Научная революция XVI—XVII веков и становление современного естествознания

Переход от натурфилософского понимания природы к научному естествознанию совершался в период научной революции XVI—XVII вв.

Этот период развития естествознания связан со становлением и развитием естественных наук как новой формы теоретического освоения действительности. Изменения в европейской культуре, произошедшие в эпоху Возрождения и перехода к Новому времени, привели к тому, что собственно научный способ мышления стал достоянием естествознания.

Отличие научного естествознания от предшествовавших ему натурфилософских учений о природе заключается в том, что естественно-научное мышление связывает разрозненные эмпирические данные в одно целое не на основе умозрительных натурфилософских принципов, а раскрывает наиболее существенные связи между ними и выражает их в виде определенной системы научных законов.

Становление научного естествознания было связано с осуществлением теоретическими средствами идеальной реконструкции изучаемых явлений, на основе которой объяснялся весь эмпирический материал. Особенность научного теоретического анализа действительности по сравнению с натурфилософским познанием, состоит в том, что выделяется некоторый аспект окружающей человека природы, который предстает как предмет естествознания. Иными словами, предметом естественно-научного исследования выступают не природные процессы и явления в их целостности, а система теоретических объектов, реконструирующая некоторые параметры реальных объектов. Только при таком подходе удается ввести эмпирические методы в основу познания. При появлении четко определенной области, где теоретическая концепция не истолковывает эмпирию, а определяет метод исследования и способна предсказывать направление экспериментального поиска, появляется научное познание природы в собственном смысле слова.

Главными факторами в процессе становления естественных наук принято считать:

• • становление эксперимента как метода изучения природы,
• • соединение математического метода с экспериментом;
• • формирование на их основе теоретических схем, объясняющих изучаемые явления.

Научной революции в области физики предшествовала научная революция в астрономии, которая началась с разработки гелиоцентрической системы мира Николаем Коперником. Как уже было сказано, гелиоцентрическая система была противопоставлена им геоцентрической картине мира знаменитого александрийского астронома, математика и географа II в. Клавдия Птолемея, основной труд которого широко известный ныне под названием «Альмагест», был до начата XVII в. главным учебником по астрономии.

Повторим, что идея гелиоцентрической системы мира зародилась еще в древности, в частности, у Аристарха Самосского (III в. до н.э.). Возродилась она в XIV в. в учении Николая Орезмского. В эпоху Возрождения Николай Кузанский также высказывал гипотезу гелиоцентризма.

Можно сказать, что идея гелиоцентризма как бы носилась в воздухе, ожидая своего научного воплощения. И этот шаг, обозначивший поворотный пункт в истории науки, сделал Николай Коперник, издавший в год своей смерти в Нюрнберге книгу под названием «Об обращении небесных кругов». Согласно его учению Земля находится в движении и не является центром мира. Она вращается вокруг своей оси и вместе с прочими планетами вокруг Солнца. Свою концепцию Коперник строил на основе многочисленных астрономических наблюдений и их математической обработки. Он полагал, движение Земли и других планет происходит равномерно по круговым орбитам. Однако его система не позволяла точно описать движение небесных тел.

Дальнейшее развитие гелиоцентрической системы связано с именами датского астронома Тихо де Браге (1546— 1601) и немецкого ученого И. Кеплера (1571 — 1630). Более тридцати лет Тихо де Браге проводил систематические астрономические наблюдения. На основе обобщения данных, полученных им, И. Кеплер сформулировал три основных закона, описывающих движение планет. Он утверждал, что каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Радиус-вектор планеты в равные промежутки времени описывает равные площади. Квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от Солнца. Солнце, занимая один из фокусов эллиптической орбиты, является источником силы движущей планеты. Значение законов Кеплера было понято лишь тогда, когда Ньютон, сделал из них выводы, приведшие к установлению закона тяготения.

Систематическое обоснование гелиоцентрической системы мира дал Г. Галилей (1564—1642) в своих фундаментальных произведениях «Диалоги о двух важнейших системах мира, птолемеевской и коперниковской» и «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей знания».

Галилео Галилея по праву считают отцом современного естествознания, который подвел твердый научный фундамент иод астрономию и разработал методологию научного эксперимента.

Он первым:

• • дал физическое обоснование гелиоцентрической системы;
• • ввел эксперимент как метод научного исследования;
• • ввел измерения, сделав эксперимент количественным;
• • обосновал необходимость математизации естествознания,;
• • сформулировал принцип относительности;
• • сформулировал первый закон механики — закон инерции.

Рассмотрим процесс становления естественно-научного знания на примере механики, которая первой приобрела статус естественной науки. Для создания механики как теоретической дисциплины нужно было реальное движениевыступающее предметом исследования, представить как идеализированное движение теоретических объектов.

В этом переходе к построению теоретических объектов и конструированию на их основе теоретических моделей земная механика основывалась на «небесной». Астрономия на протяжении веков по преимуществу являлась сферой становления научного мышления. Приоритет астрономии в теоретизации по отношению к физике объясняется большей простотой условий астрономических наблюдений по сравнению с условиями изучения физических явлений. Периодичность движения небесных тел давала возможность повторять наблюдения неограниченное количество раз и тем самым подметить регулярность в их движении и соответствующим образом выразить в теоретической модели. При примитивной аппаратуре недостаточно точные астрономические измерения давали возможность построения простых схем. К тому же в астрономии была известна практика приложения математики, поскольку производить расчет движения небесных тел (точек света или дисков света) было гораздо легче, чем других объектов.

Земная механика пошла по пути астрономии. В работах Г. Галилея методы теоретизирования, разработанные в астрономии, стали основой научного познания в земных условиях. Различие заключалось только в том, что для астрономии было характерно научное наблюдение, а для механики основным методом стал научный эксперимент. В механике Галилея впервые произошло объединение рациональных и эмпирических моментов познания. Суть этого объединения состояла в том, что теоретическое естествознание вводит в качестве предпосылки постановки опыта следующий методологический прием:

• • вычленение отдельных физических и геометрических характеристик объекта исследования;
• • превращение их в идеализированные теоретические объекты;
• • создание на их основе методом мысленного экспериментирования с идеализированными объектами теоретических схем, которые должны сопоставляться с реальными экспериментальными ситуациями.

Эта методологическая концепция, впервые сформулированная Г. Галилеем в работе «Пробирные весы», оказала решающее влияние на формирование современного естествознания. Ученый писал: «Никогда я не стану от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество и более или менее быстрые движения для того, чтобы объяснить возникновение ощущений вкуса, запаха и звука. Я думаю, что если бы мы устранили уши, языки, носы, то остались бы только фигуры, числа, движения, но не запахи, вкусы и звуки, которые, по моему мнению, вне живого существа являются ничем иным, как только пустыми именами"1. Интересно, что этот новый методологический подход не был в достаточной степени оценен современниками. Великий французский философ и ученый Р. Декарт в письме к математику и физику М. Мерсенну (1588—1648) писал, что он не находит в книгах Галилея ничего такого, чему бы он мог позавидовать. И почти ничего такого, что он бы желал назвать своим.

Рассмотрим новый способ теоретического естествознания на примере формирования закона инерции.

Теоретическое представление инерции было введено Галилеем. Предметом анализа у Галилея выступает не реальное, а идеализированное движение, выражающее закономерности реального движения. Как отметил В. Гейзенберг, на основании рассмотрения идеализированного движения Галилею удалось сформулировать математические законы этого теоретически воображаемого движения^[1][2].

Исходной посылкой для рассуждения о сохраняющемся движении у Галилея послужил факт ускорения или замедления движения тел по наклонной плоскости в зависимости от его направления (вниз или вверх). Поскольку система теоретической механики еще не была создана, Галилей был вынужден представить закон инерции как «чистый факт»: «Когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никакого сопротивления, то… движение его является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца»¹.

Как видим, закон инерции представлял собой такой мысленный эксперимент, в котором схематизированные представления экспериментов по скатыванию шара, но наклонной плоскости доведены до экстремальной точки. А. Эйнштейн отмечал, что закон инерции нельзя вывести непосредственно из эксперимента, его можно вывести лишь умозрительно — мышлением, связанным с наблюдением: «Этот идеализированный эксперимент никогда нельзя выполнить в действительности, хотя он и ведет к глубокому пониманию действительных экспериментов»^[3][4]. У Галилея в законе инерции была представлена в предельно схематизированном виде реальная практика экспериментирования.

Что же касается реальных экспериментов, то объектом исследования в экспериментах Галилея выступали не сами устройства, которые он использовал (шары, наклонная плоскость, часы), а существенные характеристики движения — способность тела двигаться с ускорением и способность тела находиться в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Понятно, что бронзовый шарик, который скатывался по наклонной плоскости, обладал множеством самых различных свойств, но в эксперименте он был представлен только по признакам «быть материальной точкой» и «ускоряться пропорционально весу». Объект исследования представлен всей структурой реального эксперимента, и для того чтобы выявить его в чистом виде, необходимо абстрагировать соответствующую структуру реального эксперимента, вычленить ее как таковую. Это возможно достигнуть только на уровне теории в процессе конструирования теоретических схем методом мысленного экспериментирования с идеализированными объектами. Начиная с работ Галилея и Ньютона, происходит эффективное применение математики в процессе изучения природы.

Значение математики для создания теоретического естествознания проявилось прежде всего в том, что математика играла существенную роль в самом формировании естественно-научных понятий и физических величин'. «Для того чтобы стать объектом применения прикладной математики, законы природы должны формулироваться на языке математики»¹.

Во многих областях физики создание научной теории потребовало одновременно создания математического аппарата, адекватно выражающего соответствующие физические величины и их соотношения. Создание такого раздела математики, как математический анализ, к примеру, было связано с проблемами движения, т. е. с созданием динамики как теоретической дисциплины. Для того чтобы дать точную математическую интерпретацию понятиям скорости и изменения скорости, т. е. ускорения, в случае заданного движения тела, которое можно представить в виде не имеющих размеров материальной точкой по аналогии с математической точкой, Ньютон изобрел дифференциальное и интегральное исчисление.

Можно констатировать, что в применении математики в естественно-научном познании выразилась общая тенденция в формировании естественно-научных теорий, — совершался переход от понятий естественного языка к научным понятиям искусственного языка, имеющим количественное выражение. Математический язык оказался наиболее адекватным языком для формулирования научных теорий. С введением математических методов исследования был четко очерчен круг предметов и явлений, входящих в сферу естественно-научного познания. Сама природа за всеми своими внешними проявлениями стала рассматриваться, по словам Галилея, как «написанная на языке математики, ее буквами служат треугольники, окружности и другие геометрические фигуры, без помощи которых человеку невозможно понять ее речь, без них — напрасное блуждание в лабиринте»^[5][6]. Научные законы и теории были призваны точно выразить в своих понятиях математические соотношения природы. То, что нельзя было выявить и подтвердить с помощью эксперимента, то, что нельзя было вычислить или доказать с помощью математики, стало рассматриваться как не относящееся к физической науке.

Интересно, что сами творцы нового естествознания не вполне осознали тот революционный переворот, который они совершили. Хотя в этот период трудами Г. Галилея, И. Ньютона, X. Гюйгенса было положено начало новоевропейской науки, а механика обрела статус научной теории, творцы новой науки отождествляли свое детище с натурфилософией как с теоретическим знанием высшего уровня. Натурфилософия мыслилась ими как философскотеоретический анализ природы, тождественный естествознанию, и прежде всего физике. Недаром еще длительное время в названиях работ естествоиспытателей сохранялся термин «натурфилософия». Свой фундаментальный труд, в котором он сформулировал закон всемирного тяготения и три закона, заложившие основы классической механики, И. Ньютон называет «Philosophise Naturalis Principia Mathematica» — «Математические начала натуральной философии» (1687). Зададим вопрос: является ли эта работа Ньютона натурфилософским описанием природы? «Математические начала натуральной философии» — изложение механики, в основе которой лежат такие фундаментальные понятия, как «материальная точка», «масса», «сила», «скорость» и т. д. Универсальные связи между ними представлены в трех основных законах механики и законе всемирного тяготения. Сформулирован общий принцип, определяющий взаимодействия между телами — принцип дальнодействия. Из законов механики выведены следствия, которые можно проверить в экспериментах. Как видим, эта работа И. Ньютона соответствует всем критериям, предъявляемым научным теориям и сама является образцом строгой научной теории.

Результаты естествознания XVII в. обобщил И. Ньютон. Именно он завершил постройку фундамента нового классического естествознания. Вразрез с многовековыми традициями в науке Ньютон впервые сознательно отказался от поисков «конечных причин» явлений и законов и ограничился, в противоположность картезианцам, изучением точных количественных проявлений этих закономерностей в природе.

Обобщив существовавшие независимо друг от друга результаты своих предшественников в стройную теоретическую систему знания — механику, Ныотон стал родоначальником классической теоретической физики. Он сформулировал ее цели, разработал ее методы и программу развития, которую он сформулировал следующим образом: «Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы».

Создание И. Ньютоном первой фундаментальной естественно-научной теории — механики, было завершением научной революции, и в то же время началом нового периода в развитии естествознания — периода классической науки.

• [1] Галилей Г. Избранные: в 2 т. М.: Наука, 1964. Т. 2. С. 471.
• [2] Гейзенберг В. Философские проблемы атомной физики. М.: ЛКИ, Серия: Физико-математическое наследие: физика (философия физики), 2008.
• [3] Галилей Г. Избранные труды: в 2 т. М.: Наука, 1964. Т. 1. С. 417—418.
• [4] Эйнштейн А. Эволюция физики // Собр. науч. трудов. М.: Наука.Т. IV. С. 363.
• [5] Вигнер Е. Этюды о симметрии. М.: Наука, 1971. С. 188.
• [6] Льощи М. История физики. М.: Наука, 1970. С. 80.