Лекция 8. Зарождение учения о движении

План лекции

1. Созерцательный характер натурфилософии античности

2. Воззрения древних на механическое движение

1. Созерцательный характер натурфилософии античности

Учение о движении в древности развивалось в полной разобщенности от учения о равновесии, называемого позже статикой. Статика довольно рано (с античного времени) трактуется математически. Для количественной теории движения материальных тел еще нет достаточного накопленного материала наблюдений и технического опыта. Источником материала, обобщаемого в натурфилософии в качестве зародыша будущей динамики, долгое время служило непосредственное созерцание явлений природы и техники. Технические средства подчинения сил природы человеку были на низком уровне: человек научился использовать силы тяжести с помощью простейших (для нашего времени) приспособлений— рычага, наклонной плоскости, ворота, блока и других.

Накапливались правила наивыгоднейшего использования простых машин, например, в перипатетической механике (IV в. до н. э.) значительный интерес вызывала проблема соотношения между «двигателем», «движимым», путем и временем «насильственного» движения. Этот расчет был подсказан практической задачей о величине тяги, действующей на тяжелое тело вдоль шероховатой поверхности. Пристальное внимание физиков привлекала проблема «естественного» падения тяжелого тела по отвесной линии, о закономерностях которого высказывались лишь догадки, так как не было возможности проводить эксперимент над падающими телами.

С древних времен велись наблюдения движения тяжелого тела, брошенного под углом к горизонту. Метательные орудия — лук, праща, катапульты — давали некоторый опытный материал. Однако до XVII в. существовало только качественное описание этого явления, подчас опиравшегося на псевдонаучные гипотезы.

Едва ли не самой древней областью познания свойств движения материальных тел была наблюдательная астрономия. Невооруженным глазом люди наблюдали движение Солнца, Луны и других небесных тел. Составлялись лунные и солнечные календари. В Индии (Дели) сохранились остатки древней обсерватории с определенными визирными линиями; издавна применялись угломерные инструменты из дерева и металла. Однако теория движения небесных тел опиралась на умозрительные соображения общего характера. Геоцентрическая система Птоломея воплощала в себе черты основных положений натурфилософии Платона и Аристотеля.

Революционная гелиоцентрическая гипотеза Коперника в XVI в. была не результатом обобщения качественно нового наблюдательного астрономического материала (такового не было к этому времени), а результатом нового прогрессивного мировоззрения ее автора Николая Коперника, воспитанного на идеях итальянского возрождения.

Итак, до XVI в. наблюдалось лишь зарождение учения о движении, значительно отстающего в своем развитии от уровня развития учения о равновесии.

2. Воззрения древних на механическое движение

Воззрения атомистов-материалистов древности Анаксагора, Эмпедокла, Демокрита (V в. до н. э.), Эпикура (IV в. до н. э.) и Лукреция Кара (I в. до н. э.) изложены в поэме последнего «О природе вещей» 1. Основные черты этого воззрения сводятся к следующему. Окружающий нас материальный мир построен из атомов, движущихся в пустоте равномерно и прямолинейно в промежутках между взаимными столкновениями. Число атомов и их многообразие по форме бесконечно; качественного различия между атомами нет; они различны лишь но величине и форме. Взаимодействие атомов осуществляется только контактно. Все явления природы детерминированы. Социальные воззрения атомистов не были одинаковыми, но в их натурфилософии расхождения не были существенными. Взгляды автора поэмы «О природе вещей» ближе всего к воззрениям Эпикура. Однако Лукреций выдвинул и новую идею множественности миров: «...остается признать неизбежно, что во вселенной еще и другие имеются земли, да и людей племена и также различные звери». Почти тысячелетие продержалось мнение Аристотеля о том, что тяжелые тела падают быстрее легких. В трактате «Физика» Аристотель различает четыре вида движения:

1. движение в отношении сущности — возникновение и уничтожение;

2. движение и отношении количества — рост и убывание;

3. движение в отношении качества — изменение качественных характеристик; 4) движение в отношении места — перемещение в пространстве или механическое движение.

«Место тела» он определяет как «границу объемлющего тела», т. е. как поверхность, по которой тело соприкасается с внешней средой. Однако Аристотель усмотрел трудность этого определения для случая сложного движения: например, для рыбы, спящей в проточной воде, или для гвоздя, вбитого в палубу движущегося корабля: первой границей является подвижное тело (вода, корабль). Тогда для всех случаев с учетом указанных возможностей Аристотель дает второе определение «места» тела как «первой неподвижной границы объемлющего тела»2. Итак, тело, по Аристотелю, имеет место постольку, поскольку оно находится в соседстве с другой окружающей его средой.

Аристотель не признавал существования пустоты — природа боится пустоты. Возражая против этого основного тезиса учения Демокрита (о пустоте), Аристотель отвергал и его объяснение различной плотности тел различной пористостью. Плотность, по Аристотелю, есть внутреннее потенциальное или скрытое качество тел.

Учение о движении тел Аристотеля тесно связано с его картиной мира, с представлением о строении Вселенной. Здесь сказалось большое влияние идеалистической системы взглядов Платона.

Эта картина излагается Аристотелем в трактате «О небе». Все материальные тела Аристотель делил на четыре элемента природы (четыре стихии): земля, вода, воздух, огонь.

Каждая из этих стихий имеет свое естественное место в мироздании: центральное место Вселенной — земной шар, далее — слой воды, слой воздуха, слой огня. Наружная сферическая граница естественного места огня представляет собой небо. Оно ограничивает всю Вселенную. Далее идет уже не материальный, а божественный «первый двигатель», который движет все, оставаясь сам неподвижным. Круговое движение первично: оно проще и совершеннее прямолинейного.

Любое тело данной стихии имеет свое естественное место, притягивающее это тело: камень стремится на землю —к своему естественному месту; вода (пар) — выше; дым, огонь — вверх. Все естественные (без вмешательства человека) движения совершаются радиально (вертикально).

Но есть другой род механического движения — насильственное, т. е. требующее двигателя. Как только двигатель прекращает своедействие, так прекращается и насильственное движение.

Закон насильственных движений Аристотель формулирует количественно: произведение величины «двигателя» на время движения равно произведению величины «движимого» на путь, пройденный им. Однако область применения этого закона Аристотель ограничивал: он справедлив только для достаточно сильного «двигателя», который мог бы сдвинуть груз («движимое»), Аристотель подходил к случаю, когда «двигатель» не может сдвинуть груз из-за трения, которое он считал скрытым свойством тел. К скрытым свойствам или причинам тел Аристотель относил и то, что тяжелые тела падают быстрее, чем легкие.

В многочисленных эллинистических государствах Средиземноморья на рубеже новой эры (от III в. до н. э. по IV в. н. э.) создаются крупные научные школы. Одной из наиболее известных школ этого времени была Александрийская (Египет), являвшаяся и крупнейшей научной библиотекой того времени, и своеобразной академией наук.

Здесь процветала перипатетическая, т. е. развивавшая основные положения Аристотеля, наука. Однако уже Стратон в III в. до н. э. высказывает ряд сомнений по поводу этого учения, соглашаясь с некоторыми взглядами учения атомистов. Стратон согласен с атомистами по вопросу существования пустоты и отказывается от аристотелианской теории стремления тел к их естественным местам; он считает, что все тела обладают свойством тяжести и поэтому нет скрытых качеств тяжести и легкости. Ученик Стратона Аристарх Самосский (320—250 гг. до н. э.) заметнее других отразил влияние мировоззрения Демокрита. Аристарх отвергал представление о небесных телах как об «эфирных телах огненной природы». Он пытался определить расстояние от Земли до Луны и до Солнца на основании астрономических наблюдений. Аристарх Самосский высказал гениальную гипотезу о подвижности Земли — о ее суточном вращении вокруг оси и о годичном обращении вокруг Солнца. Эта гипотеза, опережавшая состояние техники астрономических наблюдений, вызвала большое недоверие и оживленную полемику.

Современником Аристарха был ученый Александрии Эратосфен, который впервые измерил длину дуги меридиана Земли и вычислил (довольно близко к истинной) величину радиуса земного шара.

Наиболее влиятельным противником Аристарха Самосского относительно строения Вселенной был Клавдий Птоломей (середина II в. н. э.), работавший в Александрии.

Обширный его трактат «Математическое собрание», получивший от арабов название «Альмагест», посвящен обоснованию геоцентрической системы мира и тесно связан с аристотелевой механикой. Движения небесных тел — тел огненной природы, ничего общего не имеющих с телами земными, происходят по кругам, как учил Аристотель. Согласуя с наблюдениями (а ко времени Птоломея они накопились в большом количестве) свою систему движения небесных тел вокруг неподвижного земного шара, Птоломей был вынужден ввести эпициклы для многих планет, центры которых, в свою очередь, двигались по кругам.

Одна из глав его сочинения специально посвящена опровержению гипотезы о суточном вращении Земли вокруг оси. Птоломей приводит аргумент против этого утверждения; при вращении Земли брошенные тела отклонялись бы в сторону, противоположную вращению (на запад). В те времена закон сложения относительного и переносного движений не был еще известен, поэтому рассуждения Птоломея не вызывали недоразумений современников, напротив, казались весьма убедительными.

На протяжении средних веков труды Аристотеля изучались, комментировались и дополнялись трудами арабских ученых и ученых Средней Азии.