друкувати свої "Експериментальні дослідження з електрики", що склали 30 серій більш ніж з 3000 параграфів. Це чудовий пам'ятник наукової творчості Фарадея. Перша серія присвячена електромагнітної індукції; остання (тридцята) - законам намагнічування (вийшла в світ у 1855р.). У цих серіях відображена двадцятичотирилітнім робота Фарадея, в них життя, думки і погляди вченого.
У першій половині XIX ст. поступово визріває і затверджується ідея єдності різних типів фізичних процесів, їх взаємного перетворення. Вивчення процесу перетворення теплоти в роботу і назад, встановлення механічного еквівалента теплоти зіграли основну роль у відкритті закону збереження і перетворення енергії.
Закон збереження і перетворення енергії є одним з найважливіших законів сучасного природознавства. Він виражає положення діалектичного матеріалізму про незнищенність і несотворімості матерії і руху. Формулювання цього закону стала загальновідомою: сума всіх видів енергії ізольованої системи є величина постійна. Витоки його сягають у сиву давнину. "З нічого нічого не буває" - так стародавніми греками була виражена ідея збереження. Ця велика ідея розвивалася і поступово розширювала сферу свого впливу. У процесі розвитку природознавства були відкриті закони збереження маси, електричного заряду, кількості руху, а в середині XIX ст. - Закон збереження і перетворення енергії. Саме до цього періоду дозріли необхідні умови для появи цього закону.
Багато вчених внесли свій внесок у його встановлення, але фізика пов'язує, і по праву, його відкриття в першу чергу з іменами Р. Майера, Г. Гельмгольца, Д. Джоуля, Е. Ленца, М. Фарадея.
Значення цього закону виходило далеко за межі фізики і стосувалося всього природознавства. Поруч із законом збереження мас цей закон, висловлюючи принцип незнищенності матерії і руху, утворює наріжний камінь матеріалістичного світогляду натуралістів. Логічним його розвитком і узагальненням виступав принцип матеріальної єдності світу.
У Росії, в XIX ст. видатними представниками фізики були Д.І. Менделєєв, А.Г. Столєтов, П.М. Лебедєв, А.С. Попов.
У березні 1969 р. наукова громадськість нашої планети відзначила 100-річчя з дня відкриття одного з фундаментальних законів природознавства - періодичного закону хімічних елементів Д. І. Менделєєва. Відкриття цього закону Ф. Енгельс назвав "науковим подвигом" Менделєєва, який приніс вітчизняній науці нев'янучу славу й світове визнання. На основі цього закону Менделєєв зумів передбачити фізичні і хімічні властивості елементів, відкритих пізніше. І сьогодні цей закон, отримавши відповідне обгрунтування в науці, є дороговказом у наукових розвідках фізиків, хіміків.
Перу Д. І. Менделєєва належить понад 500 наукових робіт з
різних проблем хімії, фізики, метрології, геології,
повітроплавання, педагогіки.
Найбільш великим дослідженням А. Г. Столєтова, що приніс йому світову славу, є дослідження фотоефекту (1888-1890). У результаті цієї роботи А.Г. Столєтов запропонував дуже простий метод вивчення даного явища: одна з пластин конденсатора - суцільна (в дослідах Столєтова це була полірована цинкова пластина) - з'єднується через гальванометр з негативним полюсом батареї, інша - у вигляді сітки - з'єднується з позитивним полюсом. Внутрішня поверхня суцільний пластини висвітлюється електричною дугою.
Дослідження світлового тиску стало справою всього життя П. М. Лебедєва. З теорії Максвелла випливало, що світловий тиск на тіло одно густини енергії електромагнітного поля. При повному відображенні тиск буде в два рази більше. Експериментальна перевірка цього положення представляла велику трудність. По-перше, тиск дуже мало і потрібен надзвичайно тонкий експеримент для його виявлення, не кажучи вже про його вимірювання. І Лебедєв створює свою знамениту установку - систему легенів і тонких дисків на закручується підвісі. Це були крутильні ваги з небаченою до тих пір точністю.
По-друге, серйозною перешкодою був радіометричний ефект: при падінні світла на тіло (тонкі диски в дослідах Лебедєва), воно нагрівається. Температура освітленої сторони буде більше, ніж температура тіньовий. А це призведе до того, що молекули газу від освітленої сторони диска будуть відкидатися з бульшим швидкостями, ніж від тіньової. Виникає додаткова віддача, спрямована в ту ж сторону, що і світловий тиск, але у багато разів перевершує його (в 103 рази в дослідах Крукса і Бартолі). Крім того, за наявності різниці температур виникають конвекційні потоки газу. Все це треба було усунути. П. М. Лебедєв з неперевершеною майстерністю искуснейшей експериментатора долає ці труднощі. Платинові крильця підвісу були взяті товщиною всього 0,1-0,01 мм, що призводило до швидкого вирівнювання температури обох сторін. Вся установка була поміщена в найвищий, досяжний, в той час вакуум (порядку 0,0001 мм рт. Ст.). П. М. Лебедєв зумів зробити це дуже дотепно. У скляному балоні, де знаходилася установка, Лебедєв поміщав краплю ртуті і злегка підігрівав її. Ртутні пари витісняли повітря, що відсмоктується насосом. А після цього температура в балоні знижувалася, і тиск залишилися ртутної пари різко зменшувалася (ртутні пари, як кажуть, заморожувалися).
Копітка праця увінчалася успіхом. Попереднє повідомлення про тиск світла було зроблено П. М. Лебедєвим у 1899 р., потім про свої досліди він розповів в 1900 р. в Парижі на Всесвітньому конгресі фізиків, а в 1901 р. в німецькому журналі "Аннали фізики" була надрукована його робота "Дослідне дослідження світлового тиску". Робота отримала найвищу оцінку вчених і стала новим, блискучим експериментальним підтвердженням теорії Максвелла.
Крім робіт, пов'язаних зі світловим тиском, П. М. Лебедєв багато зробив для вивчення властивостей електромагнітних хвиль. Удосконаливши метод Герца, він одержав самі короткі в той час електромагнітні хвилі (А = 6 мм, у дослідах Герца А = 0,5 м), довів їх подвійне променезаломлення в анізотропних середовищах. Слід зауважити, що прилади Лебедєва були настільки малі, що їх можна було носити в кишені. Наприклад, генератор електромагнітних хвиль Лебедєва складався з двох платинових циліндриків, кожен по 1,3 мм довжиною і 0,5 мм в діаметрі. Дзеркала Лебедєва мали висоту 20 мм, а ебонітова призма для дослідження заломлення електромагнітних хвиль була заввишки 1,8 см, шириною 1,2 см і важила близько 2 р. Нагадаємо, що призма Герца для цієї ж мети важила 600 кг. Мініатюрні прилади Лебедєва завжди викликали захоплення фізиків-експериментаторів, а завдання зменшення розмірів різних приладів і схем в даний час є однією з найважливіших, що стоять перед вченими і конструкторами.
Електромагнітну теорію Максвелла експериментально вперше довів Г. Герц, відкривши електромагнітні хвилі. Це відкриття Герца привернуло до себе увагу найширших верств суспільства. Саме в цей період багато хто відразу ж висловили ідею про можливість бездротового зв'язку за допомогою "променів Герца". У списку вчених, що вирішували це завдання, на першому місці стоїть ім'я професора О. С. Попова (1859-1905).
Після відкриття Герца, Попов захопився електромагнітними хвилями. Читаючи в 1889 р. в Мінних класах цикл лекцій "Новітні дослідження про співвідношення між світловими і електричними явищами", А.С. Попов супроводжував їх демонстраціями. Це мало величезний успіх, і А.С. Попову було запропоновано повторити цей цикл у Петербурзі в Морському музеї. Вже в цьому циклі Попов висловлює думку, що досліди та роботи Герца становлять великий інтерес не тільки в строго науковому плані, але також і у можливості їх застосування для бездротової передачі сигналів.
7 травня 1895 на засіданні Російського фізико-хімічного товариства А.С. Попов демонстрував сконструйований ним прилад для прийому та реєстрації електромагнітних коливань.
У XIX і на початку XX ст. наука вступила у свій золотий вік. У всіх її найважливіших областях відбулися дивні відкриття, широко поширилася мережа інститутів та академій, організовано проводили спеціальні дослідження різного роду, на основі поєднання науки з технікою надзвичайно швидко розцвіли прикладні області. Оптимізм цієї епохи був безпосередньо пов'язаний з вірою в науку, її здатність до невпізнання перетворити стан людського знання, забезпечити здоров'я і добробут людей.
Ситуація, що склалася в науці та світогляді вимагала свого вирішення. Воно з'явилося в ході новітньої революції в природознавстві, що почалася з 90-х рр.. XIX ст. і тривала до середини XX ст. Це була глобальна наукова революція, за своїми результатами і значенням можна порівняти з революцією XVI-XVII ст. Вона почалася у фізиці, потім проникла в інші природничі науки, кардинально змінила філософські, методологічні, гносеологічні, логічні підстави науки в цілому, створивши феномен сучасної науки.
Глава 9. Наукова революція в природознавстві початку XX ст.
Розвиток електронної теорії.
Ідея атомарного будови електрики випливала із законів електролізу Фарадея, на що свого часу звернув увагу і сам Фарадей, вказуючи, що "атоми тіл, еквівалентні один одному у відношенні їх звичайного хімічної дії, містять рівні кількості електрики, природно пов'язаного з ними".
Максвелл у своєму "Трактаті про електрику і магнетизм" теж говорить про "молекулі електрики", але вважає, що "теорія молекулярних зарядів" хоч і "служить для вираження великого числа фактів електролізу", однак є тимчасовою і буде відкинуто, як тільки на основі поля з'явиться теорія електричного струму.
У 1875 р. голландський фізик Г.А. Лоренц у своїй докторській дисертації "До теорії відображення і заломлення променів світла" пояснює зміну швидкості світла в середовищі впливом її заряджених частинок. Лоренц вважає, що теорія Максвелла потребує доповнення, тому що в ній не враховується структура речовини. У ній властивості тіл характеризуються різними коефіцієнтами: діелектричної та магнітної проникністю, провідністю. "Але ми не можемо задовольнитися простим введенням для кожної речовини цих коефіцієнтів, значення яких повинні визначатися з досвіду. Ми будемо змушені звернутися до якої-небудь гіпотезі щодо механізму, що лежить в основі цих явищ. Ця необхідність і призвела до уявлення про електронах, т. е. вкрай малих електрично заряджених частинках, які у величезній кількості присутні у всіх вагомих тілах ", - писав Лоренц.
На початку XX ст. роботами німецького фізика П. Друде (1863-1906) і Г. Лоренца була створена електронна теорія металів, що дозволила отримати теоретично багато раніше відкриті закони: Ома, Джоуля - Ленца та ін Ця теорія була побудована на наступних положеннях.
1. У металі є вільні електрони - електрони провідності, що утворюють електронний газ, аналогічний за своїми властивостями ідеального.
2. Остов металу утворює кристалічна решітка, у вузлах якої знаходяться іони.
3. При своєму русі електрони зіштовхуються з іонами.
4. При наявності електричного поля електрони приходять в
впорядкований рух під дією сил поля.
У результаті робіт Дж. Томсона був відкритий електрон і визначено його питомий заряд. Проте ні заряд, ні маса електрона окремо ще не були відомі. Потрібні були нові експерименти для визначення цих фундаментальних величин. Першими найбільш точними з них слід назвати досліди американського фізика Р. Міллікена (1868-1953) в 1909-1914 рр.. Ідея цих дослідів зводилася до спостереження за падінням зарядженої краплі олії в однорідному полі плоского конденсатора (рис. 6).
У результаті численних експериментів з використанням масляних крапель різної ваги та за різних умов Міллікен уклав, що в кожному випадку заряд краплі змінювався на величину, рівну або кратну значенням деякого основного заряду е - заряду електрона. Ці досліди не тільки явно доводили дискретність електричного заряду, а й дозволили визначити його найменшу величину. Подібні досліди були проведені різними вченими, в тому числі і академіком А. Ф. Іоффе. Досвід Іоффе був схожий з досвідом Міллікена, але замість крапель масла використовувалися металеві порошинки. У результаті всіх цих дослідів у фізиці були встановлені найважливіші фізичні константи: заряд електрона е = -1,60 · 10 -19 Кл, маса електрона m e = 9,1 · 10 -31 кг. Ще в 1902 р., визначаючи ставлення е / m для електрона, Кауфман виявив, що воно не є постійною величиною, а залежить від швидкості частинок. Працюючи з β-променями (потік швидких електронів) і діючи на них електричним і магнітним полем, Кауфман виявив, що e / m зменшується зі зростанням швидкості. З цього випливало, що з ростом швидкості електрона або зменшується його заряд, або збільшується його маса.
Для пояснення цього і ряду інших явищ в цей період створюються різні гіпотези. Справедливість одних і хибність інших були встановлені нові експерименти і спеціальною теорією відносності (СТО).
Створення А. Ейнштейном спеціальної теорії відносності
На початку 90-х років XIX ст. Г. Лоренц на основі своєї електронної теорії і гіпотези про нерухомому ефірі виводить рівняння електромагнітного поля для рухомих середовищ [6]. І робить дуже важливий висновок: ніякі оптичні та електромагнітні досліди, проведені в рівномірно і прямолінійно рухається системі відліку, не в змозі знайти цього руху. Таким чином, Лоренц сформулював принцип відносності для електромагнітних процесів, але, на жаль, не надав йому того великого значення, яке він заслуговував. Подальший розвиток електродинаміки рухомих середовищ належить французькому математику Анрі Пуанкаре (1854-1912). Саме він в 1900 р. на Паризькому конгресі фізиків засуджував Лоренца за недооцінку ним принципу відносності, вважаючи його, зі свого боку, загальним законом природи. Негативний результат досвіду Майкельсона, на думку Пуанкаре, як раз і є вираженням цього закону. У 1904 р., називаючи принцип відносності в числі основних принципів фізики, Пуанкаре відзначає, що "закони фізичних явищ будуть однаковими як для покоїться спостерігача, так і для спостерігача, що знаходиться у стані рівномірного прямолінійного руху, так що ми не маємо і не можемо мати ніяких коштів, щоб розрізнити, знаходимося ми в такому русі чи ні ".
Так принцип відносності, сформульований Галілеєм для механічних явищ на початку XX ст., Був поширений на будь-які фізичні процеси. Цікаво відзначити, що, розглядаючи вплив принципу відносності на гравітацію, Пуанкаре приходить до висновку, що швидкість розповсюдження сил тяжіння повинна дорівнювати швидкості світла.
Отже, ми бачимо, що попередники А. Ейнштейна чимало зробили для появи теорії відносності. Однак, розвиваючи електродинаміку і прагнучи пояснити досліди, вони спиралися на концепцію ефіру. Підійшовши до принципу відносності, вони не змогли поставити питання про постійність і, особливо, про граничному значенні швидкості світла. Це і було зроблено А. Ейнштейном (1879-1955). Основна робота Ейнштейна з теорії відносності називалася "До електродинаміки рухомих середовищ". Вона надійшла до редакції журналу "Аннали фізики" 30 червня 1905 Робота складалася з двох частин. У першій з них були викладені основи нової теорії простору і часу, в другій - застосування цієї теорії до електродинаміки рухомих середовищ. В основу своєї теорії Ейнштейн кладе два постулати.
Принцип відносності - у будь-яких інерціальних системах усі фізичні процеси: механічні, оптичні, електричні та інші-протікають однаково.
Принцип постійності швидкості світла - швидкість світла у вакуумі не залежить від руху джерела і приймача, вона однакова в усіх напрямках, у всіх інерціальних системах і дорівнює 3 · 10 Серпня м / с.
У 1907 р. виходить нова робота А. Ейнштейна "Про принцип відносності та його наслідки". У ній автор знову говорить про зв'язок маси та енергії і для перевірки цього співвідношення звертається до радіоактивних процесам. Підрахунки показали, що для перевірки формули на відомих у той час радіоактивних перетвореннях потрібно знати атомні маси елементів з точністю до п'ятого знаку. Ейнштейн писав: "Це, звичайно, недосяжно. Однак не виключено, що будуть відкриті радіоактивні процеси, в яких в енергію радіоактивних випромінювань перетворюється велика частина маси вихідного атома, ніж у випадку радію".
Дуже цікава остання частина роботи, де ставиться питання про Ч> X поширення принципу відносності на системи, що рухаються з прискоренням. Саме тут вперше з'явився принцип еквівалентності, згідно з яким інертна маса тіла дорівнює його гравітаційної масі або, що те ж саме, сили гравітації фізично еквівалентні силам інерції. На основі цього принципу Ейнштейн досліджує вплив гравітації на хід годинника і поширення світла. Він робить висновок, що будь-який фізичний процес протікає тим швидше, чим більше гравітаційний потенціал в області, де розігрується цей процес, і що світлові промені викривляються в гравітаційному полі. Отже, в 1907 р. Ейнштейн закладає перші основи загальної теорії відносності (ЗТВ), над розробкою якої він невпинно працював 10 років. Теорія ж, створена ним в 1905 р., в якій принцип відносності був сформульований тільки для інерційних систем, отримала назву спеціальної (приватної) теорії відносності (СТО).
У 1916 р. була опублікована загальна теорія відносності. Вона поширила СТО на прискорені системи. Ейнштейн обмежив застосовність принципу сталості швидкості світла областями, де гравітаційними силами можна знехтувати. Зате він поширив принцип відносності на всі рухомі системи. З ОТО було отримано ряд важливих висновків.
Властивості простору-часу залежать від рухомої матерії.
Промінь світла, що володіє інертною, а отже, і гравітаційною масою, повинен скривлюватися в полі тяжіння. Зокрема, таке викривлення повинен відчувати промінь, що проходить біля Сонця. Цей ефект, як вказував Ейнштейн, можна виявити при спостереженні положення зірок під час сонячного затемнення. "Було б украй цікаво, - пише він, - щоб астрономи зацікавилися поставленою тут питанням".
3. Частота світу в результаті дії поля тяжіння повинна
змінюватися. У результаті цього ефекту лінії сонячного спектра під
дією гравітаційного поля Сонця повинні зміщатися убік
червоного світла, у порівнянні зі спектрами відповідних земних
джерел. Цей ефект, на думку Ейнштейна, також може бути
виявлений експериментально. Все це було принципово нове, і для
затвердження ОТО потрібна була її експериментальна перевірка.
Виникнення і розвиток теорії квантів
14 грудня 1900, виступаючи в Берлінському фізичному товаристві, М. Планк для вирішення проблеми випромінювання запропонував свою, як він її скромно іменував, "робочу гіпотезу". Суть її зводилася до того, що енергія випромінюється не безупинно, як вважали раніше, а окремими порціями, тобто дискретно. Це стало днем народження квантової фізики - дітища XX ст. Експериментальні ж коріння її йдуть глибоко в XIX ст. Відкриття і вивчення рентгенівських і катодних променів, радіоактивності, теплового випромінювання, атомних спектрів, фотоефекту і ряду інших явищ з повним правом можна назвати витоками квантової фізики.
Початком фундаментальних теоретичних робіт по тепловому випромінюванню є відкриття Кірхгофа (1824-1887) в 1859-1861 рр.. закону, згідно з яким ставлення іспускательной здатності e v нагрітого тіла до його поглощательной здібності a v не залежить від природи тіла, а є однаковою для всіх тіл (універсальної) функцією довжини хвилі (частоти) і температури. Якщо ввести поняття чорного тіла, тобто такого, що поглинає всі падаючі на нього промені, то ця універсальна функція і буде дорівнює його іспускательной здібності (e * = f (v, Т). Зауважимо, що в природі немає абсолютно чорних тіл , але є тіла, близькі до них. Наприклад, поглощательная здатність сажі, платинової черні, чорного оксамиту близька до 1.
Проблема випромінювання не давала Планку спокою, і він постійно думав над нею. Розповідають, що незадовго до свого великого відкриття він піднявся на найвищу і важкодоступну у своїй альпіністської практиці гірську вершину. Натхнений перемогою, Планк занурився в роботу. Спочатку він Напівемпіричним шляхом знайшов формулу, яка добре збігалася з результатами експерименту у всьому спектрі. Але формулі треба було дати реальне фізичне звучання і обгрунтувати встановлений закон. "Після декількох тижнів щонайнапруженішої в моєму житті роботи темрява розвіялась, і намітилися нові, не підозрювані раніше дали",-згадував пізніше Планк. А суть справи полягала в тому, що Планк змушений був відмовитися від одного з основних положень класичної фізики - про безперервне (як завгодно малими величинами) випромінюванні енергії та прийняти нову гіпотезу: випромінювання енергії може відбуватися тільки цілком певними (дискретними) порціями - квантами. Величина кванта енергії: е 0 = hv, де h - Універсальна стала, яка отримала назву постійної Планка; v - Частота випромінювання. Так, у фізиці з'явився квант енергії і абсолютно нова величина h - Квант дії, яка поряд з уже відомими атомизмом речовини і електрики вказувала на атомізм дії і енергії, що було цілком чуже класичним уявленням.
Але як бути з уявленнями класичної фізики? І Планк здригнувся. У фізиці склалася, мабуть, безприкладна ситуація: висунувши велику ідею, творець злякався масштабу її наслідків. А квантова гіпотеза тим часом пробивала собі дорогу. І першим, хто взяв кванти Планка всерйоз, був молодий А. Ейнштейн. Він не тільки прийняв гіпотезу Планка, а пішов далі, заявивши, що світло не тільки випромінюється, але й поглинається, і поширюється квантами. Світловий квант був названий пізніше фотоном. Розвитком цієї ідеї стала фотонна теорія світла, що відродила на новому рівні корпускулярні уявлення про нього і незабаром доведена експериментально.
Використовуючи гіпотезу світлових квантів, А. Ейнштейн отримав узагальнений закон фотоефекту, розробив квантову теорію теплоємності. Для цього видатного вченого з самого початку було ясно, що квантова гіпотеза в будь-якій своїй формі несумісна з класичними уявленнями, що всі спроби введення її в електродинаміку Максвелла приречені на невдачу.
Роль відкриття Планка поступово була оцінена всіма фізиками. Цю оцінку ми підсумуємо словами А. Ейнштейна: "Відкриття Планка стало основою всіх досліджень у фізиці XX ст. І з тих пір майже повністю зумовило її розвиток. Більше того, воно зруйнувало остов класичної механіки та електродинаміки і поставило перед наукою завдання: знайти нову пізнавальну основу для всієї фізики ". Такою основою стала квантова механіка. Але це буде значно пізніше.
Атомна фізика
У січні 1896 р. над Європою та Америкою прокотився тайфун газетних повідомлень про сенсаційне відкриття професора Вюрцбурзького університету Вільгельма Конрада Рентгена (1845-1923). Здавалося, не було газети, яка б не надрукувала знімок кисті руки, що належить, як з'ясувалося пізніше, Берті Рентген - дружині професора. А професор Рентген, зачинившись у себе в лабораторії, продовжував посилено вивчати властивості відкритих ним променів.
20 січня 1896 американські лікарі за допомогою проміння Рентгена уже вперше побачили перелом руки людини. З тих пір відкриття німецького фізика назавжди увійшло в арсенал медицини. Росла і слава Рентгена, хоча вчений ставився до неї з цілковитою байдужістю. Він не став брати патент на своє відкриття, відмовився від почесної, високооплачуваної посади члена академії наук, від кафедри фізики в Берлінському університеті, від дворянського звання.
Хоча самим Рентгеном і іншими вченими багато було зроблено з вивчення властивостей відкритих променів, однак природа їх довгий час залишалася неясною. Але ось у червні 1912 р. в Мюнхенському університеті, де з 1900 р. працював К. Рентген, М. Лауе (1879-1960), В. Фрідріхом і П. Кніппінг була відкрита інтерференція і дифракція рентгенівських променів. Це доводило їх хвильову природу.
Дифракція рентгенівських променів незабаром стала не просто надбанням фізиків, а поклала початок новому, дуже сильному методу дослідження структури речовини - рентгеноструктурному аналізу. У 1914 р. М. Лауе за відкриття дифракції рентгенівських променів, а в 1915 р. батько і син Брегг за вивчення структури кристалів за допомогою цих променів стали лауреатами Нобелівської премії з фізики. В даний час ми знаємо, що рентгенівські промені - це короткохвильове електромагнітне випромінювання з великою проникаючою здатністю.
Відкриття рентгенівських променів дало поштовх новим дослідженням. Їх вивчення призвело до нових відкриттів, одним з яких стало відкриття радіоактивності.
Явище радіоактивності було відкрито А. Беккерелем (1862-1908) і вивчено П'єром Кюрі (1859-1906) і його дружиною Марією Кюрі-Склодовської (1867-1934). 13 листопада 1903 подружжя Кюрі одночасно з Беккерелем отримують телеграму зі Стокгольма, про присудження їм трьом Нобелівської премії з фізики за видатні відкриття в галузі радіоактивності.
Виникнення і розвиток теорії атома
Творець первісної квантової теорії атома - найбільший фізик сучасності Нільс Бор (1885-1962).
Суть теорії Бора була виражена в трьох постулатах.
Існують деякі стаціонарні стани атома, знаходячись в яких він не випромінює і не поглинає енергії. Цим стаціонарним станам відповідають цілком певні (стаціонарні) орбіти.
Орбіта є стаціонарною, якщо момент кількості руху електрона (L = Mm) кратний h / 2 π = І, тобто L = mvr = n ħ, де n = 1, 2, 3, ... -Цілі числа.
3. При переході атома з одного стаціонарного стану в інший
випускається або поглинається один квант енергії hv nm = W n - W m де W n, W m -
енергія атома в двох стаціонарних станах, h - Постійна Планка, v nm
- Частота випромінювання. При W n> W m відбувається випромінювання кванта, при W n <
W m - Його поглинання.
* ♦. Це був переворот, хай поки що не
«S * WU остаточний, в поглядах фізиків на атом. "* Його подальшим поглибленням з'явилася квантова механіка.
Ці постулати Бор використовував для розрахунку *** найпростішого атома (водню), розглядаючи спочатку найбільш просту його модель: нерухоме ядро, навколо якого по круговій орбіті обертається електрон. Пояснення спектра водню було великим успіхом Рис. 7. Модель атома Бора теорії Бора.
Квантові постулати Бора були лише першим кроком у створенні теорії атома, тому довелося скористатися наступним прийомом: спочатку завдання вирішувалося за допомогою класичної механіки (завідомо непридатною повністю до внутрішньоатомних рухів), а потім з усього безперервного безлічі станів руху, до яких призводить класична механіка, на основі квантових постулатів відбиралися квантові стани. Незважаючи на всю недосконалість цього методу, він призвів до великих успіхів - дозволив пояснити складні закономірності в атомних і молекулярних спектрах, осмислити природу хімічних взаємодій та ін Такий підхід, по суті, є окремим випадком загального принципу, що грає важливу роль в сучасній
теоретичної фізики - принципу відповідності, який свідчить, що будь-яка некласична теорія у відповідному граничному випадку переходить у класичну.
Важливим досягненням Бора та інших дослідників було розвиток уявлення про будову багатоелектронних атомів. Вжиті кроки у розвитку теорії будови більш складних (ніж водень) атомів і поясненні структури їх спектрів принесли деякі успіхи, однак тут дослідники зіткнулися з великими труднощами. Введення чотирьох квантових чисел, що характеризують стану електрона в атомі, встановлення принципу Паулі (згідно з яким дві тотожний частинки з напівцілим спіном не можуть одночасно перебувати в одному стані) і пояснення періодичної системи Менделєєва - великі успіхи теорії атома Бора.
Отже, ми бачимо, що попередники А. Ейнштейна чимало зробили для появи теорії відносності. Однак, розвиваючи електродинаміку і прагнучи пояснити досліди, вони спиралися на концепцію ефіру. Підійшовши до принципу відносності, вони не змогли поставити питання про постійність і, особливо, про граничному значенні швидкості світла. Це і було зроблено А. Ейнштейном (1879-1955). Основна робота Ейнштейна з теорії відносності називалася "До електродинаміки рухомих середовищ". Вона надійшла до редакції журналу "Аннали фізики" 30 червня 1905 Робота складалася з двох частин. У першій з них були викладені основи нової теорії простору і часу, в другій - застосування цієї теорії до електродинаміки рухомих середовищ. В основу своєї теорії Ейнштейн кладе два постулати.
Принцип відносності - у будь-яких інерціальних системах усі фізичні процеси: механічні, оптичні, електричні та інші-протікають однаково.
Принцип постійності швидкості світла - швидкість світла у вакуумі не залежить від руху джерела і приймача, вона однакова в усіх напрямках, у всіх інерціальних системах і дорівнює 3 · 10 Серпня м / с.
У 1907 р. виходить нова робота А. Ейнштейна "Про принцип відносності та його наслідки". У ній автор знову говорить про зв'язок маси та енергії і для перевірки цього співвідношення звертається до радіоактивних процесам. Підрахунки показали, що для перевірки формули на відомих у той час радіоактивних перетвореннях потрібно знати атомні маси елементів з точністю до п'ятого знаку. Ейнштейн писав: "Це, звичайно, недосяжно. Однак не виключено, що будуть відкриті радіоактивні процеси, в яких в енергію радіоактивних випромінювань перетворюється велика частина маси вихідного атома, ніж у випадку радію".
Дуже цікава остання частина роботи, де ставиться питання про Ч> X поширення принципу відносності на системи, що рухаються з прискоренням. Саме тут вперше з'явився принцип еквівалентності, згідно з яким інертна маса тіла дорівнює його гравітаційної масі або, що те ж саме, сили гравітації фізично еквівалентні силам інерції. На основі цього принципу Ейнштейн досліджує вплив гравітації на хід годинника і поширення світла. Він робить висновок, що будь-який фізичний процес протікає тим швидше, чим більше гравітаційний потенціал в області, де розігрується цей процес, і що світлові промені викривляються в гравітаційному полі. Отже, в 1907 р. Ейнштейн закладає перші основи загальної теорії відносності (ЗТВ), над розробкою якої він невпинно працював 10 років. Теорія ж, створена ним в 1905 р., в якій принцип відносності був сформульований тільки для інерційних систем, отримала назву спеціальної (приватної) теорії відносності (СТО).
У 1916 р. була опублікована загальна теорія відносності. Вона поширила СТО на прискорені системи. Ейнштейн обмежив застосовність принципу сталості швидкості світла областями, де гравітаційними силами можна знехтувати. Зате він поширив принцип відносності на всі рухомі системи. З ОТО було отримано ряд важливих висновків.
Властивості простору-часу залежать від рухомої матерії.
Промінь світла, що володіє інертною, а отже, і гравітаційною масою, повинен скривлюватися в полі тяжіння. Зокрема, таке викривлення повинен відчувати промінь, що проходить біля Сонця. Цей ефект, як вказував Ейнштейн, можна виявити при спостереженні положення зірок під час сонячного затемнення. "Було б украй цікаво, - пише він, - щоб астрономи зацікавилися поставленою тут питанням".
3. Частота світу в результаті дії поля тяжіння повинна
змінюватися. У результаті цього ефекту лінії сонячного спектра під
дією гравітаційного поля Сонця повинні зміщатися убік
червоного світла, у порівнянні зі спектрами відповідних земних
джерел. Цей ефект, на думку Ейнштейна, також може бути
виявлений експериментально. Все це було принципово нове, і для
затвердження ОТО потрібна була її експериментальна перевірка.
Виникнення і розвиток теорії квантів
14 грудня 1900, виступаючи в Берлінському фізичному товаристві, М. Планк для вирішення проблеми випромінювання запропонував свою, як він її скромно іменував, "робочу гіпотезу". Суть її зводилася до того, що енергія випромінюється не безупинно, як вважали раніше, а окремими порціями, тобто дискретно. Це стало днем народження квантової фізики - дітища XX ст. Експериментальні ж коріння її йдуть глибоко в XIX ст. Відкриття і вивчення рентгенівських і катодних променів, радіоактивності, теплового випромінювання, атомних спектрів, фотоефекту і ряду інших явищ з повним правом можна назвати витоками квантової фізики.
Початком фундаментальних теоретичних робіт по тепловому випромінюванню є відкриття Кірхгофа (1824-1887) в 1859-1861 рр.. закону, згідно з яким ставлення іспускательной здатності e v нагрітого тіла до його поглощательной здібності a v не залежить від природи тіла, а є однаковою для всіх тіл (універсальної) функцією довжини хвилі (частоти) і температури. Якщо ввести поняття чорного тіла, тобто такого, що поглинає всі падаючі на нього промені, то ця універсальна функція і буде дорівнює його іспускательной здібності (e * = f (v, Т). Зауважимо, що в природі немає абсолютно чорних тіл , але є тіла, близькі до них. Наприклад, поглощательная здатність сажі, платинової черні, чорного оксамиту близька до 1.
Проблема випромінювання не давала Планку спокою, і він постійно думав над нею. Розповідають, що незадовго до свого великого відкриття він піднявся на найвищу і важкодоступну у своїй альпіністської практиці гірську вершину. Натхнений перемогою, Планк занурився в роботу. Спочатку він Напівемпіричним шляхом знайшов формулу, яка добре збігалася з результатами експерименту у всьому спектрі. Але формулі треба було дати реальне фізичне звучання і обгрунтувати встановлений закон. "Після декількох тижнів щонайнапруженішої в моєму житті роботи темрява розвіялась, і намітилися нові, не підозрювані раніше дали",-згадував пізніше Планк. А суть справи полягала в тому, що Планк змушений був відмовитися від одного з основних положень класичної фізики - про безперервне (як завгодно малими величинами) випромінюванні енергії та прийняти нову гіпотезу: випромінювання енергії може відбуватися тільки цілком певними (дискретними) порціями - квантами. Величина кванта енергії: е 0 = hv, де h - Універсальна стала, яка отримала назву постійної Планка; v - Частота випромінювання. Так, у фізиці з'явився квант енергії і абсолютно нова величина h - Квант дії, яка поряд з уже відомими атомизмом речовини і електрики вказувала на атомізм дії і енергії, що було цілком чуже класичним уявленням.
Але як бути з уявленнями класичної фізики? І Планк здригнувся. У фізиці склалася, мабуть, безприкладна ситуація: висунувши велику ідею, творець злякався масштабу її наслідків. А квантова гіпотеза тим часом пробивала собі дорогу. І першим, хто взяв кванти Планка всерйоз, був молодий А. Ейнштейн. Він не тільки прийняв гіпотезу Планка, а пішов далі, заявивши, що світло не тільки випромінюється, але й поглинається, і поширюється квантами. Світловий квант був названий пізніше фотоном. Розвитком цієї ідеї стала фотонна теорія світла, що відродила на новому рівні корпускулярні уявлення про нього і незабаром доведена експериментально.
Використовуючи гіпотезу світлових квантів, А. Ейнштейн отримав узагальнений закон фотоефекту, розробив квантову теорію теплоємності. Для цього видатного вченого з самого початку було ясно, що квантова гіпотеза в будь-якій своїй формі несумісна з класичними уявленнями, що всі спроби введення її в електродинаміку Максвелла приречені на невдачу.
Роль відкриття Планка поступово була оцінена всіма фізиками. Цю оцінку ми підсумуємо словами А. Ейнштейна: "Відкриття Планка стало основою всіх досліджень у фізиці XX ст. І з тих пір майже повністю зумовило її розвиток. Більше того, воно зруйнувало остов класичної механіки та електродинаміки і поставило перед наукою завдання: знайти нову пізнавальну основу для всієї фізики ". Такою основою стала квантова механіка. Але це буде значно пізніше.
Атомна фізика
У січні 1896 р. над Європою та Америкою прокотився тайфун газетних повідомлень про сенсаційне відкриття професора Вюрцбурзького університету Вільгельма Конрада Рентгена (1845-1923). Здавалося, не було газети, яка б не надрукувала знімок кисті руки, що належить, як з'ясувалося пізніше, Берті Рентген - дружині професора. А професор Рентген, зачинившись у себе в лабораторії, продовжував посилено вивчати властивості відкритих ним променів.
20 січня 1896 американські лікарі за допомогою проміння Рентгена уже вперше побачили перелом руки людини. З тих пір відкриття німецького фізика назавжди увійшло в арсенал медицини. Росла і слава Рентгена, хоча вчений ставився до неї з цілковитою байдужістю. Він не став брати патент на своє відкриття, відмовився від почесної, високооплачуваної посади члена академії наук, від кафедри фізики в Берлінському університеті, від дворянського звання.
Хоча самим Рентгеном і іншими вченими багато було зроблено з вивчення властивостей відкритих променів, однак природа їх довгий час залишалася неясною. Але ось у червні 1912 р. в Мюнхенському університеті, де з 1900 р. працював К. Рентген, М. Лауе (1879-1960), В. Фрідріхом і П. Кніппінг була відкрита інтерференція і дифракція рентгенівських променів. Це доводило їх хвильову природу.
Дифракція рентгенівських променів незабаром стала не просто надбанням фізиків, а поклала початок новому, дуже сильному методу дослідження структури речовини - рентгеноструктурному аналізу. У 1914 р. М. Лауе за відкриття дифракції рентгенівських променів, а в 1915 р. батько і син Брегг за вивчення структури кристалів за допомогою цих променів стали лауреатами Нобелівської премії з фізики. В даний час ми знаємо, що рентгенівські промені - це короткохвильове електромагнітне випромінювання з великою проникаючою здатністю.
Відкриття рентгенівських променів дало поштовх новим дослідженням. Їх вивчення призвело до нових відкриттів, одним з яких стало відкриття радіоактивності.
Явище радіоактивності було відкрито А. Беккерелем (1862-1908) і вивчено П'єром Кюрі (1859-1906) і його дружиною Марією Кюрі-Склодовської (1867-1934). 13 листопада 1903 подружжя Кюрі одночасно з Беккерелем отримують телеграму зі Стокгольма, про присудження їм трьом Нобелівської премії з фізики за видатні відкриття в галузі радіоактивності.
Виникнення і розвиток теорії атома
Творець первісної квантової теорії атома - найбільший фізик сучасності Нільс Бор (1885-1962).
Суть теорії Бора була виражена в трьох постулатах.
Існують деякі стаціонарні стани атома, знаходячись в яких він не випромінює і не поглинає енергії. Цим стаціонарним станам відповідають цілком певні (стаціонарні) орбіти.
Орбіта є стаціонарною, якщо момент кількості руху електрона (L = Mm) кратний h / 2 π = І, тобто L = mvr = n ħ, де n = 1, 2, 3, ... -Цілі числа.
3. При переході атома з одного стаціонарного стану в інший
випускається або поглинається один квант енергії hv nm = W n - W m де W n, W m -
енергія атома в двох стаціонарних станах, h - Постійна Планка, v nm
- Частота випромінювання. При W n> W m відбувається випромінювання кванта, при W n <
W m - Його поглинання.
* ♦. Це був переворот, хай поки що не
Ці постулати Бор використовував для розрахунку *** найпростішого атома (водню), розглядаючи спочатку найбільш просту його модель: нерухоме ядро, навколо якого по круговій орбіті обертається електрон. Пояснення спектра водню було великим успіхом Рис. 7. Модель атома Бора теорії Бора.
Квантові постулати Бора були лише першим кроком у створенні теорії атома, тому довелося скористатися наступним прийомом: спочатку завдання вирішувалося за допомогою класичної механіки (завідомо непридатною повністю до внутрішньоатомних рухів), а потім з усього безперервного безлічі станів руху, до яких призводить класична механіка, на основі квантових постулатів відбиралися квантові стани. Незважаючи на всю недосконалість цього методу, він призвів до великих успіхів - дозволив пояснити складні закономірності в атомних і молекулярних спектрах, осмислити природу хімічних взаємодій та ін Такий підхід, по суті, є окремим випадком загального принципу, що грає важливу роль в сучасній
теоретичної фізики - принципу відповідності, який свідчить, що будь-яка некласична теорія у відповідному граничному випадку переходить у класичну.
Важливим досягненням Бора та інших дослідників було розвиток уявлення про будову багатоелектронних атомів. Вжиті кроки у розвитку теорії будови більш складних (ніж водень) атомів і поясненні структури їх спектрів принесли деякі успіхи, однак тут дослідники зіткнулися з великими труднощами. Введення чотирьох квантових чисел, що характеризують стану електрона в атомі, встановлення принципу Паулі (згідно з яким дві тотожний частинки з напівцілим спіном не можуть одночасно перебувати в одному стані) і пояснення періодичної системи Менделєєва - великі успіхи теорії атома Бора.
Глава 10. Криза сучасної науки. На шляху до постнекласичної
науці XXI ст.
З середини XX ст. сучасна наука стала отримувати на свою адресу численні критичні оцінки з боку філософів, культурологів, діячів літератури і мистецтва. На їхню думку, техніка зменшує й дегуманізує людину, оточуючи його всуціль штучними предметами та пристроями, вона забирає його у живої природи, ввергаючи в потворно уніфікований світ, де мета поглинають кошти, де промислове виробництво перетворило людину в придаток машини, де вирішення всіх проблем бачиться в подальших технічних досягненнях, а не в людському їх вирішенні. Під впливом нескінченних технічних нововведень сучасне життя змінюється з нечуваною швидкістю.
До цієї гуманістичної критиці незабаром приєдналися більше тривожні конкретні факти несприятливих наслідків наукових досягнень. Небезпечне забруднення води, повітря, грунту планети, шкідливий вплив на тваринну і рослинне життя, вимирання незліченних видів, корінні порушення в екосистемі всієї планети - всі ці серйозні проблеми, що постали перед людиною, заявляли про себе все голосніше і наполегливіше.
Ці факти, які виразно проявляються у сучасній науці та світогляді, говорять про їх кризі, дозволити який зможе тільки нова глобальна світоглядна революція, частиною якої буде і нова революція в науці.
На порозі XXI ст. природознавство вступає в нову історичну фазу свого розвитку - на рівень постнекласичної науки.
Для постнекласичної науки характерно висування на перший план міждисциплінарних, комплексних і проблемно орієнтованих форм досліджень. У визначенні пізнавальних цілей науки все частіше починають грати вирішальну роль не внутрінаучние мети, а зовнішні для науки мети - цілі економічного, соціального, політичного, культурного характеру. Об'єктами сучасних міждисциплінарних досліджень стають унікальні системи, що характеризуються відкритістю і саморозвитком. Історично розвиваються системи являють собою більш складний тип об'єкта навіть у порівнянні з саморегульованими системами, тому що з плином часу вони формують нові рівні своєї організації, змінюють свою структуру, характеризуються принциповою необоротністю процесів і т.п. Серед таких систем особливе місце займають природні комплекси, в які включена людина (об'єкти екології, медико-біологічні об'єкти, об'єкти біотехнології, системи людина - машина та ін)
Постнекласична наука, на думку вчених-наукознавців, буде володіти такими рисами.
Перш за все, наука повинна буде усвідомити своє місце в загальній системі людської культури і світогляду. Все, що створено людиною, є частиною його культури, важливо і потрібно для людини, виконує свої власні завдання, але має і свої межі застосовності, які має усвідомлювати і не переходити. Саме це має зробити постнекласична наука - усвідомити межі своєї ефективності і плідності, визнати рівноправність таких сфер людської діяльності і культури, як релігія, філософія, мистецтво, визнати можливість і результативність нераціональних способів освоєння дійсності.
Постмодерна наука більше цікавиться чином самої себе як певної соціокультурної реальності, включає у свій предмет людини, допускаючи елементи суб'єктивності в об'єктивно-справжньому знанні. Це - сучасна тенденція гуманізаніі науки. Отриманий образ не є застиглим, остаточним, він орієнтований на безперервне оновлення, відкритий інновацій.
Важливою рисою постнекласичної науки повинна бути комплексність - стирання граней і перегородок між традиційно відокремленими природними, громадськими та технічними науками, інтенсифікація міждисциплінарних досліджень, неможливість вирішення наукових проблем, без залучення даних інших наук.
Наукова діяльність буде пов'язана з революцією в засобах зберігання та отримання знань (комп'ютеризація науки, використання складних і дорогих приладових комплексів, що наближають науку до промислового виробництва), із зростанням ролі математики.
Бібліографічний список
1. Бернал, Дж. Наука в історії суспільства / Дж. Бернал. - М.: Світ, 1958.
2. Віргінський, BC Нариси історії науки і техніки до середини XV ст. / BC Віргінський, В.Ф. Хотеенков .- М.: Просвещение, 1993.
3. Гайденко, П.П. Еволюція поняття науки / П.П. Гайденко. - М.: Думка, 1980.
4. Ільїн, В.В. Природа науки / В.В. Ільїн, О.Т. Калінкін. - М.: Знання, 1985.
5. Петров, М.К. Соціально-культурні підстави розвитку сучасної науки / М.К. Петров. - М.: Наука, 1992.
6. Тарнас, Р. Історія західного мислення / Р. Тарнас. - М.: Світ, 1995.
науці XXI ст.
З середини XX ст. сучасна наука стала отримувати на свою адресу численні критичні оцінки з боку філософів, культурологів, діячів літератури і мистецтва. На їхню думку, техніка зменшує й дегуманізує людину, оточуючи його всуціль штучними предметами та пристроями, вона забирає його у живої природи, ввергаючи в потворно уніфікований світ, де мета поглинають кошти, де промислове виробництво перетворило людину в придаток машини, де вирішення всіх проблем бачиться в подальших технічних досягненнях, а не в людському їх вирішенні. Під впливом нескінченних технічних нововведень сучасне життя змінюється з нечуваною швидкістю.
До цієї гуманістичної критиці незабаром приєдналися більше тривожні конкретні факти несприятливих наслідків наукових досягнень. Небезпечне забруднення води, повітря, грунту планети, шкідливий вплив на тваринну і рослинне життя, вимирання незліченних видів, корінні порушення в екосистемі всієї планети - всі ці серйозні проблеми, що постали перед людиною, заявляли про себе все голосніше і наполегливіше.
Ці факти, які виразно проявляються у сучасній науці та світогляді, говорять про їх кризі, дозволити який зможе тільки нова глобальна світоглядна революція, частиною якої буде і нова революція в науці.
На порозі XXI ст. природознавство вступає в нову історичну фазу свого розвитку - на рівень постнекласичної науки.
Для постнекласичної науки характерно висування на перший план міждисциплінарних, комплексних і проблемно орієнтованих форм досліджень. У визначенні пізнавальних цілей науки все частіше починають грати вирішальну роль не внутрінаучние мети, а зовнішні для науки мети - цілі економічного, соціального, політичного, культурного характеру. Об'єктами сучасних міждисциплінарних досліджень стають унікальні системи, що характеризуються відкритістю і саморозвитком. Історично розвиваються системи являють собою більш складний тип об'єкта навіть у порівнянні з саморегульованими системами, тому що з плином часу вони формують нові рівні своєї організації, змінюють свою структуру, характеризуються принциповою необоротністю процесів і т.п. Серед таких систем особливе місце займають природні комплекси, в які включена людина (об'єкти екології, медико-біологічні об'єкти, об'єкти біотехнології, системи людина - машина та ін)
Постнекласична наука, на думку вчених-наукознавців, буде володіти такими рисами.
Перш за все, наука повинна буде усвідомити своє місце в загальній системі людської культури і світогляду. Все, що створено людиною, є частиною його культури, важливо і потрібно для людини, виконує свої власні завдання, але має і свої межі застосовності, які має усвідомлювати і не переходити. Саме це має зробити постнекласична наука - усвідомити межі своєї ефективності і плідності, визнати рівноправність таких сфер людської діяльності і культури, як релігія, філософія, мистецтво, визнати можливість і результативність нераціональних способів освоєння дійсності.
Постмодерна наука більше цікавиться чином самої себе як певної соціокультурної реальності, включає у свій предмет людини, допускаючи елементи суб'єктивності в об'єктивно-справжньому знанні. Це - сучасна тенденція гуманізаніі науки. Отриманий образ не є застиглим, остаточним, він орієнтований на безперервне оновлення, відкритий інновацій.
Важливою рисою постнекласичної науки повинна бути комплексність - стирання граней і перегородок між традиційно відокремленими природними, громадськими та технічними науками, інтенсифікація міждисциплінарних досліджень, неможливість вирішення наукових проблем, без залучення даних інших наук.
Наукова діяльність буде пов'язана з революцією в засобах зберігання та отримання знань (комп'ютеризація науки, використання складних і дорогих приладових комплексів, що наближають науку до промислового виробництва), із зростанням ролі математики.
Бібліографічний список
1. Бернал, Дж. Наука в історії суспільства / Дж. Бернал. - М.: Світ, 1958.
2. Віргінський, BC Нариси історії науки і техніки до середини XV ст. / BC Віргінський, В.Ф. Хотеенков .- М.: Просвещение, 1993.
3. Гайденко, П.П. Еволюція поняття науки / П.П. Гайденко. - М.: Думка, 1980.
4. Ільїн, В.В. Природа науки / В.В. Ільїн, О.Т. Калінкін. - М.: Знання, 1985.
5. Петров, М.К. Соціально-культурні підстави розвитку сучасної науки / М.К. Петров. - М.: Наука, 1992.
6. Тарнас, Р. Історія західного мислення / Р. Тарнас. - М.: Світ, 1995.