Формування передумов науки та інженерії в епоху Відродження
Для нас важливо те, що в цей період відбувається зміна провідного культурного початку: на перше місце знову виходять раціональні, філософсько-наукові уявлення, з точки зору яких починають переосмисляется середньовічні поняття. Інша важлива особливість ренесансної культури - нове розуміння людини. Людина епохи Відродження усвідомлює себе вже не як тварини Божої, а вільним майстром, поставленим у центр світу, який з власної волі і бажанням може стати або нижчим, або вищою істотою. Хоча людина визнає своє Божественне походження, він і сам відчуває себе творцем.
Обидві зазначені особливості ренесансної культури призводять також до нового розуміння понять природа, наука і людська дія. На місце Божественних законів поступово стають природні, на місце прихованих Божественних сил, процесів і енергій - приховані природні процеси, а природа створена і що чинить перетворюється в поняття природи як джерела прихованих природних процесів, що підкоряються законам природи. Наука і знання тепер розуміються не тільки як описують природу, але і що виявляють, що встановлюють її закони. У даному випадку виявлення законів природи - це тільки почасти їх опис, що важливіше, виявлення законів природи передбачає їх конституювання. У понятті закону природи переглядають ідеї створення, а також подібності природного та людського (природа принципово пізнавана, її процеси можуть служити людині).
Нарешті, необхідною умовою діяльності людини, спрямованої на використання сил і енергій природи, є попереднє пізнання "законів природи". Інша необхідна умова - визначення пускових дій людини, так би мовити, що вивільняє, що запускають процеси природи. Аристотелівська ідея визначення останньої ланки, від якого розгортається практична діяльність трансформується в даному випадку в ідею пускових дій людини, після яких природа діє сама ("автоматично", як писав кілька століть пізніше П. Енгельмейер).
Таким чином закони природи, вважає ренесансний мислитель, може пізнати не тільки святий, але і звичайна людина (вчений). Однак поки що за умови, що він рефлексує свою діяльність, звіряючи її з Божественним зразком. У зв'язку з цим цікаво звернути увагу на подання про "природне мага" (свого роду предтечу інженера), що з'явилося в період Відродження. Піко делла Мірандола писав, що маг "викликає на світло сили, як якщо б з потаємних місць вони самі розповсюджувалися і заповнювали світ завдяки всеблагість Божої. Він не стільки творить чудеса, скільки скромно прислуговує творить чудеса природи. Глибоко вивчивши гармонію Всесвіту і з'ясувавши взаємне спорідненість природи речей, впливаючи на кожну річ особливими для неї стимулами, він викликає на світ дива, приховані в затишних куточках світу, в надрах природи, в запасниках і схованках Бога, як якщо б сама природа творила ці чудеса. Як винороб поєднує в шлюбі берест і вино, так і маг поєднує землю і небо, тобто нижчі речі він пов'язує з вищими і підпорядковує їм "[138, с. 9-10].
В особі вченого-інженера ренесансний мислитель може використовувати ці закони для творення потрібної людині "нової природи". У результаті зближуються і переосмислюються: закони природи й античні початку (ідеї, сутності, форми, причини); пізнання, рефлексія і технічні дії (перше і друге як умова третього, третього як момент обгрунтування першого і другого); божественний розум, космос і природа . Однак Відродження - це, образно кажучи, тільки горн, куди потрапили для переплавлення всі перераховані смисли розуміння природи, дорогоцінний ж новий сплав виходить лише в працях філософів Нового часу.
Ключовою фігурою тут, безумовно, є Ф. Бекон. Саме він робить останній крок, оголошуючи природу основним об'єктом нової науки і трактуючи природу повністю в природному модальності. Але, мабуть, не менше значення має трактування Беконом природи як умови практичного (інженерного) дії, що виробляє "нову природу", як джерела природних процесів, однак викликаних (запущених) практичними діями людини. "У дії, - пише Ф. Бекон, - людина не може нічого іншого, як тільки з'єднувати і розділяти тіла природи. Останнє природа здійснює всередині себе" [15, с. 108]. Не менш важливим є встановлена Беконом принципова зв'язок наукового пізнання і практичної дії. "Справа і мета людського могутності, - пише він, - у тому, щоб породжувати і повідомляти даному тілу нову природу або нові природи. Справа і мета людського знання в тому, щоб відкривати форму даної природи чи справжнє відміну, або виробляє природу, або джерела походження ... Що в Дії найбільш корисно, то в Знаннях найбільш істинно "[15, с. 197, 198, 200]. Тим самим Ф. Бекон закував в один ланцюг всі три ланки: уявлення про науковому пізнанні, про інженерний дії і про природу, як умови та об'єкті і першого і другого.
З цього періоду починає формуватися розуміння природи як нескінченного резервуара матеріалів, сил, енергій, які людина може використовувати за умови, якщо опише в науці закони природи.
Сьогодні ренесансні та пов'язані з XVI-XVII сторіччя уявлення про природу, науці і можливості людської дії, ймовірно, можуть бути сприйняті як цілком очевидні, відповідні самої суті (природі) цих речей. Але було б помилкою думати, що саме так і сприймали ці уявлення в ту епоху. Навпаки, ці подання були виключно революційними, їх розділяла лише невелика група вчених нової формації. Більш того, в ті часи навіть і для цих учених подібні уявлення, почасти, сприймалися як гіпотетичне знання. Дійсно, від задуму (реалізувати на основі науки сили природи) до реалізації дистанція була ще досить велика. З сучасної точки зору зрозуміло, що це був саме задум, своєрідний соціальний проект (на зразок платонівського держави) і було невідомо, чи вдасться цей задум реалізувати.
Реалізація задуму новоєвропейської науки в працях Галілея
Необхідно зупинитися на контексті, в якому відбувалося творчість Галілея. Один аспект цього контексту задавався ситуацією конкуренції коментарів до античних і середньовічних науковим текстам. Інший визначався новим розумінням природи, наукового знання і практичної дії. Як ми вже відзначали, пізнання природи, її законів розглядалося тепер як необхідної умови практичної діяльності, що використовує сили природи. Але як переконатися, що отримане в науці знання є саме тим, яке забезпечує ці умови, адже природу описували і пояснювали по-різному (саме цьому були присвячені середньовічні і возрожденческие коментарі до античної науки і філософії)? Відповідаючи на це кардинальне питання, вчені Нового часу прийшли до ідеї досвідченого обгрунтування отриманого в науці знання. Вони міркували, ймовірно, в такий спосіб. Наука повинна описувати і задавати закони природи. З іншого боку, сама природа пред'являє себе в досвіді. Якщо наука побудована правильно, то закони (теоретичні стану природи) будуть відповідати реальним станів природи, які спостерігаються в досвіді. Природно, що і наука тут розуміється інакше, ніж в античності або в Середні століття, і сама природа. Наука починає трактуватися як своєрідна модель природи, а природа - як моделируемая в науці (що пізніше виразилося в афоризмі "природа написана мовою математики"). Досвід же розглядається як спосіб засвідчення відповідності науки (теорії) і природи.
Але хіба можна встановлювати ізоморфізм об'єктів ("підлягає") і знань? Для Аристотеля немає. Але ідеї Платона, до речі, дуже популярні в епоху Відродження, допускають таку операцію. У філософії Платона, як відомо, якраз і встановлюється відповідність ідей і речей. Подвоєння дійсності (відповідність світу ідей світу речей), проти якого протестував Аристотель, в даному випадку співслужило свою плідну роль. Однак залишається кардинальне питання: яким чином досвід може засвідчити відповідність теорії і природи? Одна справа проголошувати цей принцип, інше - провести його в життя. Перший, кому це вдалося, і був великий Галілей, але для цього йому довелося досвід (ним є безпосереднє спостереження за явищами природи) трансформувати в експеримент, де відповідність теорії і явищ природи встановлювалося технічним шляхом, тобто штучно. Іншими словами, в досвіді природа завжди веде себе інакше, ніж наказує теорія, але в експерименті природа приводиться в стан, що відповідає вимогам теорії, і тому веде себе відповідно до теоретично виявленими в науці законами.
Галілей показав, що для використання науки з метою опису природних процесів природи годяться не будь-які наукові пояснення і знання, а лише такі, які, з одного боку, описують реальну поведінку об'єктів природи, але, з іншого - це опис припускає проектування на об'єкти природи наукової теорії. Іншими словами, природничо теорія повинна описувати поведінку ідеальних об'єктів, але таких, яким відповідають певні реальні об'єкти. Яка ж ідеалізація цікавила Галілея? Та, яка забезпечувала оволодіння природними процесами: добре їх описувала (в науковій теорії) і дозволяла ними керувати (передбачати їх характер, створювати необхідні умови, запускати практично). Установка Галілея на побудову теорії і одночасно на інженерні програми змушує його проектувати на реальні об'єкти (падаючі тіла) характеристики моделей і теоретичних відносин, тобто уподібнювати реальний об'єкт ідеальному. Однак оскільки вони різні, Галілей розщеплює в знанні реальний об'єкт на дві складові. Одна складова точно відповідала ідеального об'єкту (конкретно в дослідженні Галілея мова йшла про вільне падіння тіла в порожнечі, описуваному законом рівномірного збільшення швидкості цього тіла), інша відрізнялася від нього. Ця друга складова розглядається Галілеєм як ідеальну поведінку, спотворене впливом різних факторів - середовища, тертя, взаємодії тіла і похилої площини і т.п. Потім ця друга складова реального об'єкта, що відрізняє його від ідеального об'єкта, елімінується (точніше, зменшується настільки, щоб її можна було не враховувати) в експерименті технічним способом.
До Галілея наукове вивчення завжди мислилося як отримання про об'єкт наукових знань за умови константності, незмінності самого об'єкта. Нікому з дослідників не приходило в голову практично змінювати реальний об'єкт (у цьому випадку він задумувався б як інший об'єкт). Вчені йшли в іншому напрямку, намагаючись так вдосконалити модель і теорію, щоб вони повністю описували поведінку реального об'єкта. Розщеплення реального об'єкта на дві складові і переконання, що теорія задає справжню природу об'єкта, яка може бути проявлена не тільки в знанні, але й у досвіді, що спрямовується знанням, тобто експерименті, дозволяє Галілею мислити інакше. Він замислюється над питанням про можливість так змінити сам реальний об'єкт, практично вплинувши на нього, щоб уже не потрібно було змінювати його модель, оскільки об'єкт стане відповідати їй. Саме на цьому шляху Галілей і досяг успіху. Отже, на відміну від дослідів, які проводили багато вчених і до Галілея, експеримент передбачає, з одного боку, виокремлення в реальному об'єкті ідеальної складової (при проектуванні на реальний об'єкт теорії), а з іншого - переклад технічним шляхом реального об'єкта в ідеальний стан, тобто повністю відображається у теорії [77, с. 129-145]. Цікаво, що досвідченим шляхом Галілей зміг перевірити лише той випадок, де можна було не враховувати дію основних сил опору. У реальній практиці подібна ситуація не мала місця, вона була ідеальною, обчисленої теоретично, реалізованої технічним шляхом. Але виявилося, що майбутнє саме за такими ідеальними ситуаціями; вони відкривали нову епоху в практиці людини - еру інженерії, що спирається на науку.
Відзначимо ще, що галілеївських експеримент підготував грунт для формування інженерних уявлень, наприклад уявлення про механізм. Дійсно, фізичний механізм містить не тільки опис взаємодії певних природних сил і процесів (наприклад, у Галілея вільне падіння тіл включає процес рівномірного збільшення швидкостей падаючого тіла, що відбувається під впливом його ваги), а й умови, що визначають ці сили і процеси (на падаюче тіло діє середовище - повітря, створює дві сили - архимедову Виштовхуючу силу і силу тертя, що виникає тому, що при падінні тіло розсовує і відштовхує частинки середовища). Важливо і така обставина: серед параметрів, що характеризують ці умови, фізик, як правило, виявляє і такі, які він може контролювати сам. Так Галілей визначив, що такі параметри тіла як його обсяг, вага, обробка поверхні він може контролювати, можна, виявилося, контролювати навіть швидкість тіла, уповільнивши на похилій площині його падіння. У результаті Галілею вдалося створити такі умови, в яких падаюче тіло вело себе строго у відповідності з теорією, тобто прирощення його швидкості відбувалося рівномірно і швидкість тіла не залежала від його ваги. (У звичайних, неексперіментальних, умови спостерігаються випадки, коли тіла в середовищі падають рівномірно і важке тіло швидше, ніж легке. Галілей визначив, що ці випадки мають місце при певному співвідношенні ваги і діаметра тіла) [77; 13].
Та підкреслимо ще раз, що для цього необхідно було охарактеризувати не тільки природні взаємодії та процеси, не тільки визначити умови, що детермінують їх, але і контролювати в експерименті ряд параметрів цих природних процесів. Контролюючи, змінюючи, впливаючи на ці параметри, Галілей зміг в експерименті підтвердити свою теорію. Надалі інженери, визначаючи, розраховуючи потрібні для технічних цілей параметри природних взаємодій, навчилися створювати механізми і машини, які реалізують дані технічні цілі.
Інженерне творчість Х. Гюйгенса. Дослідження Г. Галілея створили всі необхідні умови для здійснення останнього вирішального кроку - створення перших зразків інженерної діяльності. Розробка (винахід) експерименту дозволила Галілею задати технічним шляхом відповідність між теорією і станами природних явищ (процесів). Точніше, треба б говорити про відповідність (ізоморфізмі) станів ідеальних об'єктів теорії станам експериментально виділеного реального природного процесу. Встановлення подібного ізоморфізму відкривало дорогу для широкого використання теорії, для випереджаючого отримання знань, для точного визначення параметрів реального об'єкта, який забезпечував запуск і використання сил і енергій природи. Якщо ізоморфізм теорії і реального процесу має місце, то ми отримуємо ситуацію, схожу з тією, з якою працювали античні філософи-техніки (Архіт, Евдокс, Архімед).
Галілей не ставив собі за спеціальною метою отримання знань, необхідних для створення технічних пристроїв, для визначення параметрів реальних об'єктів, які можна покласти в основу таких пристроїв. Коли він вийшов на ідею використання похилій площині і далі визначив її параметри, то він вирішував це завдання як одну з побічних у відношенні основної - побудови нової науки, яка описує закони природи. Гюйгенс ж своїм основним завданням ставить завдання, яка по відношенню до галилеевской виступає як зворотна. Якщо Галілей вважав заданим певний природний процес (вільне падіння тіла) і далі будував знання (теорію), що описує закон протікання цього процесу, то Х. Гюйгенс ставить перед собою зворотну задачу: по заданому в теорії знання (співвідношенню параметрів ідеального процесу) визначити характеристики реального природного процесу, що відповідає цьому знання. Насправді, як показує аналіз роботи Гюйгенса, завдання, яке він вирішував, була більш складна: визначити не тільки характеристики природного процесу, що описується заданим теоретичним знанням, але також отримати в теорії додаткові знання, необхідні для з'ясування механізму явища, витримати умови, що забезпечують ставлення ізоморфізму, визначити параметри об'єкта, які може регулювати сам дослідник. Крім того, виявлені параметри потрібно було конструктивно погодити з іншими, обумовленими на основі рецептурних міркувань так, щоб у цілому вийшло чинне технічний пристрій, в якому б реалізувався природний процес, що описується початково заданим теоретичним знанням. Іншими словами, Х. Гюйгенс намагається реалізувати мрію і задум техніків і вчених Нового часу: виходячи з наукових теоретичних міркувань запустити реальний природний процес, зробивши його наслідком людської діяльності. І треба сказати, це йому вдалося. Конкретно інженерне завдання, що стоїть перед Гюйгенсом, полягала в необхідності сконструювати годинник з ізохронний хитанням маятника, тобто підпорядковується певного фізичного співвідношенню (час падіння такого маятника від будь-якої точки шляху до самої його низької точки не повинно залежати від висоти падіння). Аналізуючи рух тіла, яке задовольняє такому співвідношенню, Гюйгенс приходить до висновку, що маятник буде рухатися ізохронної, якщо буде падати по циклоїді, зверненої вершиною вниз. Відкривши далі, "що розгортка циклоїди є також циклоїда", він підвісив маятник на нитці і помістив по обидва її боки циклоїдальний-вигнуті смуги так, "щоб при гойданні нитку з обох сторін прилягала до кривих поверхнях. Тоді маятник дійсно описував циклоїди" [32 , с. 12-33, 79, 91].
Таким чином, виходячи з технічного вимоги, пред'явленого до функціонування маятника, і знань механіки, Гюйгенс визначив конструкцію, яка може задовольняти даній вимозі. Вирішуючи цю технічну задачу, він відмовляється від традиційного методу проб і помилок, типового для античної та середньовічної технічної діяльності, і звертається до науки. Гюйгенс зводить дії окремих частин механізму годинника до природних процесів і закономірностям і потім, теоретично описавши їх, використовує отримані знання для визначення конструктивних характеристик нового механізму. Такого висновку передували дослідження з механіки, що йдуть в руслі ідей "Бесід ...". Не забуває Гюйгенс при цьому і своєї кінцевої мети. "Для вивчення його (маятника) природи, - пише він, - я повинен був провести дослідження про центр хитання ... Я тут довів ряд теорем ... Але всьому я предпосилаєтся опис механічного пристрою годинника ..." [32, с. 10].
Іншими словами, Гюйгенс спирається на встановлені Галілеєм відносини між науковим знанням (ідеальними об'єктами) і реальним "експериментальним" об'єктом. Але якщо Галілей показав як приводити реальний об'єкт у відповідність з ідеальним і, навпаки, перетворювати цей ідеальний об'єкт в "експериментальну" модель, то Гюйгенс продемонстрував, яким чином отриманий в теорії та експерименті відповідність ідеального і реального об'єктів використовувати в технічних цілях. Тим самим Гюйгенс і Галілей практично здійснили те цілеспрямоване застосування наукових знань, що і складає основу інженерного мислення та діяльності. Для інженера будь-який об'єкт, щодо якого стоїть технічна задача, виступає, з одного боку, як явище природи, що підкоряється природнім законам, а з іншого - як знаряддя, механізм, машина, споруда, які необхідно побудувати штучним шляхом ("як іншу природу") . Поєднання в інженерній діяльності "природною" і "штучної" орієнтації змушує інженера спиратися і на науку, з якої він черпає знання про природні процеси, і на існуючу техніку, де він запозичує знання про матеріали, конструкції, їх технічні властивості, способи виготовлення і т . д. Поєднуючи ці два роди знань, інженер знаходить тих "точок" природи і практики, в яких, з одного боку, задовольняють вимоги, що пред'являються до даного об'єкту його вживанням, а з іншого - відбувається збіг природних процесів і дій виробника. Якщо інженеру вдається в такий двошарової "дійсності" виділити безперервний ланцюг процесів природи, що діє так, як це необхідно для функціонування створюваного об'єкта, а також знайти в практиці кошти для "запуску" та "підтримки" процесів в такому колі, то він досягає своєї мети . Так Гюйгенс зміг показати, що ізохронної рух маятника може бути забезпечено конструкцією, що представляє собою розгортку циклоїди. Падіння маятника, видозмінене такою конструкцією, викликало природний процес, що відповідає як наукових знань механіки, так і інженерним вимогам до механізму годин.
У своєму трактаті Гюйгенс перераховує завдання, які йому необхідно було вирішити: довелося розгорнути вчення Галілея про падіння тіл, довівши ряд нових теорем, вивчити розгортки кривих ліній (в результаті Гюйгенс створив теорію еволют і евольвент), провести дослідження про центр хитання маятника і, нарешті , втілити отримані знання в конкретному механічному пристрої годин. З робіт Гюйгенса природничонаукові знання (механіки, оптики та ін) починають систематично використовуватися для створення різноманітних технічних пристроїв. Для цього в природному науці інженер-науковець виділяє або будує спеціальну групу теоретичних знань. При цьому саме інженерні вимоги і характеристики створюваного технічного пристрою впливають на вибір таких знань або формулювання нових теоретичних положень, які потрібно довести в теорії. Ці ж вимоги і характеристики (у разі дослідження Гюйгенса - це була вимога побудувати ізохронний маятник, а також технічні характеристики створюваних в той час механічних конструкцій) показують, які фізичні процеси і фактори необхідно розглянути (падіння і піднесення тіл, властивості циклоїди і її розгортки, падіння вагомого тіла по циклоїді), а якими можна знехтувати (опором повітря, тертям нитки про поверхню). Нарешті, дослідження в теорії дозволяє перейти до перших зразків інженерного розрахунку.
Розрахунок в даному випадку, правда, передбачав не тільки застосування вже отриманих в теорії знань механіки, оптики, гідравліки і т.д., але і, як правило, їх попереднє побудова теоретичним шляхом. Розрахунок - це визначення характеристик технічного пристрою, виходячи, з одного боку, із заданих технічних параметрів (тобто таких, які інженер ставив сам і міг контролювати в існуючій технології) і, з іншого - з теоретичного опису фізичного процесу, який потрібно було реалізовувати технічним шляхом. Опис фізичного процесу бралося з теорії, потім певним характеристикам цього процесу додавалися значення технічних параметрів і, нарешті, виходячи зі співвідношень, що зв'язують в теорії характеристики фізичного процесу, визначалися ті параметри, які цікавили інженера. У трактаті про годинник Гюйгенс провів кілька розрахунків: довжини простого ізохронного маятника, способу регулювання ходу годинника, центрів хитання об'ємних тіл. Фактично вже теорії Архімеда містили своєрідні розрахунки (наприклад, стійкості плаваючих тіл), і, можливо, великий учений античності розраховував з їх допомогою технічні конструкції. Однак для Архімеда розрахунок - діяльність, що лежить за межами науки. Розрахувати технічна споруда в розумінні Архімеда, ймовірно, ні що інше, як визначити один з окремих випадків існування математичної ідеї (сутності). Для вченого такого калібру як Архімед подібні завдання цілком можна було вирішити, і, судячи з створеним ним механізмам, він їх вирішував (і не один раз).
Дослідження Гюйгенса цікаво ще в одному відношенні: у його роботі наводяться не тільки описи відповідних математичних кривих і рухаються по цим кривим тіл (тобто ідеальні об'єкти математики і механіки), але також зображення конструкції годин або їх елементів (наприклад, циклоїдальний-вигнутих смужок). Таке поєднання в одному дослідженні описів двох різних типів об'єктів (ідеальних і технічних) дозволяє не тільки аргументувати вибір і побудова певних ідеальних об'єктів, але і розуміти всі дослідження особливим чином: це і не суто наукове пізнання, і не просто технічне конструювання, а саме інженерна діяльність. На її основі складається і особлива інженерна реальність. У рамках цієї реальності в XVIII, XIX і на початку XX століття формуються основні види інженерної діяльності: інженерна винахідництво, конструювання, інженерне проектування.
Винахідницька діяльність являє собою повний цикл інженерної діяльності (ми його розглянули на прикладі роботи Гюйгенса): винахідник встановлює зв'язки між всіма основними компонентами інженерної реальності - функціями інженерного пристрої, природними процесами, природними умовами, конструкціями (при цьому всі ці компоненти знаходяться, описуються, розраховуються ).
Конструювання - це неповний цикл інженерної діяльності: зв'язку між основними компонентами інженерної реальності вже встановлені у винахідницькій діяльності. Завдання конструювання інша - спираючись на ці зв'язки, визначити (в тому числі і розрахувати) конструктивне пристрій інженерної споруди. Конструювання - це такий момент створення інженерного об'єкта, який дозволяє інженеру, з одного боку, задовольнити різні вимоги до цього об'єкту (призначенням, характеристиками роботи, особливостей дії, умов і т.д.), а з іншого - знайти такі конструкції і так їх з'єднати, щоб забезпечувався потрібний природний процес (з потрібними параметрами), щоб цей процес можна було запустити і підтримати в інженерному пристрої. І винахід, і конструювання, і вхідні в них розрахунки потребували, з одного боку, в спеціальних знакових засобах інженерної діяльності (схемах, зображеннях, кресленнях), з іншого - у спеціальних знаннях. Спочатку це були знання двоякого роду - природничі (відібрані або спеціально побудовані) і власне технологічні (описи конструкцій, технологічних операцій і т.д.). Пізніше природничонаукові знання були замінені знаннями технічних наук.
В інженерному проектуванні подібна задача (визначення конструкції інженерного пристрою) вирішується інакше - проектним способом: у проекті без звернення до досвідчених зразків імітуються і задаються функціонування, будова і спосіб виготовлення інженерного устаткування (машини, механізму, інженерної споруди).
Оскільки інженерний етап розвитку техніки істотно пов'язаний з розвитком і технічних наук, і проектування, розглянемо послідовно і те, й інше.