11 Наука и инженерия в эпоху Возрождения

В эпоху Возрождения происходит смена ведущего культурного начала: на первое место выходит как в античности рациональные, философско-научные представления. Другой особенностью является новое понимание человека. Человек Возрождения сознает себя уже не в качестве твари Божьей, а свободным мастером, поставленным в центр мира, который по своей воле и желанию может стать или низшим или высшим существом. Хотя человек признает своё Божественное происхождение, он и сам ощущает себя творцом.

На место Божественных законов постепенно становятся природные, на место скрытых Божественных сил, процессов и энергий – скрытые природные процессы. Наука и знания теперь понимаются не только как описывающие природу, но и устанавливающие её законы. Выявление законов природы предполагает их конструирование. Необходимым условием деятельности человека, направленной на использование сил и энергий природы, является предварительное познание «законов природы». Другим условием является то, что именно действия человека высвобождают и запускают процессы природы, затем природа действует автоматически. Но пока ученый рефлексирует свою деятельности, сверяя её с Божественным образцом.

Ключевой фигурой здесь является Френсис Бэкон. Он объявляет природу основным объектом новой науки. Природа у Бэкона выступает условием практического (инженерного) действия, производящего «новую природу», как источника естественных процессов, однако вызванных практическими действиями человека. «В действии, - пишет Ф. Бэкон, - человек не может ничего другого, как только соединять и разделять тела природы. Остальное природа совершает внутри себя». (15, С. 108). «Что в Действии наиболее полезно, то в Знании наиболее истинно». (15, С. 197, 198, 200). Тем самым Ф. Бэкон заковал в одну цепь представление о научном познании, об инженерном действии и о природе, как условии и объекте и первого и второго. С этого периода начинает формироваться понимание природы как бесконечного резервуара материалов, сил, энергий, которые человек может использовать при условии, если опишет в науке законы природы.

Творчество Г.Галилея. Перед учеными времен Галилея возник вопрос: как убедиться, что полученное в науке знание является истинным, является необходимым условием практической деятельности? До сих пор таким условием считались комментарии к античным и средневековым научным текстам. Попытаемся реконструировать ход их мысли.

С одной стороны, наука должна описывать и задавать законы природы. С другой – сама природа предъявляет себя в опыте. Если наука построена правильно, то её законы как теоретические состояния природы, будут соответствовать реальным состояниям природы, наблюдаемым в опыте. Естественно, что наука в данном случае понимается иначе, чем в античности и Средние века. Наука начинает трактоваться как своеобразная модель природы, а природа – как моделируемая в науке. Такой взгляд был позднее отражен в известном афоризме: «природа написана на языке математики». Опыт теперь называет рассматриваться как способ удостоверения соответствия теории науки и природы.

Разве можно устанавливать изоморфизм объектов и знаний? Для Аристотеля нет. Но для Платона, идеи которого были популярны в эпоху Возрождения, допускают такую операцию. В философии Платона, как известно, как раз и устанавливается соответствие идей и вещей. Удвоение действительности, соответствие мира идей миру вещей, против чего протестовал Аристотель, в данном случае сослужило свою плодотворную службу. Однако нужно было ещё ответить на вопрос: каким образом опыт может удостоверить соответствие теории и природы? Впервые этот принцип удалось провести в жизнь Галилео Галилею. Но для этого Галилею пришлось опыт как непосредственное наблюдение за явлениями природы, трансформировать в эксперимент, где соответствие теории и явлений природы устанавливалось техническим путем, то есть искусственно. Другими словами, в опыте природа всегда ведет себя иначе, чем предписывает теория, но в эксперименте природа приводится в состояние, отвечающее требованиям теории, и поэтому ведет себя в соответствии с теоретическим выявленными в науке законами.

Немного отвлечемся. В ХХ веке над россиянами был проведен опыт или эксперимент? Американцы сами создавали себе условия, а россиянам были предложены искусственные условия – отмена частной собственности и денег, колхозы, отсутствие материальной заинтересованности, хозрасчета. Действовать нужно было не по собственной инициативе, а по условию – шаг вправо, или влево. Так и воевали. За наступающими Жуков поставил – танки. У немцев танки были впереди. В кино, конечно, было не так. Программа 500 дней, так же предполагала достижение четких позиций. Таким же образом поступил и Егор Гайдар. Таким же образом поступил и Рузвельт. Недавно Сурков сравнивал Путина с Рузвельтом. Отсюда укрепление вертикали власти, вплоть до назначения мэров городов.

Галилей показал, что для использования науки в целях описания естественных процессов природы годятся не любые научные объяснения и знания, а лишь такие, которые, с одной стороны, описывают реальное поведение объекты природы, но, с другой – это описание предполагает проецирование на объекты природы научной теории.

Какая же идеализация интересовала Галилея? Та, которая обеспечивала овладение природными процессами: хорошо их описывала (в научной теории) и позволяла ими управлять (предсказывать их характер, создавать необходимые условия, запускать практически). Установка Галилея на построение теории и одновременно на инженерные приложения заставляет его проецировать на реальные объекты (падающие тела) характеристики моделей и теоретических отношений, т.е. уподоблять реальный объект идеальному. Однако поскольку они различны, Галилей расщепляет в знании реальный объект на две составляющие. Одна составляющая точно соответствовала идеальному объекту. В исследовании Галилея речь шла о свободном падении тела в пустоте, описываемом законом равномерного приращения скорости этого тела. Другая отличалась от него. Эта вторая составляющая рассматривается Галилеем как идеальное поведение, искаженное влиянием разных факторов – среды, трения, взаимодействия тела и наклонной плоскости и т.п. Затем эта вторая составляющая реального объекта, отличающаяся от идеального объекта, уменьшается настолько, чтобы её можно было не учитывать.

До Галилея ученые старались усовершенствовать модель и теорию, чтобы они полностью описывали поведение реального объекта. Расщепление реального объекта на две составляющие и убеждение, что теория задает истинную природу объекта, которая может быть проявлена не только в знании, но и в опыте, направляемом знанием, то есть эксперименте, позволяет Галилею мыслить иначе. Если до Галилея ученые исходили из неизменности самого объекта, то Галилей задумывается над вопросом о возможности так изменить сам реальный объект, практически воздействовав на него, чтобы уже не нужно было изменять его модель, поскольку теперь объект станет соответствовать ей.

Затем Кант совершит на основе подхода Галилея коперниканский переворот в философии.

В отличие от опытов, которые проводили многие ученые и до Галилея, эксперимент предполагал, с одной стороны, вычленение в реальном объекте идеальной составляющей (при проецировании на реальный объект теории), а с другой – перевод техническим путем реального объекта в идеальное состояние, т.е. полностью отображаемое в теории. Интересно, что опытным путем Галилей смог проверить лишь тот случай, где можно было не учитывать действие основных сил сопротивления. Но Галилей открыл путь такого рода идеальным ситуациям. Они открывали новую эпоху в практике человека – эру инженерии, опирающуюся на науку.

Эксперимент Галилея подготовил почву для формирования инженерных представлений, например, представления о механизме. Действительно, физический механизм содержит не только описание взаимодействия определенных естественных сил и процессов, но и условия, определяющие эти силы и процессы. Среди параметров, характеризующих эти условия, физика, как правило, выявляет и такие, которые он может контролировать сам. Так Галилей определил, что такие параметры тела как его объем, вес, обработка поверхности он может контролировать. Оказалось, что можно контролировать даже скорость тела, замедлив его падение на наклонной плоскости. В результате Галилею удалось создать такие условия, в которых падающее тело вело себя строго в соответствии с теорией, т.е. приращение его скорости происходило равномерно, и скорость тела не зависела от его веса. В обычных, неэкспериментальных условиях наблюдаются случае, когда тела в среде падают равномерно и тяжелое тело быстрее, чем легкое. Галилей определил, что эти случаи имеют место при определенном соотношении веса и диаметра тела. Но для этого нужно было контролировать в эксперименте ряд параметров естественных процессов. Контролируя, изменяя, воздействуя на эти параметры, Галилей смог в эксперименте подтвердить свою теорию. В дальнейшем инженеры, рассчитывая нужные для технических целей параметры естественных взаимодействий, научились создавать механизмы и машины, реализующие данные технические цели.

Основы инженерного метода Нового времени были заложены 30-летней деятельностью Христиана Гюйгенса по разработке маятниковых часов.

В ХУ1-ХУ11 вв. сложились две ситуации, настоятельно требовавшие точного измерения времени. Одна была связана с астрономическими наблюдениями, которыми сам Гюйгенс занимался на протяжении всей своей жизни. Вторая ситуация связана с необходимостью определения местоположения корабля (долготы) в дальних морских путешествиях. В связи с развитием морской торговли и судоходства вторая ситуация стала столь острой и значимой, что правительства западноевропейских стран назначили за её решение солидное денежное вознаграждение. За решение этой задачи брались лучшие умы Европы, в том числе Г. Галилей.

К тому времени были известны различные виды часов: песочные, водяные, механические. В «Трактате о свете» Гюйгенс писал: «В истинной философии причину всех естественных явлений постигают при помощи соображений механистического характера. По моему мнению, так и следует поступать, в противном случае приходится отказаться от всякой надежды когда-либо и что-либо понимать в физике». (Франкфурт У. Й., Френк А.М. Христиан Гюйгенс. М., 1962. С. 293).

С Х11 века были известны механические часы как система зубчатых колес с опускающимся грузом. Но эти часы были неточны, требовали постоянного присмотра и ежедневной настройки по солнцу. Главная трудность, с которой столкнулся Гюйгенс – обеспечение равномерности хода. Найденное им решение заключалось в том, что ход часов регулировался посредством маятника, колебания которого поддерживались тем же движением (опускание груза), которое обеспечивало и вращение зубчатых колес часового механизма. В отличие от Галилея Гюйгенс уже знал, что колебания изохронны только для малых амплитуд, а при больших период колебаний увеличивается в прямой зависимости от амплитуды. Гюйгенс решил компенсировать увеличение амплитуды уменьшением длины маятника, для чего нить подвеса должна была прилегать к специальной пластине. К первым часам (патент 1657 г.)форму компенсирующих пластин Гюйгенс подбирал путем «проб и ошибок», что, конечно же, было недопустимо в массовом производстве. После выбора механических часов, нужно было выбрать метод разрешения механических задач. Таковым выступает математический (геометрический) метод. «Однако, - пишет Гюйгенс, - при помощи геометрии я нашел новый, до сих пор неизвестный, способ подвешивания маятников. Я исследовал кривизну некоторой кривой, которая удивительным образом подходит для обеспечения равенства времени качания маятника». (Гюйгенс Х. Три мемуара по механике. М., 1957. С. 9).

В 1659 г. он установил, что такая популярная тогда среди математиков, как циклоида, таутохронна, т.е. если маятник движется по циклоиде, то время качания не зависит от амплитуды. Далее оставалось определить, какую форму должна иметь компенсирующая пластина, чтобы чечевица маятника двигалась по циклоиде. «Для применения моего изобретения к маятникам, - писал Гюйгенс, - мне необходимо было установить новую теорию, а именно, теорию образованию новых линий при посредстве развертывания кривых линий. Я изучил этот вопрос несколько далее, чем нужно для моей цели, так как теория показалась мне изящной и новой». (Там же. С. 10). В результате оказалось, что форма пластины также должна быть циклоидной. Но и это ещё не все: «Я показываю полезность использования в часах сложного маятника. Для изучения его природы я должен был произвести исследование о центре качания».

Кроме этого, к нововведению 1657 г. (способу закрепления груза, движущего весь механизм, при котором часы шли и во время завода, когда груз поднимали) Гюйгенс добавил новую – якорно-анкерную – конструкцию спускового механизма. Наконец, в 1661 г. он предложил подвижные грузы, перемещаемые по стержню маятника для настройки его хода.

Задача точного измерения времени в астрономических наблюдениях была решена. Но в морском плавании, ко всему прочему, необходимо было устранить влияние качки корабля на колебания маятника. Гюйгенс предложил использовать особый (карданов) подвес всей конструкции и треугольный маятник, вместо опускающегося груза – пружинный завод, и составил специальную инструкцию по эксплуатации часов. Все это дало определенный эффект, но не обеспечило достаточной надежности работы часов. Поэтому в 1679 г. Гюйгенс предложил для использования на кораблях пружинные часы с балансиром.