Геоцентрическая модель Птолемея

Объекты физического познания и структура физических наук

Естествознание выросло из античной натурфилософии, философии природы, рассматривающей ее как умозрительную целостность. В недрах натурфилософии, наряду с астрономией, наукой небес, зародилась и главная наука о природе — физика. Аристотель предвосхитил предмет физики в сочинении «Физика». «Физика, — писал он, — наука о природе и изучает преимущественно тела и величины, их свойства и виды движения и, кроме того, начало такого рода бытия*. Это аристотелевское определение практически не расходится с современным определением физики как науки, изучающей простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения. Поэтому понятия, принципы и законы физики фундаментальны, то есть основополагающие для всего естествознания. Физика относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений. «Высшая задача физики состоит в открытии наиболее общих элементарных законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира», — так писал Эйнштейн (мы, конечно, помним, что элементарные — это значит начальные, основные, фундаментальные).

В своей основе физика — экспериментальная наука: ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем, представляют собой количественные соотношения (как правило, достаточно простые) и формулируются на том или ином математическом языке. Различают экспериментальную физику — опыты, проводимые для обнаружения новых фактов и для проверки известных физических законов, и теоретическую физику, цель которой состоит в формулировке законов природы и в объяснении конкретных явлений на основе этих законов, а также в предсказании новых явлений. При изучении любого явления опыт и теория действуют в единстве, во взаимосвязи.

В соответствии с многообразием исследуемых физических объектов, уровней организации и форм движения физика подразделяется на ряд дисциплин (разделов), так или иначе связанных друг с другом. По изучаемым физическим объектам физика делится на физику элементарных частиц, физику ядра, физику атомов и молекул, газов и жидкостей, твердого тела и плазмы. По критерию уровней организации материи — на физику микро-, макро- и мегамира. По критерию изучаемых процессов, явлений или форм движения (взаимодействия) различают механические, электромагнитные, квантовые и гравитационные явления, тепловые или термодинамические процессы, и соответствующие им области физики: механику, электродинамику, квантовую физику, теорию гравитации, термодинамику и статистическую физику. Указанные подразделения физики по отмеченным критериям частично перекрываются, вследствие глубокой внутренней взаимосвязи между объектами материального мира и процессами, в которых они участвуют. Современная физика содержит не такое уж большое количество фундаментальных теорий, охватывающих все разделы физики. Эти теории представляют собой квинтэссенцию (наиболее существенное; в буквальном смысле латинское слово Quintaessentia — пятая сущность, то есть добавление Аристотелем к четырем античным стихиям — воздуху, воде, огню, земле еще и пятой стихии, стихии небес — эфира) знаний о характере физических процессов и явлений, приближенное, но наиболее полное отображение различных форм движения материи в природе.

В нашу задачу в этом курсе входит только сжатый очерк развития с XVI века сначала механистических, затем физических концепций и освещение основных концептуальных понятий физических объектов, форм их движений и взаимодействий.

Краткий обзор исторических предпосылок формирования современного естествознания:

1. Мыслители Древней Греции заложили основы многих наук и предложили ряд глубоких идей об устройстве мира, причем альтернативных. В их стиле мышления отдается предпочтение доказательному, аргументированному познанию. Геоцентрическая модель К. Птолемея отражала уверенность мыслителей античности в божественном происхождении мира и человека.

2. Средневековье в Европе способствовало развитию светского образования. Научные знания рассматривались как гипотетически полезные в светской жизни.

3. Эпоха Возрождения - это период появления мыслителей, ставивших своей целью познание природы такой, какая она есть на самом деле. Коперниковская модель мира - это важный этап в развитии естествознания.

4. Новое время формирует новый стиль мышления, который наиболее ярко был выражен в творчестве Г. Галилея.

Мысленный эксперимент и техника измерения физических параметров объектов исследования приобретает в Новом времени определяющее значение.

Концепции предклассического механистического естествознания

С середины XV века Европа вступает в период революционных цивилизационных (от лат. civilis — гражданский) преобразований. Изменяется все: экономические отношения, государственное устройство, культура, образовательная система и наука. В науке особо выделяется естествознание, развитию которого содействовали, как минимум, два обстоятельства. Во-первых, начавшаяся робко в средневековье ломка основ религиозного мышления и нарождение нового научного мышления получает мощнуюподдержку со стороны великих реформаторов естествознания, таких как Леонардо да Винчи, Николай Коперник, Теофраст Парацельс, Джордано Бруно, Фрэнсис Бэкон, Галилео Галилей, Иоганн Кеплер, Рене Декарт, Пьер Ферма, Блез Паскаль, Роберт Гук, благодаря которым наука превращается в самостоятельный фактор духовной и культурной жизни, в реальную основу нарождающегося нового мировоззрения.

Краткая история механики и астрономии

Геоцентрическая модель Птолемея

Основные положения этой модели изложены в математическом сочинении Клавдия Птолемея «Альмагест», которое написано во II веке н.э. Позднее это сочинение попало на арабский Восток, где было переведено на восточные языки, а в XII веке «Альмагест» был переведен на латинский язык, что сделало это произведение доступным для ученых средневековой Европы.

Свой труд Птолемей начинает с обоснования основных положений учения Аристотеля о небесных сферах, лежащих в основе геоцентрической модели. Согласно этому учению, неподвижная Земля находилась в центре Вселенной, поэтому модель Птолемея носит название геоцентрической модели. Вокруг Земли располагались концентрические хрустальные сферы, на которых находились планеты: «В качестве общего положения мы должны принять, что небо имеет сферическую форму и движется подобно сфере, затем, что Земля имеет также вид сферы, если ее рассматривать по всей совокупности ее частей. По своему положению она расположена в середине неба, являясь как бы его центром. По величине же и расстоянию относительно сферы неподвижных звезд она является как бы точкой и не имеет никакого движения, изменяющего место» [Птолемей, 1998.С. 7].

Птолемей исследует источник этих представлений и приходит к выводу, что в их основе лежат чувственные данные: «Первое представление об этих предметах, несомненно, получилось у древних в результате соответствующих наблюдений. Они видели, что Солнце, Луна и остальные светила движутся с востока на запад и всегда по кругам, параллельным друг другу… Представлению о сферичности их движения больше всего способствовало наблюдение кругового движения незаходящих звезд, совершающегося всегда вокруг одного и того же центра».

Птолемей анализирует также и другие возможные представления и приходит к выводу, что они противоречат наблюдениям: «если не предположить, что Земля находится в середине, то уничтожится полностью весь порядок, усматриваемый нами в увеличениях и уменьшениях дней и ночей. Кроме того, и лунные затмения не могли бы иметь места во всех частях неба при диаметральных противоположных положениях [Луны и] Солнца, поскольку Земля часто оказывалась бы между ними не только во время их диаметральных прохождений, но и при расстояниях, меньших полуокружности» [Птолемей, 1998.С. 11]. Кроме того, Земля не может двигаться, так как она, будучи центром мира, со всех сторон окружена однородной средой «и со всех сторон встретила бы равные и одинаково направленные противодействия». Таким образом, Земля не имеет оснований для движения в одном из направлений, больше, чем в другом и, следовательно, покоится. «Земля покоится вследствие одинаковости [всех направлений], так необходимо покоиться и в пустоте, ибо нет оснований двигаться сюда больше, сюда меньше: поскольку это пустота, в ней нет различий».

Третий аргумент в защиту неподвижности Земли основан на наблюдениях за падением тяжелых тел, которые всегда падают перпендикулярно к земной поверхности. Эти тела движутся к центру Земли со всех ее сторон: «вполне естественно получается, что вся масса Земли, будучи очень большой по отношению к падающим на нее телам, под действием напора значительно меньших тяжестей остается всюду неподвижной и как бы принимает все падающие на нее. Но если бы у Земли было какое-нибудь движение, общее с другими тяжелыми телами, то она, конечно, унеслась бы вперед вследствие такой превосходящей массы. Животных и находящиеся с соответствующей стороны тяжелые тела она оставила бы плавающими в воздухе, а сама в конце концов с громадной скоростью врезалась бы в небо. Но все это, если только вообразить, кажется нам очень смешным» [Птолемей, 1998.].

Сформулировав доводы против признания возможности поступательного движения Земли, Птолемей отрицает также и возможность вращательного движения Земли. Его возражения направлены против точки зрения, что можно рассматривать не небо, обращающееся вокруг Земли, а Землю, вращающуюся вокруг оси с запада на восток при неподвижном небе. «Если ограничиться наблюдаемыми у звезд явлениями, то, пожалуй, ничто не будет препятствовать такому простейшему предположению, но подобное мнение покажется нам смешным, если мы обратим внимание на совершающееся вокруг нас самих и в воздухе.Действительно, чтобы согласиться с ними, мы должны предположить совершенно противное природе, а именно, что легчайшие и состоящие из наиболее тонких частиц тела или совсем не движутся, или движутся так же, как и тела противоположной природы, хотя [на самом деле] тела, находящиеся в воздухе и состоящие из менее тонких частиц, движутся гораздо быстрее, чем все более земные тела. И [тогда мы должны предположить, что] самые тяжелые и состоящие из грубейших частиц тела будут иметь собственное быстрое и равномерное движение, между тем как все согласны, что земные тела никогда легко не поддаются движениям, сообщаемым им другими телами. В таком случае пришлось бы согласиться, что вращение Земли совершается значительно быстрее всех происходящих вокруг нее движений, так как она делает такой большой оборот в короткое время, и что все не закрепленные на ней предметы должны казаться совершающими одно и то же движение, [по направлению] противоположному земному. Таким образом, мы никогда не могли бы видеть какое-нибудь идущее к востоку облако или брошенное в том же направлении тело, так как Земля в своем движении к востоку всегда опережала бы все тела» [Птолемей, 1998.].

Птолемей рассматривает также и возможность совершения воздухом кругового движения вместе с Землей и отвергает его как противоречащее наблюдениям. Ведь если бы тела вращались вместе с воздухом, то они были бы неподвижны друг относительно друга, и никакое тело не смогло бы опередить другое или изменить своей траектории. Умозрительные рассуждения, выведенные Птолемеем из предположения о вращении или поступательном движении Земли, противоречат наблюдаемым явлениям. Поэтому Птолемей наиболее обоснованной считает гипотезу о неподвижной Земле, помещенной в центре мира.

Планеты считались идеальными телами, которым надлежало двигаться идеальным (круговым) движением. Но движения планет включали в себя две существенные нерегулярности. Во-первых, скорость перемещения планет по видимому небосводу была неравномерной. Во-вторых, планеты совершали то прямые, то обратные движения, совершая петлеобразные движения.

Чтобы достичь соответствия с видимым движением, Птолемей использовал идею Гиппарха о том, что движение каждой планеты складывалось из нескольких круговых движений. Согласно этой теории, движение планеты вокруг Земли можно представить как сумму двух движений: планета вращалась по кругу, называемому эпициклом, центр эпицикла в свою очередь совершал движения вокруг Земли по кругу большего радиуса.

Коперниканская революция

В средние века из-за неточно установленной длительности астрономического года (средняя продолжительности года в 365 с четвертью суток давала ошибку в полтора часа за девятнадцать лет) в течение веков возникала разница между реальными астрономическими событиями и их датами по календарю. Так, например, дата весеннего равноденствия с 21 марта передвинулась на 12 марта. В 1514 г. папа Лев Х поставил вопрос о реформе календаря. Это было обусловлено тем, что правила определения даты пасхи, сформулированные в 355 г. Никейским вселенским собором, оказались невыполнимыми, так как они были сформированы для

Копернику поручили дать папству совет по данному вопросу, однако запутанное положение дел в астрономической науке не позволяло провести какую-нибудь действенную реформу. Коперник предположил, что классическая астрономия содержит в себе какую-то существенную погрешность. Строя новую теорию, он опирался на идеи Аристарха Самосского, который еще в III веке до н.э. выдвигал идею о движении Земли. Эта идея опиралась на полученные им результаты определения сравнительных размеров небесных тел. «Если Луна меньше Земли и вращается вокруг последней, то в свою очередь и Земля, которая по размерам меньше Солнца, должна тоже вращаться вокруг Солнца» [Цит. по Веселовский, 1986.С. 62]. О том, как отнеслись к идее Аристарха его современники, можно составить представление по трактату Плутарха «О лике на Луне»: «долгом всех греков было предъявить Аристарху Самосскому обвинение в безбожии за то, что он сдвинул с места Очаг вселенной».

Чтобы обосновать свою теорию, Копернику нужно было доказать возможность движения Земли. Как говорилось выше, Птолемей, доказывая неподвижность Земли, интерпретировал очевидные данные наблюдений. Для опровержения аргументов Птолемея Коперник формулирует утверждение, которое позднее было развито в принцип относительности:

«всякое представляющееся нам изменение места происходит вследствие движения наблюдаемого предмета или наблюдателя или, наконец, вследствие неодинаковости перемещений того и другого, так как не может быть замечено движение тел, одинаково перемещающихся по отношению к одному и тому же» [Коперник, 1964.С. 22].

Из этого принципа следует, что если приписать Земле какое-нибудь движение, то все, что находится вне Земли, будет казаться движущимся в противоположном направлении: восходы и заходы Солнца, Луны и звезд будут происходить точно также.

Заметим, что Птолемей также обсуждал эту возможность, но отверг ее на основании того, что на самой Земле, несущейся с огромной скоростью, наблюдаемые явления должны происходить совершенно иначе: тела при падении должны отклоняться в направлении вращения, атмосфера, отставая, должна создавать сильный ветер и т.д. Для опровержения этих аргументов Птолемея Коперник использует аналогию с движением корабля: «при движении корабля в тихую погоду все находящееся вне представляется мореплавателям движущимся, как бы отражая движения корабля, а сами наблюдатели, наоборот, считают себя в покое со всем с ними находящимися». Эта же самая аналогия в дальнейшем ляжет в основу понятия инерциальной системы отсчета. Данная аналогия дает Копернику основание утверждать, что и облака, и прилегающий к Земле воздух, и вода «имеет приобретенное движение, которое сообщается ему прилегающей Землей в постоянном вращении и без всякого сопротивления». Поэтому и окружающий нас воздух кажется нам покоящимся. В тоже время далеко от Земли отстоящая твердь небесного свода лишена движения Земли.

Опираясь на эти идеи, Коперник выстраивает гелиоцентрическую модель: Солнце находится в центре Вселенной, а Земля и другие планеты движутся вокруг него. Первое время теория Коперника требовала применения идеи гиперциклов, так как Коперник, следуя Аристотелю, предполагал орбиты планет круговыми. Однако после открытия Кеплером первого закона об эллиптичности небесных орбит созданная Коперником модель стала соответствовать данным измерений.

Идеи Коперника встретили ожесточенное противодействие со стороны церкви. Достаточно упомянуть, что Джордано Бруно был сожжен на костре инквизиции за пропаганду идеи множественности миров; на Галилея через год после выхода его «Диалогов» был наложен обет молчания; Кеплер всю жизнь вынужден был избегать больших городов, чтобы не попасть в руки инквизиции. Парадоксально, но разработка новой картины мира была стимулировано именно церковью.

Во-вторых, наряду с наблюдением и миросозерцанием, характерным для науки античного и раннего средневекового периодов, в науку внедряется эксперимент, который становится в ней ведущим методом исследования, радикально расширяя сферу познаваемой реальности и усиливая познавательную мощь естествознания. Господствующим методом мышления становится метафизика, так что этот период развития естествознания можно называть метафизическим, который уступит место диалектическому методу только в XIX столетии. Наибольшие успехи достигаются в области механики, завершенной и систематизированной в своих основаниях к концу XVII века, в результате чего решающее значение приобретает формирующаяся механистическая картина мира, ставшая на три столетия универсальной научной картиной мира. В ее рамках осуществлялись познания не только физических и химических, но также и биологических и антропологических явлений и событий. Идеалы механистического естествознания становятся основой теории познания и методологии науки. Возникают философские учения о человеческой природе, обществе и государстве, выступающие в XVI-XVIII веках как разделы общего учения о едином мировом механизме.