Концепция современного естествознания в средневековье

Именно Бруно принадлежит  первый и достаточно четкий эскиз  картины вечной, никем не сотворенной, вещественной единой бесконечной и  безграничной 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.

Кеплер: три закона планетных движений

После работ Коперника  дальнейшее развитие астрономии требовало  значительного расширения и уточнения  эмпирического материала, наблюдательных данных о небесных телах. Европейские  астрономы продолжали пользоваться 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 XVI в., когда в 1580 г. в Дании на островке Вен (в 20 км от Копенгагена) построили  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', секстанта для измерения угловых расстояний между звездами, большого небесного глобуса и др.) был Тихо Браге, датский дворянин, посвятивший свою жизнь не воинским подвигам, а служению богине Неба — Урании.

Первое выдающееся открытие Браге сделал еще в 1572 г., когда, наблюдая за вспыхнувшей яркой звездой  в созвездии Кассиопеи, 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, полученных в то время, когда еще не знали телескопов и других оптических инструментов. Так, сравнение с современными данными показало, что средние ошибки при определении положений звезд у него не превышали 1', а для 21 опорной звезды — даже 40''.

Браге был блестящим астрономом-наблюдателем, но не теоретиком. Это мешало ему  в полной мере оценить учение Коперника. Однако Браге тоже ощущал недостатки птолемеевской геоцентрической 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 Браге встретил Иоганна Кеплера. На смертном одре он 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 научный подвиг — заложил  фундамент новой теоретической  астрономии. Он показал, что законы надо искать в природе, а не вьщумывать 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 руководствовался идеальными, математически  совершенными числовыми отношениями  и геометрическими формами, Кеплер пытался объяснить существование только шести планет Солнечной системы существованием всего пяти правильных многогранников [1]. Кеплер нацелен математически связать орбиты планет со сферами, вписанными в многогранники и описанными вокруг них. Затем закономерно возникает вопрос об отношениях радиусов орбит планет между собой, решение которого подводит Кеплера к поиску точных законов гелиоцентрического планетного мира и превращает эту задачу в главное дело жизни.

1 Во времена Кеплера были известны только шесть планет Солнечной системы, наблюдаемых невооруженным глазом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн. Планета Уран была открыта У. Гершелем в 1781 г., Нептун открыт астрономом И.Г. Галле и математиком и астрономом У. Леверье в 1846 г., Плутон был обнаружен лишь в 1930 г.

В ходе длительной напряженной  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 спелости духа. К ним, в частности, относилось представление о том, что только круговое, равномерное, «естественное» движение единственно допустимо для небесных тел. Даже Коперник и Галилей остались во власти этого убеждения, считая незыблемым древний космологический принцип. Против этой научной догмы и выступил Кешгер. 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 два закона планетных движений (сначала для Марса, затем распространил их на другие планеты и их спутники).

Первый закон утверждал  эллиптическую форму орбит и  тем разрушал принцип круговых движений в Космосе. Второй закон показывал, что планеты не только движутся по эллиптическим орбитам, но и движутся по ним неравномерно: скорость планет изменяется 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 кинематической. 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 о ее природе.

Уже в 1596 г. в своем первом сочинении «Космографическая тайна» он обратил внимание на то, что с  удалением от Солнца периоды обращения  планет увеличиваются быстрее, чем  радиусы их орбит, т.е. уменьшается  скорость движения планет. Здесь возможны два объяснения: во-первых, движущая сила сосредоточена в каждой планете, и у далеких планет она почему-то меньше, чем у близких (так думал Браге); во-вторых, движущая сила едина для всей системы и сосредоточена в ее центре — Солнце, которое действует сильнее на близкие 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 относятся как кубы средних расстояний этих планет от Солнца. Это окончательно убедило его в том, что движением планет управляет именно Солнце.

Кеплер впервые поставил вопрос о физической природе и  точном математическом законе действия силы, движущей планеты. Действие Солнца на планеты Кеплер сравнивал с  действием магнита. 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 действует  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 зависимости 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.

Галилей: разработка понятий и принципов  «земной динамики».

В формировании классической механики и утверждении нового мировоззрения  велика заслуга Галилео Галилея. Галилей родился в тот год (1564), когда умер Микеланджело и родился  Шекспир. Галилей — выдающаяся личность переходной эпохи от Возрождения  к Новому времени. С прошлым его  сближает еще многое. Так, он не определился  с вопросом о бесконечности мира; не признавал законов Кеплера [1]; у него нет еще представления  о том, что тела движутся в «плоском»  однородном пространстве благодаря  их взаимодействиям, и др. Но в то же время он весь устремлен в будущее — он открывает дорогу математическому естествознанию. Он был уверен, что «законы природы написаны на языке математики»; его стихия — мысленные кинематические и динамические эксперименты, логические конструкции; главный пафос его творчества — возможность рационального постижения законов природы. Смысл своего творчества он видит в физическом обосновании гелиоцентризма, учения Коперника. Галилей закладывает основы экспериментального естествознания, показывая, что естествознание требует умения делать научные обобщения из опыта, а эксперимент — важнейший метод научного познания.

1 Галилей считал их  просто воскрешением древней  пифагорейской идеи о роли  числа во Вселенной, несовместимой  с новым экспериментальным естествознанием,  за которое он боролся.

Еще будучи студентом (университета г. Пизы), Галилей делает открытие большой научной и практической значимости — открывает закон изотропности колебаний маятника, который сразу же нашел применение в медицине, астрономии, географии, прикладной механике. Он усовершенствовал зрительную трубу (изобретена в 1608 г.) и превратил в телескоп с 30-кратным приближением, с помощью которого совершил ряд выдающихся астрономических открытий: спутников Юпитера, Сатурна, фаз Венеры, солнечных пятен, обнаружение того, что Млечный Путь представляет собой скопление бесконечного множества звезд, и др.

За признание своих  Открытий Галилею пришлось вести  борьбу с церковной ортодоксией: его деятельность происходила в  атмосфере Контрреформации, усиления католической реакции. Это был трагический  для естествознания период истории. Речь шла о суверенитете разума в  поисках истины. В 1616 г. учение Коперника  было запрещено, а его книга внесена в инквизиционный «Индекс запрещенных книг». После выхода в свет «Индекса» начались сумерки итальянской науки, в научных кругах воцарилось мрачное безмолвие.

Церковь дважды вела процессы против Галилея. После первого процесса в 1616 г. Галилей был вынужден перейти  к методам «нелегальной борьбы»  за коперниканизм. Но он продолжал исследование законов движения тел под действием сил в земных условиях. Основные итоги этих исследований он изложил в книге «Диалог о двух системах мира», опубликованной во Флоренции в 1632 г.

Книга Галилея вызвала  восторг в научных кругах всех стран и бурю негодования среди  церковников. Иезуиты немедленно начали кампанию против Галилея, которая привела  ко второму процессу инквизиции в 1633 г. Инквизиция пригрозила Галилею не только осудить его как еретика, но и уничтожить все его рукописи и книги. От него требовали признания  ложности учения Коперника. Галилей  вынужден был уступить. Ценой тягчайшей  моральной пытки, невероятных унижений перед теми, кого он так страстно бичевал в своих произведениях, Галилей купил возможность завершения своего дела.

Существует легенда, что 22 июня 1633 г. в церкви Святой Марии  после прочтения текста формального  отречения Галилей произнес фразу  «Eppur si muove!» (И все-таки она движется!) Эта легенда вдохновила многих художников, писателей, поэтов. На самом деле эта фраза не была произнесена ни в этот день, ни позже. Но тем не менее эта непроизнесенная фраза выражает действительный смысл жизни и творчества Галилея после приговора. В годы, последовавшие за процессом, Галилей продолжал разработку рациональной динамики.