Китайская физика. Опережала ли традиционная наука Запад?

Предыстория возникновения физики

Возникновение и расцвет в период с 8-ого по 5-ый век до нашей эры ранней греческой науки, так называемое «греческое чудо», заложило фундамент европейской культуры, на котором возникли её идеалы свободы и верховенства разума. Греческая наука с самого начала была наукой теоретической – её целью было отыскание истины, постижение устройства мира рациональным путем, построение логических схем мироздания. Эти особенность греческой науки не могла быть заимствованной, поскольку такого подхода к знаниям в мире тогда (нигде, кроме Греции) не существовало. Теоретическая наука – выдающееся достижение древнегреческой цивилизации, оказавшее определяющее воздействие на всю последующую историю научного познания на Западе.

Смесь философии, житейских наблюдений, космологических мифов как греческих, так и соседей по ближневосточной Ойкумене (Египта и Месопотамии) – все это приправленное соусом из спекулятивных построений греческих мудрецов и стало тем коктейлем, который называют греческая «натурфилософия». Эта нерасчлененная дисциплина, основной проблемой которой являлось осмысление происхождения и устройства Мира, стала заготовкой для будущего конструирования науки Физики.

Традиционно «отцом греческой философии» называют основателя первой древнегреческой философской школы мудреца Фалеса из города Милета в Малой Азии, жившего в конце 7-ого и начале 6-ого веков до нашей эры. С учения этой «милетской школы» начинают отсчет историки европейских наук, не только математики, астрономы, физики, географы, метеорологи, но даже и биологи. Им же открывается список «семи мудрецов» древней Греции, который составляли еще в античные времена, состав списка менялся, но всегда начинался с него. Для физики самой важной было его гипотеза о существовании единой материальной первоосновы, из которой построен весь Космос. Таким первоэлементом для Фалеса была вода. В дальнейшем на роль первоэлемента предлагали другие «стихии». Так, Анаксимен в качестве первоначала всего сущего определил воздух, Гераклит строил весь Мир только из огня, который, как и весь Мир, «непрерывно изменяется». Более высокого уровня абстракции достигает Анаксимандр – он считает, что то, из чего возникают частные формы бытия, не может быть сведено к одной из стихий. Согласно ему, начало и основу Мира составляет не вода, огонь или какая-нибудь другая конкретная стихия, а нечто неопределенное – «апейрон» (дословно: бесконечный, безграничный), который все сам из себя порождает, сам из себя выделяет «производящие начала». Однако эта конструкция была слишком абстрактна для современников, и вершина греческой мысли Аристотель, который и изобрел название «физика» для будущей науки, вернулся к конструированию стихий из четырех первоэлементов – «качеств» – по формулам:

Тепло + Сухость = Огонь; Холод + Сухость = Земля;

Тепло + Влажность = Воздух; Холод + Влажность = Вода.

Другой важной для будущей физической науки темой, которую обсуждали греческие мыслители, был вопрос о существовании пустоты («относительного небытия»), разделяющей всё сущее на множество элементов. Возможно ли бесконечное деление окружающих объектов на части или этот процесс оканчивается на каком-то уровне, приводя к неделимым далее элементам, которые так и стали называли «атомами» (дословно: неделимыми). Атомистическую гипотезу предложил Левкипп (5-й век до н. э.), а его ученик Демокрит (460–370 до н. э.) развил её до последовательной теории. Противоположной точки зрения (возможности бесконечного деления) придерживался Анаксагор (500–428 до н. э.) – основоположник афинской философской школы. Греческие мудрецы выдвигали все умозрительно возможные варианты и яростно дискутировали с оппонентами. Это было еще одним нововведением в греческой философии, являющимся следствием демократического устройства многих греческих полисов. Демократия «по-гречески» (идеал: все равны и у каждого по два раба) приводила к словопрениям, когда надо было убедить окружающих в своей правоте не силой оружия, а силой аргументов, то есть возникла необходимость доказывать свои утверждения. Затем практика из юриспруденции перетекла в математику, породив идею математического доказательства (индийские математики, например, не доказывали свои геометрические построения, а делали чертеж и писали просто: «Смотри!»). В будущем из идеи математического доказательства возникнет идея физического доказательства, то есть понятие экспериментальной проверки утверждений, а в Новое время и идея мысленного эксперимента. Современная механика базируется на трех понятиях – «пространство», «время» и «материальная точка». Все эти понятия в неявном виде были нащупаны в древнегреческой натурфилософии – оставалось сложить пазл и построить рациональную теорию Мира.

Аристотель (384–322 до н. э.)

Аристотель – величайший греческий мыслитель, гением которого была озарена вся последующая история Запада. Его труды охватывают многие предметы, включая физику, биологию, зоологию, метафизику, логику, этику, эстетику, поэзию, театр, музыку, риторику, психологию, лингвистику, экономику, политику, метеорологию, геологию и государственное управление. Его называют отцом логики, биологии, политологии, зоологии, эмбриологии, естественного права, научного метода, риторики, психологии, реализма, критики, индивидуализма, телеологии и метеорологии. В частности, он построил первое рациональное объяснение природы – физику (от φυσις – «природа»).

Основным принципом его физики был телеологизм – все процессы и явления в мире имеют цель. С точки зрения Аристотеля, «Бог и природа ничего не делают напрасно». Все существует ради какой-то конечной цели, всё так или иначе конечно. Актуальной бесконечности ни внутри нашего мира, ни за его пределами нет. Мир – конечен. Он один, единственный в своем роде и шарообразен (сферически симметричен). Строя законы движения на основе натурфилософии с её элементами-стихиями, Аристотель приписал каждому элементу свое специфическое движение. Каждый элемент тянется к своему естественному месту – для земли и воды, как тяжелых элементов, характерно движение от периферии к центру мироздания – Земле. Для воздуха и огня характерно обратное движение – от центра к периферии. Движение возможно только тогда, когда на тело действует сила, двигающая эти объекты к их естественному месту. Что является характерным для движения всех четырех элементов? Оно является прямолинейным, и в этом отношении оно конечно. Весь наш «подлунный мир» есть результат взаимодействия элементов между собой. Время – это есть мера или число движения в отношении предшествующего и последующего моментов, то есть ощущение времени возникает тогда, когда те или иные состояния объектов меняются. По Аристотелю, время и место не являются ни вещами, ни физическими константами. Строго говоря, ни времени, ни места – нет. Атомов нет, так как из атомистического учения следует, что атом движущийся с определенной скоростью в определенном направлении, будет продолжать свое движение бесконечно или до столкновения с другим атомом (фактически здесь атомисты закладывали прообраз будущего первого закона Ньютона). Пустоты, в которой должны были бы двигаться атомы, тоже нет, так как в пустоте (где нет никаких сил) скорость любого тела должна стать бесконечно большой, что недопустимо, следовательно, мир континуален (каждая точка пространства заполнена материей). Попав в капкан ошибочных гипотез (отрицание пустого пространства, определение силы как причины движения), Аристотель был вынужден придумать нелепую (на современный взгляд) теорию движения, согласно которой брошенное тело подталкивается далее средой, пришедшей в движение от броска (эта теория продержалась на Западе до 16-того века!). Но это все о «подлунном мире», а как устроены небеса? Здесь Аристотель был вынужден придумать еще один элемент мироздания – пятую («quinta» – квинта) стихию или сущность («essentia» – эссенция) как её потом называли латинские авторы – «квинтэссенцию». Сам он назвал её – разреженным воздухом («αἰθήρ» – эфиром), которым дышали боги на Олимпе. Эфир – пятый элемент – не смешивается с остальными элементами, не обладает весом, и его естественное движение – это вечное круговое вращение. Пятый элемент взяли на вооружение пифагорейцы, которые давно обнаружили пятое платоново тело – додекаэдр, но скрывали это от непосвященных, так как не могли сопоставить ему стихию, чего требовало их мистическое учение: «Всё есть число».

Аристотель был самым известным выпускником знаменитой Академии Платона (424–348 до н. э.) и сам создал в 335 г. до н. э. Ликей – философскую школу, которая работала до 267 года, но 4-ом веке была заброшена. Выпускники Ликея (их было более 2000) продолжали и развивали теории Учителя. Но самым знаменитым учеником Аристотеля стал Александр Македонский, с которым он занимался, как сейчас бы сказали, частным образом и который не пошел в философы.

Как же устроена космология Аристотеля? Космос иерархически упорядочен: в центре его находится земля, над землей располагается последовательно вода, воздух, огонь и пятый элемент – эфир. Эфир неуничтожим и образует небесные тела и сферы. Самая внешняя сфера – небо неподвижных звезд, ниже располагаются Солнце, Луна, планеты. Почему происходят изменения положения звезд и планет? Аристотель рассуждает так: «Это происходит от того, что движется либо Земля, либо небеса, либо от того, что и то, и другое движется, либо от того, что одно покоится, а другое движется. Если бы Земля двигалась, то ее движение было бы насильственным. И каждая часть Земли обладала бы таким движением. Если это движение насильственно, то оно не может быть вечным. Однако порядок космоса вечен». Отсюда естественный постулат: Земля неподвижна!

Клавдий Птолемей (ок. 100 – ок. 170) и его геоцентрическая система эпициклов

А как с проверкой теории наблюдением и расчетом (эксперимент появится только через две тысячи лет)? Это заслуга Клавдия Птолемея, астронома, жившего четырьмя веками позже Аристотеля и построившего на базе его физики сложную геоцентрическую модель движения планет. При создании данной системы он проявил себя как умелый механик, поскольку сумел представить неравномерные движения небесных светил (с попятными движениями планет, например Марса) в виде комбинации нескольких равномерных движений по окружностям (эпициклам, дифферентам). Геоцентрическая система Мира Аристотеля-Птолемея была универсальной, простой идейно, но технически весьма сложной (суммарное число эпициклов всех светил равнялось 77). Она позволяла предвычислять небесные явления с любой необходимой для тогдашних наблюдений степенью точности, что позволило ей просуществовать до начала 17-ого века. С точки зрения современной математики эпициклы и дифференты Птолемея – это разложения в ряды Фурье движения планет по эллиптическим орбитам, в фокусе которых находится Солнце, да еще и с неудачной точки разложения (с Земли).

Римская империя, оружием объединившая большую часть тогдашней Ойкумены и установившая Римский мир (Pax Romana, 27 до н. э. – 180), особого вклада в теорию физики Аристотеля-Птолемея не внесла, хотя в поэме «О природе вещей» Тита Лукреция Кара (1 век) была отражена её критика с позиций атомизма Демокрита. Римляне зато продемонстрировали высочайший уровень развития инженерного искусства (строительство зданий, дорог, водопроводов, военных машин и т. п.), опирающегося на греческую традицию. После раздела Римской империи в 395 году на Западную и Восточную части, первая вскоре пришла в упадок, будучи завоевана варварами, вторая, став Византийской империей, просуществовала еще свыше тысячи лет до османского завоевания в 1453 году. Запад погрузился во мрак «Тёмных веков» (6–10 век) – так принято называть этот период европейской истории не только за скудость источников, но и за упадок научного знания, общий цивилизационный регресс вплоть до забвения даже греческого языка.

Цивилизационную эстафету подхватил мусульманский мир, который после арабских завоеваний (7–10 веков) создал огромную империю – Арабский халифат (632–1258). В рамках халифата сложилось культурное пространство, которое продолжало существовать и после его распада. Благодаря этому, исламские учёные, писатели и деятели искусства смогли внести существенный вклад в развитие мировой науки и культуры. В частности, они сохранили в переводах на арабский язык достижения греков. Так, трактат Птолемея «Математическое собрание в 13 книгах» стал «Альмагестом» (Величайшим собранием), работы Аристотеля (в том числе «Физика», «О небе»), мусульманские ученые неоднократно переводили и комментировали. Сами арабы достижениями в механике не прославились – их больше интересовала медицина, химия, фармакология, математика (алгебра).

Средневековье Европы (5–15 век) – бурная эпоха формирования национальных государств, когда значительно возросшее в период после 1000 года население (с 64 до 187 млн. человек) в более позднее время (14 век) уменьшилось до (130 млн. человек) за счет голода, эпидемий чумы и перманентных войн. Христианство, ставшее в 389 году государственной религией Римской империи, пережило крушение её западной части и раскол в 1054 году на Римско-католическую и Православную церкви. Католическая церковь заняла главенствующие позиции в средневековой Европе и даже пыталась ставить себя выше европейских монархов. Христианская церковь – центральный институт Средневековья, она контролировала все стороны тогдашней жизни, очагами культуры которой были многочисленные монастыри. При монастырях существовали школы, скриптории (мастерские по переписке манускриптов) и библиотеки. Однако монастырские школы не могли удовлетворить потребности Церкви в нужных ей специалистах, и она начала основывать университеты: Болонский (1088), Парижский (1160), Оксфордский (1167), Кембриджский (1209), Саламанка (1254). Обучение было двухступенчатым: низшая ступень – тривиум (грамматика, риторика, диалектика), – и высшая ступень – квадривиум (арифметика, геометрия, астрономия и музыка). Всё обучение в университетах велось на латыни, поэтому студенты, свободно перемещаясь по Европе, понимали друг друга. Независимость от государственной власти позволяла университетам устанавливать собственные законы. В большинстве таких первых учреждений царила демократия и свобода – студенты могли самостоятельно выбирать профессоров и деканов.

Основные проблемы, занимавшие средневековых ученых, были богословскими, философия понималась как способ истолкования Священного Писания, логической формулировки догматов Церкви и рациональных доказательств бытия Бога. Учения Аристотеля и Платона, ставшие частично известными благодаря трудам исламских переводчиков и оставшимся контактам с Византией, стали отправной точкой религиозных споров. Если Аристотель принимался за основной источник сведений по логике и физике, то за Платоном признавался наивысший авторитетом в метафизике и богословии. Аристотель дал богословам наукообразный аппарат, но платонизм как учение оказался настолько всеобъемлющим, что позволял удовлетворить различные духовные запросы и стал основой различных, подчас взаимоисключающих философско-религиозных доктрин. Интересно, что платонизм больше импонировал православным богословам, а аристотелизм был ближе схоластам-католикам. Благодаря авторитету Отцов Церкви и в первую очередь Фоме Аквинскому (1225–1274) философия Аристотеля и его физика оказались интегрированы с христианским вероучением, что существенно ограничивало пересмотр ошибочных гипотез, лежащих в их основе. Главным технологическим достижением Средневековья, сыгравшим революционную роль в расширении аудитории, которой стали доступны книги, является изобретение в 1440 году немцем Иоганном Гуттенбергом печатного станка.

Средневековье Европы заканчивается Ренессансом (Возрождением) – тектоническим периодом, предшествующим Новому времени и характеризуемым становлением гуманистического мировоззрения и возрождением античной науки. Ренессанс – не столько исторический период, сколько интеллектуальное и культурное движение. Явление наблюдалось сразу в нескольких европейских странах, поэтому точно назвать место и время появления Ренессанса трудно. Но раннее итальянское Возрождение началось в 14-ом веке во Флоренции. Из Италии Ренессанс просочился в другие европейские страны. Так, французский Ренессанс расцветает с конца 15-ого века, в Англии, Германии и Нидерландах, так называемое «Северное Возрождение» началось позже, и оказалось тесно связанным с движением за Реформацию церкви (16–17 века), породившим новые христианские конфессии (лютеранство, кальвинизм, англиканство и т. д.), то есть протестантизм.

«Почему движутся планеты?» – этот вопрос интересовал людей с глубокой древности. Планеты (в дословном переводе с латинского – «блуждающие звезды») всегда были в центре внимания пытливых умов. По мнению Платона, планеты наделены разумом и в силу этого сами понимают, каким образом и куда им надо двигаться. Аристотель предложил в качестве «перводвигателя планет» неподвижного Бога. В средние века планеты доверили двигать ангелам. Декарт заменил ангелов и перводвигатель эфирными вихрями, увлекающими в своем движении планеты. Убеждение, что планеты надо двигать, а не то они остановятся, было всеобщим. К концу 16-того века некоторые ученые стали понимать, что если исключить силы трения, то нет необходимости в силах, поддерживающих движение. Планеты стали двигаться в пустоте. Коперник, «остановив Солнце и заставив двигаться Землю», сделал Землю планетой.

Иоганн Кеплер (1571–1630)

Иоганн Кеплер – немецкий математик, астроном, механик, оптик, первооткрыватель законов движения планет Солнечной системы. В ходе астрономических исследований Кеплер внёс вклад в теорию конических сечений. Он составил одну из первых таблиц логарифмов, ввел понятие о среднем арифметическом значении, исследовал симметрию снежинок, развивал идеи, ведущие к понятиям интеграла и проективной геометрии. Ввёл в физику термин «инерция», независимо от Галилея сформулировав первый закон механики Ньютона, построил общую теорию линз и их систем. Усовершенствовав телескоп Галилея, предложил свой вариант – «телескоп Кеплера», вытеснивший предшественника и использующийся даже сегодня.

В начале 17 века Иоганн Кеплер, обрабатывая наблюдения Тихо Браге за движением планет (в основном Марса), открыл три закона планетных движений, известных как законы Кеплера:

1) Каждая планета движется в пространстве по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

2) Радиус-вектор планеты описывает равные площади за равные промежутки времени.

3) Квадраты периодов обращения двух планет вокруг Солнца пропорциональны кубам больших полуосей их орбит.

1-ый закон Кеплера

2-ый закон Кеплера

3-ый закон Кеплера

Из всех открытий Кеплера отметим только революционное для его эпохи открытие – траектории планет являются эллипсами, а не окружностями! Вся сложная система эпициклов, введенных, чтобы объяснить неравномерные и даже попятные движения планет (того же Марса), наблюдаемые с Земли, оказалась ненужной. Коперник за счет переноса центра с Земли на Солнце смог уменьшить число эпициклов с 77 (у Птолемея) до 34, а Кеплер свел их нулю! Как ни удивительно, но ни Галилей, ни Браге с этим не согласились. Принять уродливые эллипсы вместо божественно совершенных окружностей для них было противоестественно.

Сам Кеплер, обнаружив, что планеты движутся по «некрасивым» эллиптическим орбитам, начал искать новую красоту в устройстве Мира. И вскоре он её «нашел» – оказалось, что орбиты планет вписаны в правильные многогранники (платоновы тела), которых оказалось ровно столько, чтобы «объяснить», почему планет только шесть (другие планеты еще были неизвестны). Обнаружение других планет разрушило эти построения – в очередной раз красота пифагорейской идеи оказалась миражом.

Рождение физики

Физика – сравнительно молодая наука. Общепринято датировать её рождение 17-ым веком и связывать с именами Галилея и Ньютона. Ранее она была растворена в «Натуральной Философии» – сложном коктейле сведений, весьма разбухшем по сравнению с античной натурфилософией. В него включились разнородные факты из механики, астрономии, химии, геологии, физиологии и т. п., разбавленные буферным раствором религиозно-философских идей.

Дистилляция этого раствора началась в западной Европе, что в конечном итоге позволило всему христианскому Западу занять доминирующие позиции перед лицом более древних и могущественных цивилизаций Востока. Сам исходный раствор был очень богат не только полезными компонентами (фактами, технологиями, как созданными в Европе, так и заимствованными у Китая и мусульманского Востока), но и буферными (не позволяющими менять концентрацию религиозно-философских идей). Европейская критика Аристотеля в 15–16 веках была очень робкой, так как его идеи (где они не противоречили учению церкви) стали базисом физических объяснений. Очевидные нелепости частных утверждений великого Философа разрешалось устранять, но основные его положения поддерживала церковь как авторитетом Отцов Церкви, так и кострами Святой инквизиции.

Основным механизмом «дистилляции» натурфилософии был Эксперимент – физический аналог юридической процедуры дискуссии между защитой и обвинением. Физик выдвигает гипотезу (обвинение), а природа пытается «защищаться» в эксперименте путем согласия, отрицания или умолчания. В европейской традиции закрепился принцип презумпции невиновности: «Бремя доказательства вины лежит на обвинителе». Он существовал еще в Древней Греции, но на Западе вновь возник во времена инквизиции как противовес уверенности инквизиторов в виновности преследуемых ими еретиков. В Китае вплоть до Нового времени действовал принцип презумпции виновности, который требовал от судей пытать обвиняемых, чтобы добиться от них правды (китайские пытки, особенно в древности, были одними из самых жестоких и изощрённых в мире). В любом случае представления о необходимости «пытать природу» сохранились в названиях современных научных объединений (например, МОИП – Московское общество испытателей природы, существующее с 1805 года). Для пыток необходимы пыточные орудия, у физиков эти устройства называются физическими приборами. В наше время их существует невероятное множество с самыми сложными функциями и в широчайшем диапазоне размеров: от микроскопических чипов до ускорителей, не умещающихся в границах одного государства, или системы радиотелескопов, расположенных на разных континентах. В момент рождения физики приборов было мало и в основном они использовались в навигации и астрономии (астролябия и секстант для измерения углов, компас), а также в торговле (мерная линейка, бочка, весы) и в грубом измерении времени (песочные, водяные и механические часы).

Галилео Галилей – итальянский физик, механик, астроном, философ, математик, оказавший значительное влияние на науку своего времени. Галилей – основатель экспериментальной физики. Своими экспериментами он убедительно опроверг умозрительную физику Аристотеля и заложил фундамент классической механики. Одним из первых использовал телескоп для наблюдения небесных тел и сделал ряд выдающихся астрономических открытий. Наиболее известная фигура в конфликте науки с церковью, считается одним из «отцов» классической механики.

Галилео Галилей (1564–1642)

Согласно легенде, в 1589 году Галилей провёл эксперимент, сбросив два шара различной массы со знаменитой падающей башни в Пизе, чтобы продемонстрировать, что время падения не зависит от массы шара (Аристотель считал, что массивные тела падают быстрее). Современные историки науки полагают, что этот опыт был только мысленным, так как никаких записей об этом эксперименте Галилей не сделал, но подробно описал свои менее убедительные опыты, посвященные этой же тематике.

Каким же образом Галилей пришел к своему знаменитому утверждению? Известно, что он экспериментировал с гладкой наклонной плоскостью, по которой скатывал тяжелые шары. Выбирая достаточно протяженную плоскость и малые углы её наклона, можно уменьшить скорость движения тела, что позволит с достаточной точностью измерить время движения тела по плоскости даже с помощью грубых измерителей времени (Галилей использовал водяные часы и собственный пульс).

Результаты экспериментов и позволили Галилею утверждать, что:

1. Свободное падение всех тел в пренебрежении сопротивлением воздуха происходит с постоянным ускорением.

2. Скорость падения нарастает пропорционально времени движения.

3. Пройденный путь пропорционален квадрату времени движения.

Таким образом, Галилея серией простых опытов смог решить задачу о падении тела, не прибегая к спекулятивным рассуждениям и философским гипотезам Аристотеля, и, более того, получил математические выражения для законов изменения скорости падающего тела и проходимого телом пути. Фактически он указал путь, по которому дальше пошла наука физика – выполнение экспериментов, то есть многократное повторение опытов в контролируемых условиях с последующей математической обработкой результатов измерений.

Выдающийся физик современности Стивен Хокинг писал: «Галилей, пожалуй, больше, чем кто-либо другой из отдельных людей, ответствен за рождение современной науки. Знаменитый спор с Католической Церковью занимал центральное место в философии Галилея, ибо он одним из первых объявил, что у человека есть надежда понять, как устроен мир, и, более того, что этого можно добиться, наблюдая наш реальный мир».

Фигура Галилея настолько значительна в истории возникновения научной механики, что представляется целесообразным привести о нем краткие биографические сведения и вспомнить историю с его знаменитой фразой «И все-таки она вертится!».

Галилей родился в 1564 году в итальянском городе Пиза в семье родовитого, но обедневшего дворянина Винченцо Галилея, видного теоретика музыки и лютниста. В семье Винченцо Галилея и Джулии Амманнати было шестеро детей, но выжить удалось четверым: Галилео (старшему из детей), дочерям Вирджинии, Ливии и младшему сыну Микеланджело. В 1572 году Винченцо переехал во Флоренцию, столицу Тосканского герцогства. Правящая там династия Медичи оказывала постоянное покровительство искусству и наукам. Начальное образование Галилей получил в монастыре, как тогда было принято. В учебе продемонстрировал большие успехи и подумывал о карьере священника, но отец хотел пустить его по медицинской линии, и по настоянию отца 17-летний Галилео оказался на медицинском факультете Пизанского университета, где проучился три года, но завершить обучение не смог, так как у отца начались финансовые проблемы и он не смог больше платить за обучение. Тем не менее эти три года были очень значимы для юноши – он впервые познакомился с математикой, основательно изучил труды античных философов и элементы астрономии. Тогда же он познакомился с гелиоцентрической теорией Коперника. Как это все совмещалось с изучением медицинских предметов – непонятно. Во всяком случае пизанские профессора не дали ему бесплатную стипендию для продолжения обучения, и диплома врача он не получил. Тем не менее через пять лет, в 1589 году, Галилей вернулся в Пизанский университет, но уже не студентом, а профессором и стал преподавать астрономию, механику и математику! (Ему оказал протекцию сам тосканский герцог Фердинанд Медичи. Правда, жалованье ему назначили минимальное: 60 скудо в год, тогда как профессор медицины получал 2000 скудо). В 1591 году умер отец, и ответственность за семью перешла к Галилео (в первую очередь он должен был позаботиться о воспитании младшего брата и о приданом двух незамужних сестёр).

В 1592 году Галилей переехал в Падую (Венецианская республика), где продолжил преподавать в местном (весьма престижном) университете. К этому времени он стал уже известным профессором, «… справедливо признаваемым за самого сведущего в математических науках». Годы пребывания в Падуе (1592–1610) были вершиной популярности Галилея. Студенты толпами сбегались на его лекции, правительство поручало разработку технических устройств, с ним активно переписывались молодой Кеплер, Браге и другие научные авторитеты того времени. Пик популярности приносит изобретение телескопа, который он изготовил в 1609 году, узнав об изобретении зрительной трубы в Голландии. Используя свой телескоп, Галилей открывает горы на Луне, показывает, что Млечный Путь состоит из отдельных звёзд, но особенно поразили современников обнаруженные им четыре спутника Юпитера (1610). В честь четырёх сыновей своего покойного покровителя Фердинанда Медичи Галилей назвал эти спутники «Медичийскими звёздами». Популярность зашкаливает, наблюдения в телескоп становятся модным. Наступает всеобщее признание. Галилей становится самым знаменитым учёным Европы, в его честь сочиняются оды, где он сравнивается с Колумбом. Свои первые открытия с телескопом Галилей описал в сочинении «Звёздный вестник» (1610). Книга имела сенсационный успех по всей Европе, даже коронованные особы спешили заказать себе телескоп (французский король Генрих IV просит Галилея «… открыть и для него какую-нибудь звездочку»).

В эти годы Галилей наконец выдает замуж своих сестер (залезая в огромные долги), вступает в гражданский брак с венецианкой Мариной Гамба, становится отцом (сын и две дочери). Общеевропейская слава и нужда в деньгах толкнули Галилея на неосмотрительный, как позже оказалось, шаг: в 1610 году он покидает Венецию, где он был недоступен для инквизиции и перебирается во Флоренцию. Герцог Козимо II Медичи, сын Фердинанда, обещал Галилею почётное и доходное место советника при тосканском дворе. Обещание он сдержал, что позволило Галилею решить проблему долгов, но лишило его защиты от нападок Святой инквизиции. Доносы в инквизицию поступали на Галилея и раньше, но хода им не давали покровители. Галилей переоценил свое влияние на Папу Римского Урбана VIII и решил дать бой устаревшей системе Птолемея, чтобы освободить дорогу гелиоцентрической системе, которую он развивал в течение 30 лет. Для этого он опубликовал книгу «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой» (1632), которую для маскировки снабдил предисловием, где объявлял себя сторонником птолемеевой системы. Однако столь наивная уловка не сработала, и давние враги Галилея – монахи-иезуиты – убедили Урбана, что под одним из действующих героев «Диалогов» простаком-Симпличио выведен сам Урбан (Книга была написана в форме диалога между тремя любителями науки: коперниканцем Сальвиати, нейтральным участником Сагредо и Симпличио, приверженцем Птолемея). Книга была написана не на латыни, как тогда было принято для научных публикаций, а на «народном» итальянском языке, то есть предназначалась для широкой публики. Аргументы Сальвиати (Галилея) были неотразимы, а сам текст был превосходен, так как Галилей обладал несомненным литературным талантом (даже сейчас чтение «Диалогов» доставляет большое удовольствие). Упрямый и самовлюбленный Урбан впал в ярость – книга была запрещена и изъята, а сам Галилей был вызван в Рим на суд Святой инквизиции по обвинению в ереси. Несмотря на заступничество герцога Фердинанда, Галилея пытали (а чем Италия лучше Китая?) и заставили подписать отречение от своих коперниканских убеждений. Легенда говорит, что после произнесения слов отречения, Галилей тихо добавил: «И все-таки она вертится!». Галилей сравнительно легко отделался – его объявили не еретиком, а «сильно заподозренным в ереси», что спасало от костра. Вскоре Галилею было разрешено отправиться на родину, и он поселился в Арчетри, рядом с монастырём, где находились его дочери. Здесь он провёл остаток жизни под домашним арестом и под постоянным надзором инквизиции. Церковь реабилитировала Галилея только в 1992 году (божьи жернова работают медленно, но верно).

Несмотря на варварское обращение со светилом мировой науки, решение Урбана оказалось полезным для развития физики. Изолировав Галилея от пропаганды идей гелиоцентризма, оно позволило последнему сосредоточиться на обдумывании идей, положивших начало двум новым физическим наукам. Несмотря на полную потерю зрения в 1635 году, он продолжал научные исследования, опираясь на верных учеников: Кастелли, Торричелли и Вивиани. Галилей, понимавший необходимость точного измерения времени за год до смерти предложил идею маятниковых часов, реализованную через 15 лет Гюйгенсом (маятниковые часы на 300 лет стали наиболее точным прибором для измерения времени). Еще один физический прибор – термометр – Галилей изобрел и изготовил сам. Даже в живший в 19-веке Майер в восторге писал про него: «Термометр – могущественный инструмент в титанической борьбе между истиной и заблуждением». Последней книгой Галилея стали «Беседы и математические доказательства двух новых наук» (1638), где излагаются основы кинематики и сопротивления материалов. Этот труд стал настольной книгой Гюйгенса и Ньютона, завершивших начатое Галилеем построение оснований механики.

Если, используя библейские термины, уподобить Галилея Иоанну Предтече от механики, то Ньютону будет соответствовать Иисус Христос! Сами англичане берут даже выше и отождествляют его с Саваофом – создателем Мира. Как сказано в книге Бытия,

В начале сотворил Бог небо и землю.

Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною,

и Дух Божий носился над водою.

И сказал Бог: да будет свет. И стал свет.

Известная эпиграмма А. Поупа из 18 века, копируя Библию, вещала:

Был этот мир кромешной тьмой окутан;

Да будет свет! – и вот явился Ньютон.

Роль Ньютона в выходе Механики на прочную научную основу действительно была определяющей. После него Механика стала надежным научным инструментом изучения Мироздания. Это не только небесная механика, положившая конец спекулятивным построениям теории эпициклов и обеспечившая построение надежных, применяющихся даже в наши дни математических методов расчета движения планет, комет и прочих небесных тел. Механика Ньютона стала фундаментом инженерного подхода к конструированию самых различных машин и механизмов. Опираясь на законы Кеплера, Ньютон вывел закон всемирного тяготения, что вместе с четкой формулировкой законов классической механики позволило построить модель Солнечной системы и исследовать её эволюцию со временем. Правда, сам Ньютон отрицал возможность какой-либо эволюции Солнечной системы: после того как Бог её сотворил и дал планетам касательный «первотолчок», она оставалась неизменной, но для устранения накапливающихся возмущений время от времени требовалось божественное вмешательство (что-то типа коррекции часового механизма).

Успех механики был настолько ошеломляющим, что привел к возникновению нового философского течения, получившего название «Механицизм» (Мир – это механизм, и все сложные явления в нем можно свести к механике). Так считали как современники Ньютона, так и физики жившие много позже.

Механистическая картина мира была основана на следующих положениях:

• Мир строится на едином фундаменте – на законах механики Ньютона.

• Все наблюдаемые в природе превращения, а также тепловые явления на уровне микроявлений сводятся к механике атомов и подчиняются закону сохранения и превращения энергии.

• Все причинно-следственные связи однозначны, господствует жесткий детерминизм. В таком Мире существуют точность и возможность однозначного предсказания будущего.

Роль Ньютона в становлении физики столь важна, что и сегодня его идеи и он сам как личность интересны не только историкам науки, но и современным физикам, поэтому приведем краткий биографический очерк его жизненного пути.

Исаак Ньютон – английский математик, механик, оптик, философ. Один из создателей математического анализа, открывшего новую эпоху в количественном описании природных явлений. Разработал основы классической механики и физической оптики. Один из «родителей» физической науки. Считается самым знаменитым физиком Англии за всю её историю.

Исаак Ньютон 1643–1727

Родился в семье мелкопоместных дворян в окрестностях г. Вулсторпа (графство Линкольншир, Англия). Отца в живых не застал (тот умер за три месяца до рождения сына). Вступив в повторный брак, мать оставила двухлетнего Исаака на попечение его бабушки. Своеобразное эксцентричное поведение уже взрослого ученого многие биографы как раз и приписывают тому факту, что до 9-ти лет мальчик был полностью лишен родительской заботы. После смерти отчима мать вернулась домой, однако основное внимание уделяла троим младшим детям и обширному хозяйству. Начав обучаться в гимназии, Исаак перешел в ремесленном училище, так как мать хотела, чтобы он стал во главе семейного хозяйства, и какое-то время юный Ньютон изучал основы сельского хозяйства, но не проявлял интереса к учебе и был возвращен гимназию, по окончании которой юноша успешно поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета. Ньютон быстро овладел учебной программой и перешел к изучению трудов ведущих ученых того времени. Весной 1665 года он получил ученую степень бакалавра, но вынужден был вернуться назад в Вулсторп, успев захватить с собой всего несколько книг – в Англию пришла бубонная чума, Кембриджский университет был закрыт.

Два года, проведенные в изоляции, оказались невероятно плодотворными для Ньютона (вспоминается «Болдинская осень» Пушкина). За вынужденные каникулы были созданы:

• основы дифференциального и интегрального исчисления;

• теория цвета;

• закон всемирного тяготения.

Сам Ньютон писал: «В начале 1665 года я нашёл метод приближённых рядов и правило превращения любой степени двучлена в такой ряд… в ноябре получил прямой метод флюксий (дифференциальное исчисление); в январе следующего года я получил теорию цветов, а в мае приступил к обратному методу флюксий (интегральное исчисление). В те дни я был в расцвете своих изобретательских сил, и Математика и Философия с тех пор меня уже ни разу не захватывали так сильно, как тогда».

После возвращения в Кембридж в 1667 году Ньютон был избран в ученый совет Тринити-колледжа и через год стал магистром. Ему выделили просторную отдельную комнату для жилья, назначили оклад (2 фунта в год) и передали группу студентов, с которыми он несколько часов в неделю занимался стандартными учебными предметами (преподавателем он оказался слабым, и его лекции посещались плохо). Постепенно приходило признание, хотя друзей, кроме своего кембриджского учителя и покровителя – математика Барроу, он так и не завел. В 1669 Барроу принял приглашение короля стать придворным капелланом и оставил преподавание, а 26-летний Ньютон был избран его преемником на должности профессора математики и оптики Тринити-колледжа. На этой должности Ньютон получил оклад 100 фунтов в год, не считая других бонусов и стипендий. Барроу оставил Ньютону обширную алхимическую лабораторию; с этого момента Ньютон увлёкся алхимией, которой в дальнейшем отдал много лет своей жизни.

Упрочив своё положение, Ньютон совершил путешествие в Лондон, где незадолго до того, в 1660 году, было создано Лондонское королевское общество, одна из первых Академий наук. Продемонстрированный «академикам» телескоп-рефлектор Ньютона с 40-кратным увеличением произвел впечатление, и в январе 1672 года Ньютон был избран членом Королевского общества. Теория света Ньютона противоречила волновой теории света, которой придерживался тогдашний секретарь общества Роберт Гук. Конфликты Ньютона с Гуком, а также с Гюйгенсом и Лейбницем привели Ньютона в депрессивное состояние (1673–1679), углубленное нервным расстройством, обострившимся после смерти его матери. Но в 1679 году Ньютон вернулся к работе и снискал себе славу, исследуя траектории движения планет и их спутников. В результате этих исследований, также сопровождавшихся спорами с Гуком о приоритете, были сформулированы закон всемирного тяготения и законы механики Ньютона, как мы теперь их называем. Свои исследования Ньютон обобщил в книге «Математические начала натуральной философии», представленной Королевскому обществу в 1686 году и опубликованной годом позже. Эта работа принесла Ньютону всемирное признание.

В 1704 году вышла в свет монография «Оптика», определявшая развитие этой науки до начала 19 века. Фактически это последний труд Ньютона по естественным наукам, хотя он прожил ещё более 20 лет. Последние годы жизни Ньютон посвятил написанию «Хронологии древних царств», которой занимался около 40 лет, а также подготовкой третьего издания «Начал», которое вышло в 1726 году. Каталог оставленной им библиотеки содержал книги в основном по алхимии, истории, теологии, и именно этим занятиям Ньютон посвятил остаток жизни. Ньютон оставался управителем Монетного двора, поскольку этот пост не требовал от него особой активности. В 1705 году королева Анна возвела Ньютона в рыцарское достоинство. Отныне он сэр Исаак Ньютон. Впервые в английской истории звание рыцаря было присвоено за научные заслуги. Ньютон принимал участие в работе английского парламента, правда, единственное зарегистрированное его выступление там было просьбой закрыть окно из-за сквозняка в зале. В 1725 году здоровье Ньютона начало заметно ухудшаться, и он переселился в Кенсингтон неподалёку от Лондона, где в 1727 году и скончался ночью, во сне. По воспоминаниям очевидцев, похороны были пышными: «В них участвовал весь Лондон. Сначала тело было выставлено на всеобщее обозрение в пышном катафалке, по бокам которого горели огромные светильники, затем было перенесено в Вестминстерское аббатство, где Ньютон был похоронен среди королей и выдающихся государственных деятелей. Во главе траурной процессии шёл лорд-канцлер, за которым следовали все королевские министры».

Как и у всех знаменитых людей, реальная история жизни Ньютона украшена большим количеством легенд. Обсудим одну из самых известных.

Титульный лист книги Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии»

Практически всем известна история о том, как однажды на Ньютона, отдыхавшего в своем саду под яблоней, упало яблоко, что и подтолкнуло его к открытию закона всемирного тяготения. Однако эта история вряд ли соответствует действительности. Яблоко на голову ученому не падало. Да и вывести закон обратных квадратов, наблюдая падающие яблоки, едва ли возможно. Легенду о яблоке, по-видимому, придумал сам Ньютон. Но наибольшую известность ей придал Вольтер. Он приводит эту «правдивую историю» в книге, которая появилась спустя год после смерти великого учёного и посвящена изложению его идей. Как известно, Ньютон никогда не был женат и поэтому нуждался в экономке, которая вела бы его хозяйство. Долгие 30 лет её роль исполняла племянница Ньютона Катарина Бартон. Вольтер ссылается на её свидетельство: «В 1666 году Ньютон был вынужден на некоторое время вернуться из Кембриджа в своё поместье Вулсторп, так как в Лондоне была эпидемия чумы. Когда он однажды отдыхал в саду, ему при виде падающего яблока пришла в голову мысль, что сила тяжести не ограничена поверхностью Земли, а простирается гораздо дальше. Почему бы и не до Луны?» Лишь через 20 лет (в 1687 г.) были опубликованы «Математические начала натуральной философии», где Ньютон доказал, что Луна удерживается на своей орбите той же силой тяготения, под действием которой падают тела на поверхность Земли. На самом деле, тот факт, что сила притяжения должна быть обратно пропорциональна квадрату расстояния, Ньютону стал известен только в 1684 году от Роберта Гука, который пришел к такой зависимости опытным (!) путем. Ход его рассуждений, опиравшихся на опыты с коническим маятником, может быть восстановлен только частично, так как все оригинальные приборы и бумаги Гука были уничтожены Ньютоном. Легендарное дерево пережило Ньютона почти на сто лет и погибло в 1820 г. во время сильной грозы. Кресло, сделанное из него, хранится в Англии в частной коллекции. Однако по всему миру продолжают расходиться «подлинные» семечки от легендарной яблони, которая каким-то образом воскресла. В 2010 году на МКС была доставлена даже «подлинная» щепка от неё. Аналогичные «подлинные» реликвии были очень популярны в средневековье. Кроме щепок от креста, на котором распяли Христа, были даже щепки от «лестницы, которую святой Иаков видел во сне»! Простаки были и будут всегда.

После рождения механики Ньютона все следующие «роды» происходили все быстрее и быстрее. Физические науки выпадали из общего натурфилософского раствора и сами (дифференцируясь) начинали давать «потомство» в виде частных наук (гидравлика, теплопередача, газодинамика, волновая и геометрическая оптики и т. д.). При этом почти каждое появление новой науки из физического ареала рано или поздно, но приводило к возникновению новой технологии, что давало толчки социальному и экономическому развитию Человечества. Иногда это воздействие было настолько мощным, что приводило к революционным сдвигам не только в экономике, но и в мироощущениях людей. Недаром 19 век современниками воспринимался вначале как «век пара и железа», а заканчивался как «век электричества». Создание парового двигателя (Уатт, 1784 г), паровоза (Стефенсон, 1814), парохода (Фултон, 1819), возникновение новой отрасли производства – машиностроения, все это привело к Первой промышленной революции на Западе и его индустриализации, то есть переходу от аграрной экономики к промышленному производству. Возник капитализм как новая форма ведения хозяйства, которая породила и новые нормы взаимоотношений между людьми. В глобальном противостоянии Востока и Запада последний получил подавляющее преимущество, чем и не преминул воспользоваться.