4.2. Роль научного эксперимента и приборов в развитии знаний о природе в XVII-XVIII вв.

Сегодня научные эксперименты (от лат. experimentum — проба, опыт), т.е. опыты, научно обоснованные проверки предположения о сути и связи явлений, воспроизведение предмета, явления или процесса с целью его изучения, обязательны для каждой уважающей себя естественной науки — физики, химии, биологии. Эксперименты проводятся с помощью научных приборов — технических устройств, используемых при изучении предметов, явлений и процессов для получения точных и достоверных знаний о природе. Измерительные и прочие специально созданные для проведения научных опытов технические устройства иногда представляют собой дорогостоящие сложные технические системы. И, конечно, все мы хорошо понимаем, какое огромное значение для установления новых знаний о мире имеют научные приборы. Как можно было понять природу теплоты и установить законы природы, проявляющиеся при нагревании работающей техники, если бы не был изобретен термометр? Что можно было узнать нового о Луне, пока великий Галилео Галилей не построил телескоп и не направил его на это светило? И уже совсем немыслимо понять, как устроены молекулы и атомы, как создать микропроцессор для компьютера, атомный реактор, да и многое другое, если пытаться сделать это без приборов для изучения электричества и магнетизма, строения кристаллов и состава сложных химических веществ. Известно, что научные опыты для установления истины проводились и до наступления Нового времени. Еще до нашей эры эксперименты проводили Пифагор, Архимед и другие античные исследователи. Но уже во времена Римской империи традиции научного эксперимента были утрачены. В средневековье учёные главным образом собирали и изучали то, что осталось после гибели античной культуры, науки и техники; прошло много столетий прежде чем они снова оценили по достоинству значение технической аппаратуры — научных приборов и инструментов для получения нового знания о природе. В Новое время главным стало "познать вещи из самих вещей", т.е. понять мир, задавая ему вопросы и, в поисках ответов на них, изучая саму природу, её явления, а не изложенные в древних книгах мнения о ней. Так постепенно возникла совершенно новая, не похожая на средневековую, основанная на экспериментальных данных наука Нового времени.

Одно из главных отличий результатов, получаемых учеными Нового времени от прежних достижений в познании мира, является то, что они основаны главным образом на экспериментах — специально планируемых опытах, в процессе которых изучаемый предмет, явление или процесс воспроизводится с целью проверки предположений о сути и связи наблюдаемых явлений. Изменяя условия опытов и повторяя их столько раз, сколько необходимо для получения достоверной информации, ученые получают фактические данные, как правило, в виде набора цифр — результатов точных измерений научными приборами. Математическая обработка и анализ экспериментальных данных позволяют понять их смысл и помогают сделать обобщающие выводы о сути наблюдаемых явлений. Таким образом, конечным результатом научных экспериментов и осмысления полученных в них фактических данных является теория — выраженные на научном языке обобщающие знания. Чтобы повернуть внимание учёных в сторону экспериментального изучения жизни, достоверных фактов, понадобился подлинный переворот в представлениях о том, что такое наука и какую роль в её развитии должны играть технические средства. Вот почему многие считают, что Новое время в истории науки началось не в момент открытия Коперником гелиоцентрической системы мира, а в период, когда сложилось новое отношение учёных к научному эксперименту — практическим наблюдениям и опытам, проводимым с помощью научно-исследовательской техники.

Изобретение телескопа. Честь создания самого первого телескопа, как это часто случается в истории технических изобретений, приписывают сразу нескольким лицам. Четыре страны — Англия, Германия, Голландия и Италия — называют каждая по нескольку имён соотечественников — изобретателей телескопа. Пожалуй, наиболее широко распространено мнение о том, что первым в истории создания телескопа был мастер очковой оптики Ханс Липперсхей из Нидерландов, изготавливавший линзы не из стекла, а из горного хрусталя. В 1608 г. он просил принца Морица Нассауского выдать ему патент на изобретение технического устройства, приближающего рассматриваемые предметы. В 1609 г. об изобретении Липперсхея узнал Галилео Галилей в Венеции и сразу же изготовил телескоп собственной конструкции, увеличивавший видимые предметы в три раза. Через месяц он делает подзорную трубу уже с десятикратным увеличением и демонстрирует её венецианцам на крепостной башне святого Марка. Зрелище оказалось, действительно, небывалое: корабли в море можно было обнаружить задолго до того, как они становились видимыми невооружённым глазом. Галилей подарил этот телескоп Венецианской республике, за что его назначили до конца жизни руководителем кафедры в университете, определив жалованье в 1000 скуди. В то время примерно столько же получали профессора медицины, но обычное жалованье профессора математики было в 10 раз меньше. ([43], с.73)

Совершенствуя телескоп и улучшая его линзы, Галилей, в конце концов, добился тысячекратного увеличения — предельного для технического устройства такой конструкции. Но в действительности телескоп стал телескопом, а не простой подзорной трубой, когда Галилей направил его на небо. Это случилось в 1610 г., и только тогда люди с помощью техники узнали, что на Луне есть горы, что Млечный путь — не светящийся в ночном небе туман, а огромное скопление звёзд, и что планета Юпитер имеет четыре спутника.

Историки считают, чтобы сделать эти открытия недостаточно было быть гениальным учёным и взглянуть в телескоп. Понять то, что увидел Галилей, мог только учёный нового типа, свободный от власти традиций и авторитета, с иным представлением о человеческом достоинстве, об индивидуальном праве на истину, добытую своими руками и своим умом, а не полученную из освященного веками текстов.

Зеркальный телескоп. В 1668 г. Исаак Ньютон изготовил телескоп принципиально новой конструкции — зеркальный (отражательный). Идея такой конструкции была высказана, но не реализована некоторыми авторами ещё до этого. Телескоп был не велик: всего лишь пять дюймов в длину, но позволял наблюдать спутники Юпитера и фазы Венеры. Общее восхищение вызвал другой телескоп той же конструкции, но большего размера, который Ньютон изготовил собственными руками и послал в дар Королевскому обществу Великобритании. Этот телескоп можно и сегодня увидеть в библиотеке общества.

Микроскоп. Микроскоп был изобретен, можно сказать, на пороге Нового времени — около 1590 г. Техническая суть этого нового средства познания заключалась в том, что давно известные людям увеличительные стёкла, похожие по форме на зёрна чечевицы, были соединены в одном инструменте. Вопрос о том, кто первым создал устройство, в котором сочетались двояковыпуклая (объектив) и двояковогнутая (окуляр) линзы, и в какой стране жил изобретатель, запутан не меньше, чем вопрос об изобретателях других важных оптических приборов — телескопа и очков. Полагают, что это был голландский шлифовальщик стекол Захарий Янсенс. Современные оптические микроскопы, конечно, устроены гораздо сложнее, да и увеличивают во много крат больше. Но самый первый шаг в мир микроскопических объектов человечество сделало благодаря микроскопу Янсенса.

Часы с маятником. Человек очень рано научился измерять время: ночью — по положению звезд и Луны на небосклоне, а днём — по длине тени, отбрасываемой предметами в разные часы дня. Солнечные часы были привычными для центральных площадей античных городов. Если нужно было измерить небольшой промежуток времени, в дело шли переносные водяные или песочные часы, в которых вода или песок струились через маленькое отверстие из одного сосуда в другой. Такие часы до сих пор применяют в поликлиниках при назначении медицинских процедур строго установленной продолжительности. Некоторые естествоиспытатели в древности измеряли время по числу ударов пульса. Наверное, они считали, что частота их пульса никогда не изменяется.

С XI в. в городах стали устанавливать башенные часы с колёсами и гирями. Позже их соединили с устройством для боя, оповещавшего о том, какой час на дворе. Большой, так и не решенной до конца проблемой была регулировка хода таких часов. Впрочем, ценность времени в те годы была не так велика, как теперь: на башенных часах не считали нужным устанавливать минутную стрелку . В ходу была поговорка: "Когда Бог создал время, он сделал его много". Так или иначе, точность средневековых часов была невелика, и сторожам приходилось то и дело выверять их показания по Солнцу и переставлять стрелки вручную.

Карманные часы с боем появились в 1505 г., когда мастер Петр Генлайн из Нюрнберга придумал как заменить приводящий их в движение груз (гирю) пружиной. Они имели яйцеообразную форму, и поэтому их называли: нюрнбергские яйца. Но и эти часы имели низкую точность.

В XVII в. задача установления точной меры времени стояла очень остро не только потому что от её решения зависела достоверность результатов многих физических опытов, но, главным образом, потому, что имела прямое отношение к навигации — определению места корабля в море. Самой сложной проблемой для мореплавателей той эпохи было определение долготы той точки океана, в котором находился корабль. Для этого и нужно было уметь очень точно определять разницу между временем на нулевом меридиане, проходящем через Королевскую обсерваторию в Гринвиче под Лондоном, и местным временем. Эту разницу можно было "перевести" в долготу. Были разработаны специальные таблицы, по которым можно было, наблюдая положение Луны среди звёзд, вычислять время по Гринвичу. Но этот способ давал большие погрешности. Другой способ заключался в том, что время по Гринвичу "хранилось" на корабле с момента выхода из порта на точных часах. Чем точнее шли часы, тем правильнее можно было найти своё место на морской карте. Так что создание высокоточного часового меха­низма имело огромное значение для плавания в открытом море. Изобретатель самых первых точных часов с маятником — двадца­тивосьмилетний Христиан Гюйгенс — использовал идею Галилея, ранее исследовавшего движение маятника. Опираясь на наблюдения Галилея, он математически обосновал и в 1657 г. сделал маятниковый механизм для часов, значительно повысивший точность измерения времени. Для карманных часов Гюйгенс изобрёл балансир, применяемый до сих пор. При этом изобретатель получил математическую формулу качания маятника и вывел из неё ускорение свободного падения тел на земле. На основе созданной Гюйгенсом теории маятника — установленных им законов колебательного движения тел — позднее был создан часовой механизм высочайшей точности, названный хронометром. Его сделал уже в 1765 г. английский часовой мастер Гаррисон, получивший за это большую премию, установленную Адмиралтейством за создание метода надёжного и точного определения долготы.

Паровой котёл. В начале XVII в. механик Дж. Бранка описал одно из первых устройств, использующих силу пара в промышленных целях. Струя пара приводила в движение рабочее колесо с зубчатой передачей к валу, которое в свою очередь приводило в движение толчейный стан — машину для дробления руды. Следующий важный шаг в развитии паровой машины сделал Дени Папен (1647-1712) — ассистент и один из учеников Христиана Гюйгенса. Он построил котёл, создававший струю пара под давлением. Но это изобретение не было оценено современниками по достоинству; его значение было понято только позднее. Для создания универсального технического устройства, использующего энергию пара с целью совершения полезной людям работы, ещё не пришло время.

Ртутный барометр. Эванджелиста Торричелли и Вивиани — ученики и последователи великого Галилея — в 1643 г. проделали следующий опыт. Взяв наполненную ртутью стеклянную трубку, они зажали её конец и опрокинули в сосуд со ртутью. Когда трубка была открыта, столбик ртути в ней опустился до отметки полтора локтя выше уровня ртути в сосуде. Так был изобретен ртутный барометр, поскольку высота, на которой установился уровень ртути в трубке, соответствовала величине атмосферного давления. Торричелли понял это и объяснил изменения уровня ртути в трубке изменениями давления атмосферы. Изобретение ртутного барометра прославило имя Торричелли. Но, пожалуй, ещё больше его прославило произошедшее при этом экспериментальное доказательство существования пустоты. Не приходилось сомневаться, что пустота, образующаяся над уровнем ртути в трубке, была, действительно, пустотой, существование которой до этого никем не было доказано. Современники были так поражены открытием Торричелли, что окрестили полученную им пустоту его именем: Торричеллева пустота. Правда, далеко не все и далеко не сразу поверили в то, что уровень ртути в трубке действительно указывает на величину атмосферного давления. И только после опытов Б. Паскаля (1623-1662), поднявшегося с барометром на вершину высокой горы и доказавшего, что при подъёме вверх уровень ртути, как и было предсказано Торричелли, понижается, все убедились в том, что изобретатель ртутного барометра не ошибся.

Электрический конденсатор. "Хочу сообщить Вам о новом, но ужасном опыте, который не советую Вам ни в коем случае повторять самому... Я проводил некоторые исследования по силе электричества. Для этой цели я подвесил на двух голубых шёлковых шнурах железный ствол, получивший сообщаемое ему электричество от стеклянного шара, который быстро вращали вокруг оси, прижимая к нему руки и тем самым потирая его; с другого конца свисала латунная проволока, конец которой был погружён в круглый стеклянный сосуд, частично заполненный водой, который я держал в правой руке, а другой рукой я попытался извлечь искры из электрического железного ствола; вдруг моя правая рука была поражена с такой силой, что всё моё тело содрогнулось, как от удара молнии! Сосуд, даже если он сделан из тонкого стекла, обычно не разбивается, а рука нисколько не смещается от такого сотрясения; но на руку и на всё тело это оказывает такое ужасное воздействие, что я даже не могу это выразить: одним словом, я думал, что мне конец" — так писал нидерландский физик Питер вам Мушенбрук (1692-1761) из города Лейден французскому учёному Рене Антуану де Реомюру (1683-1757) об опыте, который он провёл в начале 1745 г. Явление электрического удара до этого было неизвестно, и потому опыт Мушенбрука произвёл огромное впечатление на современников.

Что же произошло на самом деле? Поверхность шара диаметром 13 см из тонкого прозрачного стекла, которое применил отважный профессор, оказалась, пользуясь современной терминологией, диэлектриком. Ладош, экспериментатора, касавшаяся сосуда, и вода — обкладками. Металлический проводник, пропущенный в сосуд и погружённый в воду, послужил выводом внутренней (водяной) обкладки. Таким образом, всё устройство в целом представляет собой самый первый в истории техники электрический конденсатор, названный лейденской банкой. Спустя всего год после первого эксперимента, лейденский сосуд, уже с обкладками из фольги, стал стандартным лабораторным прибором, широко использовавшимся для изучения электричества. Действие лейденской банки первым объяснил выдающийся американский ученый и государственный деятель, изобретатель громоотвода (точнее было бы сказать: молниеотвода) Бенджамин Франклин (1706-1790).

Французский военный инженер и естествоиспытатель Кулон (1736-1806) изобрел высокочувствительный прибор для измерения малых сил (крутильные весы), с помощью которых открыл один из основных законов электростатики. Исследования Кулона в области электростатики стали основанием последующего развития учения об электричестве и магнетизме. Выдающееся открытие сделал в 1790 г. итальянский ученый-физиолог Луиджи Гальвани (1737-1798), обнаруживший, как он полагал, животное электричество. Его современник и соотечественник Алессандро Вольта (1745-1827) показал, что на самом деле обнаруженный Гальвани ток возник в результате образования цепи из двух разных металлов. Так был изобретен первый простейший источник тока, состоявший из медной и цинковой пластинок, разделенных куском картона, пропитанным серной кислотой. Вольта назвал его гальваническим элементом (в честь Гальвани). На его основе Вольта создал первую электрическую батарею из последовательно соединенных гальванических элементов — так называемый вольтов столб, напряжение и сила тока которого зависели только от числа соединенных элементов. Другой выдающийся ученый Д. Араго назвал изобретение Вольта «самым замечательным прибором, когда либо изобретенным людьми, не ис­ключая телескопа и паровой машины». В самом начале XIX в. русский физик и электротехник В.П. Петров (1761-1834), проводя опыты с собранным им вольтовым столбом из 2100 гальванических элементов, получил электродвижущую силу около 1700 В и открыл явление сильного электрического разряда в газе — электрическую дугу (1802 г.), позже названную вольтовой.

Уже в первые годы существования Петербургской Академии наук при ней была создана Инструментальная палата — мастерская для изготовления приборов по заказам ученых. Однако ученые России использовали в своих экспериментах главным образом закупленные за рубежом научные приборы. Сложившееся в те годы отставание научного приборостроения от западного так и не было до конца преодолено на протяжении всей последующей истории отечественной науки.

Новая, опирающаяся на эксперимент и широко использующая приборы наука благодаря свои успехам к концу XVIII в. обрела огромный авторитет в обществе. Одновременно проявилась и новая роль науки в развитии техники. Великие научные открытия и технические изобретения Нового времени были не просто включены людьми в научные книги и учебники: они стали применяться при создании совершенно новых образцов техники, новых машин и технологических процессов. А новая техника оказалась настолько мощнее, сильнее и удобнее прежней, что с её помощью удалось резко увеличить производство продукции на фабриках и заводах. Произошло очень быстрое и очень глубокое изменение всей промышленности, всего сельского хозяйства, всей связи и всего транспорта, короче говоря, произошла великая промышленная, или техническая революция XVIII - начала XIX вв.