физика и ее становление. становление физики. Ранние физические воззрения
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
Ранние физические воззрения[править | править код] В Древнем мире происходило становление астрономии, оптики и других наук, прогресс в которых не только стимулировал развитие математики, но и сам во многом от неё зависел. В то же время развивалась натурфилософия, которая пыталась (в основном качественно) объяснять причины явлений. Если создать практически полезную модель явления природы не удавалось, её заменяли религиозные мифы (например, «молния есть гнев богов», «затмение Солнца вызвано происками дракона»)[3]. Средств для проверки теоретических моделей и выяснения вопроса, какая из них верна, в древности было крайне мало, даже если речь шла о земных каждодневных явлениях. Единственные физические величины, которые умели тогда достаточно точно измерять, — вес, длина и угол. Эталоном времени служили сутки, которые в Древнем Египте делили не на 24 часа, а на 12 дневных и 12 ночных, так что было два разных часа, и в разные сезоны продолжительность часа была разной[4]. Но даже когда установили привычные нам единицы времени, из-за отсутствия точных часов большинство физических экспериментов было бы невозможно провести. Поэтому естественно, что вместо научных школ возникали умозрительные или мистические учения. Месопотамия и древний Египет[править | править код] Несмотря на большое число дошедших до нас документов древнего Египта и Вавилона (III—I тысячелетия до н. э.), ни один из них не содержит каких-либо сведений по физике. Наиболее развитой теоретической наукой была, видимо, астрономия, тогда ещё не отделившаяся от астрологии. Для нужд астрономии в Вавилоне разработали методы довольно точного измерения времени и углов; точность вавилонских астрономических таблиц была намного выше, чем египетских[5]. В области прикладной механики, судя по впечатляющим сооружениям, египтяне и вавилоняне далеко продвинулись — они умело использовали при строительстве блоки, наклонные плоскости, рычаги, клинья и другие механизмы. Однако нет признаков того, что у них существовала какая-либо развитая физическая теория[5][1]. Древний Китай[править | править код]  Пентаграмма (У-син) взаимосвязи стихий мироздания в китайской натурфилософии Древнейшие дошедшие до нас публикации в области естественных наук появились в Китае и относятся к VII веку до н. э.; возможно, были и более ранние. Китай уже в древние времена достиг высокого уровня развития строительства и ремесла, и накопленный опыт был подвергнут научному анализу. Расцвет китайской физики относится примерно к V—II векам до н. э. Результаты размышлений древнекитайских учёных были включены в различные общефилософские сочинения, из которых выделяются труды Мо-цзы (IV век до н. э.) и его учеников («моистов»)[6][1]. В той части труда «Моистский канон», где затронуты физические вопросы, основное внимание уделяется механике. Там предпринята первая попытка сформулировать закон инерции: «Прекращение движения происходит из-за противодействующей силы… Если не будет никакой противостоящей силы, то движение никогда не закончится». Далее упоминается некий «переход по мосту», что можно трактовать как утверждение о прямолинейности свободного движения. В других китайских сочинениях просматриваются (в чисто качественной формулировке) закон действия и противодействия, закон рычага, расширение тел при нагревании и сжатие при охлаждении[7].  Реконструкция древнекитайского компаса времён династии Хань Китайцы далеко продвинулись в открытии законов геометрической оптики, в частности, им была известна камера-обскура, причём принцип её работы был описан совершенно правильно (в трактате «Мо-цзин»). Примерно с VI века до н. э. китайцы начали использовать компас («указатель юга»), действие которого они объясняли воздействием звёзд и использовали также для гадания[C 1]. Привычный нам компас со стрелкой появился впервые тоже в Китае в XI веке. Китайские учёные много занимались теорией музыки (в том числе резонансом) и акустикой[7]. В целом древнекитайская физика имела прикладной характер. Отдельные попытки обобщения огромного накопленного эмпирического материала носили метафизический или даже религиозный характер; например, привлекались понятия инь/ян и других природных стихий или конфуцианская мистика[8][1]. Древняя Индия[править | править код] Индийские натурфилософы представляли мир состоящим из пяти основных элементов: земля, огонь, воздух, вода и эфир. Последний заполнял пространство, а также считался носителем звука. Остальные элементы часто связывали с разными органами чувств. Около VII века до н. э. индийские учёные, начиная с основателя школы «вайшешика» Канады, сформулировали и стали развивать концепцию атомов. Приверженцы теории полагали, что атом состоит из элементов, в каждом атоме находится до 9 элементов и каждый элемент имеет до 24 свойств[9]. Физика и механика древней Индии имеют отчётливый метафизический и качественный характер. Особенно подробно рассматривался вопрос о движении. По учению вайшешики, каждое тело может принимать участие в данный момент только в одном движении, которое встречает сопротивление и само себя разрушает. Причиной движения могут быть напор (в средневековой Европе называвшийся «импетус»), волевое действие и упругость; никакое тело не может само себя привести в движение. Вечное движение невозможно[10]. Античная физика[править | править код] Особенности античной физики[править | править код]  Фалес Милетский  Анаксагор  Демокрит  Архимед  Герон Античная наука в Древней Греции опиралась на построенную греческими философами содержательную и целостную систему математических знаний — алгебраических и геометрических. Пифагорейцы провозгласили, что все природные явления (механика, астрономия, оптика, музыка и другие) подчиняются математическим законам. Такой подход позволил получить ряд ценных результатов, однако демонстративное дистанцирование многих античных учёных от опытной проверки своих теорий привело и к многочисленным заблуждениям[11][1]. Важнейшими источниками по истории античной физики являются труды Платона, Аристотеля (IV век до н. э.), Архимеда (III век до н. э.), Герона и Лукреция Кара (I век до н. э.), а также уцелевшие в цитатах фрагменты текстов других мыслителей. В отличие от мыслителей Китая и Индии, древнегреческие натурфилософы разработали ряд внемифических систем физических взглядов широкого охвата, построенных на основе единых и явно сформулированных принципов. Большинство этих принципов — например, механика Аристотеля — оказались ошибочными. Исключение составили работы Архимеда и Герона, которые соединяли в себе физика-теоретика и умелого инженера, поэтому их открытия, с некоторым уточнением терминологии, остались и в современной науке. В целом греческая натурфилософия оказала огромное влияние на развитие науки и не имела конкурентов вплоть до XVII века. Значение античной физики в том, что она ясно поставила коренные проблемы структуры и движения материи, а также обсудила возможные пути решения этих проблем[11][1]. Первоэлементы и платонизм[править | править код]  Платон. Деталь «Афинской школы» Рафаэля Ранние античные физики выдвигали различные гипотезы о том, что следует считать основой Вселенной, первоэлементом, из которого строится всё многообразие наблюдаемых объектов. Фалес считал таковым воду, Анаксимен — воздух, Гераклит — огонь. Анаксимандр полагал, что все эти стихии вторичны и порождаются особой субстанцией, «апейроном». В системе Анаксагора число элементов бесконечно[12]. С появлением хорошо аргументированной пифагорейской доктрины с тезисом «Числа правят миром» её концепции включились в этот спор, математика рассматривалась как своего рода идеальный скелет мира и прямой путь к познанию законов Вселенной. Тем не менее качественные, метафизические модели мира в античной физике преобладали[13]. Платон, знаменитый философ IV века до н. э., коснулся физических проблем в своём диалоге «Тимей». Несмотря на откровенно мистический характер изложенных там идей, этот труд оставил заметный след в истории науки и философии. Платон постулировал существование, наряду с материальным, ещё и идеального мира «чистых идей», устроенного по законам красоты и математики; реальный же мир представляет собой его размытую копию[14]. Платон признаёт четыре классические стихии: землю, воду, воздух и огонь, но наряду с ними — ещё и первичный элемент, порождающий прочие четыре, когда укладывается в фигуры правильных многогранников. Платон даже нарисовал схему, какие многогранники соответствуют разным стихиям; например, куб соответствует земле, а пирамида — огню. С этих позиций Платон анализирует и объясняет различные физические процессы — горение, растворение, смену фаз воды, коррозию и т. д.[14] Атомизм[править | править код] Появление апорий Зенона поставило труднейшую и до сих пор не решённую проблему: делимы ли материя, время и пространство бесконечно или для деления существуют какие-то пределы. Одним из вариантов ответа на этот вопрос стал атомизм (Демокрит, V век до н. э.), согласно которому разные тела отличаются друг от друга не составом, а строением, то есть структурой соединения в них неделимых атомов (впрочем, допускалось наличие атомов разных типов и формы). Атомисты считали, что в природе нет ничего, кроме атомов и пустоты. Атомы обладают способностью достаточно прочно соединяться между собой, образуя вещество и другие наблюдаемые физические проявления (свет, тепло, запахи, магнетизм, электрические эффекты). Эпикур даже полагал, что свобода воли человека вызвана тем, что движение атомов подвержено случайным смещениям[15]. Атомисты провозгласили закон сохранения материи, естественным путём вытекающий из неразрушимости атомов. Первую формулировку этого закона предложил Эмпедокл (предположительно пифагореец) в V веке до н. э.[16]: Ничто не может произойти из ничего, и никак не может то, что есть, уничтожиться. Позже аналогичный тезис высказывали Демокрит, Эпикур, Аристотель и другие натурфилософы. Физика Аристотеля[править | править код] Основная статья: Физика Аристотеля См. также: Теория импетуса  Аристотель. Гравюра П. Фиданца Аристотель (IV век до н. э.) осудил модели своих предшественников как догматические и не подтверждённые наблюдениями. Единственным источником сведений о природе он признал анализ реального опыта, а вводить в теорию заведомо ненаблюдаемые понятия (вроде атомов или корпускул) принципиально недопустимо. Сам Аристотель старался на место догм поставить логические рассуждения и ссылку на общеизвестные физические явления. Термин «Физика» возник как название одного из сочинений Аристотеля. Учёному одно время приписывался содержательный труд «Механические проблемы», но, скорее всего, у этой книги был более поздний автор из Александрии, по взглядам близкий к школе Аристотеля[17]. Предметом физики, по мнению Аристотеля, является выяснение первопричин природных явлений: Так как научное знание возникает при всех исследованиях, которые простираются на начала, причины или элементы путём их познания (ведь мы тогда уверены в познании всякой вещи, когда узнаём её первые причины, первые начала и разлагаем её впредь до элементов), то ясно, что и в науке о природе надо определить прежде всего то, что относится к началам. Вопреки стремлению Аристотеля к опытному обоснованию физики, такой подход, из-за отсутствия экспериментальной физики и точных измерительных приборов, ещё долго (фактически до Ньютона) отдавал приоритет метафизическим фантазиям. В частности, Аристотель и его последователи утверждали, что движение тела поддерживается приложенной к нему силой. Понятия скорости у Аристотеля, как и у других античных мыслителей, не было, так как для него требуется отношение пути ко времени, а греки признавали только отношения однородных величин (по той же причине отсутствовало понятие плотности)[18]. Аристотель резко критиковал атомистов, заявив: если атомов бесконечно много и они движутся, то у них должно быть бесконечно много «движущих причин», но тогда мир обратился бы в хаос. Большинство движений, по Аристотелю, происходят потому, что тела стремятся занять свои естественные места — например, для тяжёлых тел такое место находится в центре Земли, отсюда возникает эффект падения. Тяжёлые предметы, по мнению Аристотеля, падают быстрее, чем лёгкие той же формы, и время падения обратно пропорционально весу тел. Аристотель рассматривал также и «искусственное движение» под влиянием приложенной силы, но считал, что с прекращением воздействия тело остановится. Очевидное противоречие с опытом — например, летящая стрела движется вовсе не по вертикали — Аристотель объяснял тем, что стрелу поддерживает возмущение воздуха, созданное при выстреле. Он отрицал возможность пустоты, так как в ней невозможно определить «естественное движение»[17][18]. Аристотель отверг и модель Платона. Он указал, что она не объясняет многие реальные явления, например, рост давления пара при закипании воды, а связь свойств стихий с многогранниками есть произвольный домысел. Взамен Аристотель предложил столь же надуманную «теорию качеств»[17]. Всё же часть изложенных у Аристотеля физических знаний выдержала испытание временем и, с соответствующими уточнениями, укоренилась в науке. При описании принципа действия весов он дал (в несколько туманной формулировке) условие равновесия рычага[19]. В акустике он правильно описал, что источником звука от звучащего тела является сжатие и разрежение воздуха, а эхо вызвано отражением звука от препятствий[20]. Система Аристотеля просуществовала почти два тысячелетия, за это время она подверглась многочисленным толкованиям и комментариям. Большой спор вызвал, например, вопрос о том, как меняется вес тела по мере его приближения к центру Земли — одни считали, что вес растёт, другие — что он падает до нуля[18]. Александрийская школа[править | править код] После IV века до н. э. идейные системы афинской научной школы, недостаточно связанные с опытом, обогащаются более практичным подходом александрийской школы. Александрийские греки разработали несколько количественных (изложенных математически) теорий и описали их практическое применение; среди учёных и изобретателей этого периода особенно прославились Архимед, Ктесибий и Герон Александрийский[21]. Архимед ясно изложил теорию рычага и механического равновесия, сделав вывод: «величины уравновешиваются на длинах, обратно пропорциональных тяжестям». Он дал определение центра тяжести и нашёл его положение для треугольника и других фигур. Архимед подсчитал величину выталкивающей силы жидкости (закон Архимеда)[22]. В IV веке н. э. Синезий Киренский, ученик Гипатии, на основе открытий Архимеда изобрёл ареометр для определения удельного веса жидкостей[18].  Паровая турбина Герона Ещё Эмпедокл и Анаксагор экспериментально доказали упругость воздуха. Герон, обобщая накопленный опыт по гидравлике, опубликовал двухтомное учебное пособие «Пневматика». Сжимаемость газа, писал Герон, доказывает, что он состоит из частиц, разделённых пустотой. В «Пневматике» описано множество технических устройств, в том числе первая паровая турбина (эолипил). Большой вклад был внесен в теоретическую акустику и теорию музыки[18]. Эллины успешно развивали геометрическую оптику. Евклид в книгах «Оптика» и «Катоптрика»[C 2] глубоко исследовал законы перспективы и теорию зеркал. Другой труд большого объёма по оптике написал Архимед, но он не сохранился. Известно, что Архимед измерил угловой диаметр Солнца и получил довольно точный результат: между 27' и 33' (угловых минут). У Герона встречается первый вариационный принцип «наименьшего пути» для отражения света. Клавдий Птолемей в своём трактате «Оптика» подробно описал астрономическую рефракцию и указал, что она поднимает видимые изображения светил. Тем не менее в оптике древних греков были и грубые ошибки. Например, угол преломления считался пропорциональным углу падения (эту ошибку разделял даже Кеплер), изображение на сетчатке глаза ещё не было открыто, и поэтому зрение связывалось с особыми лучами, исходящими из глаз человека и животных. Гипотезы о природе света и цветности были многочисленны, но чисто умозрительны[23][24]. |