Глава 4. Научная революция в естествознании и формирование новой общей картины мира

(XVII-XVIII ВВ.)

4.1. Классическая механика Исаака Ньютона и рождение науки Нового времени

В 1492 г. испанские моряки во главе с Колумбом высадились на Багамских островах. Так был открыт Новый свет — неизвестный ранее европейцам огромный Американский континент. В 1497 г. португалец Васко да Гама, обогнув мыс Надежды, проложил морской путь европейским товарам к берегам легендарной Индии и в страны Южной Азии. В 1526 г. экспедиция Магеллана вышла в первое в истории кругосветное плавание, практически доказавшее шарообразность Земли. Великие географические открытия XV-XVI вв. значительно расширили знания людей о величине и поверхности Земли. Они оказали огромное влияние на все последующее развитие экономики и культуры Европы. И все же еще большее значение для судьбы человечества имели публикации двух, казалось бы отвлеченных от земных дел научных трудов: «Об обращениях небесных сфер» (1543) Николая Коперника и «Математические основания новой философии» Исаака Ньютона (1687).

Если о Копернике было сказано: «остановивший Солнце, сдвинувший Землю», то Ньютона называют одним из величайших ученых за всю историю человечества. Такая оценка многого стоит. Ведь после открытия Коперником гелиоцентрической системы мир узнал о новых научных достижениях целого ряда других великих ученых — естествоиспытателей XVI в. Ломка прежних представлений о мире, отход от аристотелевской физики, астрономии Птолемея и средневекового умозрения произошла не сразу. В развитии науки и техники в этот период можно выделить три этапа. Начиная с середины XVI и до первой трети XVII вв., новые научные знания подорвали основы традиционной системы мироздания и общей картины мира, державшейся многие века.

Уильям Гильберт (1544-1603) исследовал явления магнетизма и первым показал, что Земля представляет собой огромный магнит. Датский астроном Браге Тихо (1546-1601), наблюдая небо, определил точное положение многих небесных светил, создал каталог звёзд и первым доказал, что кометы — небесные тела, более удаленные, чем Луна. Его работы послужили основанием для работ Иоганна Кеплера (1571-1630), открывшего названные его именем законы движения планет по эллиптическим орбитам относительно Солнца и тем самым завершившего разрушение докоперниковской картины Космоса. Он изобрел телескоп с двояковыпуклыми линзами в объективе и окуляре, открыл законы движения планет. Симон Стевин (1548-1620) разработал начала статики и гидростатики, обосновал принцип действия гидравлического пресса. Философ Бэкон Фрэнсис (1561-1626) развивал общие идеи новой науки, основой которой считал наблюдение, сравнение, эксперимент и анализ, а главной задачей — власть человека над природой. Он показал эффективность индуктивного метода научных исследований, когда ученый продвигается от частного знания к общему.

Все эти события происходили в условиях, когда всемогущая в те годы Церковь всеми силами пыталась остановить научный прогресс. 17 февраля 1600 г. в Италии по приговору церковного суда публично сожгли на костре Джордано Бруно (1548-1600), несмотря на пытки не отказавшегося от идеи множественности миров во Вселенной. Преследованиям инквизиции подвергся и один из великих творцов точного естествознания Нового времени Галилео Галилей (1564-1642), создатель основ современной механики. Он обосновал идею относительности движения, установил законы инерции, свободного падения и движения тел по наклонной плоскости, сложения движений. Он же открыл изохронность движения маятника — физический принцип, на котором основана реализованная его учеником Гюйгенсом (1629-1695) конструкция маятниковых часов. Галилей изобрел телескоп с 32-кратным увеличением, с помощью которого отрыл горы на Луне, 4 спутника Юпитера, фазы Венеры, пятна на Солнце.

Следующий этап развития естествознаний и техники, подведший вплотную к формированию науки Нового времени, охватил середину XVII в. Это был период значительного развития знаний о природе. Ученик Галилея Эванджелиста Торричелли (1608-1647) в очень простом опыте доказал существование атмосферного давления, вакуума и опроверг восходившее к Аристотелю представление о том, что «природа не терпит пустоты».

Инженер Отто фон Герике (1602-1686) изобрел воздушный насос и поставил знаменитый эксперимент с Магдебургскими полушариями, наглядно показавший всем, что атмосферный воздух давит на поверхности тел. Симон Стевин (1548-1620) — математик и инженер — доказал теоремы гидростатики, закон равновесия тел на наклонной плоскости; первым в Европе ввел десятичные дроби. Вильям Гарвей (1578-1658) — основоположник учения о кровообращении.

Девятнадцатилетний Блез Паскаль в 1641-1642 гг. изобрел счетную машину, выполнявшую четыре арифметических действия. Позже он доказал одну из основных теорем проективной геометрии, получил новые результаты в арифметической теории чисел. В историю науки и техники Паскаль вошел как открыватель основного закона гидростатики, согласно которому давление на поверхность жидкости передаётся во все стороны равномерно и равно силе, перпендикулярной к площадкам равной площади. Он же открыл связь показаний барометра и изменений погоды. Его именем названа единица давления, равная давлению 1/133 мм ртутного столба (Паскаль, Па). Французский физик Эдм Мариотт (1620-1684) известен исследованиями в области оптики, гидравлики, дифракции света, но более всего — свойств газов.

Английский естествоиспытатель Роберт Бойль (1627-1691) — химик и физик, один из основоположников научной химии. Он широко использовал методы количественного и качественного анализа, ввел в практику химических исследований точное взвешивание. Ему принадлежит определение элемента вещества как простого тела, которое уже не разделяется на другие более простые тела. В 1662 г. Бойль сформулировал закон об обратной зависимости изменения объема газа от давления, получивший в 1676 г. подтверждение в опытах, проведенных Мариоттом (закон Бойля-Мариотта). Он был одним из основателей знаменитого Королевского общества в Лондоне, объединившего выдающихся ученых. В 1680-1691 гг. Бойль был президентом этого обще­ства. Долгое время ближайшим помощником Бойля был выдающийся физик-экспериментатор Роберт Гук (1635-1703), открывший названный его именем закон, установивший зависимость между упругой деформацией твердого тела и приложенным механическим напряжением («растяжение пропорционально силе»). Гук изобрел круговой пружинный маятник, применяемый с тех пор в конструкции точных часов и хронометров. Он же с помощью усовершенствованного им микроскопа открыл клеточное строение растений. В 1665 г. Гук первым ввел термин «клетка». Ему и Исааку Ньютону принадлежат первые теоретические исследования явления интерференции света, открытого в 1665 г. итальянским естествоиспытателем Франческо Гримальди (1618-1663). Позже эти исследования продолжил английский физик Юнг (1773-1829), введший термин «интерференция». Христиан Гюйгенс (1629-1695) усовершенствовал телескоп (объектив Гюйгенса), прославился как изобретатель часов с маятником и спусковым механизмом. Он разработал их теорию на основе физического закона колебаний маятника. Гюйгенс также создал основы теории удара, обосновал теорию волновой природы света, объяснил явление двойного лучепреломления Совместно с Гуком он установил постоянные точки шкалы термометра, что положило начало точным измерениям температуры физических тел. Ему принадлежат открытия кольца и спутника Сатурна. Он автор работ по теории вероятностей (1657).

Своего рода завершением и обобщением научных знаний, полученных к этому времени, стала механико-математическая общая картина мира, согласно которой все природные процессы сводились к механическому движению тел. Ее создатель — французский философ, физик, математик и физиолог Рене Декарт (по латыни — Cartesius) (1596-1650). Механицистские взгляды основателя аналитической геометрии, автора космогонической теории и оригинальной философской системы, оказывали большое влияние на мировоззрение людей в XVII-XVIII вв. ([43], с.105)

Формирование начал науки Нового времени — системы естественных, общественных и технических наук, а также научных учреждений, сложившейся в результате революции в естествознании XVII в. и после нее, было в основном завершено уже в XVIII в. Среди выдающихся ученых этого периода отметим одного из создателей современной науки родившегося в Швейцарии механика и математика Леонарда Эйлера (1707-1783), научная деятельность которого была тесно связана с историей России, где он работал в 1727-1741 гг. и после 1766 г. Исследования Эйлера в области теории упругости, оптики, математической физики, теории машин, баллистики и многих других областях имели фундаментальное значение для развития науки и техники во второй половине XVIII в. Большое влияние на развитие естествознания оказали работы шведского естествоиспытателя Карла Линнея (1707-1778), одного из создателей систематики — естественной науки о разнообразии, взаимоотношении и родственной связи между всеми вымершими и существующими организмами и их различными группами. Он разработал обобщающие системы классификации животных, растений и минералов мира. Французский естествоиспытатель Ж.Б. Ламарк (1744-1829) заложил начала эволюционного учения, что стало большим шагом вперед в познании природы.

В XVIII в. продолжателем теоретических исследований Бойля в области химии стан французский ученый Антуан Лавуазье (1743-1794), первым доказавшим, что все химические превращения одних веществ в другие сводятся к изменению сочетаний химических элементов, входящих в их состав. Лавуазье первый установил в эксперименте природу горения, определил химическую сущность процессов дыхания и пищеварения. 1687 г. — год издания гениального труда Ньютона «Математические начала натуральной философии» — принято считать началом нового исторического периода в истории науки. Ньютон Исаак (1643-1727) — великий физик и математик, открывший всемирный закон тяготения, создатель классической механики — теоретической основы естествознания Нового времени. Он разработал теорию движения небесных тел и тем самым заложил основы небесной механики, открыл интерференцию света, исследовал дифракцию света и хроматическую аберрацию, изобрел зеркальный телескоп (1668), разработал теоретические основы оптики (1704). Вместе с Лейбницем (1646-1716) Ньютон создал основы дифференциального и интегрального исчисле­ний. Ему принадлежит ряд других выдающихся результатов в области математики. Открытые Ньютоном три фундаментальных закона класси­ческой механики (изучаемые в школе законы механики Ньютона) стали теоретической основой естествознания Нового времени. Его творчество стало не только вершиной научной революции XVII в., но и научным фундаментом нового общего взгляда людей на мир и законы природы, новой картины мира, основанной на представлениях о единстве математических законов земной физики и гелиоцентрической модели Вселенной.

Итак, если гелиоцентрическая система Коперника и естественнонаучные исследования Галилея и других великих ученых XVI в. потрясли основы средневековой науки и общей картины мира, то Кеплер и Гюйгенс, Стевин, Паскаль и Бойль, Гарвей и Декарт, Лейбниц, Ньютон и другие ученые XVII-XVIII вв. заложили научные основания современных представлений людей о мире и законах природы. Короткий исторический период, в который были совершены открытия, полностью изменившие средневековые представления о природе и ставшие основой новой общей научной картины мира, историки назвали научной революцией в естествознании.

Ее основными достижениями стали новая астрономия, завершившая переход от геоцентрической к гелиоцентрической модели Солнечной системы; новая картина Космоса, обозначившая переход от представлений о замкнутом неизменном мире к модели бесконечной Вселенной; новая механика — фундаментальная наука о движении; новое естествознание, совершившее переход от толкования трудов Аристотеля в университетах к экспериментальному изучению реальной природы с помощью научных приборов; высшая математика и быстрая математизация научных и технических знаний. Достижения в естествознании, как это будет показано ниже, стали возможными в значительной мере благодаря развитию техники — изготовленных на научной основе инструментов для проведения исследований.