13. Революция в астрономии 16-17 в.В. И ее значение для общего развития естественных наук

Предпосылки научной революции

1. Потребности развивающегося сельскохозяйственного производства.

2. Изменение структуры населения – миграция сельского населения в города и освобождение от крепостной зависимости.

3. Промышленные революции в Италии, Англии, Германии, Франции

4. Прекращение тоталитарного преследования инакомыслящих со стороны католической церкви.

5. Развитие книгопечатания.

6. Светское свободомыслие Ренессанса – гуманизм – основа для восприятия науки.

7. Открытие Америки и информация о новых континентах.

8. Разработка методов экспериментального естествознания – Р.Бэкон, Н.Кузанский.

9. Появление наук, использующих эксперимент в ходе своих исследований – алхимия, ятрохимия.

10. Накопление научных данных, противоречащих парадигме Аристотеля в астрономии, физике, химии, биологии.

Научная революция ХVI – ХVII веков охватила все стороны мировоззрения. Это был новый взгляд на мир, в результате которого возникло новое направление в науке – экспериментальное естествознание. Ее исходным пунктом считается переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической. Этот переход был обусловлен серией открытий, связанных с именами Н. Коперника, Г. Галилея, И. Кеплера, Р. Декарта. И. Ньютон, подвел итог их исследованиям и сформулировал базовые принципы новой научной картины мира в общем виде.

Научная революция имеет своих предшественников. Прежде всего, это Роджер Бэкон, который утверждал, что источником познания является опыт и Николай Кузанский, сделавший существенный шаг в развитии представлений об устройстве Вселенной.

Новую систему мира, находящуюся в противоречии с геоцентризмом Аристотеля предложил Николай Коперник (1473-1543). Польский математик Н. Коперник занялся разработкой гелиоцентрической системы, когда к нему обратились с предложением уточнить таблицы движения планет, известные со времен Птолемея. Он обнаружил в работе Птолемея некоторые несоответствия. В первую очередь это представления о неподвижности Земли, о ее центральном положении в системе мироздания, сложность объяснения видимых движений планет в небе. Главный аргумент Птолемея против вращения Земли – если бы она вращалась вокруг своей оси, она бы распалась на куски под действием центробежного эффекта. Коперник легко опровергает это положение Птолемея, вводя понятие о тяжести. Коперник первый ясно сформулировал гелиоцентрическую теорию строения солнечной системы. Однако у него еще 1200 лет назад был предшественник- Аристарх Самосский. Нет никаких данных, был ли Коперник знаком с работами этого ученого. В своем трактате « Об обращении небесных сфер» он приводит свою гипотезу о строении Вселенной. В обобщенном виде она была сформулирована в работе ученого « Малый комментарий».

Основные положения гелиоцентрической системы Н.Коперника:

1. Не существует одного центра для всех небесных орбит и сфер.

2. Центр Земли не является центром мира, но только центром тяготения и центром лунной орбиты.

3. Все сферы движутся вокруг Солнца, расположенного как бы в середине Вселенной, так что около Солнца находится центр мира.

4. Размер Вселенной невообразимо больше размера Солнечной системы.

5. Все небесные движения, замечаемые с Земли, есть следствие движения самой Земли. Сами же небесные тела неподвижны.

6. Земля вращается вокруг Солнца также. Как и все планеты солнечной системы.

7. Кажущиеся петлеобразные движения планет в небе связаны с неравенством скоростей вращения Земли и планет вокруг Солнца.

Согласно Копернику, Земля не является центром Вселенной, таким центром является Солнце. Вокруг Солнца, как вокруг центра, вращаются все планеты, и Земля стоит третьей в этом ряду. Вслед за последней планетой, Сатурном, на очень большом расстоянии находится сфера неподвижных звезд. Поэтому для объяснения видимого движения планет ему приходится также создавать модели с использованием эпициклов, деферентов, эксцентриков и т.д. В некоторых случаях математический аппарат, применяемый Клавдием Птолемеем, позволял с большей точностью описывать движения планет, чем способ, применяемый Коперником. Рассчитанные на основе теории Коперника таблицы движения планет стали предсказывать их положения с еще большими погрешностями. Главная же заслуга Коперника в том, что его теория совершенно перевернула астрономические взгляды и создала новую эпоху в науке. Коперник четко изложил свою концепцию, но конкретных подтверждений ее правильности не привел. Единственное, что было определенно - то, что на основе этой концепции существенно упрощалось объяснение видимого движения планет.

Роль идеи гелиоцентризма в научной революции XVI века очевидна. Новая система мира наносила удар, прежде всего по иерархической структуре мироздания. Превращение Солнца в центр движения планет лишило Землю выделенного места во Вселенной. Такой подход упраздняет иерархию небесных сфер, очень существенную в системе мира Аристотеля и подрывает основы старой парадигмы естествознания.

Не все ученые приняли и поддержали новую гелиоцентрическую систему мира. Она была воспринята как математическая система, необходимая для упрощения описания траекторий движения небесных объектов. Поэтому церковные иерархи спокойно отнеслись к изложению Коперником своих идей и никаких репрессий с их стороны не последовало.

Поисками точных законов гелиоцентрического планетного мира почти через пол века после смерти Коперника занялся немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630). Именно он оказался основателем современной астрономии, используя массу точных наблюдений за положением планет, выполненных его учителем датским астрономом Тихо Браге. Кеплер показал, что сложная и неизящная комбинация Коперника с эпициклом и эксцентр - эпициклом не вносит ничего нового в математическое описание движения планет по сравнению с Птолемеем. Он долгое время безуспешно пытался рассчитать круговые орбиты планет. Наконец, наблюдения за движениями Марса привели его к счастливой идее попробовать вместо круга эллипс, что дало положительный результат. Был открыт первый закон Кеплера и первый закон в астрономии – закон эллиптических орбит. Этот закон говорит о том, что все планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, причем Солнце находится в одном из фокусов эллипса. Кеплер установил также, что Земля и все другие планеты движутся в плоскости, проходящей через центр Солнца. Он стал искать связь между скоростью движения планет и их расстоянием от Солнца. Он пришел к выводу, что линия, соединяющая Солнце с планетой за равные промежутки времени отмеряет на орбите разные расстояния, однако площади, которые при этом покрывает радиус – вектор равны. Это открытие представляет собой знаменитый второй закон Кеплера – закон равенства площадей.

Далее Кеплер продолжил поиски общей закономерности, объединяющей все планеты, и отражающей тот факт, что планеты движутся тем медленнее, чем дальше они от Солнца. Он интуитивно высказал мнение, что причиной планетных движений является некоторая сила, исходящая от Солнца и ослабевающая с расстоянием. Так был открыт третий закон – квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся, как кубы больших полуосей их эллиптических орбит. Эти три закона связали движение планет в единое стройное целое. Впервые ученый увидел в гелиоцентрической картине движения планет действие единой физической силы, исходящей от Солнца. Он сравнивал эту силу с действием магнита и считал, что она воздействует на расстоянии через особую тонкую среду. По мнению современных физиков, подход Кеплера к устройству мира близок и идеям, изложенным А. Эйнштейном в его общей теории относительности.

Большой интерес представляет развитие учения о строении Вселенной итальянским философом Джордано Бруно (1548-1600). Бруно, монах-доминиканец, был философом и писателем, активным борцом против религиозного диктата в науке. Он написал целый ряд работ, в которых выступал против схоластики и ее враждебности по отношению к опытному знанию. Он никогда не был ученым, таким как Коперник или Галилей. Естественнонаучные достижения являлись для Бруно лишь фактами, подтверждающими его философскую систему.

Бруно не был простым последователем коперниканства. Он постоянно подчеркивал преемственность этой идеи с учением Николая Кузанского о бесконечности и вечности Вселенной. Именно эта сторона учения Бруно и представляла особую опасность для религии. Согласно его теории, Вселенная едина, материальна, бесконечна и вечна. То, что мы видим перед собой - лишь малая часть вселенной. Фиксированному центру, каким являлась ранее Земля, а в системе Коперника стало Солнце, нет места во Вселенной. Да и само Солнце не остается неподвижным по отношению к другим солнечным системам. Каждая звезда представляет собой такое же солнце, как наше и имеет планеты. Все звездные системы находятся в постоянном движении друг относительно друга. Вселенная – одна, миры же бесчисленны. Вне Вселенной нет ничего, так как именно она представляет собой все сущее. Она вечна, не сотворена Богом, неподвижна. Смысл ее неподвижности - невозможность перемещения в другое место, так как такого места, такой пустоты не существует. В самой же Вселенной вечно происходит постоянное изменение, развитие. То есть в естествознание впервые проникает целостная картина находящейся в постоянном движении однородной Вселенной.

Одним из следствий учения Бруно является идея о существовании иной разумной жизни на других планетах. Жизнь, согласно его концепции, есть вечное свойство материи, не зависящее ни от случая, ни от Бога. Он считал человека разумным животным. Бруно предполагал, что на других планетах разум мог принимать другие телесные формы, то есть, впервые в истории пытался преодолеть антропоцентристский взгляд на мир.

Его концепция бесконечности Вселенной и бесконечного множества миров, их обитаемости, в которую не вписывался Бог – вот что было главным. К отречению именно от этих еретических идей его безуспешно в течение семи лет пытались склонить инквизиторы. Ничего не добившись, его осудили как нарушителя монашеского обета и еретика.

И надо сказать, что философия Джордано Бруно намного опередила то время, когда гелиоцентризм, как астрономическая концепция был принят достаточно широко.

Дальнейшую поддержку учение Коперника получило с развитием физики - особенно механики небесных тел. Наиболее важное развитие концепция гелиоцентризма получила в работах флорентийца Галилео Галилея (1564-1642). Галилей не только поддержал систему Коперника. Он впервые получил реальные подтверждения ее правильности. В этой связи наибольший интерес представляют его собственные многочисленные наблюдения, сделанные на изобретенном голландскими мастерами и изготовленном им самим телескопе – зрительной трубе.

Ему удалось установить, что Млечный Путь- это огромное скопление отдельных звезд, которые отличаются по яркости и размерам. Он сделал вывод об их различной удаленности от нас. Следовательно, они не могли быть прикреплены к неподвижной сфере, отмечающей границу мира, как считалось в концепции Аристотеля.

Галилей обнаружил кольца Сатурна, спутники Юпитера (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто), получившие название галилеевых лун, сделал новую карту Луны и установил, что она не является идеальным шаром, а имеет неровную поверхность с горами и кратерами и обращена к Земле всегда одной стороной. Наблюдая пятна на Солнце, он определил время его обращения вокруг оси. Он определил, что все планеты, в отличие от звезд, при наблюдении их в телескоп видны в виде круглых светящихся дисков. Венера, как и Луна, с течением времени меняет свой вид от круглого диска, до узкого серпа.

Все эти исследования на практике подтвердили правильность теории Коперника.

Галилей начал серьезно заниматься исследованиями в области механики в связи с борьбой за признание учения Коперника. Необходимо подчеркнуть, что именно он впервые ввел в практику научных исследований физический эксперимент.

Работы Галилея в области кинематики в корне изменили представления ученых о причинах и характере движения.

Средневековая физика при рассмотрении движения исходила из двух фундаментальных принципов перипатетической кинематики:

1. Всякое движение предполагает двигатель.

2. Любому движению тело оказывает сопротивление. Это сопротивление должно быть преодолено, чтобы движение началось, и постоянно преодолеваемо, чтобы движение продолжалось.

Галилей изучал движение тел по наклонной плоскости и установил, что они движутся с постоянной скоростью, если отсутствует трение. Таким образом, он вышел на закон инерции: «когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая сопротивления, то это движение является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца». Одновременно с этим он установил второй фундаментальный закон механики - закон независимости действия сил применительно к движению тел в поле силы тяжести земли. Этот закон говорил о том, что когда тело свободно падает, то оно стремится сохранить горизонтальную составляющую своей скорости. На эту составляющую скорости сила тяжести не действует. На основе этих законов Галилей объяснил почему мы не чувствуем скорости вращения Земли, находясь на ней, То есть он сформулировал классический принцип относительности. В нем речь идет о том, что движение по инерции можно заметить, только не участвуя в этом движении, так как оно не воздействует на вещи, находящиеся в таком движении. Из этого положения вытекает, что все системы координат, в которых справедлив закон инерции, равноправны. Следовательно, различие между покоем и движением относительно.

Главное его творение – закон свободного падения тел, движения тела, брошенного горизонтально и под углом к горизонту.

Закон свободного падения: S = gt /2

S – пройденный путь

g – ускорение свободного падения, 9,81 м/сек

t – время

Законы механики Галилея вместе с его астрономическими открытиями подводили ту физическую базу под теорию Коперника, которой тот не располагал. Из гипотезы гелиоцентрическая доктрина превращалась в теорию. Кроме того, впервые в истории человеческой мысли было сформулировано само понятие физического закона в современном его значении.

С именем Галилея связывается утверждение в науке гипотетико-дедуктивной методологии познания. Основу этого метода, составляющего ядро современного естествознания, образует логический вывод утверждения из принятой гипотезы и ее последующая эмпирическая проверка. В основе его метода лежит опыт, однако построение гипотезы базируется не непосредственно на опытных данных, а на некоей логической абстракции. Именно абстракция лежит в основе теоретических построений.

Галилей наметил также основные черты нового представления о природе материи, движении и закономерностях материального мира – механистического материализма Материя, по Галилею, обладает лишь простыми геометрическими и механическими свойствами. Это мировоззрение – механистический материализм – на долгие годы стало основным мировоззрением физиков.