70951-1 (Физика в средние века и эпоху Возрождения)

Физика в средние века и эпоху Возрождения

Горяев М.А.

После Герона и Птолемея наступил упадок физики. Вместо оригинальных научных исследований мы видим компиляции, повторения и псевдонаучные пережевывания.

Римляне из греческой науки периода ее упадка в основном усвоили те моменты, которые могли иметь прямое практическое применение, и широко использовали их, например, в строительстве.

Вместе с тем в римской империи было создано большое число научных энциклопедий. Это в течение многих веков было единственным источником сведений о греческой науке. Но с распадом империи вследствие нашествия варваров традиции греческой школы были надолго забыты на Западе.

На Востоке культурные традиции греческой школы никогда не исчезали, хотя и были ослаблены. Они поддерживались в Византийской империи, а затем были переняты арабами, а от них пришли на Запад уже приблизительно в 13 веке.

1. Физика арабского средневековья

Арабы в средние века создали огромную империю. В начальный период ее становления господствовало презрительное недоверие к греческой культуре. Но с середины 8 века наступает пересмотр этого отношения. На первых этапах ассимиляции культур на арабский язык с греческого и сирийского были переведены труды греческих ученых. В этот же период основываются школы по образцу греческих в новых столицах - Дамаске и Багдаде, где началось самостоятельное развитие арабской науки. Здесь наряду с изучением теологических проблем развивались и естественнонаучные исследования.

Вследствие своих греческих корней интерес арабских ученых в основном был обращен к исследованиям в области механики и оптики. В механике арабы следовали Аристотелю и не внесли значительных новых идей в эту область, за исключением гидростатики. Здесь в 10 веке были введены в употребление гидростатические весы для определения удельного веса, а также объяснено действие артезианских колодцев на основе принципа сообщающихся сосудов.

Следует отметить заслуги Мухаммеда ибн Ахмеда аль-Бируни (973-1048), который проводил эксперименты по определению удельных весов с помощью специального отливного сосуда. Бируни был энциклопедистом, широко известны его исследования по астрономии и географии, в частности, определение угла наклона эклептики к экватору, радиуса Земли и т.п. Также широко известна работа среднеазиатского ученого 12 века Аль Хазини "Книга о весах мудрости", в которой подробно описаны применение закона Архимеда и специально сконструированные весы. При этом обсуждается закон Архимеда для воздуха, зависимость удельного веса воды от температуры, пропорциональность веса количеству вещества, содержащегося в теле.

Наиболее ярким арабским физиком-оптиком был Альхазен, работавший в Египте в начале 11 века.

Альхазен (Ибн Аль-Хайтан, Абу Али Хайсама) (965-1039) - арабский физик, астроном, математик, медик, философ. Родился в Басре. Жил и работал в Каире.

Основные результаты оптических исследований изложены в трактате, переведенном в 12 веке на латинский язык, где выдвинул свою теорию зрения, описал работы с камерой-обскурой и по отражению в зеркалах различных видов, высказал идею о конечности скорости света.

В своей теории зрения Альхазен основывался на анатомическом описании глаза, известном по античным исследованиям. Но он отказался от представлений древнегреческих ученых, что световые лучи испускаются глазом. Несостоятельность этого он показывает с помощью ряда опытов физико-физиологического характера, например, ослеплением при попадании на глаза солнечного света. По Альхазену зрительный образ формируется при воздействии на глаз естественного света и цветовых лучей. Под естественным светом он понимает белый солнечный свет, а под цветовыми лучами - свет, отраженный от цветных предметов.

Главное же принципиальное открытие Альхазена состоит в утверждении того, что каждой точке наблюдаемого предмета соответствует некоторая воспринимающая точка глаза. Если у всех греческих физиков зрение рассматривается как ощущение образа, восприятие всего наблюдаемого тела разом, то по Альхазену из каждой точки предмета исходит бесконечное число лучей и в зрачок тоже попадает бесконечное число лучей. При этом Альхазен основывает свои суждения не только на геометрических построениях, но и на базе описанных им опытов с камерой-обскурой. Помимо работ по теории зрения известны труды Альхазена по экспериментальному и геометрическому рассмотрению плоских, сферических, цилиндрических и конических зеркал, а также исследования по преломлению света.

Фундаментальные работы по оптике Альхазена были в 12 веке переведены на латинский язык и распространялись в рукописи, но широкой известности в средние века не имели. В большей степени был известен трактат по оптике Эразма Вителлия, вышедший в 70-е годы 13 века и где по существу излагались представления Евклида, Птолемея и Альхазена.

2. Физика в эпоху Возрождения

В 11-12 веках после периода упадка наблюдается развитие экономической деятельности в Западной Европе. Благодаря этому и контактам с арабским миром происходит интеллектуальное пробуждение в Испании, Лотарингии, Франции, Шотландии. Первый университет был организован еще арабами в Кордове, а затем уже европейцами в Италии и Франции создаются университеты (в Болонье, а затем в Париже). С 13 века появляются университеты в Падуе, Оксфорде, Кембридже, Неаполе, Риме и т.д. Средневековые университеты сильно отличались от современных. Там было всего 4 факультета: богословский, медицинский, юридический и подготовительный (искусств). Однако до нашего времени сохранились ученые степени доктора и магистра, звания профессора и доцента, лекция как основная форма обучения. До сих пор в европейских университетах торжественные речи читаются, а дипломы пишутся на латинском языке.

В 12 и 13 веках в Испании и Италии были переведены труды Аристотеля, Евклида и Птолемея, а труды Архимеда и Герона почти не были известны. Такое одностороннее изучение физики, а также тот факт, что университеты создавались при монастырях, привело к развитию схоластики и вклад этого периода в естествознание весьма незначителен. Схоластическая наука базировалась на принципе - истина уже открыта в священном писании и в трудах богословских авторитетов, и нужно только изучать и комментировать эту истину.

Однако благодаря университетам в Европе поднялся общий уровень образования и культуры, и именно в этой среде появлялись ученые, искавшие новые пути познания. К ним следует отнести францисканского монаха Роджера Бэкона (1214-1294), который занимался в Оксфорде научными исследованиями. Он резко выступал против всеобщего увлечения книгами Аристотеля, считая, что ученый не должен ограничиваться толкованием авторитетов. Наука по Бэкону должна строиться на строгих аргументах и точном опыте, который доказывает теоретическое заключение. Он сам проводил химические и физические эксперименты, делал астрономические наблюдения, объяснял радугу преломлением световых лучей в каплях воды.

Следует отметить появление в этот период понятия составляющих силы тяжести при рассмотрении сил давления на наклонную плоскость, а также развитие понятий о равнопеременном движении с графическим представлением движения. Известно, что к середине 14 века довольно широкое распространение получили очки. Однако, линзы, скорее всего, были случайным открытием средневековых ремесленников.

Магнетизм - единственный раздел физики чисто средневекового происхождения и связано это с появлением в 11 веке морского компаса - прибора исключительной практической важности. История компаса начинается в Китае, где еще во 2 веке было известно свойство намагниченной иглы указывать направление на север. По всей видимости, арабам из Китая стало известно свойство ориентации магнитной иглы, и они использовали это в мореплавании, а затем все страны Средиземноморья внесли существенный вклад в совершенствование конструкции компаса, в частности, введением подвижной картушки. В середине 13 века появился первый трактат по магнетизму Пьетро Перегрино, в котором указываются отличительные черты хороших магнитов, а также приводятся экспериментальные методы определения полярности магнитов и описание явления магнитной индукции. Однако рассмотренная там теория не выдерживает никакой критики, т.к. основывается на астрологии.

В эпоху средневековья происходит интенсивное развитие техники, появляются новые более мощные источники энергии (водяные и ветряные мельницы), огнестрельное оружие, более легкие конструкции в строительстве, корабли с большим водоизмещением, стекольное производство, производство бумаги, появляются первые мануфактуры и т.п. Иоганн Гутенберг (1401-1468) изобретает книгопечатание отдельными вырезными буквами и печатный станок. Это, с одной стороны изменяло социальные условия и образ мышления широких слоев населения, а с другой - ставило новые проблемы перед естествознанием. Развитие техники и слабость университетской "книжной науки" создали предпосылки для обновления науки, что характерно для эпохи Возрождения. В этот период возникает новый идеал человека, который не должен быть знающим, но не творящим, или творящим, но не знающим, но, как писал Джованни Баттиста делла Порта (1535-1615) в своей "Натуральной магии" был бы человеком, который делает, чтобы знать, и знает, чтобы делать. Наиболее ярким представителем этой эпохи Ренессанса является Леонардо да Винчи.

Леонардо да Винчи (15.04.1452-02.05.1519) - итальянский живописец, скульптор, архитектор, ученый и инженер. Родился в селении Анкино около городка Винчи между Флоренцией и Пизой, внебрачный сын зажиточного нотариуса. В 1472 закончил обучение в флорентийской мастерской живописи и скульптуры, где также приобретал знания по математике, оптике, механике и технике, после чего работает в цехе флорентийских художников. 1482-1499 - военный инженер, архитектор, скульптор и живописец у миланского герцога, 1499-1507 - живописец во Флоренции, 1507-1513 - живописец у французского посланника в Милане, где также занимается анатомией, 1513-1516 - работа в Риме, 1516-1519 - живописец и архитектор при дворе французского короля, где продолжает работы по анатомии.

Научные работы посвящены математике, механике, физике, астрономии, геологии, ботанике, анатомии и физиологии человека. Сконструировал много машин, проектировал каналы, исследовал механическое движение, трение, волны на поверхности воды, капиллярность, движение птиц, сопротивление воздуха, подъемную силу, формирование изображения в камере-обскуре и глазе.

Леонардо был незнатного происхождения, поэтому не имел в юности возможности познакомиться с академическими латинскими трудами своего времени. В силу этого его творчество не было сковано схоластической наукой, не подавлялось господством авторитетов, в первую очередь, Аристотеля, что побудило его к непосредственному наблюдению природы и ее изучению. Леонардо осознает, что его понимание мира, достигнутое опытом, более надежно и правильно, чем почерпнутое из книг понимание ученых того времени: "...Хотя я не умею так, как они, цитировать авторов, я буду цитировать гораздо более достойную вещь - опыт, наставника из наставников".

Леонардо был величайшим изобретателем не только эпохи Возрождения, но и всех времен и народов. История техники насчитывает сотни его изобретений: стальные цепные передачи, различные сцепления (конические, спиральные, ступенчатые), роликовые опоры, "карданово" соединение, различные станки, приспособления для опытов с трением и по проверке сопротивления металлических нитей растяжению, боевые машины, землечерпалки, шлюзы и т.д. Следует отметить, что многие его изобретения создавались в процессе непосредственной инженерной работы и тут же реализовывались в конкретных сооружениях. Но глубина мышления Леонардо толкала его к переходу от чистой техники к обобщениям, от непосредственных технических применений тех или иных идей к выделению самих идей и их отдаленным применениям, характерных для науки.

Леонардо долго и внимательно изучал полет птиц, сформулировав при этом сознательный метод научного исследования, что и является одной и его главных научных заслуг.

В области механики наиболее значительным было исследование Леонардо центров тяжести плоских и объемных фигур. Здесь подобно Архимеду он основывается на математических доказательствах нахождения центра тяжести тетраэдра. В статике он развил учение о моменте силы, а также сформулировал и доказал "теорему об опорном многограннике": тело, опирающееся на горизонтальную плоскость, остается в равновесии, если основание вертикали, проведенной из его центра тяжести, попадает внутрь площади опоры.

Леонардо был не только разносторонним человеком, но и универсальным ученым. В динамике он вплотную подошел к формулировке принципов инерции и равенства сил действия и противодействия, создал теорию движения волн на море, открыл изменение атмосферного давления и создал разновидность рычажного барометра. В оптике он дал первое описание камеры-обскуры и использовал ее для развития теории зрения: обосновал перевернутое изображение внутри глаза и объемное зрение.