Іллічов А. Т.
Історичний екскурс у минуле фізики, поза всяким сумнівом, дозволяє краще зрозуміти логіку формування і розвитку цієї науки, яка призвела до сучасного її стану. Нам видається, що розуміння причини виникнення фізики, її початкових цілей, знайомство з етапами її розвитку та ходом думки її творців, сприяє інтеграції фізичного наукового знання в світоглядний комплекс учня і перешкоджає відокремлення цієї науки в окрему світоглядну категорію. Ми сподіваємося, що знайомство з історією науки допомагає формуванню незалежного мислення, яке, як писав знаменитий фізик Дж. Дж. Томсон, наводить "... до віри в Бога, яка є підстава релігії". Крім чисто гуманітарних відомостей про історичні етапи розвитку фізики і біографіях найбільш видатних вчених, які відіграли значну роль у її формуванні та розвитку, знайомство з історією фізики може сприяти ефективності засвоєння концептуальних положень цієї науки, так як інформація про розвиток науки очевидним чином має і суто методичну складову .
Ми приступаємо до публікації серії матеріалів, у яких буде розказано про виникнення і основні етапи розвитку розділів фізики, що вивчаються в середній школі. Почнемо з механіки матеріальної точки і твердого тіла, якій належить безперечне право відкривати будь-який курс фізики. Для справжньої публікації використано матеріали книги Маріо Льоцці "Історія фізики", перекладеної на російську мову у видавництві "Світ" в 1971 р.
Рівень техніки та культури.
Наявність великого комплексу практичних знань і технічних навичок, високий загальний культурний рівень, а також мову, вже відточений на тонких філософських і математичних дослідженнях, - все це створило грунт в Греції у IV столітті до н. е.. для початку роботи з опису, упорядкування і пояснення явищ природи. Навколо цього ядра протягом століть сформувалася фізика (від слова physis - природа) в сучасному її розумінні.
Практичні знання та технічний досвід, як і деякі початки наукових досліджень, прийшли до греків від народів ще більш древньої культури, в першу чергу з Вавилона і Єгипту; найдавніші наукові досягнення Китаю, початок яких можна віднести до XIII століття до н. е.., мабуть, не вплинули на грецьку культуру.
З глибокої давнини, можливо більше ніж за 3000 років до н. е.., прийшли такі винаходи, як обпалена цегла, гончарний круг, колісний екіпаж. Практичне застосування цих винаходів належить приблизно до періоду близько 3000 років до н. е.., який в історії техніки носить назву першої промислової революції. Дещо пізніше були відкриті способи виплавки та обробки металів, винайдені веслові та парусні судна, застосовані плуг, ваги, схил, рівень, кутомір, циркуль, кліщі. У другому тисячолітті до н. е.. були винайдені ковальські міхи, важелі, клин, домкрат, блоки, сифон, водяний годинник.
Разом з першими цивільними інститутами з'являється відповідна техніка, що вже достатньо розвинена на зорі грецької цивілізації: водопостачання, зрошення і осушення земель; техніка, пов'язана з виробництвом продуктів харчування (обробка зернових, приготування борошна і хліба, використання процесів бродіння і т. п.); техніка виготовлення фарб, лаків, застосування яких в самій глибокої давнини обумовлено не стільки прагненням до краси, скільки релігійним значенням зображень; виробництво і застосування пахощів і притирань, вживалися спочатку по гігієнічних і ритуальним міркувань і лише потім вже в косметичних цілях.
Якщо уявити собі, якого рівня знань, якої високої організації та винахідливості вимагала ця техніка, то стає зрозуміло, чому велика частина істориків всупереч поширеній думці вважає тепер, що не техніка виникає як застосування науки, а, навпаки, наука розвивається на базі широкого технічного досвіду , поступово накопиченого людством протягом тисячоліть. Лише значно пізніше, приблизно в еллінський період, наука починає приносити деяку користь техніці, у свою чергу, збагачуючись за її рахунок.
Важко припустити, що найрізноманітніші практичні знання, які людина, спонукуваний необхідністю зробити своє життя більш безпечним і більш легкої, накопичив у зіткненні з силами природи, були придбані пасивно, без тривалого спостереження основних явищ природи, без якого б то не було експерименту, хоча б самого примітивного. Є деякі вказівки, що і до древніх греків люди не обмежувалися суто пасивним сприйняттям. Так, ще у Вавілоні й Древньому Єгипті було здійснено ряд спроб упорядкування даних досвіду і спостереження: запровадження вже до 2500 р. до н. е.. фіксованих одиниць вимірювання довжини, ваги і ємності; усвідомлення періодичного чергування пір року, поділ року на місяці, дні та години. Але ці приклади ще настільки нечисленні і невизначені, що ми змушені розглядати весь комплекс практичних знань стародавніх народів лише як сировина для подальшого побудови фізики.
Загальний рівень грецької культури, безсумнівно, сприяв тому, що техніка виросла в науку, що зв'язує воєдино і пояснює сукупність накопичених відомостей і дозволяє таким чином передбачати явища та впливати на них.
Рівень культури визначався не лише літературними традиціями, пишним розквітом філософських шкіл протягом двох століть, починаючи з Фалеса Мілетського (близько 642-548) і аж до Платона (428-348). Як відомо, праці тих філософів, які жили до Сократа, збереглися головним чином у вигляді цитат, розсіяних в працях більш пізніх авторів. Але з цих уривків, як і з інших древніх джерел, не видно, щоб грецькі філософи аж до Платона цікавилися власне фізичними питаннями, тобто окремими явищами природи і властивостями конкретних предметів. Навпаки, вони з властивими юності поривом, зухвалістю і свіжістю наважувалися відразу на дослідження першооснови всіх речей, ставлячи перед собою загальні проблеми світобудови, що при незнанні конкретних законів природи неминуче брало явно метафізичний характер. Тому їх умоглядні побудови, що представляють інтерес для історії філософії, не мають суттєвого значення для історії фізики.
Цей історичний огляд не означає, що ми заперечуємо вплив грецької філософії перших двох століть на історію фізики. Міркування філософів ионической школи про першооснову, Пифагорейское вчення про чотири стихії, атомізм Левкіппа і Демокріта, анімізм Платона послужать дороговказними віхами і джерелом натхнення також і для фізиків, коли, як ми переконаємося в подальшому, вони, озброєні знанням конкретних фактів, знову повернуться до спроби створити більш широку і вже більш обгрунтовану єдину картину світу.
Саме тому праці перших філософських шкіл представляють собою елемент культурного фону, який сприяє розвитку наукових досліджень і робить можливою появу наукової мови. Була створена та сукупність способів вираження, причинних зв'язків, логічних підходів, та основа "загальноприйнятого сенсу", або наукового "здорового глузду", який завжди буде "загальноприйнятим" і "здоровим" не в абсолютному значенні, а лише щодо рівня культури людства певної епохи .
Аристотель.
Якби праці філософів того часу не були втрачені, можливо, ми виявили б вже у працях, створених у перші два століття грецькою філософією, сліди спостережень і дослідів над конкретними явищами і тілами.
Це припущення підтверджується першою значною спробою наукової систематизації - працями Аристотеля про природу, включеними у велику енциклопедію знань, яка явно не могла бути підсумком творчості однієї людини, а являла собою результат співпраці багатьох людей чи багатьох поколінь. Організаторський геній Аристотеля дозволив звести великий матеріал в єдине ціле, в єдину систему, яка протягом майже двох тисяч років служила каркасом науки.
Аристотель народився в Стагире, у Фракії, в 384 р. до н. е.. Він був учнем Платона. Покинувши Афіни після смерті свого вчителя, він відправився подорожувати по Греції. З 343 по 340 р. він знаходився при дворі Філіппа Македонського як вихователя його сина - майбутнього Олександра Великого. У 335 р. Аристотель повернувся до Афін і заснував там свою школу - "Лікей", названу так за іменем священного саду Аполлона, в якому вона була розташована. Він керував цією школою 12 років, поки після смерті Олександра Великого гору в Афінах не взяла антімакедонcкая реакція, і Аристотеля довелося бігти і шукати притулку в Халкіді, де він і помер у 322 р. до н. е.. у віці 63 років.
Твори Аристотеля у формі діалогів в основному загублені, тоді як його праці, написані в оповідній манері, майже всі збереглися. Серед них з точки зору фізики представляють інтерес наступні трактати: "Physical (" Фізика ")," De Coelo "(" Про небо ")," De generatione et corruptione "(" Про виникнення і знищення ")," Мeteorologia "(" Метеорологія "). До них слід додати" Problemata "(" Проблеми ") і" Mechanical ("Механіка"), написані у формі запитань і відповідей, хоча авторство Аристотеля для цих двох творів точно не встановлено.
Натурфілософські роботи Арістотеля систематизують всі фізичні знання того часу; них викладаються, а місцями і спростовуються погляди передувала епохи. Аристотель, борючись з піфагорейської і Платонова містикою, намагався заснувати фізику на спостереженні та експерименті.
Особливий інтерес для нас представляє аристотелево вчення про рух, що панувало у фізиці протягом півтора тисячоліть і стало піддаватися запеклим нападкам лише пізніше, починаючи з епохи Відродження. Руху Аристотель надавав значно ширший зміст, ніж прийнято у фізиці з часів Галілея. Аристотель розуміє під рухом будь-кількісне або якісне зміна, завдяки якому явище реалізується. Таке широке розуміння руху дозволяє йому стверджувати, що в природі все є рух. Приватному поняттю зміни положення тіла з плином часу він дав найменування локального руху, а локальні руху він поділяв на природні і насильницькі, тим самим заперечуючи безперервність явищ та їх однорідність, і вводячи залежність від того, чи відбуваються ці рухи через природні або по випадкових причин.
Природні рухи бувають прямолінійними, як, наприклад, ті рухи, які ми постійно бачимо навколо себе (падіння важких тіл, підйом легких тіл), або круговими, подібно круговращению зірок. Регулярність і вічність кругообертання зірок повинні мати якусь причину, яку Арістотель вбачав у нерухомому першодвигун, що повідомляє рух всіх сфер, до яких прикріплені зірки і центр яких співпадає з центром Землі. Якщо уявлення про нерухомому першодвигун було поняттям, безумовно, метафізичним і навіть теологічним, то приміщення Землі в центрі світобудови відповідало даними повсякденного досвіду, який показував, що зірки обертаються навколо Землі.
Даним грубих спостереження відповідають також закони Аристотеля для природного руху тіл в підмісячному світі. З повсякденного досвіду відомо, що є тіла, які падають вниз, і тіла, які підносяться вгору (наприклад, дим або вогонь). Звідси робиться висновок, що важкі тіла, природно, прагнуть до "свого місця", що знаходиться в центрі Землі, а легкі прагнуть увись, до граничної поверхні світової сфери. У всіх випадках всі тіла, важкі або легкі, прагнуть до свого природного місця.
За Аристотелем, траєкторія ядра або кинутого тіла складається з трьох частин: перша частина - прямолінійна похила, третя - прямолінійна вертикальна, а друга - кругова, що з'єднує першу з третьою. Ця точка зору протрималася аж до 1546 р., коли з'явилася праця Тартальї "Проблеми і різні винаходи".
Але яким же чином кинуте тіло підтримує свій рух? Причина цього не може критися ні в самому тілі, ні в механізмі, який привів тіло в рух і вже покинуть тілом, так що не може більше на нього впливати. Значить, криється вона в середовищі. І Арістотель придумує хитромудру теорію, згідно з якою кинуте тіло безперервно підштовхується, як вітрило на вітрі, повітрям, який прагне зайняти місце, що звільняються в своєму русі кинутим тілом.
Випливає звідси динаміка вельми схожа на сучасну. У динаміці Аристотеля рухається тіло безперервно перебуває під дією деякої сили і швидкість його прямо пропорційна прикладеній силі і обернено пропорційна опору середовища. Звідси випливає, що у порожнечі, де опір середовища відсутня, швидкість стала б нескінченно великою, тобто тіло набуло б властивість всюдисущості. Це наслідок настільки суперечить звичайним уявленням, що Аристотель приходить до висновку про неможливість існування порожнечі в природі. Такий висновок прямо протилежний твердженням атомістів, для яких рух якраз було неможливо в заповненому просторі. З цього питання Аристотель докладно полемізує з атомістами, приводячи в підтримку свого становища інші аргументи. Якщо прийняти існування порожнечі, говорить Аристотель, то неможливо було б сказати, чому тіло, що знаходиться в русі, має зупинитися саме тут, а не там, бо порожнеча як така не несе в собі ніякої відмінності. Більш того, можна навіть сказати, що у порожнечі все має бути в спокої, тому що немає ніяких підстав для того, щоб тіло почало рухатися в тому чи іншому напрямку, з більшою чи меншою швидкістю. Загалом головний аргумент Арістотеля проти існування порожнечі полягає в тому, що в ній не можна виділити ніякого кращого напрямки: ні верху, ні низу, ні правого, ні лівого. Порожнеча пасивна і незворушна. Отже, її немає в нашому обмеженому світі. Очевидно, тут ми маємо приклад швидше зловживання, ніж вживання принципу достатньої підстави.
Боязнь порожнечі (horror vacui) стала згодом основою арістотелевой фізики, і полеміка між прихильниками і супротивниками порожнечі тривала аж до епохи Відродження наукового (а може бути, і пізніше, бо суперечки про ефір можна вважати її продовженням). Але щоб почути нове слово про цю фізичну проблему, треба було дочекатися досвіду Торрічеллі в 1644 р.
Другим безпосереднім наслідком арістотелевой динаміки був висновок про те, що швидкість падіння тіла в даному середовищі пропорційна вазі тіла. Цей висновок відповідав повсякденним спостереженнями: яблуко падає швидше, ніж аркуш. Виявлення ж поступового збільшення швидкості падаючого тіла є плодом неквапливих, але уважних і тривалих спостережень. Аристотель приписував це збільшення швидкості поступового збільшення ваги тіла в міру наближення до визначених місцем.
Деякі історики науки хотіли бачити в суперечці Аристотеля з прихильниками порожнечі формулювання принципу інерції. Але те місце в "Фізики" (Арістотель Фізика, М. 1937; IV, 8, 215-219), в якому дійсно викладається цей принцип, наведено лише як доказ абсурдності висновків, до яких призвело б допущення існування порожнечі; цей зміст і був однобічно розвинений надалі послідовниками Арістотеля.
Великою заслугою арістотелевой кінематики було формулювання точного правила додавання переміщень, нехай лише для окремого випадку переміщень, перпендикулярних один до одного.
До даних сучасної науки найближче стоять також дослідження Аристотеля по статиці. Він дає формулювання правила рівноваги важеля, споріднену майбутньому принципом можливих переміщень, і описує дію ваг і блоків.
У працях Аристотеля, особливо в "Проблемах", містяться численні відомості з області музики, метеорології, фізики, прикладної механіки: там є натяк на поняття кінетичної енергії, опис осмотичних явищ, правильні думки про поширення звуку в повітрі, пояснення луни як явища відбиття, аналогічне (але помилкове) пояснення веселки, спроба експериментального визначення ваги повітря, роздуми про поширення світла і т.д. Весь цей комплекс відомостей гідний самого великої поваги і ще раз показує, що аристотелева фізика була заснована на спостереженнях і частково на дослідах. Чого не вистачало арістотелевой фізики - це аналітичної обробки, критичності і обережності при узагальненнях. Можна сказати, що сучасна фізика відноситься до даних експерименту з критичною обережністю, тоді як аристотелева наука ставилася до них з наївним простодушністю. Щоб бути конкретними, вкажемо на те, що аристотелева механіка не володіла силою абстракції, достатньою для вироблення поняття пасивного опору, а фізика не відчула, що при вивченні явищ в штучних умовах можна іноді з'ясувати такі речі, які не можуть бути виявлені шляхом простих спостережень . Ці зауваження не можуть, звичайно, служити поясненням невдач Аристотеля в галузі фізики; вони лише вказують на недостатність його методів дослідження. Пояснення ж причин, чому Арістотель і його школа не зуміли скористатися абстракцією і інтуїцією у вказаному вище сенсі, - це стара проблема, до цих пір ще не вирішена.