11073 (История, панорама современного естествознания и тенденции его развития), страница 6

Четвертым законом, который Ньютон формулирует в своих "Началах", был закон всемирного тяготения.

Во второй части Ньютон рассмотрел силы сопротивления среды при движении в ней тел, гидро- и аэростатику, законы волнового движения, простейшие случаи вихревых движений.

В третьей книге ученый изложил общую систему мира и небесную механику, в частности, теорию сжатия Земли у полюсов, теорию приливов и отливов, движение комет, возмущения в движении планет и т. д. Рассматривая все эти явления, Ньютон везде находит подтверждение своего закона тяготения.

"Начала" Ньютона знаменовали новую эру в развитии науки. Они явились прочным фундаментом, на котором успешно строилась физика XVIII-XIX вв., получившая название классической. Книга подводила итог всему сделанному за предшествующие тысячелетия в учении о простейших формах движения материи.

В работах Ньютона раскрывается его мировоззрение и методология исследований. Ньютон был стихийным материалистом. Он был убежден в объективном существовании материи, пространства и времени, в существовании объективных законов мира, доступных человеческому познанию. Своим стремлением свести все к механике Ньютон поддерживал механистический материализм (механицизм).

Свой метод познания, названный впоследствии методом принципов, Ньютон изложил в "Правилах философствования". Этих правил четыре.

Не принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений.

Одинаковым явлениям необходимо приписывать одинаковые причины.

3. Независимые и неизменные при экспериментах свойства тел, подвергнутых исследованию, надо принимать за общие свойства материальных тел.

4. Законы, индуктивно найденные из опыта, нужно считать верными, пока им не противоречат другие наблюдения.

Нельзя не сказать о математических достижениях Ньютона, без которых не было бы и его гениальной теории тяготения. Свой метод расчёта механических движений на основе бесконечно малых приращений величин - характеристик исследуемых движений - Ньютон назвал "методом флюксий" и описал его в сочинении "Метод флюксий и бесконечных рядов с приложением его к геометрии кривых" (закончено в 1671 г., полностью опубликовано в 1736 г.). Вместе с методом Г. Лейбница он составил основу дифференциального и интегрального исчислений. В математике Ньютону принадлежат также важнейшие труды по алгебре, аналитической и проективной геометрии и др.

Глава 7. Естествознание XVIII в.

В XVIII в. в механику проникают методы дифференциального и интегрального исчислений, и она становится аналитической.

Огромная заслуга в развитии механики принадлежала петербургскому академику Леонарду Эйлеру (1707-1783) и парижскому академику Жозефу Луи Лагранжу (1736-1813). "Mexaника" Эйлера появилась в 1736 г. в Петербурге в 2 томах. Eго же "Теория движения твердого тела", рассматриваемая как 3-й том "Механики", вышла в 1765 г. Эйлер определяет механику как науку о движении, изложенную аналитически (методами анализа), "благодаря чему только и можно достигнуть полного понимания вещей".

Эйлер переформулировал основные понятия ньютоновской механики, придав им современную форму, но сохранив сущность по Ньютону. Именно Эйлер впервые записал второй закон динамики в аналитической форме, сделав его основным законом всей механики. В "Теории движения твердого тела" он развил механику вращательного движения.

Эйлер своим гением охватывал все разделы математики. Прекрасные работы выполнены им в области математической физики и гидродинамики. Он написал учебники по арифметике и элементарной алгебре, введению в математический анализ и аналитической геометрии. Его система изложения тригонометрии дошла до нас почти в неизменном виде. Много работ Эйлера посвящено и чисто прикладным наукам. Двухтомная "Морская наука" сыграла колоссальнейшую роль в развитии кораблестроения и кораблевождения в XVIII в. Его "Теория движения Луны" и составленные на ее основе таблицы, сотни лет использовались мореплавателями. На основе его трехтомной "Диоптрики" создавались улучшенные конструкции телескопов и микроскопов.

XVIII век в области механики характеризуется также поисками более общих принципов, чем законы Ньютона. В этот период создается теоретическая механика. Наибольший вклад в ее развитие внес Лагранж.

Главная работа Лагранжа "Аналитическая механика" вышла в Париже в 1788 г. В ней была решена задача, которую он сам формулировал так: "Я поставил цель свести теорию механики и методы решения связанных с нею задач к общим формулам, простое развитие которых дает все уравнения для решения каждой задачи". "Аналитическая механика" Лагранжа состоит из двух частей: статики и динамики. Ирландский математик У. Гамильтон (1805-1865), оценивая вклад Лагранжа в развитие механики, писал, что "из числа последователей этих блестящих ученых (имелись в виду Галилей и Ньютон) Лагранж, пожалуй, больше, чем кто-либо другой, сделал для расширения и придания стройности всей механике. При этом красота метода настолько соответствует достоинству результата, что эта великая работа превращается в своего рода математическую поэму".

Одним из прикладных разделов оптики, получивших развитие в XVIII в., была фотометрия. Этого требовали практические нужды освещения (многие ученые занимались вопросами освещения дворцов и улиц городов). Основоположниками фотометрии являются П. Бугер (1698-1758) и И. Ламберт (1728-1777). Работа Бугера "Опыт о градации света" вышла в 1729 г., "Фотометрия" Ламберта - в 1760 г. Именно в этих работах были введены основные фотометрические понятия: световой поток, сила света, освещенность, яркость. Главным методом фотометрии был метод сравнения освещенностей. Бугер сконструировал фотометр и открыл закон поглощения света.

Учение об электричестве и магнетизме в XVIII в. получило дальнейшее развитие. В этот период закладываются основы электростатики. Большой вклад в развитие этих разделов физики внесли Франклин, Рихман, Ломоносов, Эпинус, Кулон.

Георг Рихман, профессор Петербургской академии наук, изучал электрические явления с 1745 г. Он пытался измерить электричество с помощью весов и изобрел прибор для сравнения электрических сил. С по­мощью изобретенного указателя электричества Рихман предсказал существование электрического поля вокруг заряженного тела.

В 1759 г. вышла работа петербургского академика Эпинуса (1724-1802) "Опыт теории электричества и магнетизма", где ученый ищет не отличия, а сходства между электричеством и магнетизмом. Эпинус считал, что по аналогии с законом тяготения сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Закон взаимодействия электрических зарядов был заново открыт в 1784 г. французским военным инженером, членом Парижской академии наук Ш. Кулоном (1736-1806) с помощью сконструированных им крутильных весов и по праву носит его имя. Только с открытием этого закона учение об элект­ричестве было поставлено на количественную основу.

Наука о теплоте в XVIII в. делает лишь первые шаги. Одним из ее разделов была термометрия, возникшая в первой четверти века. Именно в этот период создаются термометры с двумя опорными точками. Большой вклад в развитие этой отрасли науки внесли Амонтон, Фаренгейт, Реомюр, Цельсий и другие ученые.

В XVIII в. создаются первые теории теплоты. Одна из них рассматривала теплоту как особую невесомую жидкость - теплород; другая, сторонником который был М. В. Ломоносов, утверждала, что теплота - это особый род движения "нечувствительных частиц". Ломоносов считал, что теплота обусловлена вращательным движением корпускул (молекул). Поскольку нет верхнего предела скорости движения частиц, то нет, по Ломоносову, и верхнего предела температуры. Но должна существовать "наибольшая и последняя степень холода", которая состоит "в полном прекращении вращательного движения частиц". Эти мысли были изложены Ломоносовым в работе "Размышления о причине теплоты и холода", опубли­кованной в 1750 г. и явившейся одной из основополагающих работ по кинетической теории тепла.

Период 1745-1750 гг. характеризуется большими творческими достижениями Ломоносова. Он разработал и обосновал новую отрасль знания - физическую химию, кинетическую теорию теплоты и газов, сформулировал закон сохранения материи и движения.

В следующее пятилетие (1750-1755) деятельность Ломоносова развертывается также широким фронтом. Его научная работа протекает по двум направлениям: электрические явления и химия. В этот же период Ломоносов много занимается вопросами окрашивания стекла. К 1752 г. эти опыты были в основном закончены, а в 1753 г. благодаря огромным усилиям Ломоносова был пущен первый завод мозаичного стекла (ныне это знамени­тый завод художественных изделий под Санкт-Петербургом).

Ломоносов впервые предсказал существование абсолютного нуля температуры, объяснил исходя из кинетических соображений закон Бойля. Введя в химию весы, он доказал неправильность мнения об увеличении веса металлов при их обжигании в "заплавленных накрепко стеклянных сосудах". Он впервые высказал мысль о связи электрических и световых явлений, об электрической природе северного сияния, о вертикальных течениях как источнике атмосферного электричества. Защищая волновую теорию света, Ломоносов в оптике проделал большую работу по конструированию оптических приборов, по цветам и красителям, по преломлению света.

Глава 8. Развитие и завершение классической науки в XIX в.

Оставаясь в целом метафизической и механистической, классическая наука и особенно естествознание, готовят постепенное крушение метафизического взгляда на природу.

На первый план выдвигаются физика и химия, изучающие взаимопревра­щения энергии и видов вещества (химическая атомистика). В геологии возникает теория развития Земли (Ч. Лайель), в биологии зарождается эволюционная теория (Ж.-Б. Ламарк), развиваются такие науки, как палеонтология (Ж. Кювье), эмбриология (К.М. Бэр).

Особое значение имели революции, связанные с тремя великими открытиями второй трети XIX в. - клеточной теории Шлейденом и Шванном, закона сохранения и превращения энергии Майером и Джоулем, создание Дарвином эволюционного учения. Затем последовали открытия, продемонстрировавшие диалектику природы полнее: создание теории химического строения органических соединений (A. M. Бутлеров, 1861), периодической системы элементов (Д. И. Менделеев, 1869), химической термодинамики (Я. Х. Вант-Гофф, Дж. Гиббс), основ научной физиологии (И. М. Сеченов, 1863), электромагнитной теории света (Дж. К. Максвелл, 1873).

В результате этих научных открытий естествознание поднимается на качественно новую ступень и становится дисциплинарно-организованной наукой.

XIX век стал веком торжества волновой теории света, созданной и обоснованной главным образом работами Томаса Юнга (1773-1829).

Первой работой Юнга было сочинение "Наблюдение над процессом зрения", написанное в 1793 г., в котором он разработал теорию аккомодации глаза. Занимаясь вопросами оптики, Юнг в 1800 г. сформулировал принцип суперпозиции волн, объяснил явление интерференции, введя в науку этот термин. В 1801 г. вышла его "Теория света и цвета", где была изложена волновая теория света.

В этот период в области оптики шло накопление и других экспериментальных фактов, требующих создания единой теории, объясняющей всё разнообразие оптических явлений. Создателем её явился французский инженер Огюстен Жан Френель.

Из своей теории Френель сделал вывод о том, что скорость света в стекле меньше, чем скорость света в воздухе. Вывод Ньютона, основанный на корпускулярных представлениях, был противоположным. Физика вскоре подтвердила правильность вывода Френеля.

С именем Фарадея связан последний, переломный этап классической физики. В истории естествознания это был период возникновения нового метода, нового подхода к явлениям природы. Если господствующей методологией в естествознании XVIII в. был метафизический материализм, в частности механицизм, расчленяющий мир на отдельные, несвязанные области, то открытия физики XIX в. привели к необходимости отказа от такого подхода. Идея всеобщей связи явлений материального мира, идея развития, скачкообразный переход количественных изменений в новое качество и другие положения диалектического материализма постепенно становились руководящими в исследованиях ученых.

К деятелям нового типа, стихийно использующим идею всеобщей связи явлений, принадлежал и Майкл Фарадей (1791-1867).

В начале XIX в. выяснилось, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая связь. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Мысль о тесной двусторонней связи электричества и магнетизма кажется Фарадею совершенно очевидной, и уже в 1821 г. он ставит перед собой задачу "превратить магнетизм в электричество". Но только в 1831 г. М. Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Эти открытия легли в основу разработки электродвигателя и электрогенератора, играющих ныне столь важную роль в технике.

С 1824 г. Фарадей - член Королевского общества. Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимовлиянии сил природы Фарадей безуспешно пока пытается найти связь между магнетизмом и электричеством. Но раз Ампер смог с помощью электричества создать магниты, то почему нельзя с помощью магнитов создать электричество?! Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи каждого эксперимента, каждой мысли. О громадной работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф "Дневника" был записан под номером 16041! Следует заметить, что в 1827 г. Фарадей получил профессорскую кафедру в Королевском институте. Тщательная подготовка к лекциям тоже требовала немало времени.