Становление классической механики

Изобретение телескопа в конце XVI в. - революционное событие эпохи Возрождения. Утверждение гелиоцентрической картины мира стало возможным благодаря развитию оптической астрономии. Для торжества теории Коперника и идей, высказанных Джордано Бруно, и, следовательно, для прогресса материалистического мировоззрения огромное значение имели астрономические открытия, сделанные Галилео Галилеем.

Благодаря своему отцу, известному музыканту и теоретику музыки, Галилей получил классическое начальное образование. В 18 лет он отправился изучать медицину в Тосканский университет, где отдавал предпочтение математическим наукам. В 1589 г. он стал профессором математики в Пизанском, а в 1592-м в Падуанском университетах. В Падуе Галилей занимался главным образом разработкой новой механики. Здесь возникли его статистические исследования о машинах, созрели его главные динамические работы о законах свободного падения тел, исследования о прочности материалов, о механике тел животных.

В 1609 г. Галилео Галилей, используя свои познания в геометрической оптике, усовершенствовал «голландскую трубу» -телескоп. Работа телескопа демонстрировалась с башни собора Святого Марка в Венеции. С помощью нового сконструированного им телескопа, с увеличением в 32 раза, он начал наблюдения ночного неба и обнаружил кратеры и хребты на Луне, разглядел бесчисленные скопления звезд, образующих Млечный Путь, увидел четыре спутника Юпитера, пятна на Солнце. Благодаря этим открытиям Галилей стяжал славу «Колумба неба». Спутники Юпитера Галилей назвал «светилами Медичи» в честь герцога Тосканского и это, до определенного времени, помогало ему в противостоянии с церковью.

Астрономические открытия Галилея, в первую очередь спутников Юпитера, стали наглядным доказательством истинности гелиоцентрической теории Коперника, а явления, наблюдаемые на Луне, представлявшейся планетой, вполне аналогичной Земле и пятна на Солнце подтверждали идею Бруно о физической однородности Земли и неба. Открытие же звездного состава Млечного Пути явилось косвенным доказательством бесчисленности миров во Вселенной.

Вышедшая в 1610 г. работа Галилея «Звездный вестник» противоречила аристотелевскому мировоззрению. Сначала Римская коллегия - центр ученых-иезуитов подтверждает телескопические наблюдения Галилея, но, когда в результате его последующих работ появляются новые весомые доказательства теории Коперника, католическая церковь принимает решение запретить пропаганду взглядов Коперника даже в качестве гипотезы. Книга Коперника вносится в список запрещенных, а его учение объявляется еретическим.

Хотя книга Коперника была запрещена, приостановить дальнейшее торжество его идей церковь уже не могла. Галилей решительно отделял науку от религии. Он утверждал, что природа должна изучаться с помощью математики и опыта, а не с помощью Библии. В познании природы человек должен руководствоваться только собственным разумом. Галилей пришел к выводу о возможности безграничного познания природы. Исходя из идеи о бесконечности Вселенной он выдвинул идею, что познание истины есть бесконечный процесс. Этим утверждался новый метод познания истины. Все это поставило деятельность Галилея под удар инквизиции, но он продолжал работать над совершенствованием доказательств истинности теории Коперника.

В 1623 г. на папский престол вступает Урбан Восьмой - кардинал Барберини, который отдавал должное исследованиям Галилея и с благосклонностью относился к нему. Папа соглашается на издание книги Галилея, в которой учение Коперника излагается как одна из возможных гипотез. И в 1632 г. выходит его знаменитый труд «Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой», в которой научно доказывается истинность теории Коперника. Однако книга послужила поводом для обвинения Галилея со стороны католической церкви. Ее продажа была запрещена, но к этому времени ее тираж уже разошелся. Ученый был привлечен к суду римской инквизицией. В 1633 г. состоялся процесс, на котором он был вынужден формально отречься от учения Коперника. Пожизненное тюремное заключение было заменено домашним арестом. Девять лет Галилей официально считался «узником инквизиции». Существует легенда, что после прочтения формального отречения Галилей произнес: «И все-таки она вертится». Сегодня трудно утверждать, была ли произнесена эта фраза, но она выражает действительный смысл жизни и творчества Галилея после отречения.

Галилей, которого вынудили к отречению, смог после этого написать трактат «Беседы и математические обоснования двух новых наук, касающихся механики и законов падения», где в иносказательной форме, убедительно доказал вращение Земли. Этот труд оказал огромное влияние на развитие физической науки и естествознания в целом.

Последние восемь лет жизни Галилей провел на своей вилле в Арчетри, под Флоренцией. В 1637 г. Галилей полностью ослеп и через пять лет скончался. В 1693 г. его ученик и биограф Вивиани установил бюст около дома учителя. Только в 1737 г. была исполнена последняя воля Галилея: прах ученого был перенесен во Флоренцию, в церковь Санта-Кроче, где похоронены известные деятели Италии. Место его захоронения находится рядом с могилой великого Микеланджело. Во Флоренции, в музее истории, науки есть экспозиция, посвященная Галилею. Там можно увидеть оригинальные инструменты ученого, его личные вещи. Через 337 лет папа римский Иоанн Павел II признал преследования Галилея несправедливыми и снял обвинения с великого ученого.

Исторически первой физической наукой была механика. Механика - наука о равновесии и движении (перемещении) тел (материальных точек). Движение - это любое изменение материи, ее основное и всеобщее свойство. Механическое движение - это изменение положения тел относительно друг друга. Движущееся тело обладает размерностью, также как и пространство, в котором это тело двигается. Если размеры тела много меньше размеров области пространства, в котором происходит движение, то для такого тела используется понятие «материальная точка», т. е. тело, формой и размерами которого можно пренебречь в данной задаче. Для протяженных тел используется понятие «система материальных точек».

Если материальные точки жестко связаны между собой, пользуются понятием «абсолютно твердое тело», а если точки слегка подвижны в системе, то понятием «упругое тело». Абсолютно твердое тело - это тело, расстояние между любыми двумя точками которого остается неизменным. Состояние материальной точки в классической механике задается ее координатами и скоростью в данный момент времени. Понятие «состояние» в естественных науках означает совокупность характеристик объекта, достаточную для предсказания его дальнейшей эволюции.

Галилей создал важнейшую отрасль механики - динамику -учение о движении тел и установил ряд ее фундаментальных законов: о пропорциональности пути, проходимого падающими телами, квадратам времени их падения; о равенстве скоростей падения тел различного веса в безвоздушной среде; о сохранении прямолинейного равномерного движения, сообщенного какому-либо телу, до тех пор, пока какое-либо внешнее воздействие не прекратит его (принцип инерции) и др. Галилей установил, что вес падающего предмета не влияет на его движение и все тела движутся с постоянными ускорениями, т. е. получают одинаковые приращения скорости за одинаковые промежутки времени. Законы механики были применены Галилеем для доказательства теории Коперника.

Критики гелиоцентрической системы полагали, что при движении Земли в мировом пространстве должен возникнуть сильнейший вихрь, сметающий все с ее поверхности. Галилей же установил, что равномерное движение тела нисколько не отражается на процессах, совершающихся на его поверхности. Например, на движущемся корабле падение тел происходит так же, как и на неподвижном. Он открыл общий принцип классической механики - принцип относительности.

Для понимания этого принципа необходимо сформулировать ряд важнейших понятий в естествознании: система отсчета, инерциальная система и инвариантность.

Системой отсчета называется тело, относительно которого определяется положение другого движущегося тела. Движение тела на плоскости определяется двумя координатами, а в пространстве - тремя (в соответствии с декартовой системой координат).

Понятие инерциальной системы выработал Галилей. Системы отсчета, находящиеся относительно друг друга в покое, либо в равномерном (двигаются с постоянной скоростью) и прямолинейном движении, называются инерциальными. Так, любая система отсчета, которая движется прямолинейно и равномерно относительно гелиоцентрической системы, будет инерциальной.

Инвариантность - это неизменность любой величины при изменении физических условий или системы координат. Согласно принципу относительности все механические процессы происходят одинаково во всех инерциальных системах. Внутри равномерно движущейся, инерциальной системы все механические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся. Так, например, время в таких системах течет одинаково, размерность предметов остается одинаковой, т. е. эти величины являются инвариантными. Если справедливость утверждения не зависит от системы отсчета, то такое утверждение называется инвариантным. Физическое значение имеют только инвариантные утверждения.

Философское значение законов механики, открытых Галилеем, было громадным. Впервые в истории развития человеческого познания понятие законов природы приобретало строго научное содержание. Подлинно научная методология должна, согласно Галилею, приводить к открытию новых истин. Леонардо да Винчи дал лишь наброски такого метода изучения природы, Галилей же оставил развернутое изложение этого метода и сформулировал важнейшие принципы механического мира.

Галилей выступал убежденным сторонником опыта как пути, который только и может привести к истине. При этом он подчеркивал важность не простого наблюдения, а планомерно поставленного эксперимента. Ученый показал громадное значение количественного анализа, точного определения количественных отношений при изучении явлений природы.

Галилей тесно увязывал атомистическое истолкование природы с математикой и механикой. «Книга природы написана на языке математики», - говорил Галилей, и ее невозможно понять, если не овладеть этим языком. Однако он не смог полностью освободиться от теологического представления о Боге в силу метафизичности его воззрений на мир, согласно которым в природе, состоящей в своей основе из одних и тех же элементов, ничто не уничтожается и ничего нового не нарождается.

Эта идеалистическая тенденция проявляется у Галилея в его понимании происхождения Солнечной системы. Хотя он вслед за Бруно исходил из бесконечности Вселенной, однако это убеждение сочеталось у него с представлением о неизменности круговых орбит планет и скоростей их движения. Стремясь объяснить устройство Вселенной, Галилей утверждал, что Бог, когда-то создавший мир, поместил Солнце в центр мира, а планетам сообщил движение по направлению к Солнцу, изменив в определенной точке их прямой путь на круговой. С тех пор природа обладает своими собственными объективными закономерностями, изучение которых - дело только науки. Научнофилософская деятельность Галилея кладет начало новому этапу развития философской мысли в Европе - механистическому и метафизическому материализму XVII-XVIII вв.

Все величие гелиоцентрической системы мира обнаружилось, когда в рамках системы Коперника были установлены истинные законы эллиптического движения планет. Это заслуга выдающегося немецкого ученого Иоганна Кеплера. Работая преподавателем математики в Граце, Кеплер написал свое первое сочинение «Космографическая тайна», в котором проявил себя как убежденный сторонник учения Коперника. Свободомыслие Кеплера обернулось для него религиозными преследованиями и он был вынужден покинуть Грац.

В 1600 г. в Праге Кеплер начинает астрономические наблюдения совместно с датским ученым Тихо Браге, который, признав систему Коперника, сумел достаточно точно измерить положение планет на небе. Тихо Браге составил объемистые таблицы, которые впоследствии, уже после его смерти, позволили Иоганну Кеплеру окончательно утвердить систему взглядов Коперника. Кеплер, изучая оставшиеся материалы долголетних астрономических наблюдений, делает замечательное открытие -выводит законы движения планет, ставшие основой теоретической астрономии. Эти законы изложены в его книгах «Новая астрономия» (1609) и «Мировая гармония» (1619).

В соответствии с первым законом Кеплера все планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых, общем для всех планет, находится Солнце. Солнце находится не в центре эллипса, а в особой точке, называемой фокусом. Орбиты движения всех планет лежат не в одной плоскости - их плоскости образуют одна с другой небольшие углы.

Второй закон определял изменение скорости движения планет по их орбите. Скорость, с которой планеты двигаются вокруг Солнца, не равномерна. Планеты двигаются быстрее, когда они ближе к Солнцу, и медленнее, когда дальше от него. У Кеплера Солнце становится не только источником света и тепла для всей планетной системы, но и силой, обусловливающей движение планет. Согласно второму закону Кеплера радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, в равные промежутки времени описывает равные площади.

Кеплер установил, что отношение между периодами обращения каких-нибудь двух планет равняется полуторной степени отношения их средних расстояний от Солнца. В современной формулировке этот третий закон звучит так: квадраты периодов обращения любых двух планет относятся между собой как кубы их средних расстояний от Солнца.

Кеплер указывал, что сила притяжения тем больше, чем оба тела ближе друг к другу. Объясняя причины океанских приливов и отливов, Кеплер предположил, что тела Солнца и Луны притягивают воды океана силой, подобной магнетизму. При этом он указывал, что сила притяжения прямо пропорциональна весу, но обратно пропорциональна расстоянию.

В трехтомной работе «Сокращение коперниковой астрономии» (1618-1621) Кеплер изложил теорию солнечных и лунных затмений, их причины, способы предсказания. Стремясь искоренить учение Коперника, Ватикан внес это сочинение в список запрещенных книг. Последняя крупная работа Кеплера «Рудольфовы таблицы» (1627) была названа в честь императора Рудольфа Второго. По этим таблицам в течение многих лет вычисляли положение планет на небесной сфере.

Кеплером была изобретена простейшая зрительная труба, в которой в качестве объектива и окуляра использовались двояковыпуклые линзы. Его математические работы {«Новая стереометрия» и др.) были прологом дифференциального и интегрального исчисления. Особенностью всех работ Кеплера было тщательное, подробное описание хода его рассуждений и исследований, включая успехи, неудачи, ошибки, догадки и т. п. Ученые последующих поколений назвали Кеплера «законодателем неба», так как он открыл те законы, по которым совершается движение небесных тел в солнечной системе. А. Эйнштейн писал о Кеплере: «Он жил в эпоху, когда не было еще уверенности в существовании некоторой общей закономерности для всех явлений природы. Какой глубокой была у него вера в такую закономерность, если никем не поддерживаемый и не понятый, он на протяжении многих десятков лет черпал в ней силы для трудного и кропотливого исследования». Открытые Кеплером законы получили объяснение в механике Ньютона и подготовили почву для открытия закона всемирного тяготения.

Рене Декарт - выдающийся французский ученый, философ, математик, физик, физиолог. В 1637 г. он опубликовал свою самую знаменитую работу «Размышления о методе правильного выявления и нахождения истины в науках». В своей философии Декарт подчеркивает различие между мышлением и материальными объектами, защищает изначальный скептицизм в науке. Философия Декарта заключает в себе важный материалистический элемент - физическую теорию, исходящую из материалистического понимания природы. Декарт пытается обосновать механистическую методологию науки о природе, логику механистического естествознания, рассматривая ее как всеобщую науку.

В «Размышлениях о методе...» Декарт представил закон преломления света, рассмотрел теорию света, которая явилась предшественницей волновой теории, сформулированной впоследствии Христианом Гюйнгенсом. В этой работе он представил и свой главный вклад в науку - аналитическую геометрию. Декарт сформулировал закон постоянства количества движения, равного импульсу силы (произведению приложенной силы на время ее действия). Количество движения - это мера механического движения, равная для тела (материальной точки) произведению ее массы т на скорость v. Количество движения mv величина векторная, направленная так же, как скорость точки. Количество движения называется также импульсом. Декартом было сформировано понятие переменной величины, введены многие алгебраические обозначения, предложена система координат, получившая его имя - «декартовы координаты».

В своей концепции о физической Вселенной он утверждает, что все природные явления, весь мир (кроме Бога и души) можно объяснить механическими методами. Вселенная, по Декарту, материальна и бесконечна, материя состоит из частиц, частицы материи находятся в движении, материя и движение неуничто-жимы. Материя представляет собой единственную субстанцию (эфир), единственное основание бытия и познания. Все явления сводятся к перемещению материальных частиц, к их механическому воздействию друг на друга, а природа понимается как гигантский механизм. По Декарту, человеческое тело также подчиняется механическим законам, что стало одной из фундаментальных идей физиологии. Декарт дал представление о безусловном рефлексе.

В 1641 г. выходит его знаменитая книга «Размышления о первой философии», а в 1647-м - «Начала философии». Основой философствования Декарта становится проблема достоверности знания. Отправная точка теории Декарта выражена в его знаменитом афоризме: «Я мыслю, следовательно, я существую». Декарт - философ и ученый, стал одним из самых влиятельных мыслителей XVII в., на труды которого опирался Ньютон.

4.3. Эпоха Просвещения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >