физика и ее становление. становление физики. Ранние физические воззрения
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
Древний Рим[править | править код] Римская империя поддерживала в первую очередь высокий уровень развития инженерного искусства (строительство, военная техника, водопроводы и др.). Из руководств по практической инженерии большой интерес представляют «Десять книг об архитектуре» Витрувия (I век до н. э.), содержащие ряд перспективных физических идей. Витрувий характеризует звук как волны в воздухе, пишет о круговороте воды в природе (многие его современники верили в самозарождение воды в пещерах из воздуха), утверждает, что ветры образуются от «напряжения водяных паров»[25]. Несколько римских мыслителей оставили сочинения по теоретико-физическим проблемам — частью под греческим влиянием, частью оригинальных. Тит Лукреций Кар (I век до н. э.), по своим взглядам эпикуреец, написал поэму «О природе вещей». Поэма содержит попытки объяснения различных явлений (в том числе магнитного притяжения) с позиций атомизма Демокрита. Другой римский сторонник атомизма, Сенека, в своём семитомном труде «Исследования о природе» даёт объяснения электричеству, небесным явлениям, кометам, свойствам воды, воздуха и света. Объяснения Сенеки по большей части «легкомысленны» — например, цвета предметов, по его мнению, возникают при смешении солнечного света с тёмными облаками. Ещё больше фантазий в книге Плиния Старшего «Естественная история» — например, что алмаз экранирует магнит, что звёзды могут спускаться на мачты кораблей, образуя «огни святого Эльма» и др. Полководец Секст Юлий Фронтин (I век н. э.), которого на склоне лет назначили смотрителем городского водопровода, оставил сочинение «О римских водопроводах»; в нём он впервые, за полтора тысячелетия до Торричелли, отметил, что скорость вытекания воды из сосуда зависит не от ширины отверстия, но от уровня воды в сосуде[26]. Страны ислама[править | править код] Золотой век науки в исламских странах длился примерно с IX по XIV век (до монгольского завоевания). В этот период главные труды греческих и индийских учёных были переведены на арабский, после чего арабские, персидские и тюркские мыслители развили и прокомментировали эти труды, а в ряде случаев предложили новые физические модели. Основное внимание исламские учёные уделяли оптике и технической механике (в теоретической механике существенного продвижения не было)[27][28]. Абдуррахман аль-Хазини (XII век), автор трактата «Книга весов мудрости» (1121), продолжил исследования Архимеда по рычажным весам и центрам тяжести. В книге описаны многочисленные практические применения изложенных принципов, включая способы обнаружить ювелирные подделки, приводится таблица удельных весов разных материалов. Аль-Хазини пошёл дальше Архимеда и распространил его закон на тела в воздухе: при откачке воздуха из резервуара находящиеся там тела становятся тяжелее. Дополнительную ценность книге аль-Хазини придают включённые в неё результаты Омара Хайяма и Аль-Бируни, связанные с темой точного взвешивания и расчёта удельного веса[27].  Титульная страница латинского перевода «Книги оптики» В оптике крупнейший после Птолемея вклад сделал Ибн аль-Хайсам (XI век, в Европе его называли «Альхазен»), автор монографии «Книга оптики». Альхазен отверг древнюю гипотезу о лучах зрения, исходящих из глаз, дал правильное описание строения глаза и свойств бинокулярного зрения. Он, однако, полагал, что изображение внешних предметов формируется внутри хрусталика[C 3]. Альхазен высказал предположение о конечности скорости света и проводил опыты с камерой-обскурой, опыты по преломлению света и эксперименты с различными видами зеркал. Он установил, что отражённый от криволинейного зеркала луч находится в плоскости, содержащей падающий луч и нормаль к поверхности. Взгляды Альхазена (без упоминания его имени) были детально изложены в книге Эразма Витело (Вителлия), которая появилась в 1271 году и заслужила большую популярность; эта книга издавалась на протяжении 300 лет и существенно содействовала развитию оптики в Европе[29]. Аль-Джазари (1136—1206), один из крупнейших арабских изобретателей, в своем сочинении «Книга грёз» описал коленчатый вал, клапанные насосы, водоподъёмные машины, водяные часы, музыкальные автоматы и другое. Аль-Джазари принадлежат такие технологические новшества, как: ламинирование древесины, кодовые замки, гибрид компаса с универсальными солнечными часами для любых широт и т. д.[30] Средневековая Европа[править | править код] В христианской Европе научные исследования фактически начались в XIV веке. До этого можно упомянуть только несколько достижений: изобретены очки, правильно объяснено явление радуги, освоен компас[29]. Французский учёный Пьер де Марикур в 1269 году издал обширное исследование свойств магнитов, где указал, помимо прочего, что намагниченный предмет можно перемагнитить, и что источником магнетизма являются небесные «полюса мира»[31][32]. В XI—XIV веках появились латинские переводы арабских и уцелевших греческих текстов. Эти работы оказали значительное влияние на таких средневековых философов, как Фома Аквинский. Средневековые схоласты искали способ согласовать античную философию с христианской теологией, провозглашая Аристотеля самым выдающимся мыслителем античности. Физика Аристотеля, в тех случаях, когда она не противоречила учению церкви, стала основой физических объяснений.  Так в Средневековье представляли себе траекторию пушечного ядра В соответствии с учением Аристотеля, средневековые мыслители считали, что тела тяготеют к их естественному месту пребывания. Например, «тяжёлые» тела тяготеют вниз, «лёгкие» — вверх. Как указано выше, считалось, что для поддержания движения требуется некоторая сила, без силы движение прекращается. Эта модель подверглась аргументированной критике Иоанном Филопоном уже в VI веке н. э. Филопон выдвинул ряд вопросов, для которых механика Аристотеля не даёт правильного ответа, например: почему камень, брошенный рукой вертикально вверх, после отрыва от руки продолжает некоторое время двигаться вверх, хотя сила броска на него больше не действует? Если движение брошенного тела поддерживает, по мнению Аристотеля, возмущение воздуха, то что поддерживает движение колеса, приведенного толчком во вращение вокруг своей оси, ведь воздух тут явно ни при чём? Филопон также отверг мнение Аристотеля, что тяжёлые тела падают быстрее лёгких[33]. Для ответа на эти вопросы средневековые учёные (Филопон, позднее — Буридан) разработали теорию импетуса (встроенной силы движения). Это понятие было шагом в сторону концепции инерции, хотя всё же существенно отличалось от него, так как предполагала, что на брошенные тела продолжает действовать некоторая унаследованная сила[34] [35]. В XIV веке английская группа учёных (так называемые «Оксфордские калькуляторы») провела новое исследование нерешённых проблем механики. Они также критиковали механику Аристотеля, уточнили определение скорости и ввели понятие мгновенной скорости, детально изучили равноускоренное движение. Эти работы продолжил парижский натурфилософ Буридан и его ученики Никола Орем и Альберт Саксонский (автор понятия угловой скорости вращения). Школа Буридана не только подвергла разносторонней критике архаичные выводы Аристотеля, но и продвинулась к новой механике, близко подойдя к механическому принципу относительности. Буридан писал, что импетус, соединяясь с тяжестью, ускоряет падение тела; он также, в осторожных выражениях, допустил суточное вращение Земли[36][37][38]. В конце XV века Леонардо да Винчи открыл фундаментальный закон трения и явление капиллярности. Он также, после нескольких неудачных попыток создания вечного двигателя, одним из первым высказал мнение о неосуществимости такого механизма[39]. Немецкий философ Николай Кузанский высказал ряд мыслей, опередивших своё время; в частности, он провозгласил, что Вселенная бесконечна, всякое движение относительно, а земные и небесные тела созданы из одной и той же материи[40][32]. Зарождение физики[править | править код] XVI век: технический прогресс и начало научной революции[править | править код] См. также: Научная революция В XVI веке наблюдается быстрый технический прогресс во многих областях. Были изобретены печатный станок, вязальная машина и многие другие сложные механизмы, появились развитые средства обработки материалов; потребности артиллерии, мореплавания и строительства стимулировали развитие физики. Долгое время проведению экспериментов мешал тот факт, что практически все они были связаны с измерением времени, однако водяные и солнечные часы не могли обеспечить приемлемую точность (например, Галилей для отсчёта времени использовал собственный пульс). В XVI—XVII веках начинают появляться новые, более совершенные измерительные инструменты: механические часы с маятником, термометр, барометр, точные пружинные весы и другие. Эти изобретения значительно расширили возможности проверки физических гипотез[41]. Не менее важной переменой становится растущее убеждение, что реальный опыт является верховным судьёй во всех естественно-научных спорах. Об этом настойчиво писали Николай Кузанский, Леонардо да Винчи, Фрэнсис Бэкон, другие крупные учёные и философы[42][39]. Ещё одним важным фактором стало практическое завершение освоения античного и исламского наследия — все основные уцелевшие книги были переведены на латинский и освоены европейскими учёными[43].  Бюст Коперника в Кракове Большие перемены произошли и в развитии теоретической науки. Научная революция началась с того, что Николай Коперник предложил гелиоцентрическую систему мира (1543) взамен общепринятой тогда геоцентрической. В своей книге «О вращении небесных сфер» Коперник высказал также ряд идей новой, неаристотелевой механики, включая принцип относительности, догадку о законе инерции и всемирном тяготении. Ещё более смелую систему мира предложил в 1580-е годы Джордано Бруно, у которого не только Земля, но и Солнце — рядовое светило. Симон Стевин в книгах «Десятая» (1585), «Начала статики» и других ввёл в обиход десятичные дроби, сформулировал (независимо от Галилея) закон давления на наклонную плоскость, правило параллелограмма сил, продвинул гидростатику и навигацию. Любопытно, что формулу равновесия на наклонной плоскости он вывел из невозможности вечного движения (которую считал аксиомой)[44]. Галилей: создание экспериментальной физики[править | править код]  Бюст Галилея работы Карло Марчелини. Музей Галилея, Флоренция Галилео Галилей прославился как изобретатель телескопа, с помощью которого совершил множество выдающихся астрономических открытий. Но не менее революционные преобразования принадлежат Галилею в механике. Почти все его труды касаются проблем механики, а последняя книга специально ей посвящена. Работы Галилея стали решающим этапом в замене аристотелевой механики новыми, реальными принципами. Галилей сформулировал основы теоретической механики — принцип относительности, закон инерции, квадратично-ускоренный закон падения. Галилей доказал, что любое брошенное под углом к горизонту тело летит по параболе. Он изобрёл первый термометр (ещё без шкалы) и один из первых микроскопов, открыл изохронность колебаний маятника, оценил плотность воздуха. Одно из рассуждений Галилея представляет собой нечётко сформулированный принцип виртуальных перемещений. Большинство своих выводов Галилей делал на основании тщательно спланированных экспериментов. Опыты Галилея по изучению колебаний струны позволили Мерсенну в 1588 году обогатить акустику, связав звучащий тон не только с длиной струны, как у пифагорейцев, а также с частотой её колебаний и натяжением; заодно Мерсенн получил первую оценку скорости звука в воздухе (в метрической системе — около 414 м/с)[45]. Открытия Галилея ясно и убедительно, хотя и в общих чертах, указали путь к созданию новой механики. Хотя в ряде случаев Галилей ошибался (скажем, причиной приливов он считал вращение Земли), но большинство этих ошибок относятся к ситуациям, где он не мог поставить проверочный опыт[45]. Ученик Галилея, Торричелли, развил идеи Галилея о движении, сформулировал принцип движения центров тяжести, решил ряд задач гидродинамики и баллистики, в том числе открыл фундаментальную формулу Торричелли (для скорости вытекающей из сосуда жидкости)[46]. Он опубликовал основанные на идеях Галилея артиллерийские таблицы, однако из-за неучёта сопротивления воздуха их погрешность оказалась практически неприемлемой[45][47]. XVII век[править | править код]  Иоганн Кеплер  Рене Декарт  Христиан Гюйгенс  Исаак Ньютон В XVII веке интерес к науке в основных странах Европы резко возрос. Возникают первые Академии наук и первые научные журналы. Возрождаются, несмотря на противодействие католической церкви, идеи атомизма (по мнению Ватикана, эти идеи противоречили смыслу таинства причащения)[48]. Появляются совершенно новые научные идеи, и усовершенствование измерительных приборов уже позволяет проверить многие из них. Особенно большую роль в истории оптики, физики и науки вообще сыграло изобретение в начале XVII века в Голландии зрительной трубы, родоначальника всех последующих оптических инструментов исследования[47]. Кеплер и Декарт[править | править код]  Движение планеты по Кеплеру Иоганн Кеплер в 1609 году издал книгу «Новая астрономия», где изложил открытые им два закона движения планет; третий закон он сформулировал в более поздней книге «Мировая гармония» (1619). Вопреки Птолемею, Кеплер установил, что планеты движутся не по окружностям, а по эллипсам, причём неравномерно — чем дальше от Солнца, тем медленнее. Заодно Кеплер сформулировал (более чётко, чем Галилей) закон инерции: всякое тело, на которое не действуют иные тела, находится в покое или совершает прямолинейное движение. Менее ясно формулируется закон всеобщего притяжения: сила, действующая на планеты, проистекает от Солнца и убывает по мере удаления от него, и то же верно для всех прочих небесных тел. Источником этой силы, по его мнению, является магнетизм в сочетании с вращением Солнца и планет вокруг своей оси. Кеплер также значительно продвинул оптику, в том числе физиологическую — выяснил роль хрусталика, верно описал причины близорукости и дальнозоркости. Он существенно доработал теорию линз, ввёл понятия фокуса и оптической оси, открыл приближённую формулу связи расстояний объекта и его изображения с фокусным расстоянием линзы[49].  «Рассуждение о методе» Декарта В 1637 году Рене Декарт издал «Рассуждение о методе» с приложениями «Геометрия», «Диоптрика», «Метеоры». Декарт считал пространство материальным, а причиной движения — вихри материи, возникающие, чтобы заполнить пустоту (которую считал невозможной и поэтому не признавал атомов), или от вращения тел. В «Диоптрике» Декарт впервые (независимо от Снеллиуса) дал правильный закон преломления света. Он создал аналитическую геометрию и ввёл современную математическую символику. Декарт заявил о единстве земной и небесной физики: «все тела, составляющие Вселенную, состоят из одной и той же материи, бесконечно делимой и в действительности разделённой на множество частей»[50]. В 1644 году вышла книга Декарта «Начала философии». В ней провозглашается, что изменение состояния материи возможно только при воздействии на неё другой материи. Это сразу исключает возможность дальнодействия без ясного материального посредника. В книге приводятся закон инерции и закон сохранения количества движения. Количество движения Декарт правильно определил как пропорциональное «количеству вещества» и его скорости, хотя в своих рассуждениях он не учитывал его векторную направленность[51]. Декарт уже понимал, что движение планеты — это ускоренное движение. Вслед за Кеплером Декарт считал: планеты ведут себя так, как будто существует притяжение Солнца. Для того чтобы объяснить притяжение, он сконструировал механизм Вселенной, в которой все тела приводятся в движение толчками вездесущей, но невидимой, «тонкой материи». Лишённые возможности двигаться прямолинейно из-за отсутствия пустоты, прозрачные потоки этой среды образуют в пространстве системы больших и малых вихрей. Вихри, подхватывая более крупные, видимые частицы обычного вещества, формируют круговороты небесных тел, вращают их и несут по орбитам. Внутри малого вихря находится и Земля. Круговращение стремится растащить прозрачный вихрь вовне, при этом частицы вихря прижимают видимые тела к Земле. По Декарту, это и есть тяготение[50][52]. Физика Декарта была первой попыткой описать в единой системе все типы природных явлений как механическое движение, представить Вселенную как единый механизм. Многое в этой системе (например, принцип близкодействия) актуально и сейчас, однако Декарт сделал методологическую ошибку, требуя при исследовании явления сначала непременно выяснить его «главные причины», а уже потом строить математическую модель. Это был шаг назад, из-за такого подхода в трудах Декарта и его последователей («картезианцев») содержится не меньше ошибок и умозрительных фантазий, чем у Аристотеля. Галилей и Ньютон поступили наоборот — сначала на основе наблюдений строили математическую модель, а затем, если данных достаточно, выдвигали предположения о «первопричинах» («сначала анализ, потом синтез»). Этот подход оказался более продуктивным, например, для тяготения — от создания Ньютоном математической модели до выяснения Эйнштейном физической сущности тяготения прошло более двух столетий[50][51][53]. |