3.9. Вторая научная революция. Создание классической механики

Трагическая гибель Джордано Бруно произошла на ру­беже двух эпох: эпохи Возрождения и эпохи Нового време­ни. Последняя охватывает три столетия – XVII, XVIII, XIXвв. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыграл XVII век, ознаменовавшийся рождением современной на­уки, у истоков которой стояли такие выдающиеся ученые, как Галилей, Кеплер, Ньютон, Бруно Джордано.

В учении Галилео Галилея (1564–1642) были заложены основы нового механистического естествознания. Д о Галилея общепринятым в науке считалось понима­ние движения, выработанное Аристотелем и сводившееся к следующему принципу: тело движется только при наличии внешнего на него воздействия, и если это воздействие пре­кращается, тело останавливается. Галилей показал, что этот принцип Аристотеля (хотя и согласуется с нашим повсе­дневным опытом) является ошибочным. Вместо него Га­лилей сформулировал совершенно иной принцип, получив­ший впоследствии наименование принципа инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не из­меняя направления и скорости своего движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия.

Большое значение для становления механики как науки имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость свободного падения тел не зависит от их массы (как думал Аристотель), а пройденный падаю­щим телом путь пропорционален квадрату времени падения.

Галилей выработал условия дальнейшего прогресса естествознания, начавшегося в эпоху Нового времени. Он понимал, что слепая вера в авторитет Аристотеля силь­но тормозит развитие науки. Истинное знание, считал Галилеи, достижимо исключительно на пути изучения при­роды при помощи наблюдения, опыта (эксперимента) и вооруженного математическим знанием разума, – а не пу­тем изучения и сличения текстов в рукописях античных мыслителей. Используя построенные им телескопы (вначале это был скромный оп­тический прибор с трехкратным увеличением, а впослед­ствии был создан телескоп и с 32-кратным увеличением), Галилеи сделал целый ряд интересных наблюдений и откры­тий. Он установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности имеются пятна. У самой большой пла­неты Солнечной системы Юпитера Галилей обнару­жил 4 спутника (из 13 известных в настоящее время). На­блюдения за Луной показали, что ее поверхность гористого строения и что этот спутник Земли имеет либрацию, т.е. видимые периодические колебания маятникового характера вокруг центра. Галилей убедился, что кажущийся туманно­стью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд.

Но самое главное в деятельности Галилея как ученого-астронома состояло в отстаивании справедливости учения Н. Коперника. Галилей сумел показать несостоятельность всех этих сомнений и дать блестящее естественнонаучное доказатель­ство справедливости гелиоцентрической системы в знаме­нитой работе «Диалог о двух системах мира – Птолемеевской и Коперниковой».

Как уже отмечалось выше, католической церковью в 1616г. было принято решение о запрещении книги Коперника «Об обращениях небесных сфер», а его учение объявле­но еретическим. Галилей в этом решении упомянут не был, но ему все же пришлось предстать перед судом инквизиции. После длительных допросов он был вынужден отречься от учения Коперника и принести публичное покаяние. Спустя 350 лет после смерти Галилея, в октябре 1992 г., он был реабилитирован католической церковью, его осуждение было признано ошибочным, а учение правильным. Глава римско-като­лической церкви папа Иоанн Павел II заявил при этом, что цер­ковь не должна выступать против науки, а, наоборот, должна под­держивать научный прогресс (из телевизионной информационной программы «Время» от 31 октября 1992 г.).

С астрологическими наблюдениями Галилея, описанными им в сочинении «Звездный вестник», ознакомился и дал им высокую оценку один из крупнейших математиков и астрономов конца XVI - первой трети XVII вв. Иоган Кеплер (1571–1630). Эта оценка астрономических исследований Галилея содержалась в работе Кеплера «Рассуждение о «Звездном вестнике».

Кеплер занимался поисками законов небесной механи­ки и составлением звездных таблиц. На основе обобщения данных астрономических наблюдений он установил три за­кона движения планет относительно Солнца. В своем пер­вом законе Кеплер отказывается от коперниковского пред­ставления о круговом движении планет вокруг Солнца. В этом законе утверждается, что каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Согласно второму закону Кеплера, радиус-вектор, прове­денный от Солнца к планете, в равные промежутки време­ни описывает равные площади. Из этого закона следовал вывод, что скорость движения планеты по орбите непосто­янна, и она тем больше, чем ближе планета к Солнцу. Тре­тий закон Кеплера гласит: квадраты времен обращения пла­нет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстоя­ний от него.

Помимо сказанного, Кеплеру принадлежит немало заслуг в астрономии и математике. Он разработал теорию солнечных и лунных затмений, предложил способы их пред­сказания, уточнил величину расстояния между Землей и Солнцем, составил так называемые Рудольфовы таблицы – по имени австрийского императора Рудольфа II, при дворе которого Кеплер занимал место астронома, сменив на этой должности умершего Тихо Браге. Кеплеру принад­лежит также решение ряда важных для практики стереомет­рических задач. Конечно, главной заслугой Кеплера было открытие за­конов движения планет. Но он не объяснил причины их движения. Поскольку Кеплер был сторонником гелиоцентричес­кой космологии Коперника и не скрывал этого, Ватикан относился к его сочинениям отрицательно, включив неко­торые из них в список запрещенных книг.

Большое впечатление на естествоис­пытателей произвела теория вихрей, выдвинутая в 40-х го­дах XVII в. французским ученым Рене Декартом (1596–1650). Декарт полагал, что мировое пространство заполнено особым легким, подвижным веществом, способным образовывать гигантские вихри. Вихревые потоки, окру­жая все небесные тела, увлекают их и приводят в движе­ние. Солнечная система представляет собой громадный вихрь, в центре которого находится Солнце. Этот солнеч­ный вихрь увлекает в своем движении все планеты. Что касается эллиптического движения планет по уже известным законам Кеплера, то Декарт не смог ясно этого объяснить. Он говорил, что под действием давления со­седних вихрей и вследствие других причин вихри могут при­нимать сплюснутую или эллиптическую форму.

Космологическая гипотеза Декарта оказалась несостоя­тельной и была отвергнута последующим развитием науки. Но Декарт обессмертил свое имя в другой области – в мате­матике. Создание им основ аналитической геометрии, вве­дение осей координат, носящих по сей день наименование декартовых, введение им многих алгебраических обозначе­ний, формулирование понятия переменной величины – вот далеко не полный перечень того, что сделал Декарт в обла­сти математики, обеспечив ее существенный прогресс.

Вторая научная революция завершилась творчеством од­ного из величайших ученых в истории человечества, како­вым был Исаак Ньютон (1643–1727). Его научное насле­дие чрезвычайно разнообразно. В него входит и создание (параллельно с Лейбницем, но независимо от него) дифференциального и интегрального исчисления, и важные ас­трономические наблюдения, которые Ньютон проводил с помощью собственноручно построенных зеркальных телеско­пов (он, так же как и Галилеи, именно телескопу обязан первым признаниям своих научных заслуг), и большой вклад в развитие оптики (он, в частности, поставил опыты в об­ласти дисперсии света и дал объяснение этому явлению). Но самым главным научным достижением Ньютона было продолжение и завершение дела Галилея по созданию классической механики.

Н ьютон сформулировал три основных закона движения, которые легли в основу механики как науки. Первый закон механики Ньютона – это принцип инерции, впервые сфор­мулированный еще Галилеем: всякое тело сохраняет состоя­ние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил. Существо второго закона механи­ки Ньютона состоит в констатации того факта, что приоб­ретаемое телом под действием какой-то силы ускорение пря­мо пропорционально этой действующей силе и обратно про­порционально массе тела. Наконец, третий закон механи­ки Ньютона - это закон равенства действия и противодей­ствия. Этот закон гласит, что действия двух тел друг на друга всегда равны по величине и направлены в противопо­ложные стороны.

Данная система законов движения была дополнена от­крытым Ньютоном законом всемирного тяготения, соглас­но которому все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное при­тяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно про­порциональное квадрату расстояния между ними.

Пожалуй, ни одно из всех ранее сделанных научных от­крытий не оказало такого громадного влияния на дальней­шее развитие естествознания, как открытие закона всемирного тяготения. Огромное впечатление на ученых произво­дил масштаб обобщения, впервые достигнутый естествозна­нием. Это был поистине универсальный закон природы, ко­торому подчинялось все – малое и большое, земное и небес­ное. Этот закон явился основой создания небесной механи­ки – науки, изучающей движение тел Солнечной системы.

Существует легенда о знаменитом яблоке, падение которого с дерева будто бы навело Ньютона на мысль о законе всемирного тяго­тения. Но эта легенда имеет различные толкования. Стукелей – друг Ньютона – утверждал, что якобы сам Ньютон рассказал ему эпизод с яблоком, который и помог ему открыть закон всемирного тяготения. А другой друг Ньютона, Пембертон, считал, что Нью­тон, возможно, специально выдумал историю с яблоком, чтобы отделаться от не в меру любопытных собеседников типа Стукелея.

В 1687 г. вышел в свет главный труд Ньютона «Мате­матические начала натуральной философии», заложивший основы современной теоретической физики. В своей знаменитой работе Ньютон предложил учено­му миру научно-исследовательскую программу, которая вскоре стала ведущей не только в Англии, на родине вели­кого ученого, но и в континентальной Европе. Свою науч­ную программу Ньютон назвал «экспериментальной фило­софией», подчеркивая решающее значение опыта, экспе­римента в изучении природы.

Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую фи­зику и эксперимент, определили направление развития ес­тествознания на многие десятилетия вперед.