§ 2. Натурфилософия и ее место в истории естествознания.

Первой в истории человечества формой существования естествознания была так называемая натурфилософия (от латинского natura – природа), или философия природы (естествознание). она была вместилищем всех человеческих знаний об окружающем мире.

Натурфилософское понимание природы содержало много вымышленного, фантастического. Однако появление натурфилософии и очень длительное ее существование объясняется рядом обстоятельств:

1. Когда естественнонаучного знания (в его нынешнем понимании) еще практически не существовало, натурфилософия пыталась объяснять все происходящее в мире.

2. Вплоть до XIX столетия естествознание было слабо дифференцировано, отсутствовали многие его отрасли. Еще в XVIII веке в качестве сформировавшихся, самостоятельных наук существовали лишь механика, математика, астрономия и физика. Химия, биология, геология находились лишь в процессе становления. В такой ситуации натурфилософия стремилась заменить собой отсутствующие естественные науки.

3. тогдашнее естествознание давало отрывочные знания об объектах, явлениях природы. А натурфилософия давала свои представления о мире в целом. Для истолкования непонятных явлений натурфилософы обычно придумывали какую-нибудь силу (например, жизненную силу) или какое-нибудь гипотетическое вещество (флогистон¹, электрическая жидкость, эфир и т. п.).

Это было вынужденное положение, которое, однако, не могло продолжаться бесконечно.

§ 3. Возникновение античной2 науки.

в VI веке до н. э. в Древней Греции возникает наука. Под наукой понимается не просто совокупность каких-то отрывочных, разрозненных сведений, а определенная система знаний, которая является результатом деятельности особой группы людей (научного сообщества).

в древних государствах: Греции, Вавилонии, Египте, Китае, Индии практические потребности людей привели к появлению начал старейших наук — астрономии и математики.

в этот период происходит накопление знаний в области физики. Так, в это время были известны правило рычага и закон прямолинейного распространения света. Однако в отличие от астрономии и математики говорить о появлении зачатков физической науки в рассматриваемый период еще нельзя.

Древние философы и ученые высказали ряд идей, которые стали затем руководящими в естествознании и философии. Это такие фундаментальные идеи, как:

• идея о материи,

• идея о неуничтожимости материи и движения,

• идея о всеобщей причинности,

• идея об атомистическом строении вещества,

• идея об относительности механического движения и др.

Понятие материи и представление о строении вещества формируется уже в самой первой философской школе Древней Греции, известной под названием Милетской (Ионийской). основоположник ионийской философии Фалес из Милета (ок. 624—547 гг. до н. э.) принял за начало всех вещей воду. По Фалесу, все вещи возникают из воды и превращаются в воду.

Последующие философы ионийцы:

Анаксимен (ок. 585—525 гг. до н. э.) считал, что началом всего является воздух, из которого образуются все вещи.

Ученик Фалеса Анаксимандр (ок.610—546 гг. дон. э.) вводит понятие «первоматерии», которую он называет «Апейрон» (в переводе «беспредельное», «неопределенное»). Подобное первовещество представляло собой неопределенную туманную массу, находившуюся в постоянном круговом вращении, из которой, в конце концов, произошло все многообразие мира.

знаменитый древнегреческий философ Гераклит (ок. 530—470 гг. до н. э.), в качестве первоматерии принял огонь. Путем сгущения и разрежения из огня возникают все вещи.

В философии ионийцев содержится не только учение о материи. Ионийцы трудились над построением общей картины мира. Анаксимандр высказал идею о множественности миров. Он полагал, что кроме нашего мира существует бесчисленное количество других миров, возникающих и погибающих.

Одним из величайших ученых и философов античности был Аристотель³. Научное наследие Аристотеля поражает:

• Метафизика (философия)

• Органон (логика)

• Физика

• О небе

• О возникновении и уничтожении

• Метеорологика

• Политика

• Поэтика и риторика

• История животных

• О душе (психология

Теория познания

• Аристотель разделил философию на теоретическую (познание ради познания, цель – истина), практическую (совершение добродетельных поступков) и творческую (искусство, в т.ч. риторика и поэтика).

• Теоретическая философия делилась на первую философию (в т.ч. теологию), физику и математику.

• Физика должна изучать основные закономерности («первые причины») и и принципы организации («первые начала») природы.

• Путь познания – «от более явного для нас к более явному в природе»

• Метод познания – рассуждения и установление логических противоречий (греч. «органон» - орудие, инструмент). Отрицал эксперимент и математический анализ как способы исследование природы.

Понятие о материи и движении

• Всякая вещь является соединением материи и формы, причем и материя, и форма вечны.

• Материя, из которой состоят тела, является формой для более простой материи (пример – кирпичный дом).

• Первоматрия – бесформенная субстанция, которая соединяясь с простейшими формами образует четыре первоэлемента: огонь (теплое и сухое), воздух (теплое и влажное), вода (холодное и влажное), земля (холодное и сухое).

• В мире первоэлементы расположены определенным образом, что задает структуру Космоса

• Движение небесных и земных тел различны.

• Светила совершают равномерное круговое движение (складывается из круговых движений), не имеющее ни начала, ни конца и не нуждающееся во внешнем воздействии.

• Движение земных тел имеет начало и конец и делится на естественное (тела, состоящие из элементов земли – вниз, а состоящие из элементов воздуха и огня – вверх), и насильственное.

• Насильственное движение происходит только под действием внешней силы. Скорость движения тел пропорциональна приложенной силе.

• «Природа не терпит пустоты»

• Светила движутся не сами по себе, а прикреплены к материальным сферам.

• Всякое движение возможно лишь в наполненном пространстве (пример – движение шара в воздухе: после прекращения действия силы шар продолжает движение под действием воздуха, который устремляется в пустоту, образовавшуюся за шаром).

• Существование пустоты невозможно, поскольку в пустоте любое движение мгновенно начиналось бы, и также мгновенно заканчивалось бы.

• Движение вечно.

В истории науки Аристотель известен как автор космологического учения. Космология Аристотеля — геоцентрическое воззрение: Земля, имеющая форму шара, неподвижно пребывает в центре Вселенной. Шаровидность Земли Аристотель выводит из наблюдений, сделанных им во время лунных затмений. К этому же выводу ведет, по мнению Аристотеля, и свойственное Земле тяготение к центру Вселенной. Аристотель разделял мир на две области, качественно отличающиеся друг от друга: область Земли и область Неба. Область Земли имеет в своей основе четыре элемента: землю, воду, воздух и огонь. Область Неба имеет в своей основе пятый элемент — эфир, из которого состоят небесные тела. за оболочкой воздуха вокруг Земли находится наиболее легкий из земных элементов — огонь, который помещается в пространстве между Землей и Луной и соприкасается с границей эфира. С крайней сферой соприкасается «Перводвигатель Вселенной», являющийся источником всякого движения. Он нематериален, ибо это есть Бог.

Геоцентристская космология Аристотеля была впоследствии математически оформлена и обоснована Клавдием Птолемеем⁴. Главный труд Птолемея, носивший название «Великое математическое построение астрономии в 13 книгах» (или под арабским латинизированным названием «Альмагест»).

В этой книге была создана первая математическая теория, описывающая движение Солнца и Луны, а также пяти известных тогда планет на видимом небосводе. Птолемей рисует следующую схему мироздания: в центре Вселенной находится неподвижная Земля. Ближе к Земле находится Луна, а затем следуют Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн. Объясняя данный порядок планет, Птолемей исходил из предположения, что чем быстрее движется планета, тем ближе к Земле она расположена. Геоцентрическая система мира Аристотеля—Птолемея просуществовала чрезвычайно долго.

Родоначальником пифагорейской школы в Древней Греции был древнегреческий ученый и философ Пифагор (580—500 гг. до н.э.). Пифагорейцы учили, что в основе всех вещей лежит число, а вся Вселенная есть гармония чисел. Пифагорейцы обожествляли числа, искали в них и их сочетаниях таинственный смысл. В их учении было много мистицизма. Однако они впервые высказали идеи:

• о существовании количественных закономерностей в явлениях природы,

• о том, что эти закономерности выражаются в строгих математических формулировках.

• Числовые соотношения лежат как в основе природных процессов, так и жизни человеческой души. Числовые соотношения составляют саму сущность природы. Наблюдаемое – изменчиво, а числовые соотношения вечны, и потому истинны. Познание природы возможно только через познания числа и числовых отношений.

• Возможность мысленной манипуляции с числами ведет к тому, что числа становятся самостоятельными объектами, а затем и сущностью вещей. Мир собственно и есть число, т.е. буквально все вещи состоят из чисел.

• Число принимается за начало и в качестве материи для вещей, и в качестве выражения их состояний и свойств.

• Числам придавался мистический смысл. Математические упражнения служили для духовного совершенствования и очищения, исследование числовых соотношений было аналогично религиозным ритуалам.

• Числа имеют зрительный образ:1-точка, 2-линия, 3-плоскость, 4-тело. Линейные числа – простые, плоскостные состоят из двух сомножителей (квадраты чисел), телесные – из трех сомножителей (кубы чисел).

• Священное число – 10 (тетрактида); 10=1+2+3+4, совершенные числа равны сумме делителей (6=1+2+3)

• Четные числа –женские, а нечетны мужские; нечетное число при сочетании с четным возобладает. Брак- 5=2+3.

Пифагору принадлежит идея о шарообразности Земли. Он был, по-видимому, первым, кто высказал эту гипотезу. Как могла она возникнуть в те времена? Возможно, здесь сыграли роль наблюдения за горизонтом во время морских путешествий (сначала видна мачта и только потом появляется корпус корабля). Возможно, наблюдения затмения Луны. Возможно, Земля – шар, так как эта геометрическая фигура является наиболее простой и наиболее совершенной.

Пифагорейцам принадлежит также первая гипотеза о строении Вселенной, в которой предполагается движение Земли. Была выдвинута идея о вращении всех небесных тел, включая Солнце, по сферам вокруг центрального огня. Она основывалась на наблюдениях звездного неба, смены дня и ночи, зимы и лета, однако трудно представить, что именно привело пифагорейцев к этой, казавшейся нелепой гипотезе.

• Открытие связи между числами и музыкальной гармонией (целая струна – основной тон, ¾ -кварта, ½- октава).

Математической можно назвать научную программу Платона (428-348 до н.э.). Она во многом определила путь развития естествознания в смысле понимания роли количественных вычислений в научном изучении мира. В основе ее лежит идеи Пифагора, что «числа - суть вещей». Платон утверждал, что «Бог – геометр». Платон считал, что материальный мир состоит из четырех субстанций – огня, воздуха, воды и земли, причем их частицы имеют различную геометрическую форму: для огня – тетраэдры, для воздуха – октаэдры, для воды - икасаэдры, для земли – кубы. Использование абстрактных топологических понятий связано с идеалистическими представлениями Платона о том, что материальный мир является отражением мира идей человека. Математическим построениям и численным абстракциям отводилась почти мистическая роль (сейчас – астрология, нумерология ).

• «Не геометр не войдет» - не принимались в Академию те, кто не был сведущ в геометрии, астрономии и музыке.

• Наиболее важны математические законы природы, находящиеся за явлениями, а не сами постоянно меняющиеся явления.

• Материя состоит из четырех первоэлементов – огня, воздуха, воды и земли, которые могут превращаться друг в друга.

• Важны не воспринимаемые нами свойства первоэлементов, а их геометрические образы: для огня – тетраэдры(наиболее острые углы), для воздуха – октаэдры, для воды - икасаэдры, для земли – кубы (наиболее устойчивый).

• Плоскости объемных фигур состоят из двух видов треугольников (прямоугольный равнобедренный и прямоугольный неравнобедренный с углами 30 и 60 градусов). Куб состоит из 12 треугольников, тетраэдр - из 24, октаэдр – из 48, икосаэдр – из 120.

• Фигуры могут распадаться на составляющие их треугольники и складываться заново, превращаясь друг в друга. Куб, распадаясь, не может превращаться в другие фигуры

• Вода, воздух и огонь могут превращаться друг в друга, землеобразные тела не могут участвовать в подобных превращениях.

(1вода=2воздуха+1огонь)

• Превращения возникают при непосредственном столкновении движущихся элементов друг с другом. Движение возможно только в неоднородной среде. (Жидкость жидка, когда в ней присутствует огонь, удаление огня, т.е. остывание, вызывает уплотнение жидкости и затвердевание).

• Большинство исследователей считает треугольники не физическими частицами, а математическими образами. Материя понимается на как вещество, а как пространство.

• Знание о мире природы можно получить лишь раскрыв математические структуры этого природного мира.

• За элементы тел принимаются геометрические формы, наиболее совершенные с точки зрения подобия и симметрии, достаточные для интерпретации природных явлений.

Основы математического моделирования и математической физики.

Одним из крупнейших ученых-математиков был Евклид, живший в III веке до н.э. в Александрии. В своем 15 томном труде «Начала» он привел в систему все математические достижения того времени. «Начала» содержали не только результаты трудов самого Евклида, но и включали достижения других древнегреческих ученых. В «Началах» были заложены основы античной математики. Евклид создал метод аксиом и построил геометрию, носящую по сей день его имя.

В древнегреческой науке было много достижений в области механики. Первоклассным ученым, математиком и механиком этого периода был Архимед (287-212г.г. до н.э.). Он решил ряд задач по вычислению площадей поверхностей и объемов, определил значение числа . Архимед ввел понятие центра тяжести и разработал методы его определения для различных тел, дал математическую запись правила рычага. Архимед положил начало гидростатике. Широчайшую известность получил закон Архимеда.