Значение открытий Нового времени: от Галилея до Ньютона

Галилей по праву считается основателем не только экспериментальной, но — в значительной мере — и теоретической физики. В своём научном методе он осознанно сочетал продуманный эксперимент с его рациональным осмыслением и обобщением, и лично дал впечатляющие примеры таких исследований. Иногда из-за недостатка научных данных Галилей ошибался (например, в вопросах о форме планетных орбит, природе комет или причинах приливов), но в подавляющем большинстве случаев его метод приводил к цели. Характерно, что Кеплер, располагавший более полными и точными данными, чем Галилей, сделал правильные выводы в тех случаях, когда Галилей ошибался.

Хотя в древней Греции были замечательные инженеры (Архимед, Герон и другие), сама идея экспериментального метода познания, который должен дополнять и подтверждать дедуктивно-умозрительные построения, была чужда аристократическому духу античной физики. В Европе ещё в XIII веке Роберт Гроссетест и Роджер Бэкон призвали к созданию экспериментальной науки, которая на математическом языке сможет описать природные явления, однако до Галилея в реализации этой идеи не было существенного продвижения: научные методы мало отличались от теологических, и ответы на научные вопросы по-прежнему искали в книгах древних авторитетов.[65] Научная революция в физике начинается с Галилея

Галилей считается одним из основателей механицизма. Этот научный подход рассматривает Вселенную как гигантский механизм, а сложные природные процессы — как комбинации простейших причин, главная из которых — механическое движение. Анализ механического движения лежит в основе работ Галилея.

Для проектирования эксперимента и для осмысления его результатов нужна некоторая предварительная теоретическая модель исследуемого явления, и основой её Галилей считал математику, выводы которой он рассматривал как самое достоверное знание: книга природы «написана на языке математики»;[72] «Тот, кто хочет решать вопросы естественных наук без помощи математики, ставит неразрешимую задачу. Следует измерять то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является.»[73]

Опыт Галилей рассматривал не как простое наблюдение, а как осмысленный и продуманный вопрос, заданный природе. Он допускал и мысленные эксперименты, если их результаты не вызывают сомнений. При этом он ясно представлял, что сам по себе опыт не даёт достоверного знания, и полученный от природы ответ должен подвергнуться анализу, результат которого может привести к переделке исходной модели или даже к замене её на другую. Таким образом, эффективный путь познания, по мнению Галилея, состоит в сочетании синтетического (в его терминологии, композитивный метод) и аналитического (резолютивный метод), чувственного и абстрактного.[74] Эта позиция, поддержанная Декартом, с этого момента утвердилась в науке. Тем самым наука получила свой метод, собственный критерий истины и светский характер.

Галилей является одним из основоположников принципа относительности в классической механике, который также был позже назван в его честь. «Для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее как бы не существует и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия.»

Галилей опроверг и второй из приведённых законов Аристотеля, сформулировав первый закон механики (закон инерции): при отсутствии внешних сил тело либо покоится, либо равномерно движется. То, что мы называем инерцией, Галилей поэтически назвал «неистребимо запечатлённое движение». Правда, он допускал свободное движение не только по прямой, но и по окружности (видимо, из астрономических соображений). Правильную формулировку закона позднее дали Декарт и Ньютон; тем не менее общепризнанно, что само понятие «движение по инерции» впервые введено Галилеем, и первый закон механики по справедливости носит его имя

В 1609 году Галилей самостоятельно построил свой первый телескоп с выпуклым объективом и вогнутым окуляром. Труба давала приблизительно трёхкратное увеличение[85]. Вскоре ему удалось построить телескоп, дающий увеличение в 32 раза. Отметим, что термин телескоп ввёл в науку именно Галилей.

Первые телескопические наблюдения небесных тел Галилей провёл 7 января 1610 года.[1][87] Эти наблюдения показали, что Луна, подобно Земле, имеет сложный рельеф — покрыта горами и кратерами. У Юпитера обнаружились собственные луны — четыре спутника. Тем самым Галилей опроверг один из доводов противников гелиоцентризма: Земля не может вращаться вокруг Солнца, поскольку вокруг неё самой вращается Луна.

Галилей открыл также (независимо от Иоганна Фабрициуса и Хэрриота) солнечные пятна.

Рене Декарт (1596 – 1650). Французский математик, философ, физик и физиолог. Получил образование в колледже иезуитов (лучшем в Европе). Физику Декарта можно назвать материалистической, поскольку он рассматривал Вселенную как пространство, полностью заполненное движущейся материей. Но помимо обычной материи он выделяет тонкие материи, «вихри», с помощью которых он пытается объяснить действие теплоты, тяготения, электричества и магнетизма. Помимо этого, исследования ф области физиологии привели Декарта к мысли, что все существа являются некими механизмами, но только человек обладает душой (это, кстати, оправдывало жестокое отношение к животным, анекдот: чтобы узнать истинного картезианца, попросите пнуть его собаку). Он считал, что только человек обладает волей, а животные нет. Но где же здесь Бог? Он одаривает человека душой, вот к какому выводу приходит Декарт. Он определяет существование человека, Он дает ему возможность познавать этот мир согласно своей воле. Также Декарт заявляет о бесконечности Вселенной, аргументируя это тем, что ограничивать Бога в возможности создать бесконечность означает усомниться в его всемогуществе.

Ньютон был приверженцем атомарной теории, это отразилось в его исследованиях цвета. Он предположил, что свет является потоком частиц, и, проведя эксперимент с призмой, он обнаружил, что свет можно разложить на несколько цветовых лучей. Но главной заслугой является его открытие и доказательство существования силы тяжести. Предположение о существовании силы тяготения привело его к мысли, что Земля движется по орбите в виде эллипса, как предполагал Кеплер (немецкий ученый, создал первую механистическую теорию движения планет), что он успешно доказал в своем труде «О движении тел по орбите» (1684). Помимо этих доказательств, он объясняет инерцию, подразумевая под ней не врожденную характеристику тела, а свойство материи вообще. После издания этого труда, Ньютон одержим написанием своей следующей работы – «Математические начала натуральной философии». Его целью было построение динамики как точной математической науки, чтобы затем с её помощью указать путь решения конкретных физических и астрономических проблем. Этот фундаментальный труд состоит из трех разделов, называемых Книгами. В Первой книге Ньютон формулирует закон притяжения, а также доказывает теорию Кеплера об эллипсовидной орбите.

Во второй книге Ньютон рассматривает механику жидкости и газа, в то время совершенно неизученную область. Хотя многие его доказательства ошибочны, нельзя отрицать их оригинальность, ведь Ньютон первый, кто действительно попытался решить проблемы, связанные с механикой жидкости и газа. В третьей Книге «О системе мира» Ньютон доказывает, что большинство движений во Вселенной связано с одной единственной силой – тяготением.

Опять возникает вопрос – какое место в столь упорядоченной механистической системе мира занимает Бог? Ньютон не отрицает его существования, более того, он считает необходимым признать, что Бог буквально пронизывает все пространство Вселенной. Для Ньютона не существовало пространство без Бога, и речь идет не о пантеизме, как может показаться на первый взгляд, а о том, что пространство в принципе существует исключительно благодаря божественной вездесущности. Более того, он провел некоторые историографические исследования, сопоставил множество древних источников и установил, что пророки и события, описанные в Ветхом завете, действительно имели место.

Ньютон прекрасно понимал, что полностью механическая вселенная исключает божественное вмешательство. Однако проблема того, как именно действует сила тяготения, привела его к нескольким решениям. Он не мог признать, что источник движения может быть заключен в самой материи, поэтому для облегчения объяснений он вводит понятие эфира (чрезвычайно разреженная материя) или же предполагает наличие божественной силы. Также он представлял кометы орудиями провидения. Ньютон считал, что материя из их хвостов пополняет вещество, которое теряют планеты из-за сил трения (они же двигаются, соприкасаясь с материей), для этой цели их и посылает Бог. Кроме богословских исследований, Ньютон обращается к алхимии. Это носило характер стремления к абсолютному знанию, это был очередная попытка объяснить структуру материи, а значит и её движение.