Естественно-научная революция Аристотеля

Нобелевский лауреат по химии Илья Романович Пригожин (1917-2003) справедливо отмечал, что наука развивалась не только как интеллектуальная игра или ответ на запросы практики, но и как страстный поиск истины. Этот поиск находит свое выражение в попытках ученых разных веков создать естественно-научную картину мира.

Естественно-научная картина мира – это образ мира, который создается на основе естественно-научных знаний о его строении и законах. Важнейшим принципом создания естественно-научной картины мира является принцип объяснения законов природы из исследований самой природы, не прибегая к ненаблюдаемым причинам и фактам.

Рассмотрим достижения античной науки с точки зрения развития естествознания. Они необходимы для адекватного понимания концепций современного естествознания

Попытка понять и объяснить мир без привлечения таинственных сил была впервые предпринята древними греками. В древней Греции появились первые научные учреждения: академия Платона, лицей Аристотеля и Александрийский музей, в рамках которого велись интересные научные изыскания, александрийская библиотека при музее, в которой содержалось до 700 тысяч рукописей. В Древней Греции впервые была выдвинута идея единой материальной основы мира. Самой гениальной была идея атомистического строения материи, впервые выдвинутая Левкиппом (5в. до н.э.) и развитая его учеником Демокритом (460-370гг до н.э.). Жизнь Демокрита – образец глубокой преданности науке, познанию мира. Занятия наукой, философией он ставил превыше всего. Он много путешествовал по Востоку, был в Египте, Вавилонии, Индии и Эфиопии, усвоил научные и философские достижения древневосточных культур.

Суть учения Демокрита сводится к следующему:

1) не существует ничего кроме атомов и чистого пространства;

2) атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме;

3) из «ничего» не происходит «ничего»;

4) ничто не совершается случайно, только по какому-либо основанию и в связи с необходимостью;

5) различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке.

Математическим масштабом атомов является «амер», как минимальный масштаб физической протяженности размера атома. Атомы находятся в вечном движении. Причины, вызывающие движение атомов, заложены в самой природе атомов: им свойственна тяжесть, трясучесть (пульсирование, дрожание). Атомы это единственная реальность. Пустота, в которой происходит движение атомов – это лишь фон, лишенный структуры, бесконечное пространство. Атомы, согласно Демокриту, различны по размерам и бывают самой разнообразной формы – шарообразные, крючкообразные, вогнутые, выпуклые и т.п.

Демокрит впервые описал Млечный Путь как огромное скопление звезд, Исторической заслугой античного атомизма является формирование и разработка принципа детерминизма (причинности). В соответствии с этим принципом любые события влекут за собой определенные следствия и в то же время представляют собой следствие из некоторых других событий.

Большую роль в развитии естествознания сыграл Платон (4в. до н.э.) – античный философ. Среди естественнонаучных идей философии Платона особое место занимает концепция математики и роли математики в познании природы, мира, Вселенной. Из математики основной Платон считал арифметику, поскольку идея числа не нуждается в своем обосновании и других идеях. Идея о том, что мир написан на языке математики, глубоко связана с учением Платона об идеях или сущностях вещей окружающего мира. У Платона получалось, что астрономия ближе к математике, чем физика, поскольку астрономия наблюдает и выражает в количественных математических формулах гармонию мира, созданную Богом, наилучшего и самого совершенного, целостного, напоминающего огромный организм.

О значении, которое он придавал математике, свидетельствует надпись над входом в платоновскую Академию: «Несведущим в геометрии вход воспрещен». Математическими образами и аналогиями пронизана вся философия Платона.

По мере накопления знаний о мире задача их систематизации становилась все более актуальной. Эта задача была выполнена Аристотелем (384-322г.г. до н.э.) – учеником Платона. Аристотель родился в Стагире, жил в Афинах, в течение 20 лет учился в Академии Платона, был его лучшим учеником, но часто не соглашался со своим учителем («Платон мне друг, но истина дороже»). Аристотель – философ, основатель логики, биологии и теории управления. Он был наставником и учителем Александра Македонского. В работе «Физика» он рассматривает вопросы о материи и движении, о пространстве и времени, о конечном и бесконечном. В другой работе «О небе» он привел два веских доказательства в пользу того, что Земля не плоская тарелка, а круглый шар.

Во-первых, Аристотель догадался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земля оказывается между Луной и Солнцем. Земля всегда отбрасывает круглую тень на Луну, а это может быть лишь в случае, если Земля имеет форму шара.

Во-вторых, из опыта своих путешествий греки знали, что Полярная звезда на небе в южных районах располагается ниже, чем в северных. Зная разницу в кажущемся расположении Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель сумел вычислить длину экватора.

Аристотель полагал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды обращаются вокруг нее по круговым орбитам.

Устройство мира по Аристотелю выглядит следующим образом. Вселенная имеет форму шара с конечным радиусом. Поверхностью шара является сфера, поэтому Вселенная состоит из вложенных друг в друга сфер. Центром мира является Земля. Мир делится на лунный и подлунный. Подлунный мир – это Земля и сфера, на которой прикреплена Луна.

Весь мир состоит из пяти элементов: вода, Земля, воздух, огонь и лучезарный эфир. Из эфира состоит все: звезды, светила, пространство между сферами и сами надлунные сферы. Эфир не может быть воспринят органами чувств. Важную роль в космологии Аристотеля играл принцип отсутствия пустоты в природе. («Природа не терпит пустоты».)

Аристотель считал, что мир создан с определенной целью. Поэтому у него во Вселенной все имеет свое целевое назначение или место: огонь, воздух стремятся вверх, Земля, вода – к центру мира, к Земле. В мире нет пустоты, т.е. все занято эфиром. Кроме пяти элементов есть нечто «неопределенное», которое называется «первой материей». В его космологии мир надлунный является вечным и неизменяемым. Законы надлунного мира отличаются от законов мира подлунного. Сферы надлунного мира равномерно двигаются по окружностям вокруг Земли, делая полный оборот за одни сутки. На последней сфере находится перводвигатель. Являясь неподвижным, он придает движение всему миру.

В понимании движения Аристотель различал 4 вида движения:

1) увеличение или уменьшение;

2) превращение или качественное изменение;

3) возникновение и уничтожение;

4) движение как перемещение в пространстве.

Предметы относительно движения могут быть неподвижны, самодвижущиеся, движущиеся не спонтанно, а посредством действия других сил.

Движение в пространстве может быть круговым, прямолинейным и смешанным. Поскольку в мире нет пустоты, то движение должно иметь непрерывный характер, т.е. от одной точки пространства к другой. Отсюда следует, что прямолинейное движение является прерывным, так, дойдя до границы мира, луч света, распространяясь по прямой, должен прервать свое движение, т.е. изменить свое направление. Круговое движение Аристотель считал самым совершенным и вечным, равномерным, именно оно свойственно движению небесных сфер.

Мир, по философии Аристотеля, является космосом, где человеку отведено главное место. В вопросах отношении живого и неживого, Аристотель был сторонником органической эволюции. Теория происхождения жизни Аристотеля предполагает «спонтанное зарождение из частиц вещества», имеющих в себе некое активное начало, которое при некоторых условиях может создавать организм.

Во 2 в. до н.э. александрийский астроном Птоломей выдвинул свою систему мира. Считая Землю шарообразной, а размеры ее ничтожными по сравнению с расстоянием до планет и, тем более, до звезд, Птоломей вслед за Аристотелем утверждал, что Земля – неподвижный центр Вселенной. Согласно его учению, вокруг Земли движутся (в порядке удаленности от Земли) Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн, звезды. Движения Луны и Солнца – круговые, а движения планет гораздо сложнее. Каждая из планет движется вокруг некоторой точки, которая также движется по кругу, в центре которого находится Земля. Круг, описываемый планетой вокруг движущейся точки, Птоломей назвал эпициклом, а круг, по которому движется точка около Земли, - деферентом.

Такое искусственное построение потребовалось Птоломею для того, чтобы, основываясь на ложном представлении о неподвижности Земли, расположенной в центре Вселенной, объяснить видимую сложность движения планет.

Первой естественно-научной революцией было создание последовательного учения о геоцентрической системе мира

Система мира Аристотеля – Птоломея давала возможность заранее вычислять движение планет на будущее время – это было необходимо для ориентировки в пути во время путешествий и для календаря. Эту ложную систему мира признавали почти полторы тысячи лет.

В Древней Греции зародились основы всем известной школьной геометрии, ее постулаты, ее теоремы – это не что иное, как переработанные «Начала» Евклида (3в. до н.э.). Его предшественники многое сделали для развития геометрии, но все это были отдельные фрагменты. Единую логическую схему геометрии смог дать только Евклид в своих «Началах» - уникальном произведении в истории человеческой культуры. Геометрия Евклида – это первая математическая теория пространства.

Другим выдающимся ученым древнего мира является Архимед (287-212 г.г. до н.э.). Это был первый представитель математической физики, стремящийся воплотить законы механики (закон рычага, учение о центре тяжести, о плавании тел) в действующие конструкции машин.

Общеизвестным в настоящее время является закон Архимеда. Этот закон изложен в сочинении «О плавающих телах», где путем логических рассуждений приходит к его формулировке: На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом.

Развитие научного метода связано не только с культурой и цивилизацией Древней Греции. В древних цивилизациях Вавилона, Египта, Китая и Индии происходило развитие математики, астрономии, медицины и философии. В 301 г. до н.э. войска Александра Македонского вошли в Вавилон, в его завоевательных походах участвовали представители греческой учености. К этому времени вавилонские жрецы располагали достаточно развитыми знаниями в области астрономии, математики и медицины. Из этих знаний греки заимствовали деление суток на 24 часа, деление окружности на 360 градусов, описание созвездий.

Гелиоцентрическая система Коперника.

Начало научной революции положил труд Н.Коперника (1473-1543) «О вращении небесных тел». Согласно его учению, в центре мира находится не Земля, а Солнце. Вокруг Земли движется лишь Луна. Сама Земля является третьей по удаленности от Солнца (после Меркурия и Венеры) планетой. Она обращается вокруг Солнца и вращается вокруг своей оси. За орбитой Земли расположены орбиты Марса, Юпитера и Сатурна. На очень большом расстоянии от Солнца Коперник поместил «Сферу неподвижных звезд». Система мира, предложенная Коперником, называется гелиоцентрической. Он объяснил петлеобразное движение планет двумя движениями Земли: ее вращением вокруг своей оси и обращением вместе с другими планетами вокруг Солнца. Коперник впервые в астрономии дал правильную оценку строения Солнечной системы, определил относительные расстояния (в единицах расстояния от Земли до Солнца) планет от Солнца и вычислил период обращения планет вокруг него. Учение Коперника стало мощным толчком для развития всего естествознания.

В 1609 году итальянский ученый Галилео Галилей (1564-1642гг) сделал открытия, наглядно подтверждающие учение Коперника, используя телескоп с двадцатикратным увеличением. Он открыл четыре спутника планеты Юпитер. Их движения вокруг Юпитера опровергало представление о том, что Земля является центром небесных тел. Галилей обнаружил, что Венера, подобно Луне, меняет свои фазы. Следовательно, Венера – шарообразное тело, которое светит отраженным солнечным светом. Изучая особенности изменении вида Венеры, Галилей сделал правильный вывод о том, что она движется не вокруг Земли, а вокруг Солнца. На Солнце, олицетворявшем «небесную чистоту», Галилей открыл пятна и, наблюдая за ними, установил, что Солнце вращается вокруг своей оси. Наконец, он обнаружил, что Млечный Путь – это множество слабых звезд, неразличимых невооруженным глазом. Следовательно, Вселенная значительно грандиознее, чем думали раньше.

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности, впервые сформулированный Галилеем для механического движения. Механическое движение и его характер зависит от системы отсчета. Система отсчёта – это произвольно выбранная система материальных тел, с которой связана система прямоугольных координат. Эта система координат позволяет определить положение тел в пространстве и изменение их положения относительно других тел в этом пространстве результате их механического движения.

Так система отсчета, в которой выполняется 1 закон Ньютона, называется инерциальной системой отсчета. Это такая система, которая либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно относительно какой-то неподвижной. Опытным путем установлено, что с большой степенью точности инерциальной можно считать гелиоцентрическую систему отсчета, начало координат которой находится в центре Солнца, а оси проведены в направлении определенных звезд. Система отсчета, связанная с Землей, неинерциальная, однако эффекты, обусловленные ее неинерциальностью, связанные с вращением вокруг собственной оси и обращением вокруг Солнца, при решении многих задач пренебрежимо малы и в этих случаях можно считать инерциальной. Если системы отсчета движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно и в одной из них справедливы законы динамики Ньютона, то эти системы – инерциальные.

Установлено, что во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму. В этом сущность механического принципа относительности Галилея. Он означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой не изменяются, т.е. инвариантны по отношению к преобразованию координат (инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой).

Галилей обратил внимание на то, что никакими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. Равномерное и прямолинейное движение, равно как и покой, может существовать при отсутствии всяких сил.

В 1616 году книга Коперника «О вращении небесных сфер» была запрещена церковью, а изложенное в ней учение объявлено противоречащим Священному Писанию. Галилею запретили пропагандировать учение Коперника. В1633 году Галилей предстал перед судом инквизиции, где его заставили подписать отречение от своих взглядов. Лишь в 1692 году католическая церковь окончательно оправдала Галилея.

Однако никакие запреты не смогли остановить распространение учения Коперника. В Австрии Иоганн Кеплер (1571-1630гг) развил учение Коперника, открыв законы движения планет. В 1600г. вплотную занявшись исследованием Марса, он пришел к выводу, что орбита Марса должна быть эллипсом. В современной формулировке законы Кеплера звучат так:

1) каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце;

2) каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем площадь сектора орбиты, описываемая радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени обращения;

3) квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него.

Помимо сказанного, Кеплеру принадлежит немало заслуг в астрономии и математике. Он разработал теорию солнечных и лунных затмений, предложил способы их предсказания, уточнил величину расстояния между Землей и Солнцем, составил таблицы, по которым в любой момент времени можно было с высокой степенью точности определять в любой момент времени положение планет.

Однако он не объяснил причины движения планет, ибо не существовало понятий силы и взаимодействия.

В России учение Коперника смело поддерживал М. В. Ломоносов(1711-1765гг), который открыл атмосферу на Венере, защищал идею о множественности обитаемых миров и в остроумных стихах высмеивал сторонников геоцентризма.