Тема 8. Рождение современной науки

Возрождение коснулось и астрономии, в 1543 году учившийся в Италии польский священник Николай Коперник издал книгу, в которой он воскресил идею Аристарха Самосского о том, что Земля вращается вокруг Солнца. Однако, как и в древние времена, эта теория не согласовывалась с наблюдениями астрономов, в частности с наблюдениями датского астронома Тихо Браге, создавшего обширные и точные астрономические таблицы. В 1609 году Иоганн Кеплер, астроном и астролог при дворе германского императора, проанализировал таблицы Тихо Браге и путем кропотливых вычислений показал, что Земля вращается вокруг Солнца – но не по кругу, а по эллипсу. Таким образом, ученые Нового времени впервые превзошли ученых Древнего мира.

Экспериментальное подтверждение теории Кеплера было дано великим итальянским ученым Галилео Галилеем. С давних времен основным возражением против гелиоцентрической теории было то, что Луна вращается вокруг Земли – по аналогии считали, что и другие небесные тела должны вращаться вокруг Земли. В 1609 году Галилей одним из первых создал подзорную трубу и с ее помощь сделал много сенсационных для того времени открытий. Он обнаружил много новых звезд и открыл четыре спутника, вращающиеся вокруг Юпитера, - теперь стало ясно, что Луна – это не планета, а спутник, подобный спутникам Юпитера, а планеты, в отличие от спутников, вращаются вокруг Солнца. Галилей энергично выступил в поддержку учения Коперника и был привлечен к суду инквизиции; он был вынужден, стоя на коленях, публично отречься от своих заблуждений. Галилею тогда было уже 70 лет, и он провел остаток жизни под домашним арестом – но продолжал работать и ставить опыты. Он установил, что Аристотель был не прав, утверждая, что тяжелые тела падают быстрее легких, что пушечное ядро летит по параболе и что время колебания маятника не зависит от амплитуды. Галилей открыл закон инерции, закон равноускоренного движения и установил принцип сложения (суперпозиции) движений. Эти открытия стали началом современной механики.

Опыты Галилея продолжал его ученик Торричелли (1608-1647), открывший вакуум, атмосферное давление и создавший первый барометр. Исследование вакуума заинтересовало ученых многих стран. Француз Блез Паскаль совершил с этим барометром восхождение на одну из гор и обнаружил, что по мере подъема атмосферное давление падает. Немец Отто Гернике и англичанин Роберт Бойль почти одновременно изобрели воздушный насос. Бойль также установил, что объем, занимаемый газом, обратно пропорционален давлению (известный закон Бойля-Мариотта). Начатое Галилеем исследование маятника было продолжено голландцем Христианом Гюйгенсом (1629-95), который в 1657 году создал первые маятниковые часы.

По мере развития науки решалась проблема правильного обоснования научных истин и теорем. Английский философ Фрэнсис Бэкон в сочинении «Новый Органон» (1620) дал определение индуктивного и дедуктивного методов доказательства. Французский философ Рене Декарт (1596-1650) ввел в новую науку правила математического доказательства; он настаивал на необходимости доказательства любого утверждения. Когда у Декарта попросили доказать, что он существует, он ответил: «Я мыслю – следовательно, я существую». Декарт первый стал изображать кривые в виде графиков функций и создал аналитическую геометрию, он ввел понятие «количество движения» (это произведение массы на скорость – mv) и установил закон сохранения количества движения в отсутствие внешних сил.

Идеи Декарта были восприняты Исааком Ньютоном (1643-1727). Величайшим открытием Ньютона был его «второй закон механики», утверждавший, что «изменение количества движения пропорционально приложенной силе». «Изменение количества движения» – это масса, умноженная на производную скорости, таким образом, второй закон давал начало дифференциальному исчислению. Другим великим открытием Ньютона был закон всемирного тяготения, при доказательстве этого Ньютон использовал формулу центробежной силы, полученную ранее Гюйгенсом.

Честь создания дифференциального исчисления оспаривал у Ньютона знаменитый немецкий ученый Готфрид Лейбниц (1646-1716). Лейбниц, в частности, установил закон сохранения кинетической энергии. Работы Лейбница и Ньютона в области механики и дифференциального исчисления продолжал швейцарский ученый Иоганн Бернулли (1667-1748).

Успехи ученых привлекли внимание королей и министров. В 1666 году знаменитый министр Людовика XIV Жан-Батист Кольбер уговорил короля отпустить средства на создание Французской Академии наук. Это было восстановление традиций Александрийского Мусея, в Академии были созданы обсерватория, библиотека и исследовательские лаборатории, выпускался научный журнал. Академикам платили большое жалование; в числе академиков были такие знаменитости как Гюйгенс и Лейбниц. Кольбер ставил перед Академией практические задачи, под руководством Пикара был точно измерен градус меридиана и составлена точная карта Франции – причем оказалось, что размеры страны меньше, чем полагали прежде. Людовик XIV в шутку сказал, что «господа академики похитили у него часть королевства». Ученик Гюйгенса Дени Папен был создателем парового цилиндра и работал над созданием паровой машины. Гюйгенс и Папен были протестантами; когда во Франции после отмены Нантского эдикта начались гонения на протестантов, они были вынуждены покинуть страну. Папен уехал в Германию, где построил первую паровую машину, установил ее на лодку и в 1709 году приехал на этом «пароходе» в Лондон. Он просил денег на продолжение своей работы у Лондонского королевского общества. Королевское общество было создано приблизительно в одно время с Французской Академией, и президентом общества в то время был Исаак Ньютон. Однако английское правительство практически не давало обществу средств, и оно было вынуждено отказать Папену. Папен умер в нищете и неизвестно, что стало с первым пароходом.

По примеру Людовика XIV своими Академиями поспешили обзавестись многие европейские короли. В 1710 году по инициативе Лейбница была создана Берлинская академия. В 1724 году, незадолго до смерти, Петр I подписал указ о создании Российской академии наук. Главной знаменитостью Российской академии был ученик Бернулли знаменитый математик швейцарец Леонард Эйлер. Эйлер продолжал разработку теории дифференциальных уравнений, начатую в работах Лейбница и Бернулли. Теория дифференциальных уравнений была величайшим открытием XVIII века; оказалось что все процессы связанные с движением тел, описываются дифференциальными уравнениями, и решив их, можно найти траекторию движения. В 1758 году французский математик и астроном Клеро рассчитал траекторию кометы Галлея с учетом влияния притяжения Юпитера и Сатурна – это была блестящая демонстрация возможностей новой теории. Эта теория нашла свое завершение в знаменитой книге Жозефа Лагранжа «Аналитическая механика», увидевшей свет в Париже в 1788 году.