Средневековье Европы заканчивается Ренессансом (Возрождением) – тектоническим периодом, предшествующим Новому времени и характеризуемым становлением гуманистического мировоззрения и возрождением античной науки. Ренессанс – не столько исторический период, сколько интеллектуальное и культурное движение. Явление наблюдалось сразу в нескольких европейских странах, поэтому точно назвать место и время появления Ренессанса трудно. Но раннее итальянское Возрождение началось в 14-ом веке во Флоренции. Из Италии Ренессанс просочился в другие европейские страны. Так, французский Ренессанс расцветает с конца 15-ого века, в Англии, Германии и Нидерландах, так называемое «Северное Возрождение» началось позже, и оказалось тесно связанным с движением за Реформацию церкви (16–17 века), породившим новые христианские конфессии (лютеранство, кальвинизм, англиканство и т. д.), то есть протестантизм.
«Почему движутся планеты?» – этот вопрос интересовал людей с глубокой древности. Планеты (в дословном переводе с латинского – «блуждающие звезды») всегда были в центре внимания пытливых умов. По мнению Платона, планеты наделены разумом и в силу этого сами понимают, каким образом и куда им надо двигаться. Аристотель предложил в качестве «перводвигателя планет» неподвижного Бога. В средние века планеты доверили двигать ангелам. Декарт заменил ангелов и перводвигатель эфирными вихрями, увлекающими в своем движении планеты. Убеждение, что планеты надо двигать, а не то они остановятся, было всеобщим. К концу 16-того века некоторые ученые стали понимать, что если исключить силы трения, то нет необходимости в силах, поддерживающих движение. Планеты стали двигаться в пустоте. Коперник, «остановив Солнце и заставив двигаться Землю», сделал Землю планетой.
Иоганн Кеплер (1571–1630)
Иоганн Кеплер – немецкий математик, астроном, механик, оптик, первооткрыватель законов движения планет Солнечной системы. В ходе астрономических исследований Кеплер внёс вклад в теорию конических сечений. Он составил одну из первых таблиц логарифмов, ввел понятие о среднем арифметическом значении, исследовал симметрию снежинок, развивал идеи, ведущие к понятиям интеграла и проективной геометрии. Ввёл в физику термин «инерция», независимо от Галилея сформулировав первый закон механики Ньютона, построил общую теорию линз и их систем. Усовершенствовав телескоп Галилея, предложил свой вариант – «телескоп Кеплера», вытеснивший предшественника и использующийся даже сегодня.
В начале 17 века Иоганн Кеплер, обрабатывая наблюдения Тихо Браге за движением планет (в основном Марса), открыл три закона планетных движений, известных как законы Кеплера:
1) Каждая планета движется в пространстве по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.
2) Радиус-вектор планеты описывает равные площади за равные промежутки времени.
3) Квадраты периодов обращения двух планет вокруг Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их орбит.
1-ый закон Кеплера
2-ый закон Кеплера
3-ый закон Кеплера
Из всех открытий Кеплера отметим только революционное для его эпохи открытие – траектории планет являются эллипсами, а не окружностями! Вся сложная система эпициклов, введенных, чтобы объяснить неравномерные и даже попятные движения планет (того же Марса), наблюдаемые с Земли, оказалась ненужной. Коперник за счет переноса центра с Земли на Солнце смог уменьшить число эпициклов с 77 (у Птолемея) до 34, а Кеплер свел их нулю! Как ни удивительно, но ни Галилей, ни Браге с этим не согласились. Принять уродливые эллипсы вместо божественно совершенных окружностей для них было противоестественно.
Сам Кеплер, обнаружив, что планеты движутся по «некрасивым» эллиптическим орбитам, начал искать новую красоту в устройстве Мира. И вскоре он её «нашел» – оказалось, что орбиты планет вписаны в правильные многогранники (платоновы тела), которых оказалось ровно столько, чтобы «объяснить», почему планет только шесть (другие планеты еще были неизвестны). Обнаружение других планет разрушило эти построения – в очередной раз красота пифагорейской идеи оказалась миражом.
Рождение физики
Физика – сравнительно молодая наука. Общепринято датировать её рождение 17-ым веком и связывать с именами Галилея и Ньютона. Ранее она была растворена в «Натуральной Философии» – сложном коктейле сведений, весьма разбухшем по сравнению с античной натурфилософией. В него включились разнородные факты из механики, астрономии, химии, геологии, физиологии и т. п., разбавленные буферным раствором религиозно-философских идей.
Дистилляция этого раствора началась в западной Европе, что в конечном итоге позволило всему христианскому Западу занять доминирующие позиции перед лицом более древних и могущественных цивилизаций Востока. Сам исходный раствор был очень богат не только полезными компонентами (фактами, технологиями, как созданными в Европе, так и заимствованными у Китая и мусульманского Востока), но и буферными (не позволяющими менять концентрацию религиозно-философских идей). Европейская критика Аристотеля в 15–16 веках была очень робкой, так как его идеи (где они не противоречили учению церкви) стали базисом физических объяснений. Очевидные нелепости частных утверждений великого Философа разрешалось устранять, но основные его положения поддерживала церковь как авторитетом Отцов Церкви, так и кострами Святой инквизиции.
Основным механизмом «дистилляции» натурфилософии был Эксперимент – физический аналог юридической процедуры дискуссии между защитой и обвинением. Физик выдвигает гипотезу (обвинение), а природа пытается «защищаться» в эксперименте путем согласия, отрицания или умолчания. В европейской традиции закрепился принцип презумпции невиновности: «Бремя доказательства вины лежит на обвинителе». Он существовал еще в Древней Греции, но на Западе вновь возник во времена инквизиции как противовес уверенности инквизиторов в виновности преследуемых ими еретиков. В Китае вплоть до Нового времени действовал принцип презумпции виновности, который требовал от судей пытать обвиняемых, чтобы добиться от них правды (китайские пытки, особенно в древности, были одними из самых жестоких и изощрённых в мире). В любом случае представления о необходимости «пытать природу» сохранились в названиях современных научных объединений (например, МОИП – Московское общество испытателей природы, существующее с 1805 года). Для пыток необходимы пыточные орудия, у физиков эти устройства называются физическими приборами. В наше время их существует невероятное множество с самыми сложными функциями и в широчайшем диапазоне размеров: от микроскопических чипов до ускорителей, не умещающихся в границах одного государства, или системы радиотелескопов, расположенных на разных континентах. В момент рождения физики приборов было мало и в основном они использовались в навигации и астрономии (астролябия и секстант для измерения углов, компас), а также в торговле (мерная линейка, бочка, весы) и в грубом измерении времени (песочные, водяные и механические часы).
Галилео Галилей – итальянский физик, механик, астроном, философ, математик, оказавший значительное влияние на науку своего времени. Галилей – основатель экспериментальной физики. Своими экспериментами он убедительно опроверг умозрительную физику Аристотеля и заложил фундамент классической механики. Одним из первых использовал телескоп для наблюдения небесных тел и сделал ряд выдающихся астрономических открытий. Наиболее известная фигура в конфликте науки с церковью, считается одним из «отцов» классической механики.
Галилео Галилей (1564–1642)
Согласно легенде, в 1589 году Галилей провёл эксперимент, сбросив два шара различной массы со знаменитой падающей башни в Пизе, чтобы продемонстрировать, что время падения не зависит от массы шара (Аристотель считал, что массивные тела падают быстрее). Современные историки науки полагают, что этот опыт был только мысленным, так как никаких записей об этом эксперименте Галилей не сделал, но подробно описал свои менее убедительные опыты, посвященные этой же тематике.
Каким же образом Галилей пришел к своему знаменитому утверждению? Известно, что он экспериментировал с гладкой наклонной плоскостью, по которой скатывал тяжелые шары. Выбирая достаточно протяженную плоскость и малые углы её наклона, можно уменьшить скорость движения тела, что позволит с достаточной точностью измерить время движения тела по плоскости даже с помощью грубых измерителей времени (Галилей использовал водяные часы и собственный пульс).
Результаты экспериментов и позволили Галилею утверждать, что:
1. Свободное падение всех тел в пренебрежении сопротивлением воздуха происходит с постоянным ускорением.
2. Скорость падения нарастает пропорционально времени движения.
3. Пройденный путь пропорционален квадрату времени движения.
Таким образом, Галилея серией простых опытов смог решить задачу о падении тела, не прибегая к спекулятивным рассуждениям и философским гипотезам Аристотеля, и, более того, получил математические выражения для законов изменения скорости падающего тела и проходимого телом пути. Фактически он указал путь, по которому дальше пошла наука физика – выполнение экспериментов, то есть многократное повторение опытов в контролируемых условиях с последующей математической обработкой результатов измерений.
Выдающийся физик современности Стивен Хокинг писал: «Галилей, пожалуй, больше, чем кто-либо другой из отдельных людей, ответствен за рождение современной науки. Знаменитый спор с Католической Церковью занимал центральное место в философии Галилея, ибо он одним из первых объявил, что у человека есть надежда понять, как устроен мир, и, более того, что этого можно добиться, наблюдая наш реальный мир».
Фигура Галилея настолько значительна в истории возникновения научной механики, что представляется целесообразным привести о нем краткие биографические сведения и вспомнить историю с его знаменитой фразой «И все-таки она вертится!».