Становление классической науки. Возникновение экспериментального и математического методов

Галилео Галилей стоял у истоков классической механики и экспериментального естествознания. Им были заложены два краеугольных камня современной динамики: принцип инерции (тело либо находится в состоянии покоя, либо движется равномерно и прямолинейно, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия) и принцип относительности (никаким механическим опытом нельзя установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно, движения в обеих системах протекают совершенно одинаково). Он впервые строго сформулировал основные кинематические понятия скорости и ускорения.

Большое значение для становления механики как науки имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость свободного падения тел не зависит от их массы, как утверждал Аристотель. Пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. При этом траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начального толчка и земного притяжения, является параболой. Галилей создал теорию параболического движения. Ему принадлежит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника и многое другое. Очень интересны его высказывания о механическом подобии и о том, что в случае, когда значительна тяжесть тела, подобие в отношении прочности тел отсутствует. В этой связи Галилей высказал интересные мысли о преимуществах в отношении «прочности» и подвижности малых животных по сравнению с большими и о существовании предела их размеров. Галилею принадлежит также приоритет в постановке вопроса о скорости света и в попытке решения этой проблемы опытным путем.

Опыты Г. Галилея по изучению падения тел по существу явились подлинным началом экспериментального естествознания. Он впервые сформулировал требования к научному эксперименту, состоящие в устранении побочных обстоятельств, в умении видеть главное и отвлечься от несущественного. Детище Г. Галилея — мысленный эксперимент — получил в дальнейшем широкое распространение в физике и стал важным методом познания.

Одним из современников Г. Галилея был Френсис Бэкон (1561— 1626). И по его мнению, наука должна основываться на опыте, эксперименте. Все опыты он делил на светоносные (дающие чистое знание) и плодоносные (приносящие непосредственную пользу) и дал анализ различных вариантов опытов. Он развил индуктивный метод познания применительно к естествознанию. По этому методу общие законы должны выводиться из результатов конкретных экспериментов. Индуктивный метод сыграл огромную роль в развитии естествознания. Долгое время естественные науки: физику, химию, астрономию — называли индуктивными науками, противопоставляя их гуманитарным наукам и чистой математике.

Если Ф. Бэкон подчеркивал ведущую роль опыта и дедукции в науке, то французский мыслитель Рене Декарт (1596—1650) обосновывает метод дедукции. Первостепенную роль в этом методе играет математика. Для этого опыта, по мнению Р. Декарта, нет недостижимых истин, «столь сокровенных, чтобы нельзя было их раскрыть». Так как основной проблемой физики XVII в. были законы движения, необходимо было применить математику к объяснению движения. Декарт, введя в математику переменные величины, установив соответствие между геометрическими образами и алгебраическими уравнениями, положил начало аналитической геометрии, впервые применив свой метод.

Декарт считал, что во всем мире существует только одна материя. Она состоит из более грубых и более тонких частиц. Все видоизменения в материи зависят от движения и взаимодействия соприкасающихся частиц. Такое физическое воззрение получило в истории науки название картезианского (от лат. формы фамилии Декарта — Cartesius). Оно сыграло большую роль в эволюции физики. Все попытки создания единой теории поля и вещества по существу повторяют на новой основе попытку Декарта построить физическую картину мира с непрерывной материей и сохраняющимся механическим движением.

Таким образом, в деятельности Г. Галилея, Ф. Бэкона, Р. Декарта обретает характерные черты мощное движение — научная революция XVI—XVII вв. Она знаменовала не только создание новых теорий, но и коренное изменение представлений о знании, о науке. Наука, по мнению Г. Галилея, больше не является ни особой интуицией отдельного мага или просвещенного астролога, ни комментарием к авторитету Аристотеля, который все сказал. Наука становится исследованием и раскрытием природного мира.

Характерной особенностью этой научной революции является превращение науки в социальный институт: возникновение академий, лабораторий, международных контактов (вспомним переписку ученых).

Другая фундаментальная характеристика научной революции — формирование знания, которое, в отличие от предшествующего, объединяет теорию и практику, науку и технику, создавая новый тип ученого. Научная революция порождает современного ученого- экспериментатора, сила которого — в эксперименте, становящемся все более строгим благодаря новым измерительным приборам, все более и более точным. Наука утверждается с помощью экспериментов, которые осуществляются на конкретном материале с помощью испытательных приборов, созданных вручную с использованием инструментов. Чтобы стать ученым, теперь необязательно знание латыни, не требовалась знакомство с книгами или университетская кафедра. Публикации в «Актах» академий и участие в научных обществах были доступны всем — профессорам, экспериментаторам, ремесленникам, дилетантам. Наука распространяется через книги, периодические издания, частные письма, деятельность научных обществ, но не через университетские курсы. Обсерватории, лаборатории, музеи, мастерские, дискуссионные клубы зарождаются вне университетов.

Научная революция проявилась и в быстром росте и совершенствовании инструментария — компаса, весов, механических часов, астролябий, печей и т.д., которые быстро модернизируются. В начале XVI в. весь инструментарий сводился к немногим предметам, связанным с астрономическими наблюдениями и топографическими открытиями, а в механике применялись рычаги и блоки. Теперь же в течение всего лишь нескольких десятилетий появляются телескоп Галилея (1610), микроскопы Мальпиги (1660), Гука (1665) и Ван Левенгука (1673), циклоидальный маятник Гюйгенса (1673), воздушный термометр Галилея (1638), водяной термометр Рея (1632), спиртовой термометр Магалот- ти (1666), барометр Торричелли (1643), пневматический насос Бойля (1660) и т.п. Главная задача инструментов, по мнению ученых, — усиливать познавательные способности органов чувств. И в то же время использование оптических инструментов, таких как призма или тонкие металлические пластинки (например, в опытах Ньютона), позволяет характеризовать их не только как вспомогательное средство для увеличения возможностей органов чувств, но и как способ устранить обман зрения.

Проникая внутрь объектов, инструмент обеспечивает большую объективность по сравнению со свидетельствами чувств. Но так как идеалом классического естествознания стало построение абсолютно истинной картины природы, полагалось, что объективность и предметность достигаются лишь тогда, когда из их описания удаляется все относящееся к субъекту и процедурам его познавательной деятельности. Возникает проблема искажения инструментом исследуемого объекта.

Процесс становления классического естествознания завершил Исаак Ньютон (1643—1727). Он оставил огромное научное наследие в самых различных областях науки. Его работы по оптике, астрономии, математике явились важнейшими этапами в развитии соответствующих наук. Но самой большой его заслугой было создание основ механики, открытие закона всемирного тяготения и разработка на его основе теории движения небесных тел.

Чтобы привести в систему огромный накопленный экспериментальный и теоретический материал, И. Ньютон в течение двух с половиной лет работает над книгой «Математические начала натуральной философии». Эта работа имела не только большое научное, но и важное методологическое значение. Свою научную программу Ньютон назвал «экспериментальной философией», подчеркивая решающее значение опыта, эксперимента в изучении природы. Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую физику и эксперимент, определили направление развития естествознания на многие десятилетия вперед.

Ньютон четко сформулировал механические законы всех процессов движения и взаимодействия макроскопических тел, создал для их описания математический язык бесконечно малых. В этом было отступление от атомистических воззрений, но это привело к значительному продвижению в описании и понимании природы. Несмотря на то что в настоящее время его подход кажется естественным и очевидным на фоне абстрактных представлений современной физики и с него начинают знакомство с этой наукой в школе, в то время понадобилось почти семьдесят лет, чтобы этот подход окончательно утвердился в умах ученых.

В «Математических началах натуральной философии» Ньютон вводит такие основные понятия, как сила и масса. Он пишет: «Приложенная сила есть действие, производимое на тело для изменения его состояния покоя или равномерного прямолинейного движения». Это почти современное определение силы в механике. Массу он определяет через плотность и указывает, что она измеряется по весу тела.

Дав определение понятиям скорости, ускорения, силы, массы, Ньютон сформулировал законы динамики в виде связей между этими величинами: закон инерции, закон пропорциональности силы ускорению и закон равенства действия противодействию. Проанализировав законы движения небесных тел, обнаруженных Т. Браге и И. Кеплером, он установил закон всемирного тяготения, введя в науку меру гравитационного взаимодействия тел в нашей Вселенной. В результате стало возможным точно предсказывать солнечные затмения и понять природу морских приливов. Применяя этот закон, Ньютон достроил небесную механику, т.е. теорию движения небесных тел. Открытие Ньютоном закона всемирного тяготения называют актом великого проникновения человека в законы природы.

Впервые в истории науки И. Ньютон различил понятия инертной и гравитационной масс. По его мнению, гравитационная масса тел обеспечивает действие межу ними силами притяжения, инертная масса выступает мерой инертности, т.е. определяет способность тел сопротивляться воздействию каких-либо сил.

Отличительной чертой классической механики являлась обратимость движений во времени, что следовало из соответствующих уравнений. При описании механических процессов в различных системах координат, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, следовало использовать принцип относительности Галилея. Согласно этому принципу, на ускорения тел, возникшие в результате их силового взаимодействия, относительное движение систем отсчета никакого влияния не оказывает. При этом никакими механическими опытами невозможно установить, какая именно из систем движется. Для расчета достаточно было просто сложить скорость движения тела в данной системе отсчета и скорость относительного движения систем отсчета. Поэтому можно выбрать наиболее удобную систему отсчета и работать с ней. Например, в движущемся вагоне отпущенный камень упадет вдоль вертикальной прямой, но при наблюдении с неподвижной платформы его траектория будет иметь вид кривой линии — параболы. Если описать движение (и предсказать положения камня) в системе движущегося вагона (что проще), то чтобы сказать, когда и в какой точке он будет при наблюдении с платформы, достаточно просто учесть относительную скорость (скорость вагона) в конечном ответе.

В механике Ньютона тела взаимодействуют на расстоянии, а взаимодействие происходит мгновенно. Именно эта мгновенность передачи взаимодействий и обусловливает ненужность какой-либо среды и утверждает принцип дальнодействия.

«Математические начала натуральной философии» представляют собой первый наиболее совершенный пример применения в опытной науке разработанного И. Ньютоном метода принципов. Под принципами ученый подразумевал наиболее общие законы, лежащие в основе физики. Поскольку принципы устанавливаются путем исследования явлений природы, то вначале они представляют собой гипотезы, из которых путем логической дедукции получают следствия, проверяемые на практике. Этот метод является, по существу, гипотетико- дедуктивным методом.

Механика И. Ньютона послужила мировоззренческой и методологической основой всего классического естествознания, длительное время стимулируя развитие науки и обеспечивая новые технические открытия.

Первым большим приложением экспериментального метода в биологии стала работа Уильяма Гарвея (1578—1657) «О движениях сердца и крови» (1628), в которой он опроверг представления древнегреческих мыслителей (Герофила, Галена) о циркуляции крови. Гарвеево вычисление количества крови, перекачиваемой сердцем, представляет собой первое важное приложение математики к биологии. Принцип механицизма, положенный в основу формировавшейся в то время механической картины мира, также нашел свое отражение в работах У. Гарвея.

Вместе с тем некоторые ученые не считали необходимым представлять организм как механическую систему. Фламандский алхимик Ян Батист ван Гельмонт (1577—1644) первым начал изучать химию живых организмов (биохимию, как она называется сегодня). Франц де Ла Бое (1614—1672) предложил концепцию тела как химического устройства.

В XVII в. получили широкое распространение микроскопы (от греч. micro — маленький и scope — смотрю), которые значительно расширили рамки наблюдаемой биологической реальности. Родилась микробиология — изучение организмов слишком малых, чтобы быть видимыми. Антони ван Левенгук (1632—1723), усовершенствовав линзы, увидел объекты, которые позже стали называть бактериями.

Английский ученый Роберт Гук (1635—1703) обнаружил растительные клетки в пробковой ткани. Он впервые употребил термин «клетка».

Открытия, сделанные благодаря микроскопу, высветили различия между живой и неживой природой. Вновь стала актуальной проблема сущности жизни и ее происхождения. До тех пор имели распространение представления о спонтанном возникновении жизни. Итальянский врач Франциско Реди (1626—1697) в ходе экспериментов с различными видами мяса опроверг концепцию спонтанного размножения. Однако наблюдения Левенгука над простейшими опять-таки опровергли эксперимент Реди. Проблема спонтанного возникновения жизни вновь стала предметом дискуссии. Началось противостояние виталистов и механицистов. Несмотря на многочисленные опыты Джозефа Нидхэма и Ладзаро Спаллацани, вопрос о происхождении жизни еще долго оставался открытым.

В химии на протяжении 1000 лет (с 400 по 1400 г.) в тесной связи с медициной и ремеслами развивалось «пробирное искусство». Этому способствовали представления о возможности получения благородных металлов из обычных, а также поиск универсального лекарства. Лишь в XV в. от пробирного искусства, поставленного на службу алхимии, стало «отпочковываться» экспериментальное направление развития химических знаний. Однако, став относительно самостоятельным, «экспериментальное искусство» некоторое время было в большей мере связано с химическими ремеслами. В XVI—XVII вв. химики располагали многочисленными экспериментальными данными, которым они еще не могли дать объяснение.

Искусство эксперимента в его классической форме как средство познания законов природы получило свое подлинное развитие лишь в XVII—XVIII вв. Сначала экспериментальное исследование проводилось отдельными лицами в лабораториях, связанных с академиями

(Парижская академия наук, Германская академия естествоиспытателей «Леопольдина») и государственными учреждениями. Членами обществ, изучавшими явления природы с помощью эксперимента, были Роберт Бойль (1627—1691) и Георг Эрнст Шталь (1659—1734).

Бойль олицетворял тип «экспериментирующего» философа- исследователя, который занимался не только чистой наукой. Он стремился обогатить достижениями и химическую практику. Химия, в представлении Бойля, была не «служанкой» ремесла или медицины, а самостоятельной наукой с собственным предметом исследования, специфическими методами и понятиями. Он разработал экспериментальный метод, в частности метод химического анализа, который дополнил синтезом. Все это дало основание Ф. Энгельсу сказать: «Бойль делает из химии науку».

Положительной чертой сформулированной Г.Э. Шталем флогистонной (от греч. cp^oyiaxoa — воспламеняющийся, горючий) теории была ее опора на данные опыта. Германские, скандинавские, французские флогистики были связаны с практикой горно-металлургического производства и ряда других химических технологий. Теория позволяла накапливать немалый опытный материал, но не могла объяснить изучаемые химические явления вследствие ошибочности ее исходного положения о горении как процессе, при котором тело теряет флогистон, вбираемый в себя воздухом.

Тем не менее эта теория господствовала до тех пор, пока французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743—1794) не поставил на ноги всю химию, которая, — как заметил Ф. Энгельс, «в своей флогистонной форме стояла на голове»[1]. Лавуазье первым экспериментально и теоретически доказал, что теория флогистона не позволяет объяснить процессы, происходящие при прокаливании металлов, в соответствии с законом сохранения материи. Для того чтобы показать, в чем действительно состоит процесс горения, Лавуазье должен был проделать большое число опытов, основанных на точных измерениях. Так как он не был знаком с работами, ранее проделанными Дж. Пристли, К. Шееле, Г. Кавендишем и способствовавшими правильному пониманию процесса горения, ему пришлось заново самостоятельно провести целую серию опытов, которые имели количественный, систематический характер. Лавуазье посредством прямого эксперимента доказал, что горение есть не что иное, как соединение сгорающих веществ с кислородом — одним из газов, составляющих воздух. Проведя целую серию опытов, он установил закон сохранения массы, который стал краеугольным камнем химии XIX в.

Таким образом, начавшаяся еще в XVI в. научная революция разрушила антично-средневековую концепцию мира и привела к оформлению классического естествознания, парадигмой которого была механика. Картина мира, возникшая в ее рамках, строилась на принципе жесткого (лапласовского) детерминизма. Строго однозначная причинно-следственная связь возводилась в ранг объяснительного эталона. Объяснение понималось как поиск механических причин, а обоснование сводилось к редукции знаний о природе, к фундаментальным принципам механики. Это укрепило претензии на обнаружение единственно верного метода, гарантирующего построение истинной теории. В итоге «была создана последовательная методология эксперимента и математического анализа, последовательный метод, с помощью которого можно было рано или поздно взяться за решение любой проблемы. Основы науки могли быть позднее пересмотрены и изменены, однако воздвигнутое на них сооружение было прочным. И, что еще важнее, общий метод для построения его был теперь известен и уже не подвергался угрозе быть когда-либо снова забытым»[2].

  • [1] Энгельс Ф. Предисловие ко второму тому «Капитала». Соч., 2-е изд., т. 24. С. 20.
  • [2] Бернал Д. Наука в истории общества. М.: Логос, 1956. С. 276.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >