Механическая картина мира

План:

1.      Естественно-научные взгляды и методология Леонардо да Винчи.

2.      Гелиоцентрическая система Мира Николая Коперника.

3.      Галелео Галилей и рождение опытного естествознания.

4.      Иоган Кеплер и открытие законов небесной механики.

5.      Механика и методология Исаака Ньютона.

6.      Успехи и трудности механической картины Мира.

Механическая картина Мира.

1.Естественно-научные взгляды и методология Леонардо да Винчи.

     Новая наука, и в частности физика, начинается с Галилея и Ньютона. Но она, как и новая культура, не явилась непосредственным продолжением науки и культуры средних веков. На рубеже 15 в. старую, средневековую культуру стран Западной и Центральной Европы сменила новую культуру, характерными чертами которой были гуманизм, восстановление интереса к античности, возрождение античных ценностей, отрицание схоластики, вера в возможности человека и его разума.

     Это эпоха Возрождения. В это время необычайно быстро развивается живопись, скульптура, архитектура, литература и новое опытное естествознание. И среди этих титанов эпохи Возрождения одним из первых следует назвать Леонардо да Винчи, «которому обязаны важнейшими открытиями самые разнообразные отрасли физики».

     Для Леонардо искусство всегда было наукой. Заниматься искусством значило для него производить научные выкладки, наблюдения и опыты. Связь живописи с оптикой и физикой,  с анатомией и математикой заставляла Леонардо становится ученым. Особенно высоко Леонардо ценил математику.

     Математика Леонардо – это математика постоянной величины, оно, конечно, не могла овладеть сложными проблемами движения. Простота математического аппарата и сложность задач, за которые он брался в физики и технике, в ряде случаев заставляли его заменять математические выкладки наблюдением и измерением, приводили к изобретению многих приборов.

     Что касается воззрений Леонардо да Винчи на пространство и время, то они были такими же, как и у Аристотеля.

     Очень характерно для механики Леонардо да Винчи стремление вникнуть в сущность колебательного движения. Он приблизился к современной трактовке понятия резонанса, говоря о росте амплитуды колебаний при совпадении собственной частоты системы с частотой из вне.

     Большое место в трудах Леонардо занимала гидравлика. Он начал заниматься гидравликой еще в ученические годы и возвращался к ней в течении всей своей жизни. Леонардо спроектировал и частично осуществил постройку ряда каналов. Он почти в плотную приблизился к формулировки закона Паскаля, а в теории сообщающихся сосудов практически предвосхитил идеи 17 в.

     Леонардо в первые и много занимался вопросами полета. Первые исследования, рисунки и чертежи, посвященные летательным аппаратам, относится, примерно, к 1487 г. В его летательном аппарате применялись металлические части; человек располагался горизонтально, приводя механизм в движение руками и ногами.

     Он построил модель планера и готовил его испытание. Стремление обезопасить человека в процессе этих испытаний привело его к изобретению парашюта.

     Во времена Леонардо да Винчи беспредельно господствовала геоцентрическая система мира Птолемея. На несостоятельность ее Леонардо указывал неоднократно. Можно считать, что Леонардо независимо от Коперника приблизился к пониманию гелиоцентрической системы мира.

     Леонардо пытливо наблюдал природу, и уже по одной этой причине он не мог не интересоваться вопросами геологии, палеонтологии и агрономии. Так родилась его теория окаменелостей. Леонардо не боится отказаться от библейских представлений о катастрофах и наводнениях на Земле. Он утверждает, что нахождение окаменелых раковин и растений в загадочных местах ничего общего не имеет с библейскими утверждениями, а вызвано медленным перемещением суши и моря.

     Трудно перечислись все инженерные проблемы, над которыми работал пытливый ум Леонардо. Он изобрел много типов станков для прядения,  тканья и других целей. Среди сохранившихся его записей есть описание циркуля с передвижным центром, землечерпалки, приспособление для водолаза, различных типов бурового инструмента. Особенно много изобретений сделал Леонардо в области военного и военно-инженерного дела.

     В 1502 – 1503 гг. Леонардо да Винчи пишет письмо турецкому султану, где предлагает ему несколько своих изобретений и проектов, в том числе проект моста через бухту Золотой Рог, который соединил бы Галату со Стамбулом и под котором могли бы проплывать парусные судна.

     В этот же период Леонардо да Винчи составляет проект моста через Босфор. Это бал бы огромный мост шириной около 24 метра, высотой от вода 41 метр и длиной 350 метров, причем 233 метра шли над морем, остальные 117 метра – над сушей. Это были исключительно смелые проекты и идеи, получившие свою реализацию значительно позднее.

     Многие художники того времени, несмотря на строгий запрет церкви, изучали анатомию человека. Леонардо вначале интересовался вопросами анатомии как художник. Он изучал мускулатуру тела при различных положениях рук и ног, но вскоре значительно расширил объем анатомических исследований: он стал интересоваться сердцем, кровеносной системой, легкими; он впервые дал правильное описание позвоночного столба и приблизился к современному пониманию роли легких в организме. Значение анатомических работ Леонардо для развития медицины бесспорно. Следует заметить, что деятельность организма, его различных органов, разнообразные движения Леонардо да Винчи рассматривал с точки зрения механики.

     Можно только удивляться и восхищаться многогранностью интересов и пытливостью ума этого мыслителя.

     Подводя итоги научной деятельности этого гиганта, хотелось бы обратить внимание на его методологические взгляды.

     «Истолкователем природы является опыт. Он не обманывает никогда, ошибаются только наши суждения, которые ждут от него то, что он не способен дать. Надо производить опыты, изменяя обстоятельства, пока не извлечем из них общих правил».

     Высоко ценя роль опыта, роль практики, Леонардо да Винчи не был узким практицистом, он хорошо сознавал необходимость теории: «Увлекающийся практикой без науки – словно кормчий, входящий на корабль без руля или компаса: он никогда не уверен, куда плывет. Всегда практики должна быть воздвигнута на хорошей теории. Наука – полководец, а практика – солдаты». Такова методология познания Леонарда да Винчи, сохранившая свою ценность и по сей день.

2.   Гелиоцентрическая система Мира Николая Коперника.

     Геоцентрическая система Птолемея, несмотря на высказываемые сомнения в ее правильность и верные догадки о движении Земли, продержалась в науке 14 веков. И только с началом географических открытий, с переходом от феодального средневековья к новому времени назрела необходимость заменить теорию Птолемея новой.

     В1506г. Коперник, получив образование (математика, каноническое право, медицина, астрономия) вернулся из Италии на Родину в Польшу и в течение 10 лет оформил свои идеи, рожденные в годы учебы и странствий, в виде научной теории – гелиоцентрической системы Мира. В этой системе Коперник низвел Землю до роли рядовой планеты, Солнце он поместил в центре системы, а все планеты вместе с Землей двигались вокруг Солнца по круговым орбитам. В течение 16 лет Коперник ведет астрономические наблюдения Солнца, звезд и планет. В1532г., накануне своего шестидесятилетия, он закончил труд всей своей жизни “О вращениях небесных сфер”. В феврале 1543 г., бессмертное творение Н. Коперника “о вращениях небесных сфер” было напечатано Но сам Коперник увидел свою книгу лишь за несколько часов до смерти (24 мая 1543 г.). Сочинение “О вращениях небесных сфер” состоит из 6 книг. В первой книге приводятся все логические и физические аргументы в пользу движения Земли. Вторая книга содержит элементы сферической астрономии и заканчивается каталогом, содержащим координаты 1025 звезд. Третья книга содержит теорию движения Солнца, четвертая книга – теорию движения Луны. Самой главной является пятая книга, в которой дано полное развитие гелиоцентрической теории планетных движений со всеми математическими доказательствами. В шестой книге изложено видимое движение планет.

    Огромное значение созданной Коперником гелиоцентрической системы Мира обнаружилось после того, как Кеплер открыл истинные законы эллиптического движения планет, а И.Ньютон на их основе – закон всемирного тяготения; когда Леверье и Адамс на основании данных этой системы предсказали существование и теоретически определили местоположение неизвестной планеты (Нептун), а Галле, направив телескоп в указанную ими точку неба, открыл неизвестную планету. В настоящее время учение Коперника не утратило своего значение т.к. оно раскрыло истинную картину Мира и совершило революционный переворот “в развитии системы научного мировоззрения”.

3. Галилео Галилей и рождение опытного естествознания.

    Галилео Галилей – великий итальянский ученый, один из создателей классической механики, родился 15 февраля 1564г., в семье небогатого пизанского дворянина.  Первое образование Галилей получил в монастыре. Семнадцати лет он поступает в Пизанский  университет сначала на медицинский факультет, а затем переходит на юридический, где основате6льно изучает математику и философию. В 1589г. Галилей был назначен профессором математики в Пизанский университет. В эти годы Галилей занимается опровержением учений Аристотеля о пропорциональности скорости падения весу тела. Чтобы опровергнуть данное учение он берет два тела, одинаковые по форме и размерам (чугунный и деревянный шары). Находя соотношения между скоростью падения и временем падения, между пройденным путем и временем падения, Галилей опроверг многовековое заблуждение и доказал постоянство ускорения свободного падения. Но в университете механику и астрономию приходилось излагать в духе Аристотеля и Птолемея. В 1592г он становится профессором университета в Падуе, где проработал 18 лет (по 1610г.). К концу падуанского периода Галилей начинает открыто выступать против системы Птолемея – Аристотеля.

    Сделав зрительную трубу с увеличением в 32 раза и направив ее на небо, Галилей обнаружил неровности Луны; Млечный Путь оказался состоящим из множества звезд, число которых росло с ростом увеличения трубы; у Юпитера были найдены четыре спутника. Все это не соответствовало учению Аристотеля         о противоположности земного и небесного, а подтверждало систему Коперника.

    В 1612г Галилей издает “Рассуждения о телах, пребывающих в воде, и тех, которые в ней движутся”, эта работа была направлена против механики  Аристотеля. Вслед за ней появляется письмо Галилея  о солнечных пятнах. Это было тоже опровержение Аристотеля, но оно не могло пройти незамеченным церковью, церковь обвиняет Галилея в том, что он доказывает движение Земли и неподвижность Солнца; они пытаются добиться запрещения учения Коперника. В 1615г Галилей едет в Рим, чтобы защитить себя и предотвратить запрещение учения Коперника. Но 5 марта 1616г учение Коперника “как ложное и целиком противное Священному Писанию” было запрещено, Галилей получил от святой инквизиции негласный приказ молчать. В 1623г он снова едет в Рим, чтобы добиться отмены ограничений в своей научной деятельности, но официальной отмены ограничений ему добиться не удалось. Несмотря на ограничения Галилей готовит к опубликованию свою основную работу “Диалог о двух главнейших системах мира: Птолемеевой и Коперниковой”. В феврале 1632г книга вышла в свет, туда вошли все произведения Галилея , все то, что было создано им с 1590г по1625г. Цель ученого – представить не только асторономические, но и механические доводы в пользу истинности  учения Коперника.

    Вращение Земли, по словам Птолемея, должно было бы рассеять находящиеся на ней тела; тела при падении должны были бы двигаться не вертикально, а наклонно, так как они будут отставать от движущейся Земли; птицы и облака должны были бы уноситься на запад. Опровергая эти аргументы Галилей приходит к открытию закона инерции. Открытием этого закона было ликвидировано многовековое заблуждение, выдвинутое Аристотелем, о необходимости постоянной силы для поддержания равномерного движения. Современная формулировка этого закона такова: Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не выведет его из этого состояния. Галилей определил механический принцип относительности: никакими механическими опытами, проведенными внутри замкнутой инерциальной системы, невозможно установить: покоится система или движется равномерно и прямолинейно.

    Разговоры собеседников о различных астрономических открытиях (неровностях Луны, пятнах на Солнце, фазах Венеры, спутниках Юпитера) утверждает мысль о справедливости теории Коперника.

    Успех “Диалога” был потрясающим, единомышленники восторженно приветствуют Галилея с  открытием новой эры в изучении природы. Противники же в свою очередь пустили слух, что под маской защитника Аристотеля и Птолемея выведен сам Папа. Началась травля Галилея, в сентябре Галилею было передано повеление папской инквизиции явиться в Рим, но из –за болезни Галилея дают небольшую отсрочку. В феврале 1633г Галилей прибывает в Рим, на допросе он отрицал, что разделял Коперниково учение после того, как инквизиция объявила его еретическим. Галилей твердо стоял на том, что в дискуссионном порядке о гелиоцентрической системе Мира и писать, и говорить не запрещалось, а сама книга была выпущена с разрешения цензуры. После допроса Галилей был арестован и заключен в кандалы инквизиции. 22 июня 1633г в церкви Святой Марии при большом стечении народа состоялся последний акт судилища над Галилеем. По приговору его книга была запрещена, а сам он подлежит тюремному заключению, длительность, которого оставлена на усмотрение Святой службы. Унизительный акт судилища и отречения сильно подорвали здоровье больного Галилея, но несмотря не на все Галилей мысленно видел свое будущее произведение “Беседы и математические доказательства”, в котором идеи “Диалога” получали свое дальнейшее развитие. «Беседы» были закончены в 1637г. В книге обобщено все то, что сделал Галилей в области механики. В 1642г Галилея не стало. Ушел из жизни один из замечательных мыслителей, великий астроном, механик, физик, математик.

    Галилей считается одним из основоположников опытного естествознания и новой науки. Именно он сформулировал требования к научному эксперименту, состоящие в устранении побочных обстоятельств, в умении видеть главное. Путем эксперимента Галилей опроверг учение Аристотеля о пропорциональности скорости падения весу тела, показал, что воздух имеет вес и определил его плотность. Он был первым, кто направил зрительную трубу на небо в научных целях, тем самым, расширив сферу познания. Мысленные эксперименты Галилея построены на идеализации движения шаров, тележек и других материальных объектов по горизонтали и наклонной плоскости. Мысленный эксперимент получил в дальнейшем широкое распространение в физике  и стал важнейшим методом познания, им пользовался Максвелл при создании теории электромагнитного поля. Мысленные эксперименты позволили многим ученым (Максвелл, Больцман, Карно и др.) установить закономерности в хаотическом тепловом движении и термодинамики. Таким образом, и принцип относительности Галилея, получивший свое дальнейшее развитие в теории относительности, и мысленный эксперимент, введенный в науку им же и ставший необходимым методом современной физики, свидетельствуют о чрезвычайно высоком методологическом уровне, на котором в своих исследованиях стоял великий итальянский ученый.