Лекция 3.
Естествознание эпохи средневековья
Так сложилось, что в эпоху раннего средневековья (до второй половины 12 века) культурный уровень стран востока был выше, чем стран Европы. В 7 веке на обширных территориях ближнего и среднего Востока возникает централизованное арабское государство – Арабский Халифат. Все это создало благоприятные условия для развития науки и культуры. Арабский язык стал не только государственным языком, но и языком науки и культуры. Арабы знали обо всех достижениях античного мира. Уже в 9 веке в арабском мире были изданы все главные произведения научной мысли античности. В том числе и «Альмагест» Птолемея (первоначальное название «Математическая система»). Арабы усвоили культурное наследие античности и это обеспечили расцвет мусульманской культуры. Но они не только усвоили и пользовались достижениями античной культуры. Арабы значительно расширили античную систему знаний. И в частности математических знаний. Арабские математики совершенствовали методы решения уравнений второй и третьей степени. Они умели решать некоторые решения четвертой степени.
Наиболее значительное достижение арабов в алгебре – «Трактат о доказательствах задач» О. Хаяма (1048 – 1122) – теория решения кубических уравнений.
Арабские математики создали тригонометрию. У них были таблицы значений котангенса для каждого градуса.
Интенсивное денежное обращение и торговля требовали постоянного совершенствования методов взвешивания, а также наличия системы мер и весов. Создавалась теоретическая основа взвешивания — наука о равновесии. Поэтому в средние века наибольшее развитие получила статика как учение о взвешивании. Создавались также многочисленные конструкции различных видов весов.
Арабские ученые широко использовали понятие удельного веса[1]. Для определения удельного веса применялся закон Архимеда. Полученные результаты были настолько точны, что позволяли обнаружить различие удельного веса воды при разных температурах. Столь точные данные позволяли решать ряд практических задач:
- отличать чистый металл и драгоценные камни от подделок,
- устанавливать истинную ценность монет,
В средние века использовались орудия труда, состоящие из многих элементов (плуг, мельница, метательные орудия и т.д.). Энергетическим источником процесса труда в основном были человек и домашние животные. Необходимо было совершенствовать технику перемещения грузов. Все это способствовало развитию науки о «простых машинах». Следовательно, развивались механика и физика.
арабские ученые внесли существенный вклад в развитие астрономии. Они усовершенствовали технику астрономических измерений, значительно дополнили и уточнили данные о движении небесных тел. Движимый страстью к науке, Улугбек[2] построил в Самарканде по тем временам самую большую в мире астрономическую обсерваторию. По результатам своих наблюдений он создал "Новые астрономические таблицы». Этот труд содержал изложение теоретических основ астрономии и каталог положений 1018 звезд.
для описания движения небесных тел астрономии нужны были строгие методы расчета. Это привело к развитию кинематики. Кинематика движения небесных тел развивалась на основе «Альмагеста» К. Птолемея.
Кроме того, в ряде работ изучалась кинематика «земных» движений. В средние века возникает представление о бесконечном прямолинейном
движении как следствии образа бесконечного пространства. В кинематике средневековые ученые вводят понятия средней скорости, мгновенной скорости, равноускоренного движения. Все это постепенно готовило возникновение механики Галилея-Ньютона.
Естествознание эпохи возрождения и нового времени
эпоха Возрождения – это был период конца XV – XVI веков. эта эпоха, оставила глубокий след в культурной истории человечества.
В эпоху Возрождения были сделаны «Великие географические открытия»:
1. открытие Америки Христофором Колумбом[3] в 1492 году;
2. открытие Васко да Гама[4] морского пути из Европы в Индию в 1497-1499 годах;
3. первое кругосветное плавание Фернана Магеллана[5] в 1519-1522 годах.
Магеллан выяснил, что между Америкой и Азией океан, а Земля имеет форму шара.
В это время произошла вторая научная революция. На основе большого числа астрономических наблюдений и расчетов Коперник [6] создал новую, гелиоцентрическую систему мира. Вследствие этого возникло принципиально новое миропонимание, которое исходило из того, что Земля – одна из планет, движущихся вокруг Солнца по круговым орбитам. Совершая обращение вокруг Солнца, Земля одновременно вращается и вокруг собственной оси, чем объясняется смена дня и ночи, видимое нами движение звездного неба. Гелиоцентрическая система мира, предложенная Коперником, не сводилась только к перестановке предполагаемого центра
Вселенной. Включив Землю в число небесных тел, которым свойственно круговое движение, коперник высказал очень важную мысль о движении как естественном свойстве небесных и земных объектов, подчиненном некоторым общим закономерностям единой механики.
Эпоха Нового времени охватывает три столетия XVII, XVIII, XIX века. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыграл XVII век. В XVII веке родилось классическое естествознание, у истоков которого стояли такие выдающиеся ученые как Галилей [7], Кеплер [8] и Ньютон [9].
Галилей считал, что истинное знание достижимо исключительно на пути изучения природы при помощи наблюдения, опыта (эксперимента), и вооруженного математическим знанием разума. Он был уверен, что законы природы написаны на языке математики.
Используя построенные им телескопы (сначала с трехкратным увеличением, а затем с 30-кратным), Галилей установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности есть пятна. У Юпитера Галилей обнаружил 4 спутника (из 13 известных в настоящее время). Галилей убедился в том, что кажущийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд.
Изучая падение тел, он установил, что
1. свободно падающее тело движется с постоянным ускорением;
2. время падения тела не зависит от массы.
Он получил формулу, связывающую ускорение, путь и время падения тела
;
Исследование Галилеем свободного падения тел имело большое значение для становления механики как науки.
Галилей строил механику по образцу геометрии Евклида: сначала вводил постулаты и определения, а затем получал из них необходимые следствия.
В учении Галилея были заложены основы нового механистического естествознания.
Он разграничил понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движения. Сформулировал понятие ускорения (скорость изменения скорости). Показал, что результатом действия силы на движущееся тело является не скорость, а ускорение.
До Галилея общепринятым в науке считалось понимание движения, выработанное Аристотелем. Оно сводилось к следующему: тело движется только при наличии внешнего на него воздействия. Если это воздействие прекращается, то тело останавливается. Галилей вместо него сформулировал совершенно иной принцип, получивший впоследствии название принципа инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится никакого внешнего воздействия.
Галилей выработал понятие инерциальной системы отсчета.
Галилей сформулировал принцип относительности: внутри равномерно движущейся системы все физические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся (говоря физические, он имел в виду механические явления).
Галилей открыл закон независимости действия сил (принцип суперпозиции): две различные причины, вызывающие движение одного и того же тела, не влияют друг на друга. Каждая действует так, словно другая отсутствует.
Исследования Галилея заложили надежный фундамент динамики, а также методологии классического естествознания. С полным основанием Галилея называют «отцом современного естествознания».
В 1580 году в Дании на островке Вен (в 20 км от Копенгагена) построили невиданную астрономическую обсерваторию, названную Небесным замком (Ураниборгом). Инициатором и организатором строительства обсерватории был Тихо Браге [10], датский дворянин, посвятивший свою жизнь не воинским подвигам, а служению богине неба – Урании. Более двадцати лет провел Браге в Ураниборге, определяя положение небесных объектов. Тихо Браге был блестящим астрономом-наблюдателем, но не теоретиком. К счастью, на своем жизненном пути Тихо Браге встретил Иоганна Кеплера. На смертном одре Т. Браге завещал Кеплеру все свои рукописи, содержавшие результаты многолетних астрономических наблюдений.
После пяти лет трудоемкой математической обработки огромного материала наблюдений Т. Браге за движением Марса Кеплер сделал великое открытие: он раскрыл главную тайну планетных орбит. Кеплер в 1605 году открыл и в 1609 году опубликовал первые два закона планетных движений:
1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце;
2. Скорость движения планет изменяется таким образом, что радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает одинаковые площади (закон постоянства площадей).
Кеплер нашел уравнение для вычисления положения планеты на орбите в любой момент времени (уравнение Кеплера). Затем он поставил вопрос о динамике движения планет. Он заметил, что с удалением от Солнца периоды обращения планет увеличиваются быстрее, чем радиусы их орбит, то есть уменьшается скорость движения планет. Кеплер объяснял это так: движущая сила едина для всей системы и сосредоточена в ее центре – Солнце, которое действует сильнее на близкие планеты и слабее на далекие планеты. В гелиоцентрической картине движения планет Кеплер увидел действие единой физической силы и поставил вопрос о ее физической природе и точном математическом законе. Ответил на этот вопрос через несколько лет Исаак Ньютон.
Через десять лет после опубликования первых двух законов (1619) Кеплер опубликовал третий закон: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы средних расстояний этих планет от солнца (кубы больших полуосей их орбит).
.
Иоганн Кеплер заложил фундамент новой теоретической астрономии и учения о гравитации.
все методы, знания и идеи предыдущего поколения унаследовал Исаак Ньютон и создал теорию, которая на два столетия определила развитие науки. Создав стройную теоретическую систему знания (ньютоновскую механику), он завершил постройку фундамента нового классического естествознания.
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 основе классической механики Ньютона лежит система взглядов на пространство и время.
Ньютон, раскрывая сущность времени и пространства, характеризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве – в смысле порядка положения».
Классическая механика была изложена Ньютоном в книге «Математические начала натуральной философии». Ньютоновская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей вплоть до конца 19 века.
Основные положения этой картины мира заключаются в следующем.
- Пространство считалось:
§ бесконечным,
§ плоским или евклидовым (его метрические свойства описывались геометрией Евклида).
§ пустым,
§ абсолютным (не зависящим от состояния движения тела отсчета),
§ однородным (нет выделенных точек),
§ изотропным (нет выделенных направлений).
Пространство выступало как «вместилище» материальных тел.
- Время понималось:
§ однородным,
§ равномерно текущим (оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и синхронно» и выступает как независимый от материальных объектов процесс длительности),
§ абсолютным (не зависящим от состояния движения тела отсчета).
В механике Ньютона время абсолютно, абсолютна и одновременность во всей Вселенной. Это послужило основой для теории дальнодействия. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое мгновенно и прямолинейно распространяло силы на бесконечные расстояния.
Кроме основных представлений о пространстве и времени она содержала:
1. Понятия массы, силы, инерции, ускорения.
2. Основные законы движения материальной точки.
3. Закон всемирного тяготения.
4. Принцип относительности и закон сложения скоростей Галилея.
.
В механике Ньютона движение тела происходит по строго определенным траекториям, то есть всегда можно одновременно измерить его координаты и его скорость (или импульс).
Большинство явлений, происходящих в природе, подтверждали справедливость построенной Ньютоном механистической картины мира.
Подлинным триумфом ньютоновской теории и картины мира стало открытие в 1846 году восьмой планеты Солнечной системы – Нептун. Как это произошло? Еще в конце 18 века астрономы заметили, что траектория движения планеты Уран не совпадает с траекторией, предсказанной законом всемирного тяготения. Это несовпадение пытались объяснить по-разному: столкновением Урана с кометой или неточностью закона всемирного тяготения (даже были попытки изменить его). Наконец была высказана гипотеза о влиянии более далекой планеты. Два математика и астронома Джон Адамс[11] и Урбен Леверье[12] независимо друг от друга с помощью закона всемирного тяготения Ньютона рассчитали траекторию гипотетической планеты. 23 сентября 1846 г. берлинский астроном Готфрид Галле[13] обнаружил ее.
Как очередное подтверждение ньютоновского подхода к вопросу об устройстве мира было первоначально воспринято физиками открытие, которое сделал французский военный инженер, впоследствии член Парижской АН Шарль Огюст Кулон (1736-1806). Оказалось, что положительный и отрицательный заряд притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной величине зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Создавалось впечатление, что закон всемирного тяготения может служить универсальным ответом на все задачи. Однако впоследствии стало ясно: появился первый закон электромагнетизма.
Механическая картина мира знала только один вид материи — вещество, состоящее из частиц, имеющих массу. Первоначально считалось, что тела взаимодействуют на расстоянии, без каких бы то ни было промежуточных материальных посредников. Затем была выдвинута новая точка зрения: взаимодействие передается с помощью особого материального посредника. В результате в естествознании начало утверждаться понимание того, что пространство между телами никогда не является пустым: оно заполнено материей в форме силового поля. Поле является переносчиком взаимодействия тел. Каждое тело «узнает» о существовании других тел только через окружающие его поля.
В XIX веке к числу свойств частиц стали прибавлять электрический заряд. И хотя масса, как считалось, была у всех частиц, а заряд — только у некоторых, обладание электрическим зарядом было признано таким же фундаментальным, важнейшим их свойством, как и масса. Между электрически заряженными телами, между намагниченными телами, между телами, по которым текут токи, действуют силы, называемые электромагнитными. В начале 19 века английский химик и физик Майкл Фарадей (1791-1867) ввел в науку понятие электромагнитного поля – материальной среды, являющейся переносчиком электромагнитного взаимодействия. Фарадею удалось показать опытным путем, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. Тем самым он впервые объединил электричество и магнетизм, признал их одной и той же «силой» природы.
Математическую разработку идей Фарадея предпринял выдающийся английский ученый Джеймс Кларк Максвелл (1831-1879). Его основной работой, заключавшей в себе математическую теорию электромагнитного поля, явился «Трактат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 году.
Основные положения и выводы теории Максвелла:
•Изменение во времени электрического поля ведет к появлению магнитного поля и наоборот. Следовательно, существуют электромагнитные волны.
•Передача электромагнитной энергии происходит с конечной скоростью. Скорость передачи электромагнитных колебаний равна скорости света 
. Из этого следовала принципиальная тождественность электромагнитных и оптических явлений.
Введение Фарадеем понятия электромагнитного поля и математическое определение его законов, данное в уравнениях Максвелла, явились самыми крупными событиями в физике со времен Галилея и Ньютона. Эта теория существенно изменила представления о картине электрических и магнитных явлений, объединив их в единое целое.
Решающую роль в победе максвелловской теории сыграл немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857-1894). Именно ему по поручению Гельмгольца[14] (Герц был его любимым учеником) довелось проверить экспериментально теоретические выводы Максвелла. В 1886 году Герц продемонстрировал «беспроволочное распространение» электромагнитных волн. Он смог также доказать принципиальную тождественность полученных им электромагнитных переменных полей и световых волн.
С тех пор механические представления о мире были существенно поколеблены. Ведь любые попытки распространить механические принципы на электрические и магнитные явления оказались несостоятельными. Поэтому естествознание вынуждено было, в конце концов, отказаться от признания особой, универсальной роли механики. Механическая картина мира начала сходить с исторической сцены, уступая место новому пониманию физической реальности.
[1] Удельный вес – вес единицы объема вещества.
[2] Мухаммед Тарагай Улугбек – (1394 – 1449) – внук Тимура (Тамерлана – (1336 – 1405) среднеазиатский государственный деятель, полководец, эмир с 1370 г. Создатель государства со столицей в Самарканде. Разгромил Золотую Орду. Совершал грабительские походы в Иран, Закавказье, Индию, М.Азию и др.). Среднеазиатский государственный деятель, ученый, просветитель. Убит по приказу сына Абдуллатифа.
[3] Христофор Колумбом (1451 – 1506). Родился в Генуе (Италия).
[4] Васко да Гама (1469 – 1524). Португальский мореплаватель.
[5] Фернан Магеллан (1480 – 1521) родился в Португалии.
[6] Николай Коперник (1473 – 1543) –польский астроном. Совершил переворот в естествознании, отказавшись от принятого в течение многих веков учения о центральном положении Земли. Объяснил видимые движения небесных тел вращением Земли вокруг оси и обращением планет (в том числе и Земли) вокруг Солнца. Свое учение изложил в сочинении «Об обращениях небесных сфер» (1543 г.), запрещенном католической церковью с 1616 по 1828 гг.
[7]Галилео Галилей (1564 – 1642) – итальянский ученый. Один из основателей точного естествознания. Заложил основы современной механики.
[8] Иоганн Кеплер (1571 – 1630) – немецкий астроном. Открыл законы движения планет. Заложил основы теории затмений. Изобрел телескоп, в котором объектив и окуляр – двояковыпуклые линзы.
[9] Исаак Ньютон (1643 – 1727) – английский математик, механик, астроном и физик. Создатель классической механики. С 1672 г. член, а с 1703 г. президент Лондонского королевского общества. Разработал (независимо от Лейбница) дифференциальное и интегральное исчисление. Открыл дисперсию света, хроматическую аберрацию. Исследовал интерференцию и дифракцию света. Развивал корпускулярную теорию света. Построил зеркальный телескоп.
[10] Тихо Браге (1546 –1601) – датский астроном. Доказал, что кометы – небесные тела, более далекие, чем Луна. На основе его наблюдений Марса Кеплер вывел законы движения небесных тел.
[11] Адамс Джон Кауч (1819 – 1892) – английский астроном. Иностранный чл.-к Петербургской АН (1864). Исследовал вековое ускорение Луны. Независимо от У. Леверье вычислил орбиту и координаты планеты Нептун (1845).
[12] Леверье Урбен Жан Жозеф (1811 –1877) – французский астроном. Иностранный чл.-к Петербургской АН (1848). Основные труды по теории движения больших планет, устойчивости Солнечной системы. На основании исследований возмущений Урана вычислил (1846) орбиту и положение планеты Нептун.
[13] Галле Иоган Готфрид (1812 – 1910) – немецкий астроном. Уточнил солнечный параллакс по наблюдению астероидов, открыл три кометы, обнаружил Нептун.
[14]Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821 – 1894) – немецкий ученый. Автор фундаментальных трудов по физике, биофизике, физиологии, психологии. Впервые математически обосновал закон сохранения энергии, показав его всеобщий характер. Разработал термодинамическую теорию химических процессов.Ввел понятия свободной и связанной энергий. Заложил основы теорий вихревого движения жидкости и аномальной дисперсии. Автор основополагающих трудов по физиологии слуха и зрения. Обнаружил и измерил теплообразование в мышце, изучил процесс сокращения мышц, измерил скорость распространения нервного импульса.