Реферат: Возникновение и развитие классического естествознания

3. И. Кеплер: открытие тайны планетных орбит

В 1580 г. в Дании на островке Вен (в 20 км от Копенгагена) была построена невиданная еще астрономическая обсерватория, названная “Небесным замком” (“Ураниборгом”). Инициатором и организатором строительства обсерватории и новых огромных инструментов для астрономических наблюдений (квадрант радиусом в 2 метра, точность которого доходила до 1 / 6 ' , сектанта для измерения угловых расстояний между звездами, большого небесного глобуса и др.) был Тихо Браге (1546 – 1601), датский дворянин, посвятивший свою жизнь не воинским подвигам, а служению “Богине Неба” – Урании.

Первое выдающееся открытие Тихо Браге сделал еще в 1572 году, когда с помощью наблюдений над вспыхнувшей яркой звездой в созвездии Кассиопеи показал, что это вовсе не атмосферное явление (как считалось в соответствии с аристотелевой картиной мира), но что это удивительное изменение произошло в сфере (считавшихся неподвижными) звезд. (Впоследствии выяснилось, что эта звезда была сверхновой). Более двух десятков лет провел Т. Браге в Ураниборге, определяя положение небесных объектов с удивительной точностью, если помнить, что тогда не знали еще телескопов и других оптических инструментов.

Тихо Браге был блестящим астрономом-наблюдателем, но не теоретиком. Это и мешало ему воспринять учение Коперника. Однако Браге ощущал и недостатки птолемеевской геоцентрической системы. Поэтому им была разработана система, занимавшая промежуточное место между геоцентрической и гелиоцентрической: по этой системе Солнце движется на эксцентрической окружности вокруг неподвижной Земли, а в это время планеты обращаются вокруг Солнца.

К счастью, судьба распорядилась так, что жизненные пути Тихо Браге пересеклись с трудными, полными невзгод и лишений жизненные дорогами И. Кеплера (1571 – 1630). И. Кеплер - великий немецкий ученый, который заложил фундамент новой теоретической астрономии и учения о гравитации, показавший, что законы надо искать в природе, а не выдумывать их в голове как искусственные схемы и подгонять под такие схемы явления природы. На смертном одре Тихо Браге завещал Кеплеру все свои рукописи, содержавшие результаты многолетних астрономических наблюдений, с тем, чтобы Кеплер доказал справедливость его, Браге, гипотезы о строении планетной системы. Это завещание не было и не могло быть выполнено. Но Кеплер сделал несравненно более великое открытие - он раскрыл главную тайну планетных орбит!

Будучи глубоко религиозным человеком и увлекаясь в молодости астрологией, Кеплер поставил перед собой жизненную цель - проникнуть в божественные планы творения мира, постичь тайны строения Вселенной. Будучи уверенным, что бог как высшее творческое начало при сотворении мира должен был руководствоваться идеальными, математическими, совершенными числовыми отношениями и геометрическими формами, Кеплер пытался объяснить существование только шести планет (Во времена Кеплера было известно только шесть планет Солнечной системы, наблюдаемых невооруженным глазом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн. Планета Уран была открыта В. Гершелем в 1781 г., Нептун открыт астрономом Галле и математиком Леверье в 1846., Плутон был обнаружен только в 1930 г.) у Солнечной системы существованием всего 5 правильных многогранников. На этом пути Кеплер решает задачу связать орбиты планет со вписанными в многогранники и описанными вокруг них сферами. Затем закономерно возникает и вопрос об отношениях радиусов орбит планет между собой, решение которого, в свою очередь, подводит Кеплера к поискам точных законов гелиоцентрического планетного мира и превращает это в главное дело его жизни.

В ходе такой колоссальной работы проявились не только его гениальность как астронома и математика, но и смелость мысли, свобода духа, благодаря которым он сумел преодолеть тысячелетние традиции и предрассудки. Многолетние поиски проявления числовой гармонии Вселенной, простых числовых отношений в мире завершились для Кеплера открытием действительных законов планетных движений, изложенные в его сочинениях “Новая, изыскивающая причины астрономия, или физика неба” (1609) и “Гармония мира” (1619).

В начале XVII в., хотя основные космологические идеи древних греков и утратили свое научное значение, тем не менее некоторые из них за столетия приобрели характер абсолютных положений, отказаться от которых не хватало смелости духа. Так, в плоть и кровь ученых вошло представление о том, что только круговое, равномерное, “естественное” движение единственно допустимо для небесных тел. Даже Коперник и Галилей остались во власти этого убеждения, незыблемости этих древних космологических принципов. Против этой древней научной догмы и выступил Кеплер. После пяти лет трудоемкой математической обработки огромного материала наблюдений Тихо Браге за движением Марса, Кеплер к 1605 г. открыл и в 1609 г. опубликовал первые два закона планетных движений (сначала для Марса, затем распространил их на другие планеты и спутники).

Один из них утверждал эллиптическую форму орбит и тем разрушал принцип круговых движений в космосе. Другой показывал, что планеты не только движутся по эллиптическим орбитам, но и движутся по ним неравномерно. Скорость планет изменяется таким образом, что площади, описываемые радиусом-вектором в равные промежутки времени, равны между собой (закон постоянства площадей), в связи с чем рухнул принцип равномерности истинных небесных движений.

Но Кеплер идет еще дальше и ставит вопрос о динамике движения планет. До Кеплера планетная космология, опиравшаяся на принцип “естественности” движений небесных тел, была кинематической. Преследуя одну цель – предвычисление видимых положений светил, т. е. направлений на них, авторы планетных теорий, начиная с Птолемея, ограничивались разработкой кинематико-геометрических моделей мира, даже не пытаясь определить его действительное устройство. Даже у Коперника схема орбитальных движений планет оставалась старой, кинематической. И только Кеплер увидел в гелиоцентрической картине движений планет действие единой физической силы и поставил вопрос о ее природе.

Уже в 1596 г. в своем первом сочинении “Космографическая тайна” он обратил внимание на то, что с удалением от Солнца периоды обращения планет увеличиваются быстрее, чем радиусы их орбит, т. е. уменьшается скорость движения планет. Здесь возможно было два объяснения. Первое - движущая сила сосредоточена в каждой планете, и у далеких планет она почему-то меньше, чем у близких (так думал Тихо Браге). Второе - движущая сила единая для всей системы и сосредоточена в ее центре – Солнце, которое действует сильнее на близкие и слабее на далекие планеты. Кеплер остановился на втором, поскольку эта идея лучше объясняла первые два закона планетных движений.

Через десять лет после опубликования первых двух законов Кеплер установил (1619) универсальную зависимость между периодами обращения планет и средними расстояниями их от Солнца (третий закон Кеплера - квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы средних расстояний этих планет от Солнца). Это окончательно убедило его в том, что движением планет управляет именно Солнце.

Поэтому Кеплер впервые поставил вопрос о физической природе и точном математическом законе действия силы, движущей планеты. Действие Солнца на планеты Кеплер сравнивал с действием магнита. Такое сравнение было вполне в духе времени, для которого характерно особое увлечение магнитными явлениями.

4. Г. Галилей: разработка понятий и принципов “земной динамики”

В формировании классической механики и утверждении нового мировоззрения велика заслуга Г. Галилея (1564-1642). Год рождения Галилея - это год смерти Микеланджело и год рождения В. Шекспира. Галилей - выдающаяся личность переходной эпохи от Возрождения к Новому времени.

С прошлым его сближает неопределенная трактовка проблемы бесконечности мира; он не принимает кеплеровых эллиптических орбит и ускорений планет; (Галилей считал их простым воскрешением древней пифагорейской идеи о роли числа во Вселенной, несовместимой с новым экспериментальным естествознанием, за которое он боролся. Поэтому он не обратил внимания и на кеплеровы законы (а, возможно, и не ознакомился с ними, хотя Кеплер послал ему свое сочинение 1609 г.).) у него нет еще представления о том, что тела движутся по кривым в “плоском” однородном пространстве благодаря их взаимодействиям; он еще не освободился от чувственных образов и качественных противопоставлений и др. Но в то же время он весь устремлен в будущее. Галилей уже открывает дорогу математическому естествознанию; он был уверен, что “законы природы написаны на языке математики”; его стихия - мысленные кинематические и динамические эксперименты, логические конструкции; главный пафос его творчества - возможность математического постижения мира; смысл своего творчества он видит в физическом обосновании гелиоцентризма, учения Коперника. Галилей закладывает основы экспериментального естествознания: показывает, что естествознание - это умение делать научные обобщения из опыта, а эксперимент - важнейший метод научного познания.

Еще будучи студентом (университет г. Пиза), Галилей делает открытие большой научной и практической значимости - открывает закон изотропности колебаний маятника, который сразу же нашел применение в медицине, астрономии, географии, прикладной механике. Сразу же после изобретения зрительной трубы (1608 г.) он усовершенствовал ее и превратил в телескоп с 30-кратным увеличением, с помощью которого совершил ряд выдающихся астрономических открытий: открыл спутники Юпитера, Сатурна, фазы Венеры, солнечные пятна, обнаружил, что Млечный Путь представляет собой скопление бесконечного множества звезд, и др.

За истинность и признание своих открытий Галилею пришлось вести сложнейшую борьбу с церковной ортодоксией. Ведь его жизнь и деятельность происходили в атмосфере Контрреформации, усиления католической реакции. Это был трагический для естествознания период истории. Речь шла о суверенитете разума в поисках истины. В 1616 г. учение Коперника было запрещено, а его книга внесена в инквизиционный “Индекс запрещенных книг”. После выхода в свет декрета начались сумерки итальянской науки, в научных кругах воцарило мрачное безмолвие.

Церковь дважды вела процессы против Галилея. После первого процесса в 1616 году Галилей вынужден был перейти к методам “нелегальной борьбы” за коперниканизм. В то же время он продолжает исследование законов движения тел под действием сил в земных условиях. Основные итоги этих исследований были изложены им в книге “Диалог о двух системах мира”, которая вышла в свет во Флоренции в 1632 году.

Книга Галилея вызвала восторг в научных кругах всех стран и бурю негодования среди церковников. Иезуиты немедленно начали компанию против Галилея, которая привела ко второму процессу инквизиции в 1633 году. Инквизиция пригрозила Галилею не только его осуждением как еретика, но и уничтожением всех его рукописей и книг. От него требовали признания ложности учения Коперника. Галилей вынужден был уступить. Ценой тягчайшей моральной пытки, невероятных унижений перед теми, кого он так страстно бичевал в своих произведениях, Галилей купил возможность завершения своего дела.

Существует легенда, что 22 июня 1633 г. в церкви Святой Марии после прочтения текста формального отречения Галилей произнес фразу “Eppur si muove!” (И все-таки она движется!). Эта легенда вдохновляла многих художников, писателей, поэтов. На самом деле эта фраза не была произнесена ни в этот день, ни позже. Но тем не менее эта непроизнесенная фраза выражает действительный смысл жизни и творчества Галилея после приговора. В годы, последовавшие за процессом, Галилей продолжал разработку рациональной динамики.

Историческая заслуга Галилея перед естествознанием состоит в следующем:

·  Галилей разграничивает понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движения;

·  формулирует понятие ускорения (скорость изменения скорости);

·  показывает, что результатом действия силы на движущееся тело является не скорость, а ускорение;

·  выводит формулу, связывающую ускорение, путь и время S = 1 / 2 ( a t І );

·  формулирует принцип инерции (“если на тело не действует сила, то тело находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейного равномерного движения”);

·  вырабатывает понятие инерциальной системы;

·  формулирует принцип относительности движения (все системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга (т.е. инерциальные системы) равноправны между собой в отношении описания механических процессов);

·  открывает закон независимости действия сил (принцип суперпозиции).

На основании этих законов появилась возможность решения простейших динамических задач. Так, например, Х. Гюйгенс дал решение задач об ударе упругих шаров, о колебаниях физического маятника, нашел выражение центробежной силы.

Исследованиями Галилея был заложен прочный и надежный фундамент динамики и методологии классического естествознания. Дальнейшие исследования лишь углубляли и укрепляли этот фундамент. С полным основанием Галилея называют “отцом современного естествознания”.

5. Ньютонианская революция

Целая плеяда ученых ХVII века внесли свой вклад в развитие предпосылок классической механики (И. Буйо, Дж. Борелли, Гук и др.).

Обобщение результатов естествознания ХУП века выпала на долю И. Ньютона (1643 – 1727). Именно Ньютон завершил грандиозную работу постройки 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, точным изучением количественных проявлений этих закономерностей в природе.

Обобщая существовавшие независимо друг от друга результаты своих предшественников в стройную теоретическую систему знания (ньютоновскую механику), Ньютон тем самым явился и родоначальником классической теоретической физики.

Родился И. Ньютон в небольшой деревушке Вульсторп в графстве Линкольн 5 января 1643 г. в семье мелкого фермера. Детские и отроческие годы прошли в среде фермеров и сельских пасторов. В детстве Исаак жил в основном на попечении бабушки. Склонный к одиночеству, размышлениям, упорный в учебе мальчик закончил школу первым и в 1660 г. поступил в Кембридж. Все свои великие открытия он сделал или подготовил в молодые годы, в 1665 – 1667 гг., спасаясь в родной деревушке Вулсторпе под Лондоном от чумы, свирепствовавшей в городах Англии. (К этому периоду относится известный анекдот о падающем яблоке, наведшим Ньютона на мысль о тяготении). Среди этих открытий: знаменитые законы динамики, закон всемирного тяготения, создание (одновременно с Лейбницем) новых математических методов – дифференциального и интегрального исчислений, ставших фундаментом высшей математики; изобретение телескопа-рефлектора, открытие спектрального состава белого света и др.

С именем Ньютона связано открытие или окончательная формулировка основных законов динамики: закона инерции; пропорциональности между количеством движения (mv) и величиной движущей силы (F); равенства по величине и противоположности по направлению сил при центральном характере взаимодействия. Вершиной научного творчества Ньютона стала его теория тяготения и провозглашение первого действительно универсального закона природы – закона всемирного тяготения.

В 1666 г. у Ньютона возникает идея всемирного тяготения, его родства с силой тяжести на Земле и идея о том, каким образом можно вычислить силу тяготения. Доказательство тождества между силой тяготения и силой тяжести на Земле проводится у Ньютона путем вычисления центростремительного ускорения Луны в ее обращении вокруг Земли; затем Ньютон уменьшает это ускорение пропорционально квадрату расстояния Луны от Земли, после чего оно оказывается равным ускорению силы тяжести у земной поверхности. Обобщая эти результаты, Ньютон приходит к выводу, что для всех планет имеет место притяжение к Солнцу, что все планеты тяготеют друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Дальнейший шаг заключался в том, что Ньютон выдвинул тезис, в соответствии с которым сила тяжести пропорциональна лишь количеству материи (массе) и не зависит от формы материала и других свойств тела. Развивая это положение, Ньютон приходит к закону всемирного тяготения в общем виде.

Не будет преувеличением сказать, что 28 апреля 1686 года - одна из величайших дат в истории человечества. В этот день Ньютон представил Лондонскому королевскому обществу свою новую всеобщую теорию - механику земных и небесных процессов. В систематической форме изложение классической механики было дано Ньютоном в книге “Математические начала натуральной философии”, которая вышла в свет в 1687 году. Современники Ньютона тотчас же высоко и достойно оценили этот уникальный труд.

Исключительно плодотворным оказался способ изучения явлений природы, разработанный Ньютоном. Eго учение о тяготения была уже не общим натурфилософским рассуждением и умозрительной схемой, а логически строгой, точной (и более чем на два века единственной) фундаментальной теорией - особым рабочим инструментом исследования окружающего мира, прежде всего движения небесных тел. Физическим фундаментом небесной механики стал закон всемирного тяготения.

Из закона всемирного тяготения Ньютон вывел в качестве простых следствий (и уточнил при этом) кеплеровы законы эллиптического движения планет и показал, что в Солнечной системе в общем случае движение ее тел может происходить по любому коническому сечению, включая параболу и гиперболу. На этом основании он сделал вывод о единстве законов движения комет и планет и включил впервые кометы в состав Солнечной системы. Ньютон дал также математический (геометрический) метод вычисления истинной орбиты кометы по ее наблюдениям, что вскоре позволило Галлею открыть первую периодическую комету (комета Галлея). Разрозненные прежде и загадочные явления на Земле и на небе: приливы и отливы, сжатие планет (уже обнаруженное тогда у Юпитера), наконец, прецессия – нашли четкое объяснение в единой теории всемирного тяготения Ньютона. Новыми, подтвердившимися лишь после смерти Ньютона, были его выводы о сплюснутой у полюсов форме Земли. Ньютону принадлежит и великая заслуга объяснения возмущенного движения в Солнечной системе как неизбежного следствия устройства этой системы. Чисто кеплеровского движение, определяемое действием одного центрального светила – Солнца, как показал Ньютон, обязательно будет нарушаться у планет и спутников из-за их взаимного воздействия друг на друга. (Эти отклонения от некоего правильного движения еще задолго до открытия законов Кеплера были впервые обнаружены Птолемеем в движении Луны. Ньютон открыл в ее движении новые неравенства – попятное движение узлов, годичное и параллактическое неравенства и др.).

Формирование основ классической механики было величайшим достижением естествознания ХVII века. Классическая механика была первой фундаментальной естественнонаучной теорией. В течение трех столетий (с ХVII в. по начало ХХ в.) она выступала единственным теоретическим основанием физического познания, а также ядром второй естественнонаучной картины мира - механистической.

Нельзя не сказать о математических достижениях Ньютона, без которых не было бы и его гениальной теории тяготения. Свой метод расчета механических движений путем рассмотрения бесконечно малых приращений величин – характеристик исследуемых движений Ньютон назвал “методом флюксий” и описал его в сочинении “Метод флюксий и бесконечных рядов с приложением его к геометрии кривых” (закончено в 1671 г., полностью опубликовано в 1736 г.). Вместе с методом Лейница он составил основу современных дифференциального и интегрального исчислений. В математике Ньютону принадлежат также важнейшие труды по алгебре, аналитической и проективной геометрии и др.

Несмотря на свой знаменитый девиз “Гипотез я не измышляю””, Ньютон как мыслитель крупнейшего масштаба не мог не задумываться и над предельно общими проблемами мироздания. Так, в частности, он распространил свою теорию тяготения на проблемы космологии.

Применив закон тяготения, подтвержденный тогда лишь для Солнечной системы, ко всей Вселенной, Ньютон рассмотрел главную космологическую проблему: конечна или бесконечна вселенная. И пришел к выводу, что лишь в случае бесконечности вселенной материя может существовать в виде множества космических объектов – центров гравитации. В конечной же вселенной материальные тела рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира. Это было первой строгое физико-теоретическое обоснование бесконечности мира.

Ньютон задумывался и над проблемой происхождения такой упорядоченной Вселенной. Однако здесь он столкнулся с задачей, для решения которой еще не располагал научными фактами. Он считал, что материя сама по себе косна, пассивна и не способна к движению. И потому, например, для него тайной являлось начало орбитального движения планет. Для раскрытия этой тайны оставалось прибегнуть лишь к некоей более могучей, чем тяготение, организующей силе. В ту эпоху в качестве такой силы мыслился, разумеется, лишь бог. Поэтому Ньютон допускал божественный “первый толчок”, благодаря которому планеты приобрели орбитальное движение, а не упали на Солнце. Обнаружив неизбежность возмущений в движениях планет и спутников (т.е. отклонений от кеплеровых законов), которые могли иметь вековой характер, нарастая со временем, Ньютон вынужден был сделать вывод о необходимости в время от времени подправлять расшатывающийся механизм планетных движений. Подобную функцию опять-таки мог выполнять только бог...

Потребовалось всего полвека развития науки и общего мировоззрения под воздействием открытий самого Ньютона, чтобы появились мыслители, категорически отвергавшие идею божественного начального толчка и внесшие в естествознание идею естественной эволюции материи. Первым из таких мыслителей был И. Кант.

Список литературы

Азимов А. Краткая история биологии. М.,1967.

Алексеев В.П. Становление человечества. М.,1984. Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. М.,1961 Борн М. Эйнштейновская теория относительности.М.,1964.

Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М.,1981.

Гинзбург В.Л.О теории относительности. М.,1979.

Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала 19 века до середины 20 века. М.,1979.

Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М.,1986.

Кемпфер Ф. Путь в современную физику. М.,1972.

Либберт Э. Общая биология. М.,1978 Льоцци М. История физики. М.,1972.

Моисеев Н.Н. Человек и биосфера. М.,1990.

Мэрион Дж. Б. Физика и физический мир. М.,1975

Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.

Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М.,1993.

Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М.,1990.

Пригожин И.,Стенгерс И. Порядок из хаоса. М.,1986.

Пригожин И., Стенгерс И. Время, Хаос и Квант. М.,1994.

Пригожин И. От существующего к возникающему. М.,1985.

Степин В.С. Философская антропология и философия науки. М.,1992.

Фейнберг Е.Л. Две культуры. Интуиция и логика в искусстве и науке. М.,1992.

Фролов И.Т. Перспективы человека. М.,1983.