Валентин Максимилианович Макаров Концепции современного естествознания. Часть I учебное пособие
| Вид материала | Учебное пособие |
- Н. И. Константинова концепции современного естествознания учебное пособие, 2191.08kb.
- Учебное пособие Москва, 2007 удк 50 Утверждено Ученым советом мгупи, 1951kb.
- Высшее профессиональное образование т. Я. Дубнищева концепции современного естествознания, 9919.17kb.
- А. А. Горелов Концепции современного естествознания Учебное пособие, 3112.99kb.
- Ю. Б. Слезин Концепции современного естествознания Учебное пособие, 2161.2kb.
- Елена Юрьевна Матвеева. Концепции современного естествознания. Словарь основных терминов:, 1529.96kb.
- В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 8133.34kb.
- Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
- Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
Создание классической механики и экспериментального
естествознания. Механистическая картина мира.
Эпоха Нового времени. Она охватывает три столетия – XVII, XVIII, XIX в. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыграл XVII век, ознаменовавшийся рождением современной науки, у истоков которой стояли такие выдающиеся ученые как Галилей, Кеплер, Ньютон.
В учении итальянского ученого Галилео Галилея (1564–1642 гг.) были заложены основы нового механистического естествознания. Как свидетельствует А. Энштейн, «самая фундаментальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет неразрешенной из-за сложности – это проблема движения».
До Галилея общепринятым в науке считалось понимание движения, выработанное Аристотелем и сводившееся к следующему принципу: тело движется только при наличии внешнего на него воздействия, и если воздействие прекращается тело останавливается. Галилей показал, что этот принцип Аристотеля (хотя и согласуется с нашим повседневным опытом) является ошибочным. Вместо него Галилей сформировал совершенно иной принцип, получивший впоследствии наименование принципа инерции: тело либо находится в состояние покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия. Именно Галилей впервые обратил внимание на относительность механического движения, сформировав свой принцип относительности согласно которому «никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно».
Большое значение для становления механики как науки имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость свободного падения тел не зависит от их массы (как думал Аристотель), а пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. Галилей открыл, что траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начального толчка и земного притяжения, является параболой. Галилею принадлежит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника, он внёс немалый вклад в разработку учения о сопротивлении материалов.
Галилей выработал условия дальнейшего прогресса естествознания, начавшегося в эпоху Нового времени. Он понимал, что слепая вера в авторитет Аристотеля сильно тормозит развитие науки. Истинное знание, считал Галилей, достижимо исключительно на пути изучения природы при помощи наблюдения, опыта (эксперимента) и вооруженного математическим знанием разума, – а не путем изучения и сличения текстов в рукописях античных мыслителей.
Росту научного авторитета Галилея способствовали его астрономические исследования, обосновавшие и утверждавшие гелиоцентрическую систему Коперника. Используя построенные им телескопы (вначале это был скромный оптический прибор с 3-х кратным увеличителем, а впоследствии был создан телескоп с 32-х кратным увеличением), Галилей сделал целый ряд интересных наблюдений и открытий. Он установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности имеются пятна. У самой большой планеты Солнечной системы – Юпитера – Галилей обнаружил четыре спутника (из 13 известных в настоящее время). Наблюдение за Луной показали, что ее поверхность гористого строения и что этот спутник Земли имеет либрацию, т.е. видимые периодические колебания маятникового характера вокруг центра. Галилей убедился, что кажущийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд, а не представляет собой некое атмосферное явление, как утверждал Аристотель.
Но самое главное в деятельности Галилея как ученого астронома состояло в отстаивании справедливости учения Николая Коперника, которое подвергалось нападкам не только со стороны церковных кругов, но и со стороны некоторых ученых, высказывавших сомнения в правильности этого учения. Галилей сумел показать несостоятельность всех этих сомнений и дать блестящее естественнонаучное доказательство справедливости гелиоцентрической системы в знаменитой работе «Диалог о двух системах мира – Птолемеевской и Коперниковой».
Преследование инквизиции, затем унизительное судилище подорвали здоровье Галилея. Однако несмотря на запрет инквизиции за четыре года до смерти, он тайно переправил в голландское издательство рукопись своей второй книги «Две новые науки». Именно эта работа дала рождение современной науке. Галилей по праву считается одним из основоположников опытного естествознания, т.к. им впервые в истории науки сформулированы требования к научным экспериментам.
С астрологическими наблюдениями Галилея, описанными им в сочинении «Звездный вестник», ознакомился и дал высокую оценку один из крупнейших математиков и астрономов конца XVI – первой трети XVII в.в. Иоганн Кеплер (1571–1630 гг.). Эта оценка астрономических исследований Галилея содержалась в работе Кеплера «Рассуждение о «Звездном вестнике».
Кеплер занимался поисками законов небесной механики и составлением звездных таблиц. На основе обобщения данных астрономических наблюдений он установил три закона движения планет относительно Солнца. В своем первом законе Кеплер отказывается от коперниковского представления о круговом движении планет вокруг Солнца. В этом законе утверждается, что каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Согласно второму закону Кеплера, радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, в равные промежутки времени описывает равные площади. Из этого закона следовал вывод, что скорость движения планеты по орбите не постоянна и она тем больше, чем ближе планета к Солнцу. Третий закон Кеплера гласит: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него.
Кеплеру принадлежит немало заслуг в астрономии и математике. Он разработал теорию солнечных и лунных затмений, предложил способы их предсказания, уточнил величину расстояния между Землей и Солнцем, составил Рудольфовы таблицы – по имени австрийского императора Рудольфа II, при дворе которого Кеплер занимал место астронома. С помощью этих таблиц можно было с высокой степенью точности определять в любой момент времени положение планет. Кеплеру принадлежит также решение ряда важных для практики стереометрических задач.
Поскольку Кеплер был сторонником гелиоцентрической космологии Коперника и не скрывал этого, Ватикан относился к его сочинениям отрицательно, включив несколько из них в список запрещенных книг. Но сам Кеплер прекрасно понимал значение выполненных им работ. Не без сарказма он писал: «Мне все равно кто будет меня читать: люди нынешнего или люди будущего поколения. Разве Господь Бог не дожидался шесть тысяч лет, чтобы кто-нибудь занялся созерцанием его творений».
Главной заслугой Кеплера было открытие законов движения планет. Но он не объяснил причины их движения. И это неудивительно, ибо не существовало еще понятий силы и взаимодействия. В то время из разделов механики были разработаны лишь статика – учение о равновесии (которое разрабатывалось еще в античности, в первую очередь, Архимедом), а в работах Галилея были сделаны первые шаги в разработке динамики. Но в полной мере динамика – учение о силах и их взаимодействии – была создана лишь позднее Исааком Ньютоном.
В такой ситуации большое впечатление произвела теория вихрей, выдвинутая в 40-х годах XVII века французским ученым Рене Декартом (1596–1650 гг.). Декарт полагал, что мировое пространство заполнено особым легким, подвижным веществом, способным образовывать гигантские вихри. Вихревые потоки, окружая все небесные тела, увлекают их и приводят в движение. Солнечная система представляет собой громадный вихрь, в центре которого находится Солнце. Этот солнечный вихрь увлекает в своем движении все планеты. Центрами других, меньших вихрей, вращающихся вокруг Солнца, являются планеты. Планетные вихри вовлекают в круговое движение спутники этих планет. Так, вихрь, окружающий Землю, приводит в движение вокруг Земли ее спутник – Луну. Причем в каждом вихре тело, находящееся ближе к центру, вращается вокруг него быстрее, чем более далекое. Этим Декарт объяснял тот факт, что чем ближе планеты к Солнцу, тем короче периоды их вращения вокруг него (всего 88 дней для Меркурия, 225 дней для Венеры, 365 дней для Земли и т. д.).
Что касается эллиптического движения планет по уже известным законам Кеплера, то Декарт не смог ясно этого объяснить. Космологическая гипотеза Декарта оказалась несостоятельной и была отвергнута последующим развитием науки. Но Декарт обессмертил свое имя в другой области – в математике. Создание им основ аналитической геометрии, введение осей координат, носящих по сей день наименование декартовых, им многих алгебраических обозначений, формулирования понятия переменной величины – вот далеко не полный перечень, того что сделал Декарт в области математики, обеспечив её существенный прогресс.
Вторая научная революция завершилась творчеством одного из величайших ученых в истории человечества, каковым был Исаак Ньютон (1643–1727 гг.). Его научное наследие чрезвычайно разнообразно. В него входит и создание (параллельно с Лейбницем, но независимо от него) дифференциального и интегрального исчисления, и важные астрономические наблюдения, которые Ньютон проводил с помощью собственноручно построенных зеркальных телескопов (он, так же как и Галилей, именно телескопу обязан первым признанием своих научных заслуг), и большой вклад в развитие оптики (он, в частности, поставил опыты в области дисперсии света и дал объяснение этому явлению). Но главным научным достижением Ньютона было продолжение и завершение дела Галилея по созданию классической механики, господства механических представлений о мире.
В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики, составляющие основной раздел классической механики. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются (как и большинство физических законов) обобщением результатов огромного человеческого опыта, о чем сам Ньютон образно сказал: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов». Законы Ньютона рассматривают обычно как систему взаимосвязанных законов.
Первый закон механики Ньютона – это принцип инерции, впервые сформулированный еще Галилеем: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил. Существо второго закона механики Ньютона состоит в констатации того факта, что приобретаемое телом ускорение прямо пропорционально этой действующей силе и обратно пропорционально массе тела.
Третий закон механики Ньютона – это закон равенства действия и противодействия. Этот закон гласит, что действия двух тел друг на друга всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны.
Данная система законов движения была дополнена открытием Ньютоном законом всемирного тяготения, согласно которому все тела, независимо от их свойств и свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массе и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними.
Ни одно из всех ранее сделанных научных открытий не оказало такого громадного влияния на дальнейшее развитие естествознания, как открытие закона всемирного тяготения. Это был закон природы, которой подчинялось все – малое и большое, земное и небесное. Этот закон явился основанием создания небесной механики – науки, изучающей движение тел солнечной системы. Как пишет известный японский физик Х. Юкава, «Ньютон многое отсек у реального мира, о котором размышляют физики…Конечно, Ньютон абстрагируется, но он оставляет самое существенное и создает единую картину мира. Ему принадлежит, по крайней мере, построение теории Солнечной системы. Это один из миров. Остается еще…и множество других миров. В них он не успел разобраться, но Солнечная система прекрасно воссоздана в рамках его механики».
В 1687 году вышел в свет главный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», заложивший основы современной теоретической физики.
В своей знаменитой работе Ньютон предложил ученому мира научно-исследовательскую программу, которая вскоре стала ведущей не только в Англии, но и в Европе. Свою научную программу Ньютон назвал «экспериментальной философией», подчеркивая решающее значение опыта, эксперимента в изучении природы.
Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую физику и эксперимент, определили направление развития естествознания на многие десятилетия вперед.
Итак, вторая естественнонаучная революция была физически завершена Ньютоном.
Вторая, естественнонаучная революция, преобразовавшая все естествознание представляла собой переход от геоцентризма к гелиоцентризму, а от него – к полицентризму.
Контрольные вопросы
- В чём разница между «микрореволюцией» в отдельных науках и глобальной революцией?
- Что явилось главным итогом первой естественнонаучной революции?
- В чём суть гелиоцентрической системы мира Коперника?
- Что является недостатком взглядов Коперника?
- Какие учёные стояли у истоков современной науки?
- Кто является основателем механистического естествознания?
- В чём суть принципа инерции Галилея?
- Сформулируйте принцип относительности механического движения.
- Какие основные Галилея открытия вы знаете?
- Как назывались основные труды Галилея?
- Сформулируйте законы небесной механики Кеплера.
- Какие достижения Рене Декарта в математике вы знаете?
- Сформулируйте законы Ньютона.
- Как назывался и в чём суть главного труда Ньютона?
- Что явилось главным итогом второй естественнонаучной революции?