CC BY
60
УДК: 53(09)
В.Г. Кушнер
к.и.н., доцент кафедры истории Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики
г. Москва, Российская Федерация
ФИЗИЧЕСКАЯ НАУКА: ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР ОТ ИСТОКОВ ДО НОВОГО ВРЕМЕНИ
ЧАСТЬ III
Аннотация
В данной статье предпринят обзорный научный экскурс в историю физики от её зарождения до конца средневековья, когда она организационно развивалась в рамках философии. Авторы выделили этапы этого процесса и на основе анализа конкретных достижений исторических персоналий приходят к выводу, как произошла трансформация физики от мифологических представлений до утверждения незыблемости научного эксперимента.
Ключевые слова
Физика, природа, философия, религия, мифология, астрономия, модели мироустройства, элементы
физики, эксперимент.
На третьем этапе своего становления (эпоха Возрождения, Х1У-ХУ1вв.) физика получила мощный импульс своего ускорения. Это было связано с тем, что Ренессанс сам по себе утверждал идеал гармоничной и раскрепощенной человеческой личности, с одной стороны, ощущение цельности и стройной закономерности мироздания, с другой [9, с. 240-241].
В сей период творил гениальный итальянский художник, инженер, ученый, один из выдающихся представителей науки и искусства Возрождения Леонардо да Винчи (1452-1519).
Не случайно 1952 год ООН объявляла Годом его имени.
Будучи незнатного происхождения, свою «фамилию» Леонардо получил от названия небольшого городка Винчи, в котором благополучно появился на свет. Посему же он не получил систематического образования, о чем с юмором говорил: » Хотя я и не умею...цитировать авторов, я буду цитировать гораздо более достойную вещь - опыт, наставника из наставников».
В историю Леонардо да Винчи вошел прежде всего как гениальный художник. Однако это занятие не помешало ему стать превосходным ученым. Он обстоятельно занимался математикой, механикой (называя ее «раем» математических наук), физикой, астрономией, геологией, ботаникой, анатомией физиологией человека и животных.
Леонардо выступал твердым сторонником использования экспериментального метода в механике: с его помощью он старался определить коэффициент трения, сопротивление всевозможных материалов, определить особенности падения тел и траектории снарядов.
Серьезный вклад внес ученый в гидравлику и гидростатику: он спроектировал аналогичные современным землечерпалки; придумал механические средства прорытия каналов и обеспечения их судоходности за счет усовершенствования шлюзов. Несомненно, Леонардо знал принцип сообщающихся сосудов для жидкостей различной плотности и основной закон гидростатики, известный теперь под названием «закона Паскаля»: согласно Дюэму, данный закон стал известен французскому философу от Леонардо через Джовани Баттисту Бенедетти и Марино Мерсенна. Да Винчи разработал самую универсальную физическую концепцию («движение есть причина всего живого»), при помощи которой создал теорию движения волн на море. Более того, он утверждал, что свет, звук, цвет, запах, магнетизм и даже мысль распространяются волнами.
Новаторский характер носили попытки Леонардо по образу и подобию полета птиц построить летательные аппараты для людей [6, с. 45].
Он хорошо усвоил, что давление воздуха на нижнюю поверхность крыльев создает силу, которую теперь называют подъемной. Далее воздухостроитель исследовал анатомию летательных органов, сопротивление воздуха и динамическую роль центра тяжести для движения. В итоге в 1490г. в Милане Леонардо спроектировал, а возможно, и построил первую модель летательного аппарата: она имела крылья, как у летучей мыши, и с помощью мускульной силы своих рук и ног человек должен был полететь. Однако
полет не задался, так как мускульной силы оказалось недостаточно. По прошествии 15 лет «астронавт» снова задумался о полете, но уже с помощью ветра, т. е. речь уже шла о парящем полете. Среди сохранившихся эскизов ученого имеются рисунки парашютов и вертолета.
В области физики наибольшее внимание мэтра привлекали проблемы оптики: так, он стремился экспериментальным путем определить силу света и ее зависимость от расстояния до светового источника, благодаря чему оказался весьма близок к формулировке волновой теории света.
Изобретение огнестрельного оружия поставило перед динамикой новые проблемы. К их решению отважно приступил итальянец Тарталья в своем труде «Новая наука» (1537г.) в трех частях: в первых двух частях он исследовал движение снарядов, а в третьей обратился к вопросам топографии.
Ученик Тартальи Джован Баттиста Бенедетти из Венеции оставил потомкам свой главный труд «Различные математические и физические рассуждения» (Турин, 1585г.) в шести частях [3, с. 70].
В данной работе помещены теоремы арифметики и элементарной алгебры, анализируются проблемы перспективы, механики и науки о пропорциях; собраны материалы дискуссии и письма по вопросам физики и математики. Новизна данного труда состоит, прежде всего, в его направленности против учения Аристотеля: к примеру, здесь встречается принцип инерции, который применяется для объяснения ускорения движения тела при непрерывном действии постоянной силы, так что постоянное увеличение скорости падающих тел обязано накоплению действия, производимого одной и той же причиной движения, а не постепенному увеличению веса, как говорил Аристотель. Те же идеи Бенедетти применил к вращательному движению, выдвинув предположение о существовании центробежной силы.
Весьма оригинальный вклад в исследование оптики внес Франческо Мавролик [7, с. 99].
Его трактат состоит из двух частей: в первой анализируется прямолинейное распространение света и его отражение от плоских, сферических, цилиндрических и конических зеркал; а во второй - преломление, радуга, анатомия глаза, механизм зрения и действие очков.
В первой части Мавролик довольно забавно и интересно объяснил круглые изображения Солнца в отверстиях произвольной формы. Впоследствии Кеплер повторил и усовершенствовал эту трактовку. Во второй части автор следует концепции Альхазена, но, основываясь на более точном знании анатомии глаза, считает, что лучи преломляются в хрусталике и вызывают ощущение на сетчатой оболочке глаза. Этим умозаключением Мавролик ввел фундаментальное положение теории зрения - хрусталик глаза работает как линза. А далее следует исторический парадокс: ученому также не хватило мужества принять перевернутое изображение на сетчатке, и он с помощью серии ухищрений показывает, что на сетчатке изображение получается прямым! Тем не менее в теории зрения Мавролику принадлежит еще одна заслуга - вывод о том, что недостаточная или избыточная кривизна хрусталика является причиной соответственно дальнозоркости или близорукости.
Даже не ведая о законе преломления, исследователь пришел к заключению, что, проходя пластинку с плоскими и параллельными поверхностями, световые лучи не изменяют направления, а лишь смещаются параллельно самим себе, что выпуклые линзы являются собирающими, а вогнутые - рассеивающими. Рассматривая преломление света в стеклянной сфере, он наблюдал диакаустику и приступил к ее изучению. Нелишне напомнить, что каустика - это огибающая лучей, отраженных или преломленных данной линией. Она имеет два подвида: катакаустику (каустику отраженных лучей) и диакаустику (каустику преломленных лучей) [1, с. 48-50].
Помимо всего прочего, Мавролик первым из ученых точно указал семь цветов радуги: ведь начиная с Вителлия, в радуге различали лишь три цвета. Он также первым стал исследовать преломление света в призмах, в ходе чего получил те же цвета, что и в радуге.
Интересна деятельность на поприще физики и англичанина Уильяма Гильберта (1540 или 1544 -1603гг.) [2, с. 75; 8, с. 19-21].
Он провел обширную работу по исследованию природы электрических и магнитных сил, действующих на расстоянии. До нас дошел его главный труд - «О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле». В нем он описал свыше 600 опытов, на основе чего сформировалась его концепция большого научного и философского значения. Данный трактат Гильберта сильно повлиял не только на философию, но даже на стиль Френсиса Бэкона.
Исходя из идей Перегрино, Гильберт изготовил магнит сферической формы - «маленькую Землю». Затем, обходя с помощью небольшой намагниченной стрелки поверхность своего шара, он исследовал его
магнитные свойства и пришел к заключению, что они соответствуют магнитным свойствам Земли - большого магнита. Исходя из этого, он заключил: с точки зрения магнитного действия Земля отличается от его шара лишь своими размерами. Так, вопреки бытовавшему до Гильберта ученому мнению о том, что магнитная стрелка устанавливается в направлении определенной точки небосвода, причиной ориентировки сей магнитной стрелки он твердо установил земной магнетизм.
Продолжив свои исследования, ученый открыл магнитную индукцию.
Помимо указанных открытий, Гильберт определил, что стальной стержень (сердечник) усиливает магнитное действие; что железо и сталь взаимно намагничивают друг друга (при этом сталь сохраняет свой магнетизм); что железная проволока, натянутая по магнитному меридиану, после ковки и вытяжки приобретает магнитные свойства; сила магнита значительно увеличивается при тщательной обработке поверхности. Магнитные опыты Гильберта успешно продолжил и даже превзошел Галилей.
Наряду с магнитными Гильберт продуктивно изучал электрические явления. Так, опытным путем он доказал, что, если потереть янтарь, то он притягивает мелкие вещицы (впоследствии он обнаружил, что такой же способностью обладают более 20 прочих тел - благородные камни, сера, смола.).
Печально, но факт: сравнение магнитных и электрических свойств тел привело Гильберта к ошибочному выводу, что эти два явления не имеют между собой ничего общего. Более того: данное заблуждение оказало серьезное влияние как на последующих исследователей, так и на дальнейшую историю электромагнетизма (вплоть до ХУ111в.).
И тем не менее именно Гильберт был первым сторонником гелиоцентрической системы Коперника в Англии.
Завершить свой краткий исторический обзор мы хотели бы физическими штрихами к научному портрету великого Галилео Галилея (1564-1642гг.) [10, с.21-22]. Больше всего интересовали его исследования Архимеда относительно центра тяжести, плавания тел и определения удельного веса.
В Пизе Галилей проводил свои известные публичные опыты по изучению законов свободного падения тел. Он опровергал утверждение, что тела обладают присущим им свойством легкости: все тела, по его убеждению, являются тяжелыми, а движутся ли они вверх или вниз, зависит от их удельного веса по отношению к окружающей среде. Неверным считал Галилей так же тезис о том, что скорость движущегося предмета в менее плотной среде больше, чем в более плотной: тонкий надутый пузырь медленно опускается в воздухе и быстро поднимается в воде. Несостоятельной, по мысли ученого, была и тогдашняя теория движения: в подтверждение сего он приводил пример Иоанна Буридана - вращавшуюся вокруг одного из своих диаметров сферу. Нелепым признавал мэтр и рассуждение Джована Баттиста Бенедетти о том, что скорость падающих тяжелых тел пропорциональна их весу: он предполагал, что скорость падающих тел одна и та же для всех тел независимо от их веса (сие свойство было подтверждено Галилеем в опытах на Пизанской башне, проведенных им, согласно Вивиани, с большой торжественностью в присутствии своих коллег-последователей Аристотеля - и учеников).
Помимо прочего Галилей открыл законы колебаний маятников, общие законы движения, создал теорию простых машин, интересовался прочностью материалов, исследовал давление воздуха, вычислял величину давления, в сфере акустики установил зависимость тонов от длины и толщины струн. Довольно интересен опыт Галилея с термоскопом (Падуя, около 1597г.): он ценен не столько тем, что послужил поводом для последующих дискуссий о приоритете в изобретении термометра, а прежде всего своим новым (антиаристотелевым), теоретически практически, образом мышления [6, с. 70]. Суть опыта: руками согревают маленькую колбу с длинным и тонким горлышком, опущенным в чашу с водой; если убрать руки с колбы, то вода из чаши по мере остывания сосуда начнет подниматься в горлышко. Ученик Галилея Бенедетто Кастелли написал (1638г.): «Этот эффект вышеупомянутый синьор Галилей использовал для изготовления инструмента для определения степени жары и холода». Тогда сие было немыслимым: ни одному перипатетику и в голову бы не пришла возможность измерения степени тепла и холода, ибо, по их учению, холод и тепло - это различные свойства, перемешанные в материи. Галилей же, вопреки им, утверждал в трактате «Пробирщик», что холод пребывает не в материи, а в чувствительном теле.
Огромны заслуги Галилея перед астрономией: с помощью построенной им подзорной трубы (1609г.) он наблюдал Луну и планеты, открыл 4 спутника Юпитера, пятна на Солнце и кольца Сатурна. Внушительные результаты его активной космической деятельности логично привели астронома в лоно сторонников концепции Коперника, за что ему пришлось страдать от гонений церковной инквизиции.
В 1638г. вышел в свет труд Галилея «Б18Сога...»: в нем он изложил основы новой механики относительно движения материи; все свои наблюдения ученый обосновал точными вычислениями и на этой основе доказал, что законы движения материи являются всеобщими (в том числе и по отношению к небесным телам).
Современники и потомки называли Галилео Галилея по-разному: и платоником, и кантианцем, и позитивистом и т.п. В историю же науки он, без всякого сомнения, вошел прежде всего как отец экспериментальной физики.
Подводя итог краткому историческому экскурсу в «седые» времена зарождения и становления физической науки, следует отметить, что она прошла весьма многотрудный и интересный путь от мифологических представлений до утверждения незыблемости научного эксперимента.
Список использованной литературы:
1. Андреев А., Панов А. Каустики на плоскости и в пространстве // Квант. -2010. - № 3.
2. Гильберт У.О. О магните, магнитных телах и большом магните -Земле. - М., 1956.
3. Григорьян А.Т. Механика от античности до наших дней. - М., 1974.
4. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики (с древнейших времен до конца ХУ111 в.). - М., 1974.
5. Лауэ М. История физики. - М., 1956.
6. Льоцци М. История физики. - М., 1970.
7. Пчелов Е.В. Франческо Мавролик // Земля и Вселенная. - М., 1994.
8. Ришард Собесяк. Шеренга великих физиков. - М., 1973.
9. Советский энциклопедический словарь. - М., 1980.
10. Шмутцер Э., Шютц В. Галилео Галилей. - М., 1987.
©В.Г. Кушнер, 2015
