Материал к уроку История развития физики от древности до Средневековья

СТАНОВЛЕНИЕ ФИЗИКИ

Зарождение научных знаний на древнем Востоке

В ходе своей эволюции человек, наряду с фантастическими представлениями о природе, обогащался реальными знаниями о небесных светилах, растениях и животных, о движении и силах, метеорологических явлениях и т.д. Накопленные знания и практические навыки, передаваясь от поколения к поколению, образовывали первоначальный фон будущей науки. Решающую роль здесь сыграло возникновение земледелия. Там, где сложились условия для получения устойчивых урожаев на одном и том же месте и из года в год, создавались крупные поселения, города, а затем и древние государства. Такие условия возникли в Северной Африке в долине Нила, ежегодные разливы которого оставляли на полях плодородный ил, в двуречье между реками Тигр и Евфрат, где уже в IV тысячелетии до н. э. стали складываться древнейшие рабовладельческие государства, ставшие колыбелью современной науки. Общественные потребности привели к появлению письменности: иероглифов в Египте, клинописи в Вавилонии, к возникновению астрономических и математических знаний.

Сохранившиеся до настоящего времени египетские папирусы II тысячелетия до н. э. содержат решение различных задач, встречающихся в практике, математические вычисления, вычисления площадей и объемов. Площадь круга египтяне вычислили, возводя в квадрат восемь девятых диаметра, что дает для числа п достаточно хорошее приближенное значение - 3,16. Египтяне разработали календарь, состоявший из двенадцати месяцев по 30 дней и пяти дополнительных дней в году. Месяц был разделен на три десятидневки, сутки - на двадцать четыре часа.

Высокого уровня достигли вавилонская математика и астрономия. Вавилоняне знали теорему Пифагора, вычисляли квадраты и квадратные корни, кубы и кубичные корни, умели решать системы уравнений и квадратные уравнения. Им принадлежит также разделение эклиптики на двенадцать созвездий зодиака.

Вавилонская и египетская наука возникли из потребностей практики. Что же касается теоретического мышления египтян и вавилонян, то оно не выходило за рамки анимизма и мифологии; монополия на объяснение тайн принадлежала жрецам.

Эллинистический период

Развитие науки в эпоху эллинизма

Войны Александра Македонского (356 - 323 гг. до н. э.) изменили лицо древнего мира и привели в соприкосновение греческую и восточную цивилизации. Из этого контакта возник сплав культуры, играющий большую роль в мировой истории, и в частности в возникновении и развитии христианства. Дата смерти великого полководца может быть условно названа началом эпохи эллинизма (эллин - грек) - качественно своеобразного периода в истории культуры. Он сформировался как результат экспансии на Восток материальной культуры, достигнутой греческими полисами. На обломках распавшейся огромной империи возникли новые государства, новые центры торговли, ремесла, науки и культуры.

Новые торговые, политические и экономические связи охватили огромную территорию от Индии и Средней Азии до Пиренеев. Астрономия, география, а с ними и естествознание в целом стали общественно необходимыми. Не случайно наследники империи Александра проявляли большую заботу об ученых, создавали условия, обеспечивающие им возможность спокойной научной работы. Уже первый Птолемей привлекал в Александрию ученых, создавал библиотеку, при втором Птолемее возникло знаменитое научное учреждение древнего мира - Александрийский музей. Если Академия Платона и Лицей Аристотеля были предшественниками современных университетов, в которых сочетается научная и педагогическая работа, то Александрийский музей можно рассматривать как предшественник современных научно-исследовательских институтов. К услугам ученых были библиотека, обсерватории, коллекции, они получали полное содержание и могли не заботиться о средствах к существованию. Все это обеспечило ведущую роль Александрии в научном прогрессе эллинистической эпохи, так что нередко эллинистический период в истории науки называют Александрийским.

Почти каждый ученый эллинистической эпохи был связан с Александрией, если не личным контактом, то научной перепиской, которая в этот период получила большое развитие. Знаменитый Архимед сообщал свои результаты в форме писем, направленных из Сиракуз александрийским математикам. В Александрии жили и работали крупные ученые: геометр Евклид, географ и математик Эратосфен, астрономы Конон, Аристарх Самосский и позже Клавдий Птолемей.

Естествознание в эту эпоху стало переходить из сферы отвлеченного, философского размышления о природе в сферу конкретных фактов и явлений. Математика, механика и астрономия наряду с другими отраслями знаний достигли своего наивысшего развития. Наука перешла от рассмотрения мира в целом к дифференцированному знанию, из единой науки выделились и развились отдельные науки, естественные и гуманитарные.

Атомистика Эпикура-Лукреция

Последним великим представителем афинской науки и философии, развившим учение Демокрита о природе был Эпикур (341-270 гг. до н. э.), позднее воспетый римским поэтом и философом Лукрецием Каром (около 99-55 гг. до н. э.) в своей знаменитой поэме «О природе вещей», ставшей классическим произведением научного естествознания.

Учение Эпикура о природе основано на концепции атомов Демокрита, но несколько отличается от демокритовского. Хаотическое движение атомов Эпикур объясняет иначе, чем Демокрит, он отступает от строгого детерминизма Демокрита. Эпикур не признает различия в скорости падения малых и больших атомов. В пустом пространстве все частицы движутся с одинаковой скоростью. Но в некоторые моменты самопроизвольно возникают случайные небольшие отклонения той или иной частицы от прямолинейного пути. Эти отклонения Эпикур считал необходимыми, чтобы объяснить свободную волю людей, так что атомы как бы также обладают некой «свободой воли». Следует допускать небольшие случайные отклонения атомов в неопределенных местах, в неопределенные моменты времени («не в положенный срок и на месте, дотоль неизвестном»). Так впервые в истории науки в научный анализ наряду с необходимостью вводится случайность.

Этот бесконечный мир не имеет никакого центра. Учение Аристотеля о естественном центре Вселенной атомисты отвергают. Они ввели в науку плодотворную идею, прошедшую через века, развившуюся в наши дни в могучую науку об атоме и атомном ядре. Они построили первые научные теории явлений природы, основанные на идее атомов.

Атомистика Эпикура-Лукреция продолжала линию научного развития доаристотелев- ского периода, но носила и существенно новые черты: она более конкретна, более «физич- на», чем атомистика Демокрита. Атомы Демокрита по существу чисто геометрические образы, они характеризуются только формой и объемом. У Эпикура и Лукреция атомы обладают весом, плотностью (твердостью) и, наконец, внутренней способностью к самопроизвольным отклонениям от прямолинейного движения

Архимед и развитие механики

В эллинистический период характер античной науки, по сравнению с древнегреческим периодом, значительно изменился. Нерасчлененная античная наука стала дифференцироваться, из нее выделились медицина, астрономия, математика и механика.9 Из всех разделов механики в рассматриваемый период наиболее обстоятельно была разработана статика (и гидростатика). Основополагающую роль в их возникновении и разработке сыграл Архимед (около 287-212 гг. до н. э.).

Математик по образованию, Архимед был выдающимся механиком, блестящим инженером, конструктором машин и механических аппаратов. Архимеду принадлежит установление понятия центра тяжести тел, он теоретически доказал закон простого рычага, сформулировал правило сложения параллельных сил. В гидростатике Архимед открыл закон, носящий его имя, и теоретически его доказал.

Архимеду приписывают создание следующих механических конструкций: винт Архимеда, или «улитка» - усовершенствованная им машина, применявшаяся в Египте для поливки полей, различные военные машины, гидравлический орган, использовавшийся им для объяснения сущности души, а также планетарий - созданная им механическая модель небесной сферы, в которой при помощи одного вращательного движения производимого, по всей вероятности, водяным двигателем, возникали различные, несхожие между собой вращения небесных светил относительно сферы неподвижных звезд. Тем самым Архимед практически реализовал намеченный еще Анаксимандром метод рационального механического объяснения космических явлений, создав механически (технически реализованный) прототип Вселенной, предначертанный и схематизированный наукой. Особенно успешно Архимед разрабатывал конструкции военных машин. Это был первый ученый, уделявший много внимания и сил военным задачам.

В течение многих веков механика рассматривалась как наука о простых статических машинах. Ее основой была теория рычага, изложенная Архимедом в сочинении «О равновесии плоских фигур». В основе этой теории лежат следующие постулаты:

1. Равные тяжести на равных длинах уравновешиваются, на неравных же длинах не уравновешиваются, но перевешивают тяжести на большей длине.
2.Если при равновесии тяжестей на каких-нибудь длинах к одной из тяжестей будет что-нибудь прибавлено, то они не будут уравновешиваться, но перевесит та тяжесть, к которой было прибавлено.
3.Точно так же, если от одной из тяжестей отнято что-нибудь, то они не будут уравновешиваться, но перевесит та тяжесть, от которой не было отнято.
Основываясь на этих постулатах, Архимед доказывает следующие теоремы: «Соизмеримые величины уравновешиваются на длинах, которые будут обратно пропорциональны тяжестям». И далее: «Если величины будут несоизмеримы, то они точно так же уравновесятся на длинах, которые обратно пропорциональны этим величинам». В этих предложениях содержится первая точная формулировка закона рычага. При этом под «величинами» следует понимать величины сил, действующих на рычаг.

Кроме закона рычага, в книге «О равновесии плоских фигур» содержатся определения центров тяжести треугольника, параллелограмма, трапеции, параболического сегмента, трапеции, боковые стороны которой являются дугами парабол. Понятие центра тяжести предполагается известным, и в начале книги приводятся постулаты о центрах тяжести (при совмещении конгруэнтных фигур центры тяжести совмещаются; центры тяжести подобных фигур подобно же расположены; у фигур с выпуклым периметром центр тяжести находится внутри фигуры). Само же определение центра тяжести, данное Архимедом, встречается в сочинении Паппа Александрийского, жившего в конце III в. н. э. Это определение гласит: «Центром тяжести каждого тела является некоторая расположенная внутри его точка - такая, что если за нее мысленно подвесить тело, то оно остается в покое и сохраняет первоначальное положение». Чтобы прийти к этому определению, понадобился длительный практический опыт, обобщением которого и явилась механика Архимеда.

Знаменитый «закон Архимеда» изложен в сочинении «О плавающих телах». Сиракузы были портовым и судостроительным городом. Вопросы плавания тел ежедневно решались практически, и выяснить их научные основы, несомненно, казалось Архимеду актуальной задачей. В своем сочинении он разбирает не только условия плавания тел, но и вопрос об устойчивости равновесия плавающих тел различной геометрической формы. Научный гений Архимеда в этом сочинении, оставшемся, по-видимому, незаконченным, проявляется с исключительной силой. Закон Архимеда нашел практическое применение лишь в XVII в. Английский корабельный инженер А. Дин в 1666 г. по спуска корабля на воду при помощи этого закона рассчитал углубление корабля и «был настолько уверен в правильности своих расчетов весовой нагрузки и объемного водоизмещения судна, что еще на стапеле приказал проре-
зать в бортовой обшивке» отверстия для стволов орудий. А современная формулировка и доказательство закона Архимеда были осуществлены только в XIX в.
Архимед - вершина научной мысли древнего мира. Последующие ученые - Герон Александрийский и Папп Александрийский - мало что прибавили к наследию Архимеда, и их труды по механике носят компилятивный характер.

Особенности познавательной деятельности в XVII в.

XVII век открыл новый период в развитии естествознания. Развитие машинного производства, горного дела, судостроения, гидротехническое строительство, совершенствование военной техники, создание хронометров и т.п. порождали инженерно-технические проблемы, решение которых требовало знания законов природных явлений, прежде всего механических, связанных с законами движения. Решение этих проблем, а также запросы астрономии, навигации, картографии, баллистики, гидравлики требовали совершенствования математических методов.

Именно в это время формируются идеалы рационализма, формируется убеждение, что предмет естественно-научного познания - природные явления, полностью подчиняющиеся механическим закономерностям. В этих условиях механика выходит на первое место среди естественных наук.

В начале XVII в. немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630) открыл законы движения планет. Планеты двигаются по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце. Законы движения планет были опубликованы Кеплером в 1609 г. в сочинении «Новая астрономия». Через 10 лет он нашел универсальную зависимость между периодами обращения планет и средними расстояниями их от Солнца (третий закон Кеплера), что явилось еще одним доказательством того, что движением планет управляет именно Солнце.

Таким образом, Кеплер, уточнив систему Коперника, решил важнейшую научную и практическую задачу своей эпохи. Это была большая победа учения Коперника. «Сопротивление планет», выражаясь языком Кеплера, было сломлено, они сдались на милость победителя - человеческого разума. Предстояла теперь не менее трудная задача - сломить сопротивление людей. В этой войне решающая роль принадлежала Галилею.

Внутренняя логика развития коперниканской революции предопределила ее перерастание в революцию в физике и завершилась величайшим событием в истории науки - созданием первой фундаментальной естественно-научной теории - классической механики.

Начиная с середины XVII в. наука становится важным и динамичным социальным институтом, роль которого в обществе непрерывно возрастает вплоть до настоящего времени.

Ньютонианская революция

Исаак Ньютон (1643-1727) обобщил результаты естествознания XVII в. Он завершил постройку фундамента нового классического естествознания. Обобщив существовавшие независимо друг от друга результаты своих предшественников в стройную теоретическую систему знания (ньютоновскую механику), Ньютон стал родоначальником классической теоретической физики. Он сформулировал ее цели, разработал ее методы и программу развития, которую он сформулировал следующим образом: «Было бы желательно вывести из началмеханики и остальные явления природы». В основе ньютоновского метода лежит экспериментальное установление точных количественных закономерных связей между явлениями и выведение из них общих законов природы методом индукции. Развивая идеи Галилея, Х. Гюйгенса и др. предшественников, И. Ньютон в труде «Математические начала натуральной философии» (1687) сформулировал все основные законы этой науки. При построении классической механики впервые был воплощён идеал научной теории, существующий и поныне.

С появлением механики Ньютона было окончательно понято, что задача науки состоит в отыскании наиболее общих количественно формулируемых законов природы. Наибольших успехов механика Ньютона достигла при объяснении движения небесных тел. Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером на основе наблюдений Т. Браге, Ньютон открыл закон всемирного тяготения. С помощью этого закона удалось с замечательной точностью рассчитать движение Луны, планет и комет Солнечной системы, объяснить приливы и отливы в океане.

В это же время Гюйгенс и Г. Лейбниц^сформулировали закон сохранения количества движения; Гюйгенс создал теорию физического маятника, построил часы с маятником. Началось развитие физической акустики. М. Мерсенн измерил число собственных колебаний звучащей струны и впервые определил скорость звука в воздухе. Ньютон теоретически вывел формулу для скорости звука.

Во 2-й половине XVII в. начала быстро развиваться геометрическая оптика применительно к конструированию телескопов и др. оптических приборов, а также были заложены основы физической оптики. Ф. Гримальди открыл дифракцию света, а Ньютон провёл фундаментальные исследования дисперсии света. С этих работ Ньютона берёт начало оптическая спектроскопия. В 1676 О. К. Рёмер впервые измерил скорость света. Почти одновременно возникли и начали развиваться две различные теории о физической природе света - корпускулярная и волновая. Согласно корпускулярной теории Ньютона, свет - это поток частиц, движущихся от источника по всем направлениям. Гюйгенс заложил основы волновой теории света, согласно которой свет - это поток волн, распространяющихся в особой гипотетической среде - эфире, заполняющем всё пространство и проникающем внутрь всех тел.

Таким образом, в XVII веке была в основном построена классическая механика и начаты исследования в других областях физики: в оптике, учении об электрических и магнитных явлениях, теплоте, акустике.

Галилей и предпосылки классической механики

Галилео Галилей (1564-1642), итальянский физик, механик и астроном, один из основателей естествознания, усовершенствовав зрительную трубу (изобретена в 1608 г.) и превратив ее в телескоп с 30-кратным приближением, распахнул перед человечеством окно во Вселенную. С помощью телескопа Галилей совершил ряд выдающихся астрономических открытий: спутников Юпитера, Сатурна, фаз Венеры, солнечных пятен, обнаружение того, что Млечный Путь представляет собой скопления бесконечного множества звезд, и др. Результаты этих наблюдений он изложил в книге «Звездный вестник» (1610). В этой книге окончательно преодолевается аристотелевское разделение мира на земной и небесный, утверждается идея единства мира: все Звезды - это дальние солнца, а все планеты подобны Земле.

Галилео Галилей создал основы экспериментального естествознания, показал, что естествознание требует умения делать научные обобщения из опыта, а эксперимент - важнейший метод научного познания. Ему принадлежит велика заслуга в формировании классической механики и утверждении нового мировоззрения. Исторический вклад Галилея в механику состоит в следующем: он разграничил понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движений; сформулировал понятие ускорения (скорость изменения скорости); показал, что результатом действия силы на движущееся тело является не скорость, а ускорение; вывел формулу, связывающую ускорение, путь и время: S = 1/2 at2; сформулировал принцип инерции (если на тело не действует сила, то тело находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейного равномерного движения); выработал понятие инерциальной системы; сформулировал принцип относительности движения (все системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга (т.е. инерциальные системы) равноправны между собой в отношении описания механических процессов); открыл закон независимости действия сил (принцип суперпозиции). На основании этих законов появилась возможность решения простейших динамических задач.

Таким образом, исследования Галилея заложили надежный фундамент динамики, а также методологии классического естествознания. Дальнейшие исследования лишь углубляли и укрепляли этот фундамент. С полным основанием Галилея называют отцом современного естествознания. Символично, что в год смерти Галилея родился тот, кто завершил становление классической механики, - Исаак Ньютон.

Физика в эпоху Возрождения

Научно-рациональное познание мира

Новый величайший переворот в системе культуры происходит в эпоху Возрождения, которая охватывает XIV - начало XVII в. Социально-исторической предпосылкой культуры Возрождения явилось становление буржуазного индивидуализма. Ренессанс приносит с собой новый тип личности. Это уверенный в себе, предприимчивый, самостоятельно и критически мыслящий волевой человек, которого занимают исключительно земные проблемы. Люди этой эпохи совершали великие путешествия, открывая новые земли и океаны. В 1492 году Колумб открыл Америку; в 1498 г. Васко да Гама, обогнув Африку с юга, проложил морской путь в Индию; в 1519-1522 гг. экспедиция Магеллана осуществила первое кругосветное путешествие. Эти великие географические открытия, вызванные экономическими предпосылками, обусловили потребность в точных астрономических знаниях, обеспечивающих надежное кораблевождение. С астрономией тесно переплетались задачи механики и оптики, и именно в области этих наук и совершилась научная революция, начатая Коперником, Галилеем и Кеплером, продолженная Ф. Бэконом и Декартом и завершенная Гюйгенсом и Ньютоном. Но уже раньше стала ощущаться потребность в новых методах в науке, в новом подходе к явлениям природы.

Леонардо да Винчи

Застрельщицей движения, приведшего к научной революции, выступила Италия, где уже с XV в. разгорается борьба за новое мировоззрение, освобождающее человека от пут средневековой теологии и схоластики. В защиту опыта как источника познания выступает Леонардо да Винчи (1452-1519), который, по определению Ф. Энгельса «был не только великим художником, но и великим математиком, механиком и инженером» и «которому обязаны важными открытиями самые разнообразные отрасли физики». «Опыт никогда не ошибается, ошибаются только суждения ваши, которые ждут от него вещей, не находящихся в его власти», - утверждал Леонардо. И далее: «Никакой достоверности нет в науках там, где нельзя приложить ни одной из математических наук, и в том, что не имеет связи с математи- кой». Изучая свободное падение тел, Леонардо по существу, устанавливает закон v = gt, но одновременно принимает, что при приближении к Земле тяжесть возрастает. Наблюдая полет снаряда, выпущенного из орудия, он точно зарисовывает баллистическую кривую, но затем утверждает, что в конце движения снаряд, теряя «насильственное» движение, падает «естественным путем» вертикально. Леонардо близко подходит к закону инерции, но и здесь не в состоянии оттолкнуться от концепции Аристотеля: «Всякое движение стремится к своему сохранению, или иначе: всякое движущееся тело всегда движется, пока сохраняется в нем сила его двигателя. Всякое движение будет продолжать путь своего бега по прямой линии до тех пор, пока в нем будет сохраняться природа насилия, произведенного его двигате- лем»1. Первая половина этих утверждений справедлива, вторая - нет. Таким образом, Леонардо смело подошел к действительности с методом эксперимента и наблюдения, явившись в этом отношении прямым предшественником Галилея. Но для понимания действительности было необходимо освободиться схоластической теории и создавать теорию заново. Начало нового понимания действительности было заложено Коперником.

Коперниканская революция

В середине XVI в. Николай Коперник (1473-1543), выдвинул гелиоцентрическую систему мира и положил начало освобождению естествознания от теологии. Он начал с попыток усовершенствовать геоцентрическую систему мира, изложенную в «Альмагесте» Птолемея. Но, поняв суть зависимости между видимыми движениями планет и Солнца, хорошо известную ещё Птолемею, построил гелиоцентрическую систему мира. Благодаря ей правильное объяснение получил ряд непонятных с точки зрения геоцентрической системы закономерностей движения планет. Результаты труда были обобщены Коперником в сочинении «Об обращениях небесных сфер», опубликованном в 1543, незадолго до его смерти. С появлением этой работы «... начинает своё летосчисление освобождение естествознания от теологии...».18
Перенос системы отсчета с Земли на Солнце явился важным этапом в науке, он подготовил почву для открытия закона тяготения. История науки однозначно отвечает на вопрос о равноправности Птолемеевой и Коперниковой систем: система Коперника является преимущественной, так как она указала на связь между планетами и Солнцем и тем самым натолкнула мысль на поиски закона этой связи, она явилась источником научного движения, тогда как система Птолемея тормозила развитие науки. Мировоззренческие и теоретические выводы из гелиоцентризма, ее развитие и совершенствование - заслуга ученых следующего поколения: Т. Браге, Дж. Бруно, И. Кеплера, Г. Галиля и др.

Познакомившись в 1560-е гг. с гелиоцентрической теорией Коперника, итальянский философ и поэт Джордано Бруно (1548-1600) объединил гелиоцентризм Коперника с идеями итальянского мыслителя Николая Кузанского (1401 -1464) об изотропности, однородности и безграничности Вселенной и пришел к концепции множественности планетных систем в бесконечной Вселенной. Именно Бруно принадлежит первый и достаточно четкий эскиз картины вечной, никем не сотворенной, вещественной единой и безграничной Вселенной с бесконечным числом очагов Разума в ней.

К середине XVII в. гелиоцентрическая теория окончательно победила геоцентризм. Ко- перниканизм 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.

Таким образом, в эпоху Возрождения была проведена основная мыслительная работа, подготовившая возникновение классического естествознания. Это стало возможным благодаря мировоззренческой революции, свершившейся в эпоху Ренессанса, которая привела к изменению отношения человека к миру, природе, познанию природы. Однако в XV-XVI вв. экспериментальные исследования носили в основном случайный характер. Лишь в XVII в. началось систематическое применение экспериментального метода в физике, и это привело к созданию первой фундаментальной физической теории - классической механики Ньютона.

Физика средневековья

В эпоху Средних веков возросло влияние церкви на все сферы жизни общества. Европейская наука переживала кризис вплоть до XII-XIII вв. На Востоке, в Китае и Индии, переход к феодализму происходил раньше, чем в Западной Европе, и в своем экономическом и культурном развитии эти страны обогнали ее, что сказалось также и на развитии науки. Эстафету движения научной мысли Древнего Мира и античности перехватил Арабский мир, сохранив для человечества выдающиеся труды ученых тех времен. Арабы как губка впитали в себя мудрость античности, а затем передали его Европе, перешедшей из эпохи варварства в эпоху Возрождения.13 В результате в период раннего средневековья (VII-XI вв.) ведущую роль в развитии науки играл Восток. Лишь в более позднюю эпоху, начиная с крестовых походов, оживляется европейская наука, возникают университеты, появляются крупные ученые и научные школы. Разложение феодализма и переход к новым экономическим формам происходит с конца XV в. примерно до первой половины XVII в. Этот период имел в истории науки исключительно важное значение, поскольку именно в этот период возникло новое опытное естествознание. Таким образом, история средневековой науки, в том числе и физики, в соответствии с историей общества разбивается на три хронологических отрезка14:
1.Период развития науки на Востоке (VII-XI вв.).
2. Период развития европейской феодальной науки (XI-XV вв.).

3. Период возникновения опытного естествознания (конец XV - первая половина XVII в.).

Вклад арабского мира в развитие физики

Из разделов физики наибольшее развитие получила механика, и в первую очередь статика, чему способствовали условия экономической жизни средневекового Востока. Интенсивное денежное обращение и торговля, как внутренняя, так и международная, требовали постоянного совершенствования методов взвешивания, а также системы мер и весов. Это определило развитие учения о взвешивании и теоретической основы взвешивания - науки о равновесии, создание многочисленных конструкций различных видов весов. Необходимость совершенствования техники перемещения грузов и ирригационной техники в свою очередь способствовала развитию науки о «простых машинах», конструированию устройств для нужд ирригации.

Арабоязычные ученые широко использовали понятие удельного веса, совершенствуя методы определения удельных весов различных металлов и минералов. Этим вопросом занимались аль-Бируни, Хайям, аль-Хазини (XII в.). Для определения удельного веса применялся закон Архимеда, грузы взвешивались не только в воздухе, но и в воде. Полученные результаты были довольно точны. Например, удельный вес ртути был определен аль-Хазини в 13,56 г/см3 (по современным данным - 13,557). Столь точные данные позволяли решать ряд практических задач: отличать чистый металл и драгоценные камни от подделок, устанавливать истинную ценность монет, обнаружить различие удельного веса воды при разных температурах, и др.

Динамика развивалась на основе комментирования и осмысления сочинений Аристотеля. Средневековыми учеными стран ислама обсуждались проблема существования пустоты и возможности движения в пустоте, характер движения в сопротивляющейся среде, механизм передачи движения, свободное падение тел, движение тел, брошенных под углом к горизонту. В работах Ибн-Сины, известного в Европе под именем Авиценна, аль-Багдади и аль- Битруджи, по сути, была сформулирована «теория импетуса», которая в средневековой Европе сыграла большую роль в качестве предпосылки возникновения принципа инерции.

Развитие кинематики было связано с потребностями астрономии в строгих методах для описания движения небесных тел. В этом направлении и развивается аппарат кинематикогеометрического моделирования движения небесных тел на основе «Альмагеста» Птолемея. Кроме того, в ряде работ изучалась кинематика «земных» движений. В частности, понятие движения привлекается для непосредственного доказательства геометрических предложений (Сабит Ибн Курра, Насирэддин ат-Туси), механические движения используются для объяснения оптических явлений (Ибн аль-Хайсам), изучается параллелограмм движений и т.п. Одно из направлений средневековой арабской кинематики - применение инфинитезималь- ных методов при изучении неравномерных движений (т.е. рассмотрение бесконечных процессов, непрерывности, предельных переходов и др.), подводившее понятию мгновенной скорости в точке.

Физические идеи европейского средневековья

Восточные государства значительно опережали Европу в экономическом и культурном развитии в течение эпохи раннего средневековья (VII-XI вв.). Однако уже с X в. начинают развиваться экономические и культурные связи Европы и Востока. Большую роль в этом сыграли со второй половины XI в. знаменитые крестовые походы, доставившие европейцам новые сведения: экономические, технические и культурные. Происходящее в Европе развитие ремесла и торговли способствовало оживлению экономики и культуры. Появляются первые университеты, преподавание в которых велось на латинском языке. Другой предпосылкой будущего расцвета науки послужило развитие техники. Механические часы, очки, книгопечатание, производство бумаги сыграли огромную роль в развитии естествознания. Третья предпосылка научного прогресса - ознакомление с античным научным наследием. В XII в. появляются латинские переводы «Начал» Евклида, трудов Архимеда, Птолемея и других греческих авторов. Тогда же появились переводы Хорезми и Алхазена.

К концу XII - началу XIII в. обозначился застой в социально-экономическом и культурном развитии стран Ближнего и Среднего Востока. Страны же Западной Европы, напротив, стали «обгонять» мусульманский Восток и Византийскую империю. В основе такого «исторического рывка» лежало развитие производительных сил - как в сельском хозяйстве, так и в ремеслах. Производство избыточной сельскохозяйственной продукции стимулирует развитие торговли, ремесла. Зарождаются западные правовые системы Нового времени. Происходит подъем в духовной сфере, возникают новые светские образовательные учреждения - университеты.

XIII в. характеризуется оживлением духовной жизни. Знаменитый монах Роджер Бэкон (1214-1294) считал, что ученый не должен сводить науку к толкованию авторитетов. По его мнению, наука должна строиться на строгих аргументах и точном опыте, доказывающем теоретические заключения. Бэкон резко выступал против всеобщего увлечения книгами Аристотеля, вдобавок искаженными невежественными переводчиками. В этом отношении он являлся прямым предшественником Галилея. Бэкон не ограничивался указанием на большое значение опыта. Он неутомимо экспериментировал и сам производил химические, оптические, физические эксперименты и астрономические наблюдения.

В этом веке, кроме Бэкона, жили и работали такие деятели, как богослов Фома Аквинский, идеалистическая философия которого («томизм») имеет распространение и в современной западной философии; Вильгельм Оккам, выступивший против идеалистической теории о реальном существовании общих понятий; Роберт Большеголовый, занимавшийся оптикой; Петр Перегрин - рыцарь Пьер из Марикура, написавший 8 августа 1269 г. в военном лагере «Послание о магните» и др.

В кинематике средневековые схоласты вводят понятия «средняя скорость», «мгновенная скорость», «равноускоренное движение». Постепенно вызревает понятие ускорения. В динамике значительное развитие получила теория импетуса (лат. impetus - стремительность, напор), которая была мостом, соединявшим динамику Аристотеля с динамикой Галилея. Теория импетуса способствовала развитию и уточнению таких понятий, как инерция и сила. Все это постепенно готовило возникновение динамики Галилея.

В период позднего Средневековья (ХГУ-ХУ вв.) постепенно осуществляется пересмотр основных представлений античной естественно-научной картины мира и складываются предпосылки для создания нового естествознания, новой физики.