Лекции / КСЕ (Концепции современного естествознания) / kurs_lekciy_koncepcii_sovremennogo_estestvoznaniya / лекц4-Класс мех

Лекция 4

Процесс становления науки, начавшийся в Древней Греции, оказался весьма длительным и продолжался вплоть до 16 – 17 веков, когда наука окончательно сформировалась как специфический вид деятельности и как социальный институт. Заметный вклад внесла в этот процесс эпоха средневековья, в значительной степени – благодаря укреплению христианства.

Христианство способствовало развитию науки в большой степени благодаря своей монотеистичности. Все трансцендентное, недоступное объективному анализу, концентрирует в себе Бог, поэтому природа, существующая независимо от Бога, такому анализу становится доступной. Кроме того, в тех религиях, которые включают в себя много богов, объективный анализ явлений природы становится невозможным из-за того, что объяснения таких явлений включают в себя конфликты враждующих друг с другом богов, и всегда можно приписать разным богам ответственность за те частные события, которые требуется в данный момент объяснить. Наконец, христианство очень определенно ставит человека в центр мироздания, что допускает со стороны человека познание этого мироздания.

Однако, тот взгляд на природу, который сложился к началу 17 века, во многом объясняет те неприятности экологического плана, которые мы наблюдаем в наше время. Наличие души, т. е. вместилища божественного духа, признавалось только за человеком, все животные считались «бездушными тварями», что привело к преодолению этических сомнений по поводу проведения опытов над животными: если животное есть машина, то вскрытие живого организма ничем не отличается от разборки часов. Соответственно, и изымание животных из природы не считалось действием, наносящим природе особый ущерб. Т.е. иерархия была такой: Бог наверху, он выше всего. Пониже него существует человек, а остальная природа существенно ниже человека и как бы создана для его, человека, существования.

Вообще в то время контакты с природой в нашем понимании были редкостью. Наедине с природой время от времени оставались только торговцы-путешественники, которые, преодолевая долгие пути, испытывали трудности и с навигацией, и со сменой климатических зон в разных местах Земли, и с враждебным отношением местных племен, поэтому с того времени взаимодействие с природой обычно называлось борьбой, а сама природа объявлялась противником человека в его стремлении к достижению своих целей. Разумеется, природу было бы правильнее рассматривать как союзника и использовать то, что она может дать человеку для достижения своих целей. Фактически так оно и происходило. Но природа при этом рассматривалась не как поле действия, на котором только и можно совершить задуманное, а именно как противник. Поэтому про человека, удачно завершившего какое-нибудь трудное путешествие, говорили, что он «победил природу», хотя реально речь шла о том, что упомянутому человеку после выполнения задуманного удалось унести ноги. Подобная терминология остается кое-где и сейчас, когда речь идет об экстремальных путешествиях – альпинистских восхождениях, одиночных плаваниях через океан и пр. Про вернувшегося из таких путешествий человека говорят, что он «покорил вершину (океан)» и пр., хотя реально речь идет о том, что ему с трудом удалось выжить и вернуться.

Возвращаясь к истории установления научного естествознания, следует сказать что в средневековье держалось утвердившееся еще со времен Античной Греции знание, основанное на чисто умозрительных теориях, а совсем не на эксперименте. Это знание иногда носило характер афористичных высказываний, развивалось путем умозрительных обсуждений исходной посылки и проверки опытным путем не предполагало. Известно, например, что один из законов природы того времени звучал примерно как «подобное вызывается подобным». Поэтому, например, считалось, что кувшин с горячей водой, выставленный на мороз, замерзнет быстрее, чем кувшин с холодной водой, потому что, мол, нагревание и охлаждение – процессы подобные, и предварительное нагревание воды будет способствовать ее интенсивному охлаждению. Первым известным нам философом, применившим экспериментальную проверку ходивших тогда законов, был Роджер Бекон (1214 – 1292) (не путать с Френсисом Беконом (1561 – 1626), жившим значительно позже, тоже подчеркивавшим важность эксперимента в естествознании и считавшимся одно время подлинным автором пьес Шекспира). Роджер Бекон простыми опытами доказывал несостоятельность ходивших тогда законов природы, но установить их истинный вид ему было еще не под силу – накопленных знаний к тому времени еще явно не хватало.

Закрепление самостоятельного статуса науки произошло в 16 – 17 веках и было связано с деятельностью целой плеяды великих ученых. Именно к этому времени математика становится универсальным языком точных наук, базисом аналитических исследований по Декарту, а центральное место начинают занимать методологии, основанные на эксперименте, т.е. на опытном установлении отношений между фактами и дальнейшем их обобщении индуктивными методами.

Хочу напомнить вам, что в формальной логике индуктивным методом называется обобщение частного вывода на более общую ситуацию с последующей проверкой правильности этого вывода, а дедукцией, наоборот, распространение некоторого общего вывода на частную ситуацию. Например, типичным примером индуктивного метода можно считать гениальную догадку Максвелла о том, что свет является электромагнитными волнами, сделанную им на том основании, что скорость света и скорость распространения электромагнитных волн оказались равными. Примером же дедуктивного вывода следует считать, например, такой: я знаю, что зима – холодное время года, стало быть, я готов к холодной погоде в феврале.

Исходным пунктом формирующейся новой науки можно считать гелиоцентрическую систему мира, предложенную Николаем Коперником (слово “Гелиос» означает «Солнце» по-гречески, поэтому эта система и называется гелиоцентрической, в отличие от предыдущей – геоцентрической, где в центре предполагалась Земля, т.к. Геос означает Землю, ср. география, геология, геофизика, и пр.). Значительную роль сыграл Галилей, который фундаментально переосмыслил проблемы движения и способы его описания. Это позволило ему ввести в рассмотрение создающейся науки механики идеализированных понятий – равномерного прямолинейного движения, материальной точки и пр., которые в природе непосредственно не встречаются. На основании этих идеализированных понятий Галилей создал аксиомы движения. Принцип относительности Галилея, сформулированный им в 1632 году, преобразования Галилея и другие введенные им понятия непосредственно вошли в механику Ньютона, возникновение которой и считается началом классического естествознания. Следует при этом помнить, что ко времени Ньютона был накоплен гигантский объем экспериментальной информации, особенно в области астрономии, которая всегда интересовала человека. Предварительное осмысление этой информации предшественниками Ньютона – Тихо Браге и Кеплером – тоже добавило материала к переходу естествознания к его классическому периоду.

Особенно много внес в этот материал Иоганн Кеплер (1571-1630), открывший три закона движения планет. Законы эти следующие:

1. Орбита планеты есть эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце.

2. Радиус-вектор планеты в равные промежутки времени описывает равные площади.

3. Квадраты периодов обращения любых двух планет вокруг Солнца относятся как кубы полуосей их эллиптических орбит.

Открытие этих законов наглядно показало наличие порядка в движении планет Солнечной системы.

Классический период развития естествознания

Несмотря на то, что и Коперник, и Джордано Бруно, и Галилей, и Кеплер много сделали для развития и становления науки на ее начальном этапе, начало классического периода науки связывают обычно с именем Ньютона. Ньютон много сделал и в математике - был одним из создателей, наряду с Лейбницем, "исчисления бесконечно малых", т.е. мат. анализа, и в оптике - у него есть отдельная книга, которая так и называется "Оптика", но фундаментом классического естествознания стала созданная им механика, которая, с одной стороны, дала возможность объяснить все ранее известные факты, как в земной, так и в небесной механике, а с другой - предсказывать поведение широкого класса объектов и явлений природы.

Причины перемещения тел в пространстве, закономерности этих перемещений, способы их описания всегда были в центре внимания человека, так как непосредственно касались наиболее близкой религиозному сознанию области естествознания, а именно - движения небесных тел. Поиск закономерностей этих движений был для человека связан не только с удовлетворением научной любознательности, но и преследовал глубокую религиозно-философскую цель: познать смысл бытия.

Именно поэтому такое значение во все времена уделялось астрономическим наблюдениям, тщательной фиксации малейших подробностей в поведении небесных тел, интерпретации повторяющихся событий.

И. Ньютон сделал решающий шаг именно в этом направлении – в понимании причин порядка в движении планет и других небесных тел. Созданная им классическая механика в очень лаконичной форме обобщила весь предшествующий опыт человечества в изучении движений. Оказалось, что все многообразие перемещений макроскопических тел в пространстве может быть описано всего лишь двумя законами: законом инерции (F=ma) и законом всемирного тяготения . К этим главным законам мы вернемся чуть позже, а сейчас рассмотрим два других закона Ньютона.

Первый и третий законы Ньютона (первый: всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не будет выведено из этого состояния внешними силами; третий: всякое действие вызывает равное и обратно направленное противодействие) создали как бы введение в механику. Первый закон прямо вытекает из второго при равенстве нулю сил и соответственно – ускорений.

Из опыта мы знаем, что для того, чтобы тело двигалось с постоянной скоростью, к нему все время надо прикладывать силу: возьмите движение поезда, автомобиля и пр. Ньютон показал, что это не так: силу надо прикладывать, потому что тело движется не по инерции, а все время тратит при движении энергию на трение. Если бы тело двигалось без трения, как в безвоздушном пространстве, то и силу прикладывать было бы не нужно.

Аналогично и с третьим законом. При любом воздействии возникает сила реакции, равная силе воздействия. Например, стоя на земле, я оказываю на нее давление своим весом. Раз я неподвижен, значит, суммарная приложенная ко мне сила равна нулю. Действительно, земля давит снизу на меня с такой же силой, с которой я давлю на неё сверху. Это называется реакцией опоры. Если вдруг опора на способна давить на меня снизу с такой же силой, с которой я давлю на нее сверху, я начинаю погружаться, т.е. двигаться. Так бывает, если вместо земли – болото или вода или сено и т.д.

Важно для анализа правильно определить, к чему эта сила реакции приложена. Например, лошадь везет телегу. Из третьего закона следует, что сила, с которой лошадь тянет телегу, равна силе, с которой телега тянет лошадь. Почему же тогда лошадь с телегой двигаются? А двигаются потому, что помимо этой взаимодействующей пары есть еще пара «Земля – лошадь»: лошадь отталкивается от Земли, немного прокручивая ее под собой, но в основном передвигаясь сама по ней. Земля толкает лошадь с такой же силой, с которой лошадь толкает Землю, это и приводит к их движению. Телега же Землю не толкает. В космосе лошадь с телегой с места сдвинуться не смогли бы.

Повторяю: первый и третий законы Ньютона создали общий подход к механике, показав, что покой эквивалентен равномерному прямолинейному движению, и объяснив распределение сил при перемещении тел под действие сил. Следует при этом помнить, что механический принцип относительности был создан Галилеем еще в 1632 году (дуэль на корабле). Уже из него следовало, что покой и равномерное прямолинейное движение эквивалентны и зависят от системы отсчета. А два главных закона - закон инерции, т.е. второй закон Ньютона (F = ma), и закон всемирного тяготения (F = ) - создали тот рабочий инструмент, с помощью которого всю небесную и земную механику можно было объяснить. С помощью этих законов все наблюдаемые человеком в естественных условиях перемещения тел стали доступны аналитическому расчету. Точность, с которой такие расчеты позволяли делать предсказания, удовлетворяла любые запросы. Сильнейшее впечатление на людей произвело открытие планеты Нептун, сделанное «на кончике пера», как тогда говорили, - из анализа отклонений Сатурна и Урана от тех орбит, движение по которым им предписывала механика Ньютона. Это открытие было сделано независимо двумя астрономами – Адамсом и Леверрье.

Открытие в 1785 году закона Кулона (F = ) и его внешнее сходство с Законом всемирного тяготения показали общность законов природы.

К середине 19 века авторитет классической механики возрос настолько, что она стала считаться эталоном научного подхода в естествознании. Широта охвата явлений природы, однозначная определенность (детерминизм) выводов, характерные для ньютоновской механики, были настолько убедительны, что сформировали своеобразное мировоззрение, в соответствии с которым механистический подход следует применять ко всем явлениям природы, включая физиологические и социальные, и, поскольку законы механических движений известны, следует только задать начальные условия, чтобы проследить эволюцию природы во всем ее многообразии. Это мировоззрение часто называют «лапласовским детерминизмом», в память о знаменитом французском ученом Пьере Симоне Лапласе (1749-1827), который с помощью закона всемирного тяготения блестяще объяснил все тонкости движения тел солнечной системы – планет и их спутников, Луны, разработал теорию возмущений небесных тел, предложил новый способ вычисления их орбит. Он доказал устойчивость солнечной системы в течение очень длительного времени. В 1796 году предложил гипотезу о происхождении солнечной системы.

Сам Лаплас так охарактеризовал эту систему взглядов: «Ум, которому были бы известны для какого-либо момента времени все силы, одушевляющие природу, обнял бы в одной формуле движение величайших тел Вселенной наравне с движением атомов. И будущее, так же как и прошедшее, предстало бы перед его взором».

Однако оказалось, что эта заманчивая идея – свести всё к хорошо понятным механическим движениям – реализуется плохо. Есть круг явлений в мире, который совершенно такого рода описанию не поддается. Это световые, электрические и магнитные явления. Во второй половине 19 века стало ясно, что материальный мир не сводится только к механическим перемещениям вещества. Еще одной формой существования материи было признано электромагнитное поле, описанное Д.К. Максвеллом в его знаменитых уравнениях.

После этого, в конце 19 века, большинство ученых считало, что создание научной картины мира в основном завершено. Осталось еще несколько проблем, которые необходимо дорешать, но в целом все уже понятно.

Все явления природы, в соответствии с этой картиной мира, являются следствиями электромагнитных и гравитационных взаимодействий между зарядами и массами, которые приводят к однозначному, полностью определенному начальными условиями поведению тел (концепция детерминизма). Критериями истинности в такой картине мира являются, с одной стороны, эксперимент (практика – критерий истины), а с другой однозначный логический вывод (с 17 века, как правило, математический) из более общих посылок, т.е. дедукция. При этом одним из главных методологических принципов классического естествознания являлась независимость объективных процессов в природе от того, кто эту природу познает, т.е. отделенность объекта от средств познания.

6