Реферат
Механическая
картина мира: становление, развитие, кризис
Становление механической картины мира
Научная революция 16-17 в.в.
Огромное значение в накоплении естественнонаучных знаний, а также в развитии материалистических взглядов имели географические открытия конца 15 - начала 16 века (открытия Колумба, путешествия Васко да Гама, Магеллана). Великие открытия создали широкую географическую базу промышленного и культурного развития, именно она могла обеспечить и создание новой науки. Но для этого требовалось еще и новое мировоззрение, освобожденное от оков схоластики. Поэтому начавшаяся в 16 веке научная революция охватила все стороны мировоззрения, переворот во взглядах на мир, на место человека в этом мире, на значение и методы научного познания.
В эту эпоху напряженных классовых битв в Италии начинается новая культурная полоса, в течение которой появились скульптуры Микеланджело, картины Рафаэля, вырастает гуманистическая культура Польши, давшая миру гений Н. Коперника, бросивший вызов церковному авторитету в вопросах природы.
Н. Коперник (1473 - 1543 г.г.) - учился в Кракове, Болонье и Падуе, получил докторскую степень в Ферраре и занял должность каноника в Фромборке. Изучал экономику, право и медицину, одновременно с интересом занимался астрономией и математикой. В 1530 году появился первый рукописный труд Н. Коперника «Комментарий» (был утерян и напечатан лишь в 1877 году, получив название «Малый Комментарий»). В этом сочинении Коперник рисует кинематическую схему планетных движений в солнечной системе. Самое великое творение ученого, которое начало свою бессмертную жизнь уже после его смерти - знаменитая книга «О вращениях небесных сфер». В этой книге содержится систематическое изложение и обоснование гелиоцентризма. Излагая в своей книге картину солнечной системы, Коперник исходит из следующих соображений, основываясь на результатах астрономических наблюдений: Меркурий и Венера всегда кажутся с Земли находящимися возле Солнца и никогда не оказываются на противоположной стороне неба. При этом Меркурий всегда ближе к Солнцу, он никогда не отходит от Солнца на такое расстояние как Венера. Отсюда следует, что Меркурий и Венера обращаются вокруг Солнца по орбитам, находящимся внутри орбиты Земли. Марс, Юпитер и Сатурн иногда противостоят Солнцу, т.е. Земля оказывается между Солнцем и этими планетами, во время противостояния эти планеты светят ярче всего и, значит, находятся ближе к Земле. Отсюда Коперник делает вывод, что орбиты указанных планет дальше от Солнца, чем орбита Земли. В их видимых движениях можно заметить некоторые неправильности, которые обладают периодичностью. Такая ситуация, как утверждает Коперник, может быть объяснена только движением Земли вокруг Солнца. Чем меньше неправильности, заключает ученый, тем дальше соответствующая планета. Таким образом, Земля не центр мироздания, а лишь одна из шести планет, обращающихся вокруг Солнца.
С точки зрения основ научной картины мира работа Коперника - это переход к концепции относительного движения Земли и относительного движения во всей Вселенной. Он показывает, что если Земля обращается вокруг Солнца, то видимое движение Солнца будет таким же, как если бы Солнце обращалось вокруг Земли. Отсюда следует, что видимое движение небесных тел может быть следствием не только их действительного движения, но и действительного движения Земли. При помощи принципа относительности движения Коперник борется против аргументов геоцентризма. Геоцентрическая картина мира обосновывалась картиной разрушительного урагана, который снес бы все с земной поверхности, если бы Земля вращалась. Коперник утверждает, что движение Земли, являясь естественным движением, не может нарушить естественного порядка на Земле, не может заставить тела отклониться от перпендикулярных земной поверхности направлений, не может рассеять тел, находящихся на поверхности Земли, не может унести на запад облака и птиц, отстающих от движущейся земной поверхности. Здесь налицо представление о некотором движении, которое не меняет внутренних соотношений в движущейся системе, а поэтому не может быть обнаружено в самой системе.
Сам Н. Коперник не следил за изданием своей книги. Рукопись была передана в 1953 году в Нюрнберг, где довести дело до печати было поручено протестантскому богослову Андрею Осиандеру. Чтобы примирить гелиоцентризм с библейской догмой, Осиандер составил предисловие к книге, которое долгое веря приписывали самому Н. Копернику. Главная мысль этого предисловия состоит в том, что описанное Коперником движение представляет собой лишь математическую гипотезу и «… лишь безумец может думать, будто в книге доказывается движение Земли».
Как бы там ни было, труд Коперника изначально не был признан опасным, и книга была напечатана. Более того, когда в 1582 году производилась реформа календаря, то были учтены расчеты, произведенные Коперником, из которых следовало, что юлианский календарь отставал на 10 дней от видимого движении Солнца среди звезд.
Сделав один революционный шаг, Коперник был вынужден сделать и второй. Так как движение Земли не отражается на видимой картине сферы неподвижных звезд, он принял, что эта сфера чрезвычайно велика по сравнению с размерами Земли. Коперник думает об измеримости этой бесконечности и сравнивает отношение размеров Земли и Вселенной с отношением размеров атома и тела, образованного из атомов. Большая часть книги Коперника содержит таблицы и расчеты, относящиеся к той видимой части Вселенной, которую с древних времен наблюдал человек.
Книга Н. Коперника поставила перед наукой ряд важных проблем. Его теория нуждалась в физическом обосновании кинематической схемы. Возникал естественный вопрос: что связывает в единое целое планеты с Солнцем, Землю с Луной. Астрономия нуждалась в механике, и не в той, которая была известна древним натурфилософам (статика), а в новой - механике движения. А для развития новой механики необходима была и совершенно новая математика. Так из великого открытия Коперника возникла научная программа, осуществление которой привело к возникновению экспериментального и математического естествознания. Но одновременно возникала необходимость и в смелых пропагандистах нового учения.
Одним из выдающихся ученых-героев в этом плане был великий итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548 - 1600 г.г.). Родился в небольшом итальянском городке Нола, биз Неаполя, был назван Филиппе. Получил образование в Неаполе, в 16 лет постригся в монахи под именем Джордано и с 24 лет работает священником в Кампанье. Здесь он познакомился с трудами Коперника и стал неутомимым проводником его идей. Бруно развивает величественное учение о множественности миров. Основная его идея - бесконечность и однородность Вселенной и неисчислимость миров - звезд, тождественных по своей природе Солнцу. У Бруно не только Земля, но и Солнце перестают быть центром Вселенной, последняя вообще не имеет центра. Священнослужители за такие смелые идеи неоднократно отправляли доносы на Бруно, более 7 лет он провел в тюрьме и по приговору суда инквизиции 17 февраля 1600 г. был сожжен в Риме на площади цветов. Ученый заслужил благодарное признание потомков: на месте сожжения воздвигнут памятник Дж. Бруно.
Горячим сторонником учения Коперника еще во время жизни Дж. Бруно был Иоганн Кеплер, обессмертивший свое имя открытием законов движения планет. И. Кеплер (1571 - 1630 г.г.) родился недалеко от Вейля, после окончания академии был преподавателем математики и философии в Граце. Как известно, в знаменитой книге Н. Коперника гелиоцентрическое мировоззрение еще не порвало с представлением об эпициклах, основанном на традиционной идее совершенства небесных тел и движений, из которой выводились круговые орбиты небесных тел. И. Кеплер отбросил традиционный критерий «совершенства» и с ним - равномерные круговые движения небесных тел. Вместе с тем, по сравнению с Коперником, он опирался на новые, гораздо более точные астрономические наблюдения, проведенные во второй половине 16 века Тихо Браге. В результате обработки громадного числа наблюдений Кеплер установил эллиптическую форму планетных орбит. Наряду с идеей круговых орбит, нужно было отбросить вторую традиционную идею - мысль о равномерном движении планет. Кеплер доказал, что скорость планет изменяется таким образом, что площади, описываемые радиусом-вектором планеты в равные промежутки времени, равны между собой. После установления формы орбит и скорости движения планет нужно было связать единой математической зависимостью расстояния планет от Солнца и скорости их движения. Кеплер сделал это, сформулировав третий закон: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы средних расстояний этих планет от Солнца.
Кеплер представлял Вселенную все же ограниченной сферой. В центре мировой сферы находится Солнце - источник движущей силы, гармонии и света. Движущаяся сила Солнца распространяется на сравнительно небольшое пространство, в котором находятся планеты. Солнце вращается вокруг своей оси и увлекает благодаря этому планеты, распространяя вокруг себя движущие силовые «нити». Космос Кеплера наполнен эфирным веществом, которое сгущается и образует кометы и новые звезды. Свет - невесомая материя, которая с бесконечной скоростью распространяется во все стороны прямолинейно от светящихся тел, причем сила света убывает пропорционально квадрату расстояния. Кеплер отбросил теологические рассуждения о стремлении тел к общему источнику, где они остаются в покое. Соответственно, исчезает и специфичность силы тяготения к каждому небесному телу. Одна и та же сила заставляет у него тяготеть друг к другу и части Луны, и части Земли. Таким образом, тяготение становится универсальной характеристикой вещества. Отсюда вытекает, что элементы вещества связаны взаимным тяготением. Тяготение Кеплера вообще направлено не к месту, а к телу. Первая научная работа Кеплера «Космографическая тайна» сложна, запутана и противоречива. В основном, она посвящена геометрическому закону, управляющему расстояниями между орбитами планет. Продолжением «Космографической тайны» стала книга «Гармонии мира». Здесь впервые в истории науки поставлен вопрос: как могут быть выведены мировые константы? После «Гармонии мира» Кеплер выпустил систематический курс астрономии, где законы, найденные при наблюдении Марса, обобщаются на движение всех планет и их спутников. Здесь же рассматривается вопрос об абсолютном расстоянии между планетами и Солнцем. При этом основной является следующая мысль: Земля - местопребывание существ, способных измерять, следовательно, ее размеры должны быть естественной мерой космических расстояний и величины космических тел, поэтому объем Солнца во столько раз больше объема Земли, во сколько раз расстояние от Солнца превышает радиус Земли. Здесь мы опять встречаемся с тенденцией Кеплера найти какую-то связь между космическими константами. Но, конечно, элементы причинного исследования тонут в нагромождении средневековых фантазий. Кеплер так и не смог отыскать динамические принципы, которые дали бы рациональное объяснение планетных движений. Это, однако, не умаляет значения великих открытий Кеплера, которые вошли в содержание новой механики.
Следующий решительный шаг в борьбе за систему Коперника и новое мировоззрение был сделан Галилеем (1564 - 1642 г.г.). Бруно рассматривал и развивал учение Коперника с философских позиций, Кеплер привел эту систему в соответствие с последними данными астрономии. Галилею оставалось обосновать гелиоцентрическую систему физически, и его борьба за нее слилась с выработкой основ новой физики, пришедшей постепенно на смену аристотелевской. С именем Галилея связано начало нового принципиально важного этапа развития физического знания - восхождение на теоретический уровень познания.
Г. Галилей родился в семье небогатого пизанского дворянина. Научно-технические интересы Галилея были навеяны средой и появились у него с самой ранней юности. Учителем Галилея в Пизанском университете был успешный в свое время представитель прикладной механики и математики 16 века Остилио Риччи. Под его руководством Галилей изучал инженерное дело, наблюдал возведение крепостей и сооружение водопроводов. С идеями, навеянными земной прикладной математикой, Галилей подошел к проблемам космоса, применяя новый, навеянный техникой метод научного мышления и новый стиль научного исследования.
Основной задачей для Галилея никогда не переставало быть причинное объяснение природы. Сама наука, по его мнению, должна быть подчинена принципу причинности. Он ввел в научное сознание идею бесконечного приближения к объективной истине на основе механического объяснения природы. Бесконечность познания вытекает у Галилея из бесконечности природы. Объективной истинной причиной явлений природы служит у ученого единая, тождественная себе материя, лишенная качественных вторичных свойств. Подлинное объяснение явлений природы, говорил Галилей, должно показать в их основе перемещение частей единой материи. Он высказывает значительную с исторической точки зрения мысль, в которой соединяются корни таких важнейших научных идей 17 века, как неуничтожимость вещества, однородность материи и сведение качественных различий к конфигурации элементов материи. «… Я никогда не мог представить себе такого превращения веществ друг в друга, при котором одно тело признается уничтоженным, и из него получается другое тело, совершенно отличное от первого. Я считаю возможным, что превращение сводится просто к изменению взаимного расположения частей, причем ничто не уничтожается и ничего нового не нарождается.
Наибольший общественный резонанс вызвали астрономические открытия и сочинения Галилея. Известность Галилея в широких кругах Италии и всей Европы началась с открытия им спутников Юпитера, кратеров на Луне, звездной природы Млечного Пути, описания фаз Венеры и солнечных пятен. Все эти наблюдения были описаны в выпущенном Галилеем журнале «Звездный вестник». Все эти открытия и наблюдения Галилея способствовали распространению и физическому пониманию системы Коперника. Так, принципиальное значение для научного мировоззрения имела картина поверхности Луны. Традиционная концепция не допускала сходства между Землей и небесными телами. Система Коперника, напротив, сближала Землю с другими планетами, так как приписывала всем планетам одно и то же движение - вращение вокруг Солнца. Догадкой оставалась мысль о тождественности физической природы Земли и других небесных тел. Картина, которую показал Галилей в телескоп, была таким наглядным доказательством физического тождества Земли и небесных тел, какого никогда не существовало в догалилеевской астрономии. И речь не о каких-то математических выкладках, а о непосредственном наблюдении природы небесных тел.
По мере того, как открытия Галилея делали систему Коперника достоянием широких общественных кругов, с растущим подозрением за этим наблюдала и церковь. В марте 1616 года собрание кардиналов признает систему Коперника ложной и запрещает его книгу. Запрет пропаганды учения Коперника стал для Галилея началом долгого одиночества. 15 долгих лет он мечтает вновь выступить в защиту коперниканства. Наконец, надеясь на поддержку нового папы Урбана VIII он выпускает во Флоренции свой знаменитый труд «Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой». Главные возражения против Коперника были сняты установлением принципа относительности. Даже Эйнштейн, спустя 300 лет развивший теорию относительности, назвал систему отсчета, центр которой находится в центре солнечной системы, галилеевой. В «Диалоге» содержится попытка прямого доказательства движения Земли. Речь идет о теории приливов. Галилей придавал этой теории столь большое значение, что всю книгу хотел назвать трактатом о приливах. Галилей считает, что так как в силу относительности инерционного движения невозможно установить движение Земли при помощи твердых тел, то продемонстрировать его могут лишь жидкие массы, и он анализирует движение частиц воды на поверхности Земли. Согласно представленной схеме движения, вода повышает свой уровень при ускорении и замедлении в силу инерции. У Галилея в этих явлениях инерция выступает как сила. А превращение инерции в силу свидетельствует об абсолютном характере ускоренного развития.
Таким образом, теория приливов ограничивала принцип относительности равномерными движениями. Одновременно теория приливов и отливов доказывала абсолютный характер движения Земли и придавала учению Коперника объективный физический смысл. «Диалог…» Галилея имел важнейшее значение для распространения гелиоцентризма. Но для развития собственно механики большое значение имела другая его книга «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местным движениям», написанная после суда инквизиции, на котором состоялось отречение Г. Галилея от защиты коперниканства по заранее заготовленному тексту. Две новые отрасли науки, обсуждающиеся в «Беседах» - это динамика и сопротивление материалов. Галилей ставит вопрос о причинах и мере сил, связывающих воедино части тел. Строение вещества и особенно вопрос о его твердости, связанности отдельных частей - один из центральных вопросов появляющейся научной картины мира. Объясняя сцепление элементов тела, Галилей ссылается на боязнь пустоты и находит способ количественно определить это сопротивление образованию пустоты в различных природных материалах, утверждая, что совместно с видимыми силами макромира действуют силы другого, невидимого мира.
Входящий в состав «Бесед» «Трактат о местном движении» фактически явился малой энциклопедией новой механики. Так, в определение равномерного движения Галилей вносит существенную поправку, позволяющую относить скорость к бесконечно малым отрезкам пути, приближаясь, таким образом, к современному представлению о скорости как о пределе отношения между пройденным путем и временем. В отношении брошенных тел криволинейность их траектории была установлена и до Галилея, но лишь Галилей находит, что это движение происходит по параболе. Он считает возможным изучать падение тел устранив проблему физических причин тяготения: занимается математической разработкой вопроса не рассматривая физических причин падения. Равномерно-ускоренное движение определяется им как такое, при котором в равные промежутки времени прибавляются и равные моменты скорости. При таком движении пройденный путь оказывается пропорциональным квадрату времени. Галилей излагает законы падения тел и формулирует принцип инерции: «… Когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никакого сопротивления движению, то…. движение его является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца…» Главные возражения против Коперника снимается установлением принципа относительности. Даже Эйнштейн, спустя 300 лет развивший теорию относительности, назвал систему отсчета, центр которой находится в центре солнечной системы, галилеевой.