Введение

В течение нескольких десятилетий после выхода в свет труда «Об обращении небесных сфер» коперниканские идеи не привлекали особого внимания широкой научной общественности. Это было связано с бурными политическими событиями того времени: религиозные войны, Реформация, обострение борьбы католицизма и протестантизма, становление национальных государств, отодвинули на второй план проблемы мироздания, космологии и астрономии. Задача сравнения птолемеевской и коперниканской теорий актуализировалась лишь в 70-е гг. XVI в., когда два знаменитых астрономических события (вспышка сверхновой в 1572 г. и яркая комета 1577 г.) в очередной раз поставили под сомнение основы аристотелевской космологии. Мировоззренческие и теоретические выводы из гелиоцентризма, его развитие и совершенствование — заслуга ученых следующего поколения: Т. Браге, Дж. Бруно, И. Кеплер, Г. Галилей, Дж. Борелли и др.

1. Мировоззренческие выводы из коперниканизма

Прежде всего не замедлили проявиться мировоззренческие выводы из коперниканизма. Признав подвижность, планстарность, неуникальность Земли, теория Коперника тем самым устраняла вековое представление об уникальности центра вращения во Вселенной. Центром вращения стало Солнце, но оно не было уникальным телом. О его тождественности звездам догадывались еще в античное время. Следующий шаг в мировоззренческих выводах был вполне закономерен; Он был сделан бывшим монахом одного из неаполитанских монастырей Джордано Бруно, личности исключительно яркой, смелой, способной на бескомпромиссное стремление к истине. Познакомившись в 60-е гг. XVI в. с гелиоцентрической теорией Коперника, Бруно поначалу отнесся к ней с недоверием. Чтобы выработать свое собственное отношение к проблеме устройства Космоса, он обратился к изучению системы Птолемея и материалистических учений древнегреческих мыслителей, в первую очередь атомистов, о бесконечности Вселенной. Большую роль в формировании взглядов Бруно сыграло его знакомство с идеями Николая Кузанского, который утверждал, что ни одно тело не может быть центром Вселенной в силу ее бесконечности. Объединив гелиоцентризм Н. Коперника с идеями Н. Кузанского об изотропности, однородности и безграничности Вселенной, Бруно пришел к концепции множественности планетных систем в бесконечной Вселенной.

Бруно отвергал замкнутую сферу звезд, центральное положение Солнца во Вселенной и провозглашал тождество Солнца и звезд, множественность «солнечных систем» в бесконечной Вселенной, , множественную населенность Вселенной. Указывая на колоссальные ; различия расстояний до разных звезд, он сделал вывод, что поэтому соотношение их видимого блеска может быть обманчивым. Он разделял небесные тела на самосветящиеся — звезды, солнца, и на темные, которые лишь отражают солнечный свет. Бруно утверждал, во-первых, изменяемость всех небесных тел, полагая, что существует непрерывный обмен между ними и космическим веществом, во-вторых, общность элементов, составляющих Землю и все другие небесные тела, и считал, что в основе всех вещей лежит неизменная, неисчезающая первичная материальная субстанция.

Именно Бруно принадлежит первый и достаточно четкий эскиз современной картины вечной, никем не сотворенной, вещественной единой бесконечной развивающейся Вселенной с бесконечным числом очагов Разума в ней. В свете учения Бруно теория Коперника снижает свой ранг: она оказывается не теорией Вселенной, а теорией лишь одной из множества планетных систем Вселенной и, возможно, не самой выдающейся такой системы.

Новое, ошеломляюще смелое учение Бруно, открыто провозглашавшееся им в бурных диспутах с представителями церковных кругов, определило дальнейшую трагическую судьбу ученого. К тому же дерзость его научных выступлений была предлогом, чтобы расправиться с ним и за его откровенную критику непомерного обогащения монастырей и церкви. Великий мыслитель был сожжен на площади Цветов в Риме 17 февраля 1600 г. А спустя почти три столетия на месте казни Бруно, где некогда был зажжен костер, был воздвигнут памятник с посвящением, начинающимся словами: «От столетия, которое он предвидел...»

К середине XVII в. гелиоцентрическая теория окончательно победила геоцентризм. Коперниканизм был признан научной общественностью и стал рассматриваться как теория действительного строения Вселенной. На повестке дня оказалась проблема физического обоснования гелиоцентризма, и в середине XVII в. астрономическая революция закономерно перерастает в физическую революцию.

2. Научная революция XVII в.: возникновение классической механики

Капитализм качественно преобразовывал как характер деятельности, так и тип общения людей. Изменения характера деятельности состояли в появлении принципиальной отчужденности в капиталистическом производстве субъективного мотива деятельности и ее объективного результата. В этих условиях складывается полное господство абстрактного труда, товарно-денежных отношений, общественные отношения превалируют над межличностными, происходит «овеществление» личных связей и отношений, всех видов деятельности, их обезличивание. Кардинально изменяется и тип общения. Индивид вырывается из системы корпоративно-сословной принадлежности и непосредственно включается в функционирование общественных и прежде всего экономических. На смену индивидуальной ценности личности производителя приходит ценность произведенных им вещей; посредником отношений между людьми становятся товары, формируется «товарный фетишизм», отношения личной зависимости сменяются зависимостью субъекта от продуктов собственной деятельности.

Создание единого мирового рынка, универсальных общественных связей — достижения буржуазной эпохи. Только при капитализме история становится всемирной, складываются предпосылки универсализации личности, ее индивидуальный опыт обогащается социально-историческим опытом не только своей страны, региона, всего человечества; человек включается в ансамбль универсальных социальных отношений, становится носителем всемирно-исторического опыта. Высвобождая человека из системы личностной зависимости, атомизируя личность, капитализм делает прогрессивные шаги за счет доведения до крайности отчуждения личности от общества: на смену единству коллектива и индивида приходит их противопоставление, отчуждение человека от человека, а значит, и общества от природы. В этих условиях складывается такой тип сознания, в котором на первый план выдвигается потребность в накоплении не столько релятивизированных ценностей, сколько объективного знания о мире.

Получение объективного знания о мире — задача мышления, разума. Не случайно, что именно в это время формируются идеалы рационализма, провозглашается господство «века Разума» и соответственно изменяются (по сравнению с античностью и средневековьем) представления о целях, задачах, методах естественно-научного познания. Формируется убеждение, что предметом естественно-научного познания являютя природные явления, полностью подчиняющиеся механическим закономерностям. Природа при этом предстает как своеобразная громадная машина, взаимодействие между части» которой осуществляется на основе причинно-следственных связей. Задачей естествознания становится определение лишь количественно измеримых параметров природных явлений и установление между ними функциональных зависимостей, которые могут (и должны быть) выражены строгим математическим языком. В этих условиях механика выходит на первое место среди естественных наук.

3. И. Кеплер: от поисков гармонии мира к открытию тайны планетных орбит

После работ Коперника дальнейшее развитие астрономии требовало значительного расширения и уточнения эмпирического материала, наблюдательных данных о небесных телах. Европейские астрономы продолжали пользоваться старыми античными результатами наблюдений. Но они устарели и часто были неточны. Проводимые же в ту пору европейскими астрономами наблюдения характеризовались большими погрешностями.

Кардинальные изменения наметились только в последней четверти III XVI в., когда в 1580 г. в Дании на островке Вен (в 20 км от Копенгагена) построили невиданную еще астрономическую обсерваторию, названную Небесным замком (Ураниборгом). Инициатором и организатором строительства обсерватории и новых огромных инструментов для астрономических наблюдений (квадранта радиусом 2 м, точность которого доходила до 1/6, сектанта для измерения угловых расстояний между звездами, большого небесного глобуса и др.) был Тиxo Браге, датский дворянин, посвятивший свою жизнь не воинским подвигам, а служению богине Неба — Урании.

Первое выдающееся открытие Тихо Браге сделал еще в 1572 г., когда, наблюдая за вспыхнувшей яркой звездой в созвездии Кассиопси, показал, что это вовсе не атмосферное явление (как это следовало из аристотелевой картины мира), а удивительное изменение в сфере звезд. Более двух десятков лет провел Браге в Ураниборге, определяя положение небесных объектов. Удивляет точность его данных, если помнить, что тогда еще не знали телескопов и других оптических инструментов. Так, при сравнении с современными данными оказалось, что средние ошибки при определении положений звезд у него не превышали 1,, а для 21 опорной звезды — даже 40".

Тихо Браге был блестящим астрономом-наблюдателем, но не теоретиком. Это мешало ему в полной мере оценить учение Коперника. Однако Браге тоже ощущал недостатки птолемеевской геоцентричекой системы и разработал систему, занимавшую промежуточное место между геоцентрической и гелиоцентрической. В этой системе Солнце движется по эксцентрической окружности вокруг неподвижной Земли, а планеты обращаются вокруг Солнца.

К счастью, на своем жизненном пути Т. Браге встретил Иоганна Кеплера. 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 исполнено. Но Кеплер сделал несравненно более великое открытие — он раскрыл главную тайну планетных орбит. Этот великий немецкий ученый (с удивительной судьбой, жизнь которого была полна невзгод и лишений) совершил величайший научный подвиг — заложил фундамент новой теоретической астрономии и учет о гравитации. Он показал, что законы надо искать в природе, а не выдумывать их как искусственные схемы и подгонять под них явления природы.

Будучи глубоко религиозным человеком и увлекаясь в молодости астрологией, Кеплер поставил перед собой великую жизненную цель — проникнуть в божественные планы творения мира, постичь тайны строения Вселенной. Считая, что Бог как высшее творческое начало при сотворении мира должен был руководствоваться иными, математически совершенными числовыми отношения геометрическими формами, Кеплер пытался объяснить существование только шести планет Солнечной системы существованием пяти правильных многогранников. Кеплер пытается математически связать орбиты планет со сферами, вписанными в многогранники описанными вокруг них. Затем закономерно возникает и вопрос отношениях радиусов орбит планет между собой, решение которого в свою очередь, подводит Кеплера к поиску точных законов и центрического планетного мира и превращает эту задачу в главное дело жизни.

В ходе длительной напряженной, колоссальной исследовательской работы проявились его гениальность как астронома и математика, смелость мысли, свобода духа, благодаря которым он сумел преодолеть тысячелетние традиции и предрассудки. Многолетние поиски числовой гармонии Вселенной, простых числовых отношений в мире завершились открытием действительных законов планетных движений, которые Кеплер изложил в сочинениях «Новая, изыскивающая причины астрономия, или Физика неба» (1609) и «Гармония мира» (1619).

В начале XVII в. основные космологические идеи древних греков уже утратили свое научное значение, но тем не менее некоторые из них за столетия приобрели характер абсолютных истин, отказаться от которых не хватало смелости духа. К ним, в частности, относилось представление о том, что только круговое, равномерное, «естественное» движение единственно допустимо для небесных тел. Даже Коперпик и Галилей остались во власти этого убеждения, считая древний космологический принцип незыблемым. Против этой научной 101-мы и выступил Кеплер. После пяти лет трудоемкой математической обработки огромного материала наблюдений Т. Браге за движением Марса Кеплер в 1605 г. открыл и в 1609 г. опубликовал первые закона планетных движений (сначала для Марса, затем распространил их на другие планеты и их спутники).

Первый утверждал эллиптическую форму орбит и тем разрушал принцип круговых движений в космосе; второй показывал, что планеты не только движутся по эллиптическим орбитам, но и движутся по ним неравномерно. Скорость планет измеряется таким образом, что площади, описываемые радиусом-вектором в равные промежутки времени, равны между собой (закон постоянства площадей). Так рухнул и принцип равномерности небесных движений. Кеплер ввел пять параметров, определяющих гелиоцентрическую орбиту планеты (Кеплеровы элементы) и нашел уравнение для вычисления положения планеты на орбите в любой заданный момент времени (уравнение Кеплера). Таким образом, открытые им законы стали рабочим инструментом для наблюдателей.

Далее Кеплер поставил вопрос о динамике движения планет. До Кеплера планетная космология, опиравшаяся на аристотелевский принцип «естественности» движений небесных тел, была кинематикой. Авторы планетных теорий ограничивались разработкой кинематико-геометрических моделей мира, не пытаясь определить причины. вызывавшие движения небесных тел. 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 с природе.

Уже в 1596 г. в своем первом сочинении «Космографическая ^ i та» он обратил внимание на то, что с удалением от Солнца периоды обращения планет увеличиваются быстрее, чем радиусы их орбит, уменьшается скорость движения планет. Здесь возможны два объяснения: первое — движущая сила сосредоточена в каждой плане-н у далеких планет она почему-то меньше, чем у близких (так думал Т.Браге); второе — движущая сила едина для всей системы и сосредоточена в ее центре — Солнце, которое действует сильнее на близки. 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 относя» как кубы средних расстояний этих планет от Солнца. Это окончатся ь 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 магии. Такое сравнение было вполне в духе времени, для которого характерно особое увлечение магнитными явлениями. В 1600 г. английский врач и физик У. Гильберт, справедливо считая Землю большим магнитом, выдвинул идею универсальности магнетизма и сводил к нему силу тяжести. Магнитным влиянием Луны пытались объяснить морские приливы и отливы. Опираясь на эти идеи, Кеплер в 1609 г. развил представление о механизме действия силы, движущей планеты, как о вихре, возникающем в эфирной среде от вращения магнитного Солнца. Кеплер полагал, что сила действовала на планету непосредственно вдоль орбиты. Недостаточное развитие основ механики привело его к ошибочному выводу, что эта сила обратно пропорциональна расстоянию (а не его квадрату) от Солнца. Эксцентричность орбит он объяснял тем, что планеты — это большие круглые магниты с постоянным направлением магнитной оси, которые в зависим от расположения магнитных полюсов то притягиваются, то отталкиваются от Солнца.

Для установления истинного сложного характера причин орбитального движения планеты требовались уточнение основных физических понятий и создание основ механики. Это было делом будущего. Таким образом, в исследованиях механики неба Кеплер до предела исчерпал возможности современной ему физики.

4. Новые идеи в динамике Солнечной системы

Ученые XVII в. внесли свой вклад в развитие предпосылок классической механики. Весьма значительной была роль парижского астронома Ж.Б. Буйо, который высказал в своей книге (1645) мысль о том, по поскольку сила, распространяемая вращающимся Солнцем, о которой писал И. Кеплер, действует не только в плоскости вращения планет, а от всей поверхности Солнца ко всей поверхности планеты, то она, следовательно, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Ньютон был знаком с этой книгой и упоминает ее автора в качестве одного из своих предшественников.

Важную роль в становлении классической механики сыграло творчество итальянского астронома Дж. Борелли, которого Ньютон также числит в ряду своих предшественников. Разрабатывая теорию спутников Юпитера, Борелли в 1666 г. выдвинул идею о том, что если некоторая сила притягивает спутники к планете, а планеты — к Солнцу, то эта сила должна быть уравновешена противоположно направленной центробежной силой, возникающей при круговом движении. Таким образом он объясняет эллиптическое движение планет вокруг Солнца. У Борелли, в сущности, уже содержатся основные моменты понимания динамики Солнечной системы, но пока без ее математического описания.

1666 г. был весьма урожайным на идеи в области теории тяготения. В этом году Р. Гук на заседаниях Лондонского королевского общества дважды выступал с докладами о природе тяжести и пришел к выводу, что криволинейность планетных орбит порождена некоторой постоянно действующей силой. В этом же году у И. Ньютона возникает идея всемирного тяготения и идея о том, как можно вычисти, силу тяготения.

5. Ньютонианская революция

Результаты естествознания XVII в. обобщил Исаак Ньютон. Ими он завершил постройку 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, изучением точных количественных проявлений этих закономерностей в природе.

Обобщив существовавшие независимо друг от друга результаты своих предшественников в стройную теоретическую систему знаний (ньютоновскую механику), Ньютон стал родоначальником классической теоретической физики. Он сформулировал ее цели, разработал ее методы и программу развития, которую он сформулировал следующим образом: «Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы». В основе ньютоновского метода лежит экспериментальное установление точных количественных закономерных связей между явлениями и выведение из них общих законов природы методом индукции.

6. Создание теории тяготения

С именем Ньютона связано открытие или окончательная формулировка основных законов динамики: закона инерции; пропорциональности между количеством движения mv и движущей силой

d(mv)

F = ——--------;

dt

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 силы тяготения и силы тяжести на Земле Ньютон проводит на основе вычисления центростремительного ускорения Луны в ее обращении вокруг Земли; уменьшив это ускорение пропорционально квадрату расстояния Луны от Земли, он устанавливает, что оно равно ускорению силы тяжести у земной поверхности. Обобщая эти результаты, Ньютон сделал вывод, что для всех планет имеет место притяжение к Солнцу, что все планеты тяготеют друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Далее 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 формулирует закон всемирного тяготения в общем виде:

m1m2

F = G ---------------------

r2

Древняя идея взаимного стремления тел друг к другу («любви») благодаря Ньютону освободилась от антропоморфности и таинственности. В теории Ньютона тяготение предстало как универсальная < ила, которая проявляется между любыми материальными частицами независимо от их конкретных качеств и состава, всегда пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Ньютон показал неразрывную связь, взаимообусловленность законов Кеплера и закона изменения действия силы тяготения обратно пропорционально квадрату расстояния. Законы движения планет предстали как следствия закона всемирного тяготения. Причину и природу тяготения Ньютон не считал возможным обсуждать, не имея на этот счет достаточного количества фактов («Гипотез не измышляю!»).

Не будет преувеличением сказать, что 28 апреля 1686 г. — 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 г. Современники Ньютона высоко оценили этот уникальный труд.

Разработанный Ньютоном способ изучения явлений природы оказался исключительно плодотворным. Его учение о тяготении общее натурфилософское рассуждение и умозрительная схема, логически строгая, точная (и более чем на два века единственная) фундаментальная теория, которая стала рабочим инструментом исследования окружающего мира, прежде всего движения небесных тел Физический фундамент небесной механики — закон всемирного тяготения. Из этого закона Ньютон вывел в качестве простых следствий и уточнил при этом) Кеплеровы законы эллиптического движения планет, показал, что в общем случае движение тел Солнечной системы может происходить по любому коническому сечению, включая и параболу и гиперболу; он сделал вывод о единстве законов движения комет и планет и впервые включил кометы в состав Солнечной системы; дал математический метод вычисления истинной орбиты комет по их наблюдениям; четко объяснил приливы и отливы, сжатие планет (уже обнаруженное тогда у Юпитера), прецессию; сформулировал вывод о сплюснутой у полюсов форме Земли. Ньютону принадлежит и великая заслуга объяснения возмущенного движения в Солнечной системе как неизбежного следствия ее устройства.

Заключение

Формирование основ классической механики — величайшее достижение естествознания XVII в. Классическая механика была первой фундаментальной естественно - научной теорией. В течение 11 столетий (с XVII в. по начало XX в.) она выступала единственным теоретическим основанием физического познания, а также ядром второй естественно - научной 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 на основе 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 Г. Лейбница он составил основу дифференциального и интегрального исчислений. В математике Ньютону принадлежат также важнейшие труды по алгебре, аналитической и проективной геометрии и др.

Список литературы

                    Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. – М. 2001.

                    Лавриенко В.Н. Концепции современного естествознания. – М. 2001.

                    Гурштейн А. А. “Извечные тайны неба” 1991 г.

                    Ефремов Ю. Н. “В глубины вселенной” 1984 г.

                    Зигель Ф. Ю. “Астрономия в её развитии” 1988 г.

                    Йосип Клечек и Петр Якеш «Вселенная и земля», 1986.

                    Кесарев «Эволюция вещества во вселенной», 1976

                    Шкловский И. С. “Вселенная, жизнь, разум” 1976 г.