Коцепции физики

К О Н Ц Е П Ц И И Ф И З И К И

ВВЕДЕНИЕ

: Что изучает физика?

Физика, греч., наука о природе, то есть учение о законах явлений, происходящих в неодушевленной природе без изменения состава тел, представляющих эти явления (в противоположность химии, изучающей изменения внутреннего состава тел и физиологии, рассматривающей явления органической жизни). Основой всякого изучения природы является наблюдение, то есть познание отдельных явлений в их закономерной последовательности.

Физика - наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности природы. Физику относят к точным наукам. Ее понятия и законы составляют основу естествознания. Границы, разделяющие физику и другие естественные науки, исторически условны. Принято считать, что в своей основе физика является наукой экспериментальной, поскольку открытые ею законы основаны на установленных опытным путем данных. Физические законы представляются в виде количественных соотношений, выраженных на языке математики. В целом физика разделяется на экспериментальную, имеющую дело с проведением экспериментов с целью установления новых фактов и проверки гипотез и известных физических законов, и теоретическую, ориентированную на формулировку физических законов, объяснение на основе этих законов природных явлений и предсказание новых явлений.

Структура физики сложна. В нее включаются различные дисциплины или разделы. В зависимости от изучаемых объектов выделяют физику элементарных частиц, физику ядра, физику атомов и молекул, физику газов и жидкостей, физику плазмы, физику твердого тела. В зависимости от изучаемых процессов или форм движения материи выделяют механику материальных точек и твердых тел, механику сплошных сред (включая акустику), термодинамику и статистическую механику, электродинамику (включая оптику), теорию тяготения, квантовую механику и квантовую теорию поля. В зависимости от ориентированности на потребителя получаемого знания выделяют фундаментальную и прикладную физику. Принято выделять также учение о колебаниях и волнах, рассматривающее механические, акустические, электрические и оптические колебания и волны под единым углом зрения. В основе физики лежат фундаментальные физические принципы и теории, которые охватывают все разделы физики и наиболее полно отражают суть физических явлений и процессов действительности.

ЗАРОЖДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

От ранних цивилизаций, возникших на берегах Тигра, Евфрата и Нила (Вавилон, Ассирия, Египет), не осталось никаких свидетельств о достижениях в области физических знаний, за исключением овеществленных в архитектурных сооружениях, бытовых и т. п. изделиях знаний. Возводя различного рода сооружения и изготавливая предметы быта, оружия и т. д., люди использовали определенные результаты многочисленных физических наблюдений, технических опытов, их обобщений. Можно сказать, что существовали определенные эмпирические физические знания, но не было системы физических знаний.

Физические представления в Древнем Китае появились также на основе различного рода технической деятельности, в процессе которой вырабатывались разнообразные технологические рецепты. Естественно, что прежде всего вырабатывались механические представления. Так, китайцы имели представления о силе (то, что заставляет двигаться), противодействии, (то, что останавливает движение), рычаге, блоке, сравнении весов (сопоставлении с эталоном). В области оптики китайцы имели представление об образовании обратного изображения в «camera obscura». Уже в шестом веке до н.э. они знали явления магнетизма — притяжения железа магнитом, на основе чего был создан компас. В области акустики им были известны законы гармонии, явления резонанса. Но это были еще эмпирические представления, не имевшие теоретического объяснения.

В Древней Индии основу натурфилософских представлений составляют учение о пяти элементах — земле, воде, огне, воздухе и эфире. Существовала также догадка об атомном строении вещества. Были разработаны своеобразные представления о таких свойствах материи, как тяжесть, текучесть, вязкость, упругость и т. д., о движении и вызывающих его причинах. К VI в. до н.э. эмпирические физические представления в некоторых областях обнаруживают тенденцию перехода в своеобразные теоретические построения (в оптике, акустике).

ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ЭПОХИ АНТИЧНОСТИ

1. Специфика первых систем теоретического

физического знания

В свете современных историко-научных исследований считается, что основы теоретического физического знания закладывались в эпоху античности в Древней Греции и других странах Средиземноморья. Государственное устройство типа рабовладельческой демократии, относительная терпимость к выбору религиозных верований позволяли обсуждать проблемы естествознания и осуществлять разграничение науки и религии при решении этих проблем. Это способствовало появлению сначала различных натурфилософских концепций на основе наблюдений и экспериментов, затем разработке теоретических физических концепций. В силу низкого уровня развития техники, существовавшей недооценки количественных расчетов и отстраненности потребностей рабовладельческого производства от достижений науки, эксперимент в эпоху античности не стал ни методом сисетематической проверки получаемых знаний, ни основным источником эмпирических знаний. Но постепенно на смену мифологическим объяснениям явлений действительности стали приходить попытки их научного обоснования.

Основной вопрос, занимавший мыслителей в это время был вопрос о соотношении единого и многого (иначе говоря, из какого начала образовалось окружающее нас множество вещей).

Фалес, высказавший мысль о том, что все вещи произошли из воды, по сути произвел революционный переворот в мировоззрении, означавший отказ от мифологического объяснения явлений действительности в пользу представлений о них как превращении веществ. Значение этого переворота в культуре общества трудно переоценить, ибо по сути своей современные представления о действительности укладываются в эту парадигму (разумеется в конкретизированном виде). Вслед за Фалесом по этому пути пошли Гераклит, высказавший идею об огне, как первооснове всего существующего, Анаксимандр — апейроне, Анаксагор — гомеомериях, Анаксимен — воздухе. Эмпедокл — четырех стихиях (огне, воздухе, воде и земле). Таким образом, ионийские натурфилософские концепции утверждали идею о действительности как непрерывном процессе преобразования материальных элементов (газообразных, жидких, твердых).

Картина мира, построенная на основе данных концепций, не нуждалась в божественном вмешательстве, но ее слабостью был чисто описательный характер, не допускавший количественных изменений. Данная картина была дополнена Пифагором, внесшим идею объяснения явлений реальности на основе математической закономерности. Но в области физических явлений опытное познание подменялось мистикой чисел. Идеалом познания пифагорийцев было пассивное созерцание, а не активный эксперимент. Вместе с тем для развития физических концепций была важна установленная пифагорейцами возможность операций с физическими величинами сведением их к мере и числу, что расширяло возможности человека в преобразовании природы. Таким образом, несомненно укреплялась идея о естественном характере развития действительности, которая приобретала все более конкретные очертания и вылилась в атомистическую концепцию, сыгравшую огромную роль в развитии науки.

2. Концепция атомистики

Предшествующие концепции не допускали существования пустоты. А раз в мире все заполнено, то движение невозможно — данный принцип утверждался Парменидом и обосновывался Законом Элейским (5 в. до н.э.). Атомистическая концепция, начало которой было положено Левкиппом и Демокритом, исходила из признания пустоты и движущихся в ней атомов — бесчисленных неделимых частиц (отличающихся друг от друга величиной и формой), различные сочетания которых образуют множество окружающих вещей. Кроме признания пустоты для атомистической концепции характерно также признание принципов сохранения материи (ничто не может возникнуть из ничего) и сохранения форм материи (природа все разлагает на тела и в ничто ничего не переводит, т. е. в природе повторяются постоянно одни и те же формы материи). Наличие пустоты (вакуума) было необходимо для существования движения, ибо в заполненном мире вещам двигаться некуда. Эпикур, в отличие от Демокрита, исходившего из господства необходимости в мире атомов, привнес в атомистику идею случайного отклонения атомов от закономерных траекторий, благодаря чему они могут сталкиваться и образовывать тела. Поскольку в объяснениях Демокрита и Эпикура отсутствуют представления о взаимном притяжении атомов, то соединение их в целостность при образовании вещей обусловливалось наличием у атомов крючочков. Лукреций Кар (1 в до н.э.) избирательность атомов при объединении в тела объяснялось на основе принципа «подобный стремится к подобному». В поэме «О природе вещей» Лукреций в поэтической форме изложил основные положения атомистической концепции. Важной является идея об обмене тел своими «истечениями» — своеобразном прообразе дальнодействующих силах притяжения. Идея атомистики оказалась столь плодотворной, что просуществовала до настоящего времени.

Концепция атомистики в период античности не могла опираться на экспериментальное доказательство существование атомов. Она опиралась на факты наблюдения типа «ступени дворцов постепенно стираются», «запахи переносятся», «вблизи моря одежда увлажняется» и т. д., что позволило предположить существование невидимых частиц, из которых состоит все многообразие вещей.

3. Физическое учение Платона

Своеобразное физическое учение изложено Платоном в диалоге «Тимей». Заимствовав у своих предшественников представление о четырех видах материи (земле, воде, воздухе и огне), он изображает их взаимопревращаемыми. Эти виды материи являются проявлением первичной материи. Частицы (своего рода молекулы) разных видов материи различаются геометрической фигурой и размерами. Платон, опираясь на разработанную Теэтетом геометрию правильных многогранников, объяснял свойство видов материи — твердость, плавкость, воздухообразность, огнеобразность — геометрией многогранников. Из пяти видов правильных многогранников только у тетраэдра, октаэдра и икосаэдра все грани одинаковые — они представляют собой равносторонние треугольники, каждый из которых может быть разбит на шесть прямоугольных равнобедренных треугольников. У додекаэдра пятиугольные грани на одинаковые треугольники не разделяются. Куб и додекаэдр не могут превращаться в такие фигуры, в том числе и друг в друга. Поскольку из существующих видов материи самым устойчивым и наименьше подвижным является Земля, то ей соответствует четырехугольная плоскость куба как наиболее обеспечивающая эту устойчивость. Свойство других видов материи обеспечиваются соответствующими многогранниками.

4. Аристотельская физика

Физическое учение Аристотеля отличалось от соответствующих Демокрита и Платона своей «антиатомистичностью». Считая опыт источником знаний, Аристотель выступал в своей «Физике» против истолкования чувственно воспринимаемых тел на основе недоступных наблюдению атомов. Отвергает он и существование пустоты. Опыт свидетельствует о том, что чем плотнее среда, тем больше она оказывает сопротивление движению. В бесконечно разреженном пространстве сопротивления движению нет, поэтому движение тел было бы в нем бесконечным, что невозможно. Физический мир Аристотеля базируется на принципе естественности: каждое тело знает свое место. Естественное движение возникает тогда, когда тело стремится занять свое естественное место (падающий камень стремится вниз, к земле, искры летят вверх, к небесным огням и т. д.). Т. е. все тела в силу тяжести или легкости стремятся к центру мира либо от него. Так, в воздухе дерево стремится к центру, а в воде — от него. В остальных случаях, когда нет естественных причин движения, оно может осуществляться лишь насильственно, т. е. под действием внешних сил. Таким образом, естественное движение возможно под действием тяжести, во всех остальных случаях — под действием силы. Живые существа в своем движении реализуют свое естественное предназначение (птицы летают, рыбы плавают и т. д.).

Для объяснения всего существующего Аристотель использовал четыре типа начал (причин): материальную причину (материю — то, из чего что-либо возникает); формальную причину (форму — то, что в пассивной материи существует как возможность, превращает в действительность), движущую причину (действие — то, что движет), целевую причину (цель — то, ради чего что-либо осуществляется). Материальная причина была выделена представителями милетской школы (Фалесом, Гераклитом и др.), Формальная причина — Платоном, движущей причиной занимались Анаксагор и Эмпедокл (у первого действие вызывалось Нусом, у второго — враждой и дружбой). Родоначальником целевой причины Аристотель считал себя. По словам Д. Бернала, «эта теория была бичом для науки в силу того, что она обеспечивала легкий способ объяснения любого явления с помощью постулирования соответствующей цели для него, не стараясь выявить то, как оно действует» .

Источником всякого движения Аристотель считал неподвижный перводвигатель (бога) или первоформу (являющуюся, по сути, планом мира). Движение понималось Аристотелем как переход чего-либо из возможности в действительность, при этом он различал такие роды движения, как качественное (изменение), количественное (увеличение и уменьшение), перемещение (движение в пространстве), возникновение и уничтожение. Для Аристотеля окружающий мир состоял из чувственно воспринимаемых взаимопревращающихся элементарных качеств — теплое, холодное, влажное и сухое, которые образуют основные элементы мира: землю (холодную и сухую), воду (холодную и влажную), воздух (теплый и влажный), огонь (теплый и сухой). Подобное объяснение не свидетельствовало о сущностном понимании законов движения неодушевленной материи, т. е. не вносило в познание мира собственно физического содержания. Поэтому физическую концепцию Аристотеля часто называют феноменологической. Отказавшись от атомистической концепции, Аристотель не мог объективно способствовать прогрессу в развитии этой плодотворной физической идеи. Но его несомненной заслугой было создание рациональной, всеобъемлющей, целостной, упорядоченной на основе его логики системы знаний, оказавшей огромное влияние на развитие арабской и европейской средневековой мысли.

5. Статика и гидростатика Архимеда

(IIIII в. до н.э.)

Эпоха эллинизма характеризовалась наибольшим вкладом в развитие физики со стороны механики. Потребности в создании различного рода технических устройств (строительных, военных и т. д.) выдвигали на первый план вопросы статики. Архимед, создав теорию рычага, заложил основы статики. Строительная и военная техника основывалась на рычаге, позволявшем перемещать в пространстве тела большого веса при относительно небольших усилиях. Проблема рычага явилась обобщением эмпирически освоенных приемов его использования в разных областях деятельности. В своих трудах «О равновесии плоских тел и центрах тяжести плоских фигур» и не дошедшим до нас «О весах» Архимед изложил основные постулаты теории рычага:

— Равные тяжести на равных длинах уравновешиваются, на неравных же длинах не уравновешиваются, но перевешивает тяжесть на большей длине.

— Если при равновесии тяжестей на каких-нибудь длинах к одной из тяжестей будет что-то прибавлено, то они не будут уравновешиваться, но перевесит та тяжесть, к которой было прибавлено.

— Точно так же, если от одной из тяжестей будет отнято что-нибудь, то они не будут уравновешиваться, но перевесит та тяжесть, от которой не было отнято.

— Если две величины уравновешиваются на каких-нибудь длинах, то на тех же самых длинах будут уравновешиваться и равные им.

Исходя из этих, многократно проверенных на практике, постулатов, Архимед формулирует закон рычага в виде следующих теорем:

— Соизмеримые величины уравновешиваются на длинах, обратно пропорциональных тяжестям.

— Если величины несоизмеримы, то они точно так же уравновесятся на рычагах, которые обратно пропорциональны этим величинам.

Дав определение центру тяжести тела как расположенной внутри его точки, при подвешивании за которую оно останется в покое и сохранит первоначальное положение, Архимед определил центры тяжести треугольника, параллелограмма, трапеции и других фигур.

Архимед явился также основоположником и гидростатики, законов плавающих тел. Этому был посвящен его труд «О плавающих телах». Гидростатика использовалась при определении плотности тел путем взвешивания их в воде и при определении грузоподъемности корабля. Логическая схема обоснования законов гидростатики отличалась от схемы обоснования закона рычага. Вначале Архимед формулирует предположение о внутренней структуре жидкости, а затем формулирует ряд теоретических следствий, вытекающих из данного предположения. Архимед исходит из того, что поверхность всякой неподвижно установившейся жидкости будет иметь форму шара, центр которого совпадает с центром Земли, и что жидкость по своей природе такова, что из ее частиц, расположенных на одинаковом уровне и прилежащих друг к другу, менее сдавленные выталкиваются более сдавленными и что каждая из ее частиц сдавливается жидкостью, находящейся над ней по отвесу, если только жидкость не заключена в каком-нибудь сосуде и не сдавливается еще чем-то другим. Следствия из этой гипотезы, выводимые математически, таковы:

— Тело, равнотяжелое с жидкостью, будучи опущено в эту жидкость, погружается так, что никакая их часть не выступает над поверхностью жидкости, и не будет двигаться вниз.

— Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, не погружается целиком и некоторая его часть остается над поверхностью жидкости.

— Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погруженной части тела, имел вес, равный весу всего тела.

— Тело, более легкое, чем жидкость, опущенное в эту жидкость силою, будет выталкиваться вверх с силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный объем с телом, будет тяжелее этого тела.

— Тело, более тяжелое, чем жидкость, опущенное в эту жидкость, будет погружаться, пока не дойдет до самого низа, и в жидкости станет легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела.

В более кратком виде закон Архимеда формулируется в следующем виде: на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости. Данный закон оказался справедливым и для газа. Одним из первых случаев практического применения данного закона была проверка состава короны, изготовленной для сиракузского царя Гиерона. На основе того, что короной вытеснялось большее количество воды, чем золотым слитком Архимед установил, что корона состоит не из чистого золота, а из сплава.

6. Оптика Евклида и Птолемея

В эпоху античности в области оптики прежде всего необходимо отметить работу по геометрической оптике и перспективе. К их числу относятся «Оптика» и «Катоптрика» Евклида (III в. до н.э.). Евклид в области оптики опирался на разработанную атомистами концепцию зрительных лучей, согласно которой от вещей отделяются образы, вызывающие в глазу зрительные ощущения. Он геометрически вывел законы перспективы из четырнадцати исходных положений, которые были результатом оптических наблюдений. Наиболее важные из них:

— Лучи, исходящие из глаза, распространяются прямолинейно и расходятся в бесконечность.

— Фигура, охватываемая совокупностью зрительных лучей, есть конус, вершина которого расположена в глазу, а основание — на поверхности видимых предметов.

— Видимы те предметы, на которые падают зрительные лучи, и невидимы те, на которые зрительные лучи не падают.

— Предметы, видимые под большими углами, кажутся больше, видимые под меньшими углами кажутся меньше, а видимые под равными углами кажутся одинаковыми.

— Предметы, видимые под большими углами. различаются более отчетливо.

— Все лучи обладают одинаковой скоростью.

— Луч есть прямая линия, средние участки которой соединяют концы.

— Все, что видимо, видимо в прямолинейном направлении.

Зрительные лучи рассматриваются как линии распространения света. Евклидом впервые формулируется закон распространения света, являющийся основой геометрической оптики. Архимед в концепцию «лучей зрения» ввел поправки, основанные на влиянии величины зрачка на результат измерения. Герон Александрийский четко различает оптику (учение о видении, о природе света), диоптрику (учение о визировании, визирных инструментах) и катоптрику (учение об отражении). Рассматривая отражение света от зеркала он доказал, что при равенстве угла падения и угла отражения сумма длин путей, которые проходит падающий луч от глаза до зеркала и отраженный луч от зеркала до объекта, является наименьшим расстоянием из всех возможных.

Наиболее полное исследование преломления света осуществлено Птолемеем в его «Оптике», где описаны результаты экспериментирования по преломлению света в стекле и воде, сведенные в таблицы, которые были весьма точны для своего времени. Он стремился выявить причину того, что при отражении углы падения и отражения равны, а при преломлении углы падения неравны углам преломления. Он посчитал угол преломления пропорциональным углу падения. Закон преломления должен был еще ждать своего открытия Снеллиусом в XVII веке.

7. Роль физических концепций античности

в развитии физики

Оценивая значение физических концепций античности, важно иметь в виду, что не все из них дошло до нас. Но и дошедшее позволяет сделать вывод о том, что корни современной физики уходят в античную физику. Античные физические концепции содержали постановку многих фундаментальных физических проблем. определивших содержание физических исследований на протяжении многих последующих столетий. Многие физические концепции античности обнаружили свою «живучесть». Так, аристотельская физика сохраняла свое влияние до середины XVII века, физическое учение Платона — до середины XIX века, атомистическая концепция Демокрита и Эпикура — до XX века. Принято считать, что физика Нового времени в качестве своей значительной части содержит фундаментально переработанные физические концепции античности. По поводу оценки уровня развития физического эксперимента во времена античности существуют разные точки зрения. Одна исходит из того, что этот уровень в целом был всегда невысок, другая, напротив, признает этот уровень весьма высоким, (соответствующим образцам эксперимента Нового времени и ограниченного лишь возможностями античной техники), по утраченным с крушением античной цивилизации. В последнем случае европейской науке уровень развития эксперимента пришлось восстанавливать заново. Отсюда следует, что роль теоретических. физических концепций и физического эксперимента античности в развитии европейской науки различны. Во всяком случае, совершенно очевидно, что в результате ударов варваров пострадали прежде всего те достижения античной культуры и науки, которые зависели от «широкой материальной организации «.

При оценке науки периода античности все же невозможно отвлечься от того социокультурного контекста, в рамках которого она развивалась. Наука все-таки действительна развивалась преимущественно весьма состоятельными людьми, причем не для целей непосредственного практического применения — рабовладельческий способ производства не мог не оказывать своего воздействия на характер науки. Но главное значение античной культуры в том, что она несла саму идею естественных наук, которая пережила время политического могущества античной цивилизации и которая оказала мощнейшее влияние на характер развития европейской культуры.

ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

СРЕДНЕВЕКОВЬЯ

1. Социокультурные особенности развития науки в эпоху средневековья

Внутренние (непроизводительный рабский труд, презрение свободных граждан к труду, восстание рабов и т. д.) и внешние (нашествие варваров) причины привели к распаду Римское государство. Античная цивилизация погибла, многие культурные и научные достижения были утрачены. Организованной силой сохранилось христианская церковь, сумевшая быстро приспособиться к происшедшим изменениям. Становление нового, феодального уклада во многом осуществлялось с опорой на христианство. Римская эпоха мало что дала теоретической науке, но она оставила богатый опыт в военном, техническом и административном деле, который, на ряду с латинской грамотой, осваивался завоевателями. Постепенно создавались школы, колледжи, университеты, попавшие под влияние церкви. В монастырях оказались сосредоточенными труды древних авторов. Колледжи, монастыри и университеты превращались в центры новой западноевропейской культуры. В это время на Ближнем Востоке на основе ислама было создано на Аравийском полуострове сильное арабское государство, быстро завоевавшее Иран, Египет, страны Среднего Востока, юг Пиринейского полуострова. Поскольку основной задачей арабов было совершенствование военного дела, сбор даней и разнообразных податей, то производством, торговлей занимались представители коренных народов. И хотя арабский язык стал государственным языком, завоеватели сохраняли культуру завоеванных народов. На арабский язык были переведены труды античных авторов. Стали создаваться университеты в Кордове (755 г.), Багдаде (795 г.), Каире (972 г.). Для сравнения образование университетов в Европе: в Монпелье (1180 г.) Винченце (1205 г.), Ареццо (1215 г.), Падуе (1222 г.), Тулузе (1229 г.), Гренобле (1339 г.), Праге (1348 г.), Флоренции (1349 г.), Кракове (1368 г.). Важно подчеркнуть, что влияние ислама в арабских университетах было слабее, чем христианства в западно-европейских университетах. Таким образом, арабы в VIIXI вв. были звеном, связывающим восточную и западную культуру. Многие труды античных авторов на латинский язык переводились с арабского языка. Тот факт, что в качестве языка культурного общения на Арабском Востоке использовался живой разговорный язык, а не мертвый латинский (как в Европе), был важным культурным фактором. Кроме того, распространение среди арабов суфизма, обязывавшего мусульман исповедовать три обязательных догмата — веру в Аллаха, в его пророков и загробный суд, — давало больше свободы для решения проблем естествознания, благодаря чему на Арабском Востоке могли развиваться научные представления, в основе которых лежало научное наследие античности. Начавшись с комментариев трудов античных авторов (прежде всего в области механики и оптики), физические учения приобретали самостоятельный вид. Наиболее значительными фигурами среди арабских ученых были Ибн Сина, аль-Бируни и Ибн Рушд.

2. Основные физические цели

средневековья

Аль-Бируни изобрел «конический прибор», позволявший определять плотность металлов и других веществ, причем с весьма высокой точностью. (Вклад аль-Бируни в развитие астрономии описан в разделе «Концепции астрономии» .)

Ибн Рушд, известный в Европе под именем Аверроэс, дан комментарий к «Физике» Аристотеля. В античной механике проблемы различия между кинематикой и динамикой не существовало. В античной механике математической формулировки скорости движения не было, ибо само представление о возможности количественной оценки качественной определенности отсутствовало (Аристотель эти категории считал принципиально различными). Одни интерпретаторы Аристотеля полагали, что движение надо рассматривать лишь как чистое перемещение. Ибн Рушд настаивал на необходимости описывать движение с учетом вызвавших его причин.

В области физических учений Ибн Сины (980−1037), которого в Европе называли Авиценной, связано с проблемой движения брошенного тела. По данной проблеме он разработал собственную концепцию, суть которой заключается в признании того, что движимое получает склонность от движителя. По Ибн Сине, существуют три вида склонностей: психическая (связанная с жизнью), естественная и противоестественная (насильственная). Естественная склонность присуща свободно падающим телам. Противоестественная склонность (или приложенная сила) присуща противоестественно движущимся телам, причем ее действие зависит о величины веса тела, которому она сообщена. Ибн Сина утверждал, что противоестественная склонность ощущается как сопротивление насильственной попытке остановить естественное движение или перевести один вид противоестественного движения в другой. Если насильственное движение снаряда вызвано действующей в пустоте силе, то оно должно силой, то оно должно сохраняться, не уничтожаясь и не прерываясь. Если же сила существует в теле, то она должна либо оставаться в нем, либо исчезнуть. Но если она остается, то движение будет продолжаться непрерывно. Признание действия зависимости противоестественной склонности от величины веса тела, которому она сообщена, было шагом к количественной оценке склонности. Аристотелевские представления о роли воздуха в передаче движения Ибн Синой были отвергнуты. Таким образом, Ибн Сина полагал, что в теле может быть только одна «склонность». Веком позже альБаркат утверждал возможность одновременного существования в одном теле разных «склонностей» — при свободном падении тяжелого тела источник естественной склонности находится в самом теле и поэтому может непрерывно действовать, пока тело не достигнет своего естественного места.

В XIII веке к анализу данной проблемы обратился Фома Аквинский, который отрицал возможность передачи телу самостоятельной способности движения. У. Окхэм проблему брошенного тела свел к чисто кинематической задаче, снимая вопрос об источнике движения, а Ж. Буридан, выявив противоречия аристотельской трактовки проблемы, формирует физическое представление о зависимости напора от скорости перемещения и «количества материи», заключенного в движущемся теле, солидаризировавшись с концепцией аль-Барката.

Достижения в области оптики эпохи средневековья связаны прежде всего с именами аль-Хайсама, известного в Европе как Альхазен. Он создал капитальный труд «Сокровище оптики», оказавший большое влияние на развитие этой области физики. Он впервые дал анатомическое описание глаза и разработал концепцию, в соответствии с которой зрение вызывается лучами, приходящими в глаз от объектов, а изображение формируется внутри хрусталика прежде, чем достигнет оптического нерва. Рассматривая свет как поток частиц, Альхазен отражение света трактует как механическое явление. Установив, что нормаль к поверхности зеркала, падающий и отраженный лучи находятся в одной плоскости, он усовершенствовал формулировку закона отражения. В Западной Европе оптические исследования начинаются в XIII веке. Р. Гросетет разрабатывает геометрическую теорию происхождения радуги как эффекта преломления света в каплях воды и концепцию прямолинейного распространения света и звука на основе представления их как волн — отражение света рассматривалось по аналогии с эхом. Несомненным достижением было и изобретение в XIII веке очков, но оно не основывалось на каких-либо теоретических разработках. К достижениям следует отнести и исследования магнетизма П. де Марикура (Перегрина), который высказал мысль о том, что стрелка компаса поворачивается не к Полярной звезде (как думали древние китайцы), а к полюсу.

При оценке результатов развития физических представлений в эпоху средневековья большинство историков науки исходит из того, что за это время ни в одной из областей физики не было разработано ни одной последовательной физической теории, ни эффективных экспериментных методов. Теоретические построения отличались абстрактностью. Технические достижения не основывались на теоретических разработках, теория и практика разобщены. Новая физика существовала лишь в потенции — в отдельных, не всегда отчетливых догадках, идеях. Но религиозные предрассудки (как христианства, так и ислама) не дает возможности им раскрыться. Умственная деятельность остается еще подчиненной религиозным догматам. В физике отсутствовали развитые количественные оценки. Однако развитие деловой жизни требовало качественных расчетов все больше и больше. Феодальная система хозяйства обнаруживала признаки разложения. Зарождавшиеся новые экономические отношения способствовали техническому прогрессу главным образом за счет рационализации труда. Медленное, но постепенно ускоряющееся развитие техники и научных запросов готовил почву для возникновения новой общественно-экономической формации. Можно сказать. что наука развивалась вслед за развитием зарождающегося капитализма, усиливая свое влияние на этот процесс.

ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ЭПОХИ

ВОЗРОЖДЕНИЯ

1. Влияние потребностей практики и инженерии на развитие физики

Развитие новых общественных отношений в XV—XVI вв. сопровождалось усилением интереса к экспериментальному и математическому естествознанию. Изменения в технических приемах опережало их теоретическое осмысление. В XVI веке изобретаются гидравлические насосы, плотины, пресс для чеканки монет, вязальная машина и т. д. Эти технические изобретения демонстрировали, с одной стороны, роль инженерии, а с другой — ставили перед естествознанием новые проблемы, требовавшие физического эксперимента (проблема трения в машинах, проблема надежности инженерных сооружений и т. д.). Таким образом, материальные потребности капиталистического экономического развития вели к совершенствованию технических приемов (в горном и военном деле, мореплавании и т. д.). Это обусловливало использование новых материалов и процессов, что, в свою очередь ставило проблемы, которые существовавшая ранее наука разрешить не могла. Развивавшееся мореплавание раздвигало горизонт прежнего опыта и усиливало потребность в его расширении и обогащении. Сочетание социально-экономических и технических факторов вызывало сдвиг в сознании, усиливало потребность в выработке новой философии, отрицавшей роль авторитета (как религиозных доктрин, так и античных учений) и утверждавшей приоритет научного доказательства. Под воздействием происходящих изменений схоластика постепенно сдает свои позиции, идет процесс накопления знаний о свойствах реальных объектов. В рамках физического знания наибольшее развитие получают механика и оптика.

2. Экспериментальные физические исследования Леонардо да Винчи

Экспериментальные исследования данного времени в значительной мере связываются с именем Леонардо да Винчи. Исследователи его творчества полагают, что ничего существенно нового в развитие теоретической механики он не внес. Его сила заключалась в разнообразной экспериментальной деятельности. При этом важны оказывались не столько результаты экспериментов, сколько сама нацеленность на эксперимент как главный источник знания и технику постановки эксперимента. Важные эксперименты были поставлены им по проблемам падения тел, влиянию движения тела на силу удара, испытанию на разрыв, трению тел. В области исследования трения между твердыми поверхностями ему принадлежит заслуга выведения из поставленных им экспериментов закона трения, гласившего: «Каждым тяжелым телом побеждается сопротивление трения весу, равное четвертой части этого веса». Открытие этого закона было важным вкладом в развитие экспериментальной механики. Историки науки совершенно справедливо склонны важность открытия этого закона усматривать прежде всего в том, что впервые закон был открыт в результате физического эксперимента — и в этом смысле Леонардо значительно опережал свое время не столько результатами исследования, сколько пониманием задач, возникавших под влиянием бурного развития техники. Сама постановка подобных экспериментов, демонстрировавшая их огромные возможности, стимулировала интерес к экспериментальной физике.

Противопоставив схоластике опытное знание, Леонардо, таким образом, заложил основы экспериментального метода естествознания, открывающего широкие перспективы для использования математики. «Мудрость есть дело опыта» и «Нет достоверности в науках, не использующих математики» — эти провозглашенные им принципы являются двумя сторонами его метода. И в этом смысле Леонардо справедливо рассматривается как предшественник современного естествознания.

Использование своего метода позволило Леонардо сформулировать важные положения. Аристотельская физика исходила из того, что движение для своего сохранения требует силы. Леонардо в противоположность этому свидетельствует, что всякое движение стремится к своему сохранению, т. е. движущееся тело движется до тех пор, пока в нем сохраняется сила его движения. Это утверждение уже означало существенное продвижение в понимании природы движения от аристотельских положений к открытию закона инерции — Леонардо устанавливает факт существования инерции, инерционного движения. Причиной движения является сила, причиной силы выступает движение. Сила рождается при внезапном увеличении тела (так при выстреле из пушки выталкивается ядро), а также путем скручивания и сгибания тел вопреки их естественному состоянию (на этом основано движение баллисты, лука). По мнению академика С. И. Вавилова, Леонардо является зачинателем фотометрии как точкой измерительной науки. Многочисленные опытные наблюдения Леонардо имели принципиально важное значение для последующих теоретических разработок (принцип суперпозиции, телескопический эффект и т. д.), но они не были использованы в полной мере его современниками. Тот факт, что его записи велись зашифрованным способом, а также то, что в рамках потребностей практики того времени многие его замыслы не могли быть реализованы, определили невостребованность его идей. Дж. Бернал охарактеризовал судьбу идей Леонардо: «Изучение бесчисленного множества механических аппаратов, предложенных и обрисованных Леонардо, начиная от прокатных станов до подвижных землеройных машин, раскрывает другой аспект трагедии его гения. Он мог изобретать машины чуть ли не для любой цели и рисовать их несравненно хорошо, однако почти ни одна из них и ни одна из наиболее важных не смогла бы работать, даже если бы он сумел найти достаточно денег, чтобы их сделать. Без количественного знания статики и динамики, без использования первичного двигателя вроде паровой машины инженер эпохи Возрождения фактически не мог даже выйти за пределы, установленные традиционной практикой. Заслуга его заключается не столько в том, что он сделал для развития машин, сколько во внушении образованному миру идеи о том, что действия природы могут быть объяснены с помощью механики.»

3. Влияние гелиоцентрической концепции Н. Коперника на развитие физики

Исследования в области механики в эпоху Возрождения были связаны прежде всего с астрономией. Дело в том, что невозможно развивать механику без учета закономерностей движения небесных светил, постоянно повторявшихся веками в астрономических наблюдениях, и в том, что развивать астрономию вне механики движения этих небесных светил было нельзя. Именно астрономии было суждено осуществить переворот в античном стиле мышления. И этот переворот был осуществлен Н. Коперником, поставившим проблему соответствия между сущностью движения и его восприятием. В основу решения проблемы он проложил тезис, который в настоящее время называют «принципом относительности восприятия». Суть его заключается в том, что всякое видимое изменение положения происходит вследствие движения либо наблюдаемого предмета, либо наблюдателя, или вследствие неодинакового перемещения их обоих (поскольку при равном перемещении наблюдаемого и наблюдателя в одну сторону движение будет незаметно). Описательная астрономия к этому времени накопила достаточно наблюдений и располагала достаточно точными математическими методами, позволяющими проверять гипотезы с помощью вычислений.

Основной замысел Коперника заключался в том, чтобы построить механическую модель Солнечной системы, согласующуюся с наблюдениями и дающую целостное представление о Вселенной. Поскольку движение Земли на видимой картине сферы неподвижных звезд никак не отражалось, Коперник представил, что данная сфера по сравнению с размерами орбиты Земли бесконечно велика — Земля относится к Вселенной как атом к телу. Ситуацию с кажимостью вращения Вселенной вокруг Земли для наблюдателя, находящегося на Земле, он сравнивает с аналогичной ситуацией, когда наблюдателю, находящемуся на корабле, кажется, что он находится в состоянии покоя, а все находящиеся вне корабля движется.

Таким образом, критический дух, внесенный Коперником в астрономию, позволил ему отвергнуть точку зрения здравого смысла, но то, что казалось само собой разумеющимся, а именно тот факт, что Земля неподвижна, а вокруг нее движутся небесные светила. В его труде «Об обращении небесных сфер» высказана мысль о необходимости отличать гипотезы, отражающие подлинную действительность, от ложных гипотез. Именно это позволило Копернику не только обосновать гелиоцентрическую систему, но и научный метод построения и проверки гипотез. (Об астрономическом смысле системы Коперника см. раздел «Концепции астрономии»).

Гелиоцентрическая концепция Коперника явилась важной научно-исследовательской программой, поставившей целый ряд проблем. Прежде всего обнаружилась необходимость проверить данную концепцию на предмет ее соответствия фактам, т. е. надо было установить соответствие результатов наблюдения тем положениям, которые выдвигала концепция. Для этого надо было иметь усовершенствованную наблюдательную и вычислительную технику — ее надо было создавать, ибо традиционные наблюдения невооруженным глазом с помощью визиров, угломеров невысокой точности и т. д. и обычная арифметическая техника (без десятичных дробей и логарифмов) не соответствовали данной задаче. Кроме того, необходимо было выявить физические причины движения небесных тел. Традиционная статика решение этой задачи не обеспечивала, поэтому возникла потребность в развитии динамики и соответствующего математического аппарата. Надо было также опровергнуть выдвигавшиеся против гелиоцентрической концепции возражения, особенно возражения против вращения Земли (в числе ее противников были Ф. Бекон, Тихо Браге). Но прежде всего важно было обеспечить прочное вхождение данной концепции в науку, чему сопротивлялась церковь. Этому в значительной мере способствовал Д.Бруно. В своих диалогах «Пир на пепле» и «О бесконечности Вселенной в мирах» средневековым представлениям о конечной Вселенной он противопоставил концепцию бесконечной Вселенной.

Коперник придерживался аристотелевской концепции относительно отличия «естественного» движения Земли и насильственных" движений на ее поверхности. Бруно исходит из того, что не существует деления движений на «естественные» и «насильственные» — все находящиеся на Земле тела относятся к одной механической системе, все они движутся вместе с Землей. В противном случае было бы невозможно, например, подпрыгнуть и после этого вернуться на прежнее место. Аристотелевские физические возражения против существования пустоты также были отвергнуты Бруно — он исходил из того, что движение в бесконечном пустом космосе не имеет никаких препятствий. В силу бесконечности космоса, по Бруно, у него не может быть центра, центром может быть признана любая точка космоса.

Заключая краткий обзор развития физических концепций эпохи Возрождения, можно сказать, что в это время была сокрушена аристотелевская физическая картина мира, поставлена задача выработки отражающей реальные свойства действительности физической концепции, а потребности технического прогресса привели к созданию основ физического эксперимента.

ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ XII — XVIII ВВ.

1. Особенности периода начала Нового

времени

С XVII века начинается Новое время. Философия Возрождения подготовила новый тип философствования, отвергавший схоластику, теоцентристские построения, которые перестали удовлетворять требованиям объяснения новых социальных реалий.

В XVII веке укрепился капиталистический способ производства. Развитие экономики требовало расчетов национального дохода, индивидуальных доходов, численности рождаемости и смертности и т. д. Предпринимательский расчет становится нормой повседневной жизни. Его основа — количественная оценка. Расчет, количественная оценка влияют на человеческие отношения, проникают во все сферы человеческой практики.

Университетская наука, увлеченная проблемами античности и занявшаяся отвлеченными от практических потребностей вопросами, оказалась своего рода «закрытой системой», изолировавшей себя от реальных потребностей общества. Поэтому развитие естествознания в это время осуществлялось преимущественно вне университетской науки. Особенность этого периода характеризовалась следующим образом: «Неудовлетворенность технической интеллигенции состоянием университетской науки имела вполне реальные практические основания, — она была продиктована жизненно необходимой потребностью. Несмотря на то, что производство было в основном „мануфактурным“, в практику строительного дела, транспорта, военного дела и некоторых видов производства вошли новые устройства, машины и приспособления. Разработка технологических правил и новых конструкций опиралась, как и прежде, на пробные производственные эксперименты. Но теперь они касались уже не тех простейших машин, на которых строилась техника Средневековья, напротив, эти опыты относились к целым узлам новых механических и гидравлических устройств. Варьирование условий и анализ результатов пробного опыта стали гораздо более сложными, менее наглядными и труднее обозримыми. Производственникам, инженерам, конструкторам требовались руководящие научные указания, чтобы лучше и быстрее разобраться в результатах пробных технических экспериментов. Но дальнейшее усовершенствование техники и повышение качества изделий упирались в главное противоречие эпохи — противоречие между сравнительно высоким уровнем достигнутых к этому времени технологических знаний и резким отставанием от них многих отраслей естествознания и особенно физики» .

Несомненно, что возникновение интереса к опытному естествознанию во многом обязано Ф.Бэкону. Вместе с тем в условиях отставания теоретического естествознания от практических успехов техники важно было научное обобщение результатов технического опыта. Прежде всего возникла необходимость в усовершенствовании методов измерения и технологических приемов создания физических аппаратов. Накопленный опыт в машиностроении имел важное значение и его можно было использовать. Ситуация же в области теоретической физики была иной. Физика в это время могла предлагать разного рода теоретические гипотезы качественного характера. Способы же формулировок теоретических задач в математической форме, позволявшие осуществлять расчеты с научной степенью точности, отсутствовали. Качественные гипотезы не могли быть положены в основу технологических процессов или конструктивных разработок. В этих условиях разрыв между более высоким экспериментальным уровнем физики и более низким уровнем физических теорий мог быть ликвидирован с помощью экспериментальной науки. (Метод теоретической физики будет создан Ньютоном позже, в конце XVII века). В этом русле и проявилась методология Бэкона, ориентировавшая на постановку экспериментов, способствующих открытию новых законов. Принцип количественного измерения в экспериментальных исследованиях становится основой естествознания. Это находит свое выражение в изобретении разнообразных измерительных приборов — хронометров, биометров, термометров, весов и т. д. Таким образом, вслед за машиностроительной отраслью возникает приборостроительная. Потребности практики, увеличившиеся с созданием торговых и промышленных компаний, ставят вопрос о необходимости повышения эффективности физических исследований. Для этого была важна организационная и материальная поддержка науки. Создаются «Академия опыта» во Флоренции (1657 г.), Лондонское Королевское общество (1662 г.), Королевская Академия наук в Париже (1666 г.), Берлинская академия (1672 г.). В этих условиях потребность в методе построения физических теорий стала ощущаться еще острее. Бэкон исходил из того, что критериями правильной физической теории должны выступать применимость теории на практике, а также способствование развитию самой науки, принижая при этом роль математики. Декарт, напротив, образцом считает не экспериментальную физику с ее индуктивным методом, а математику. Критерием достоверности физической теории, но Декарту, является его соответствие дедуктивно полученным выводам, ее внутренняя логическая последовательность. Декарт полагал, что бог может осуществлять физическое явление бесчисленным количеством способов. Это обусловило его представление о множестве вариантов теорий. (В этом русле им была выдвинута произвольная теория вихрей, удерживающих планеты на своих орбитах — см. раздел «Концепции астрономии» .)

Важно отметить признание Декартом возможной неоднозначности физической теории, что явилось следствием познания, каким способом бог реализовал данное физическое явление. Иначе говоря, соответствующая дедуктивным выводам теория оказывается лишь наиболее вероятной из числа возможных.

Иную позицию занимал Ньютон. Для него было важно однозначно выяснить с помощью экспериментов и наблюдений свойства изучаемого объекта и строить теорию на основе индукции без использования гипотез. Он исходил из того, что в физике как экспериментальной науке места для гипотез нет. Признавая небезупречность индуктивного метода, он считал его среди прочих наиболее предпочтительным.

Общим для Декарта, Ньютона и других исследователей природы этого времени было использование теологических аргументов. (Не случайно Ньютона иногда называет не только первым ученым, но и последним богословом.) Задача естествознания усматривалась в выявлении божественного плана творения природы. В этом заключалась специфика развития естествознания XVII века. Поскольку физика XVII века по необходимости вступала в противоречие с церковными догматами, церковь, отстаивавшая свою позицию различия небесной и земной физики, не могла остаться к этому равнодушно. Галилей был подвергнут церковным репрессиям за «Диалог о двух главнейших системах мира, птолемеевой и коперниковой», целью которых было стремление приостановить распространение коперниканских идей. Для Италии, выступавшей в числе лидеров научного прогресса, это имело негативные последствия — развитие физических идей было заторможено. В Англии ситуация сложилась иная. Р. Бойль обосновал концепцию, согласно которой естествознание выступает опорой религии, благодаря чему церковную реакцию удавалось сдержать. В целом же естествознание XVII века, отказавшееся от аристотелевских концепций, сочетает в себе опору на эксперимент, количественное измерение изучаемых явлений с аргументами теологического характера.