Научные революции в развитии естествознания

Развитие естествознания не является лишь монотонным процессом количественного накопления знаний, начиная с XVI века в развитии науки, появляются переломные этапы, скачки, выход на качественно новый уровень знаний, радикально меняющие прежнее видение мира. Эти переломные этапы в развитии научного знания получили наименование революций.

Научная революция – это радикальное изменение всех элементов науки: фактов, закономерностей, теорий, методов, научной картины мира. Первая научная революция пришлась на XVI – XVIII века и ознаменовалась становлением классического естествознания. Ее исходным пунктом является переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической. Этот переход совершил великий польский астроном Николай Коперник (1473-1543 гг.). В своем труде «Об обращениях небесных сфер» он утверждал, что Земля не является центром мироздания, она одна из планет, движущихся вокруг Солнца по круговым орбитам. Совершая обращение вокруг Солнца, Земля одновременно вращается и вокруг собственной оси, чем и объясняется смена дня и ночи, видимое вращение звездного неба. Включив Землю в число небесных тел, которым свойственно круговое движение, Коперник высказал очень важную мысль о движении как естественном свойстве небесных и земных объектов, подчиненном некоторым общим закономерностям единой механики. Тем самым было разрушено догматизированное представление Аристотеля о неподвижном «перводвигателе», якобы приводящем в движение Вселенную.

Учение Коперника подрывало опиравшуюся на идеи Аристотеля религиозную картину мира. Последняя исходила из признания центрального положения Земли, что давало основание объявлять находящегося на ней человека центром и высшей целью мироздания. Кроме того, религиозное учение о природе противопоставляло земную материю, объявляемую тленной, преходящей – небесной, которая считалась вечной и неизменной. Однако в свете идей Коперника трудно было представить, почему, будучи «рядовой» планетой, Земля должна принципиально отличаться от других планет.

Католическая церковь не могла согласиться с этими выводами, затрагивающими основы ее мироздания. Защитники учения Коперника были объявлены еретиками и подвергнуты гонениям. Сам Коперник избежал преследования со стороны церкви ввиду смерти, случившейся в том же году, в котором был опубликован его главный труд «Об обращении небесных сфер». В 1616 году этот труд был занесен в папский «Индекс» запрещенных книг, откуда был вычеркнут лишь в 1895 году.

Существенным недостатком взглядов Коперника было то, что он разделял господствующее до него убеждение в конечности мироздания, поскольку полагал, что Вселенная где-то заканчивается твердой сферой, на которой закреплены неподвижные звезды. Нелепость такого взгляда на Вселенную противоречащего картине мира, основы которой были заложены самим Коперником, вскоре обнаружилась в расчетах, проведенных датским астрономом Тихо Браге.

Одним из активных сторонников учения Коперника был итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548-1600). Он пошел дальше учения Коперника, отрицая наличие центра Вселенной вообще и отстаивая тезис о бесконечности Вселенной. Бруно говорил о существовании во Вселенной множества тел, подобным Солнцу и окружающим его планетам. Причем многие из бесконечного количества миров он считал обитаемыми разумными существами.

Инквизиция имела серьезные причины бояться распространения образа мысли и учения Бруно. В 1532 году он был арестован и в течении восьми лет находился в тюрьме, подвергаясь допросам со стороны инквизиции. 17 февраля 1600 года, как нераскаявшийся еретик, он был сожжен на костре на Площади цветов в Риме. Однако эта бесчеловечная акция не могла остановить процесса познания человеком мира. На научном небосводе взошла звезда Галилея.

В учении Галилео Галилея (1564-1642) были заложены основы нового механического естествознания. До Галилея общепринятым в науке считалось понимание движения, выработанное Аристотелем, согласно которому тело движется только при наличии внешнего на него воздействия, и если это воздействие прекращается, тело останавливается. Галилей показал, что такое представление, хотя и согласуется с нашим повседневным опытом, является ошибочным. Вместо него Галилей сформулировал совершенно иное представление, получившее впоследствии наименование принципа инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия.

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 думал Аристотель), а пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. Галилею принадлежит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника, немалый вклад в разработку учения о сопротивлении материалов.

Росту научного авторитета Галилея способствовали его астрономические исследования. Используя построенные им телескопы, Галилей сделал целый ряд интересных открытий. Он установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности имеются пятна. У самой большой планеты Солнечной системы – Юпитера - он обнаружил 4 спутника (из 13 известных в настоящее время). Наблюдения за Луной показали, что ее поверхность пористого строения. Галилей убедился, что кажущийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд. Но главное в деятельности Галилея состояло в отстаивании учения Коперника, которое подвергалось нападкам не только со стороны церкви, но и со стороны некоторых ученых. Галилей дал блестящее естественно-научное доказательство справедливости гелиоцентрической системы в знаменитой работе «Диалог двух системах мира – Птолемеевской и Коперниковой».

Католическая церковь приняла решение о запрещении книги Коперника «Об обращении небесных сфер», а его учение было объявлено еретическим. Галилей в этом учении упомянут не был, но ему все же пришлось предстать перед судом инквизиции. После длительных допросов он был вынужден отречься от учения Коперника и принести публичное покаяние. Только спустя 350 лет после смерти Галилея, в 1992 году, он был реабилитирован католической церковью, его осуждение было признано ошибочным, а учение – правильным.

Новый крупный шаг в развитии естествознания ознаменовался открытием законов движения планет немецким астрономом Иоганом Кеплером (1571-1630). На основе обобщения многолетних наблюдений движения планеты Марс, сделанных датским астрономом Тихо Браге, Кеплер сформулировал три закона движения планет относительно Солнца. В своем первом законе он отказывается от коперниковского представления о круговом движении планет и доказывает, что каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Это открытие имело огромное значение для развития естествознания, оно свидетельствовало о том, что между движением земных и небесных тел нет непреодолимой пропасти, поскольку все они подчиняются объективным естественным законам. Но Кеплер не мог объяснить причины движения планет, поскольку динамика – учение о силах и их взаимодействии – была создана лишь позднее И.Ньютоном.

В такой ситуации большое впечатление на естествоиспытателей произвела «теория вихрей», выдвинутая Рене Декартом (1596-1650). Декарт полагал, что мировое пространство заполнено особым, легким, подвижным веществом, способным образовывать гигантские вихри. Вихревые потоки, окружая все небесные тела, увлекают их и приводят в движение. Но теория вихрей не могла объяснить движение планет по законам Кеплера, она была отвергнута дальнейшим развитием науки. Но Декарт обессмертил свое имя в другой области – в математике. Он создал аналитическую геометрию, ввел оси координат и алгебраические обозначения, сформулировал понятие переменной величины.

Первая научная революция завершилась созданием классической механики И. Ньютона(1643-1724). Опираясь на труды Галилея, Ньютон разработал строго научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Параллельно с Лейбницем и независимо от него Ньютон создал свой вариант дифференциального и интегрального исчисления для решения основных проблем механики. Благодаря этому Ньютон сформулировал три основных закона движения и закон всемирного тяготения. Первый закон механики Ньютона – это принцип инерции, сформулированный еще Галилеем. Существо второго закона состоит в констатации того факта, что приобретаемое телом под действием какой-то силы ускорение прямо пропорционально этой действующей силе и обратно пропорционально массе тела. Третий закон механики Ньютона – это закон равенства действия и противодействия.

Данная система законов движения была дополнена открытым Ньютоном законом всемирного тяготения. Этот закон является основой создания небесной механики – науки, изучающей движение тел Солнечной системы. В 1687 году вышел главный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии». Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую физику и эксперимент, определили направление развития естествознания на многие десятилетия вперед. Итогом первой глобальной научной революции, условно названной Ньютоновской, было создание механической картины мира на базе экспериментально-математического естествознания.

В начале ХХ века в физике и естествознании в целом произошла вторая глобальная научная революция, приведшая к возникновению релятивистской и квантово-механической картины мира.