Критическое утверждение экспериментальной физики.

Пионером науки Нового времени стал итальянский ученый Галилео Галилей (1564-1642). Его идеи изложены в двух главных книгах: «Диалог о двух главнейших системах мира» и «Беседы и математические доказательства».

Наука автономна от религии, ибо они являются разными типами познания.Проблема соотношения знания и веры волновала ученого, ибо она прямо влияла на его жизнь. Два раза Галилей представал перед высшим судом Ватикана, его обвиняли в ереси и осуждали. Церковь отвергла учение Коперника как противоречащее Библии, а Галилей стал его последователем. И здесь у ученого нашлись общие аргументы, обосновывающие радикальные различия религии и науки. Если главный предмет христианских верований – Бог, то наука изучает его творения. Если любому верующему достаточно авторитета Священного Писания, то ученый опирается на свидетельства чувственного опыта и доказательную логику. Если религия занимается делом спасения человеческих душ (как душе попасть на «небо»), то астрономия изучает устройство естественных небес (как перемещается небо). Галилей симпатизировал теории «двойной истины», выдвинутой Сигером Брабантским (1240-1284). Если положения религиозной веры истинны своим соответствием Библии, то истины философии и науки ориентируются на познание естественного средствами разума. Хотя религия и наука несоразмерны, у них разные предметы, цели и методы, они дополнительны и совместимы друг с другом в культуре в целом. Главное искусство сводится к тому, чтобы не нарушать границу и сохранять автономию науки в условиях господства религии в общественной жизни.

Наука отличается от философских рассуждений: ученых интересует «что?» и «как?», но не «почему?»Галилей был вынужден искать водораздел не только между наукой и религией, но и между наукой и философией. Средневековая традиция считала философию первой служанкой веры, а науку – второй. И все же граница между ними была неясной и неопределенной, чаще всего философия и наука выступали областями действия единого разума. Позднее средневековье породило схоластику, где соединились христианская теология, философия и научные представления Аристотеля. Этот союз, тормозящий развитие науки, надо было разбить.

Галилей нашел оригинальный способ различения. Он признал, что предметом философии выступают скрытые сущности или глубинные «качества», о которых рассуждают перипатетики. Тут вполне правомерны вопросы «почему?» и ответы на них разум способен получать чисто умозрительно, прибегая только к логическим аргументам. Поэтому философы размышляют на самые широкие и общие темы, ибо их интересует бытие, движение, пространство и время, и многое другое с обязательным признаком «вообще». Совсем в другом положении находятся ученые. Их интересует множество явлений действительности, доступных органам чувств и словесному описанию. Но эта поверхность бытия определяется внутренними «причинами». Их сравнительно немного, они представляют собой устойчивые, общие и необходимые связи или законы (в современном понимании – причинные и функциональные законы). От универсальных сущностей они отличаются не только частной или особенной общностью, но и пространственно-количественной определенностью, что изучает математика. Если явления природы фиксируются чувственными данными, то только в них и через них математический ум способен познать причинные законы. Они-то и дают правильное объяснение чувственным явлениям. На этом пути ученым следует вопрошать о «что?» и «как?», т.е. интересоваться двойным строением природы (явления – законы) и не подменять философские вопросы «почему?». Такая демаркация дошла до современности.

Если наблюдение как наивный опыт попадает в плен вторичных качеств, то научный союз критической мысли с экспериментом открывает первичные качества.Еще Демокрит ввел различие первичных и вторичных качеств. Если последние субъективны и совпадают с нашими изменчивыми ощущениями, то первые являются объективными характеристиками вещей и атомов. Эту традицию Галилей развил, введя различение простого и научного опыта.

Простой опыт есть здравый смысл, возникающий в ходе обычной практической жизни. Он точен в фиксации явлений, но в силу своей ограниченности прагматическими целями и наивной некритичности он обречен на ошибки в объяснениях. Природа отличается сложностью того, как причины обусловливают явления, чаще всего последние разительно отличаются от первых. Мы видим иногда одно, а на самом деле все на уровне причин-законов обстоит иначе. Каждый индивид неоднократно наблюдает восход Солнца, его перемещение по небу и заход. Отсюда возникло общее и здравое мнение о том, что Земля покоится, а Солнце движется. Однако наука утверждает противоположное – Земля вращается и еще движется по орбите вокруг Солнца. Такое несовпадение чувственных явлений с законами природы игнорировал Аристотель, ибо он полностью доверился простому наблюдению. Галилей убеждает современных сторонников Стагирита в том, что наши ощущения и восприятия суть «вторичные качества», которые в ряде случаев могут быть субъективными и ошибочными. Переход чувственных индикаторов к «первичным качествам» как строению самой природы обеспечивает наука, где сочетаются эксперимент, математика и логическая критика.

Ученый-экспериментатор способен познать природу: между естественным и искусственным нет принципиальной разницы.До Нового времени между первозданной природой и творениями человека признавалась существенная разница. Античные греки противопоставляли естественной природе «искусство», т.е. то, что производится людьми. В любых своих произведениях человек нарушает естественную меру, хотя и стремится к красоте и пропорциональности. Если в художественной практике («золотое сечение» и т.п.) это удается, то техника демонстрирует явную искусственность. Данные соображения определили запрет исследовательского эксперимента: любой прибор нарушает познание природы. В средневековье это табу обосновывалось религиозными соображениями (божественный храм природы не подлежит человеческой перестройке).

Новое время внесло свои изменения. Согласно деизму, основой природы Бог сделал вечные и неизменные законы, они управляют буйным и подвижным многообразием явлений. Человек не может изменить законы, но он способен вмешиваться в область явлений и менять их по практическим соображениям. От бытовой и производственной практики научный эксперимент в сути не отличается, он тоже имеет дело с явлениями природы. Все исследовательские манипуляции с вещами никак не могут задеть законы, установленные Богом. Итак, на уровне явлений естественное тождественно искусственному – практике и эксперименту.

Уже в XVI в. одним из важных предметов исследовательского интереса стала военная и промышленная техника. Так, итальянец Н. Тарталья (1499 – 1557)изучал полет мушкетной пули и пушечного ядра для определения оптимальной траектории. Его соотечественник Дж. Кардано (1501 – 1576) исследовал движение шара на твердой поверхности. Ученых также интересовал способ действия и мышления ремесленников и техников. Когда Галилей учился в университете, на него весьма существенно повлиял О. Риччи, которого интересовала инженерная деятельность. Поэтому вполне понятно, почему позднее Галилей много часов провел в венецианском арсенале, беседуя с техниками и наблюдая за их работой. Образцом для его научного экспериментирования стала инженерная практика, где имеет место математический расчет и пробные испытания.

Обязательными условиями научного эксперимента должны быть логическая критика и разумные идеи.В отличие от простого опыта научный эксперимент требует от ученого применения целого ряда познавательных способностей. Самым простым и очевидным выступает чувственность, фиксирующая внешние воздействия природы. Но если в простом опыте чувства легко обманывают своего носителя, то в научном опыте защиту от такого искажения обеспечивает теоретический разум. Галилей отмечает, что суточное движение Земли чувства обычных людей не воспринимают, однако «разум Аристарха и Коперника произвел насилие над показаниями чувств и преодолел видимую убедительность». Научный гелиоцентризм стал результатом «доказательного наблюдения». Вывод Галилея однозначен: научное наблюдение должно идти рука об руку с теоретическим определением.

Галилей возложил на разум ряд обязанностей. Интерпретация чувственных данных очень важна, но не единственна. Он скептически относился к мнению Аристотеля о том, что природа боится пустоты. Если какое-то явление открыто для чувств многих людей, то оно обязательно будет занято каким-то истолковывающим мнением. Чаще всего они далеки от науки, закреплены традицией, и ученые вынуждены много сил тратить на предварительную критику. Здесь их выручает логика, усиленная сомнением. Если обратиться к наследию Аристотеля, то широта его эрудиции поражает, он дал ответы почти на все вопросы. Но его стиль простого опыта внес ряд серьезных заблуждений в науку. Средневековые мыслители превратили их в авторитетные догмы. Чтобы двигаться в науке дольше, их надо преодолеть. В своих диалогах Галилей и занимался критикой научных предрассудков. При этом он отмечал, что следует согласно требованиям логики, разработанной Аристотелем, - разум убеждают аргументами, а не авторитетами. Правда, следует признать, что ученый не гнушался усиливать действие логики приемами риторики, где нужные идеи внушаются красноречием и психотехниками.

Только математика делает опыт научным экспериментом, ибо книга природы написана геометрическими фигурами.О роли математики в науке мыслители заговорили задолго до Галилея. Более того, ученые типа Гроссетеста и Буридана активно применяли геометрические методы в своих исследованиях. И все же только с Галилея начинается эпоха современного союза математики и научного эксперимента. То, что еще в александрийской школе наметил Архимед, итальянский ученый сделал нормой. Сложились благоприятные социальные условия, где эксперимент и математика получили должный статус.

Математика у Галилея получила онтологическое основание. Законы природы обрели пространственно-количественную определенность, эти причинные связи существуют в виде соотношений геометрических фигур: треугольников, кругов, парабол и т.п. Отсюда следует знаменитый афоризм Галилея: «Книга природы написана языком геометрии». Поэтому главным недостатком аристотелевской науки он считал отсутствие математического подхода. Когда Аристотель рассуждает о полете брошенного тела, то он ограничивается умозрительными соображениями («природа боится пустоты», «воздушная среда поддерживает тело» и т. п.). Здесь же надо поставить вопрос: «по какой траектории из множества возможных передвигается брошенное тело?» Далее нужно применить теорию конических сечений, разработанную Aполлонием (III в. до н.э.). В ходе этого процесса получается вывод – тело описывает полупараболу. Координатным методом ее можно разложить на равномерное прямолинейное движение и свободное падение. Таким должен быть способ мысли физика, где математика сводит чувственные качества к геометрическим абстракциям.

Научный опыт с необходимостью предполагает мысленный эксперимент.Весьма интересна оценка новаторского вклада Галилея в науку со стороны А. Эйнштейна. Он сетовал на то, что весьма часто представляют Галилея как ученого, заменившего чисто теоретический метод экспериментом. Но это вовсе не так. Резкое противопоставление теоретической дедукции и эмпирии было чуждо ученому. Галилей возражал лишь против той формы дедуктивизма, которая была присуща Аристотелю и схоластам. Сам же он был сторонник дедуктивного метода в форме мысленного эксперимента. Попробуем эту мысль Эйнштейна пояснить.

Аристотель полагал, что эмпирическая наука должна заниматься описанием природы, т.е. чувственно фиксировать наличные явления. Когда регистрирующих данных накопится относительно много, теория их обобщает, сводя в некоторое единство. В переходе от фактов к теории Аристотель не усматривал каких-то особых конфликтов. Совсем иначе рассуждал Галилей. Он исходил из того, что законы природы радикально отличаются от своих фактических проявлений. А раз так, то обобщение чувственных данных в теорию должно быть конфликтным и преобразующим процессом. Глаза видят одно, но эти свидетельства надо «насильно» изменить так, как подсказывает абстрактная математика. Такое конструирование теории возможно лишь в виде мысленного эксперимента, ибо физический эксперимент обречен оставаться исключительно в области чувственных фактов.

Данное общее соображение можно конкретизировать. Аристотель полагал, что скорость падения тел пропорциональна их весу. Такое обобщение фактов Галилей оценил как скороспелое и ошибочное. Для его опровержения он вместе с Бенедетти предложил следующий мысленный опыт. Если связать и бросить с высоты камень и перо птицы, то в силу того, что общий вес системы «камень – перо» больше веса камня, время ее падения должно быть меньше, нежели время падения камня. Но с другой стороны, время падения должно быть больше, чем у камня, потому что при сложении скоростей падения камня и пера получается промежуточная скорость, которая меньше, чем скорость камня. Соответственно, время падения здесь больше. В результате получаются два противоположных утверждения, образующих логическое противоречие. Согласно главному закону логики налицо заблуждение. К нему привел тезис «скорость падения тел пропорциональна их весу». Стало быть, данное положение ложно. Итак, в основе мысленного эксперимента лежит классический прием «сведение к абсурду». Выход из этого тупика предложил А. Бенедетти: надо признать, что скорость падающих тел одна и та же и не зависит от веса. Галилей был с ним солидарен.

Мысленный эксперимент реализует абстрактную модель из идеальных объектов и тем самым проектирует реальный опыт.Во времена Галилея профессор философии Болонского университета Дж. Риччиоли провел реальные эксперименты по падению тел. Он выбрал башню Азинелли (высота около 100 м.), изготовил один шар из глины, а другой из бумаги (размеры и форма одинаковы). Эти разные по весу тела сбрасывались с башни пятнадцать раз, время измерялось по пульсу и клепсидрой (в период падения вода вытекает из одной емкости в другую и затем взвешивается на весах, что дает промежуток времени). Подобные опыты провели также Р. Декарт и М. Мерсенн. Все они подтвердили правильность мнения Аристотеля – тяжелые тела падают быстрее легких.

Галилей оценивал такие опыты отрицательно, ибо по форме они наукообразны, но в сути остаются простыми и ненаучными. Здесь отсутствует должный мысленный эксперимент, который связывает «причину» (функциональный закон) с явлениями-фактами. Если последние сложны и конкретны множеством разных условий (свойств), то закон представляет собой относительно простую связь неких двух изменчивых свойств (переменных). Для их установления мысль ученого должна заняться идеализацией того, что дают эмпирические наблюдения. Все сложное многообразие явлений надо разделить на существенные (необходимые) и несущественные свойства. Если последние подвергнуть отвлечению, т. е. нейтрализовать их влияние на существенное, то в остатке ученый получит те редкие необходимые переменные, связь которых и образует искомый закон. Знание существенных переменных, которые поддаются контролю, выступает в форме идеальных объектов и их закономерная взаимосвязь дает абстрактную модель. Последняя показывает действие закона в чистом виде без затемняющих суть дела чувственных явлений. Итак, мысленный эксперимент воспроизводит то, как в абстрактной модели реализуется действие общего закона природы.

Падение материальной точки в пустоте – это модель закона падения. Эксперименты с падающим телом Галилей провел по своей схеме. На стадии разделения свойств на существенные и несущественные (метод «резолюций») к первым он отнес путь, скорость и время, а ко вторым – вес, пространственную форму и сопротивление воздуха. Здесь Галилей рассуждал так. У Аристотеля воздушная среда существенна, а что, если все обстоит наоборот. Конечно, при реальном падении трение тела о воздух замедляет падение. Но что, если свободное падение заменить скатыванием шарика по наклонной плоскости. Меняя угол наклона и выбирая гладкие поверхности, можно регулировать скорость. При малом угле наклона скорость движения становится небольшой, что делает сопротивление воздуха незначительным, а время движения достаточно большим. В предельном случае пустоты шарику ничего не мешает двигаться. Стало быть, сопротивление среды и пространственная форма тела для закона падения несущественна, и ими можно пренебречь.

Что же касается веса, то можно представить идеально гладкую и абсолютно твердую поверхность наклонной плоскости, где у движущегося шара нет деформаций и обеспечивается движение без трения. Скатывание шара по одной наклонной и возвышение его по другой тождественно колебанию физического маятника. (У Аристотеля первое движение «естественное», второе - «искусственное». У Галилея они равнозначны). Если взять маятники из свинца и пробки, то их колебания в воздухе будут различными. Но в пустоте они будут колебаться одинаково. Если вес не влияет на скорость колебаний, он несущественен, и его можно не принимать в расчет.

После метода «резолюций» наступает пора метода «композиции», на основе которого конструируется сама модель. В ходе абстрагирования остались две переменные как компоненты закона – путь, проходимый падающим телом, и время. Измерив их в реальных опытах, можно установить коэффициент, характеризующий постоянство скорости – ускорение свободного падения (g=9,8 м/сек). Закон свободного падения будет выражен формулой: S = gt²/2. В его открытии участвовали идеальные объекты: «абсолютно твердый шар», «абсолютно ровная поверхность», «пустота», «материальная точка» (пространственные размеры шара и маятника игнорируются). Падение материальной точки в пустоте является здесь физико-математической моделью. Такое моделирование стало в дальнейшем магистралью построения научных теорий.

Теория Коперника критиковалась с позиции наивной и ложной физики Аристотеля. Старая астрономия геоцентризма была связана с физикой Аристотеля. Коперник ввел гелиоцентризм, и критика его гипотезы пошла со стороны старой физики. Центральным пунктом нападок было представление о движении планеты Земля. Здесь выдвигались возражения с позиции здравого смысла земного наблюдателя, которому противоречит мысль о движении Земли. Если бы Земля вращалась и двигалась, то облака не оставались бы в воздухе, и ядра, выпущенные из пушки в западном и восточном направлениях, пролетали бы разные расстояния. Но этого не происходит. Когда корабль находится в покое, то камень, выпущенный с верхушки мачты, падает перпендикулярно к основанию мачты. В случае с быстро движущимся кораблем камень упадет вдалеке от мачты.

Защита гелиоцентризма новой механикой - принципом относительности и законом инерции.Галилей брал все те же факты-ситуации, которые были у его оппонентов, но объяснял их противоположным способом. Его методом стал принцип относительности: никакими наблюдениями внутри определенной системы нельзя установить, находится ли она в покое или в равномерном одностороннем движении. Любое движение Земли мы не можем воспринять как движение, ибо мы сами участвуем в нем. Галилей указывает на мысленные и реальные опыты на корабле. Допустим, что мы находимся в каюте, где иллюминаторы завешаны и корабль покоится. Если корабль придет в движение равномерно и в одном направлении, то мы этого движения не почувствуем.

Аристотель полагал абсолютную противоположность покоя и движения. Если покой естественен и не нуждается в двигателе, то горизонтальные перемещения обеспечиваются силовыми факторами. Галилей все это пересмотрел. Равномерное прямолинейное движение не нуждается в двигателе, оно равноценно покою. Сохранение покоя и перемещение с одинаковой скоростью осуществляется без сил, и такое состояние природы является законом инерции. Его обнаружение требует мысленных экспериментов. Если идеально твердый шар скатился по наклонной и идеально твердой плоскости в пустоте, то в этой предельно чистой ситуации можно наблюдать инерцию. В реальной жизни мы сталкиваемся с действием многих сил – сил трения, силы тяготения – следствием которых выступает ускорение.

Астрономию Коперника нужно развивать далее.Хотя Коперник изменил положение Солнца и Земли, все остальное в астрономии и космологии оставалось традиционным. В духе Аристотеля все небесные объекты («надлунный мир») представлялись состоящими из идеального вещества с абсолютно ровными сферическими поверхностями. На этом фоне земные явления («подлунный мир») отличались несовершенством состава и спутанностью геометрических форм. Эту оппозицию неба и земли Галилей устранил союзом теории и техники.

Вклад телескопа в научную революцию.В 1608 г. голландец Х. Липперсхей сконструировал подзорную трубу, дававшую многократное увеличение. Галилею об этом сообщили друзья, и он сразу оценил важность такой техники для астрономии. В течение нескольких месяцев ученый создает собственную подзорную трубу с увеличением в 32 раза и в 1609 г. направляет ее на небо. Так родился телескоп – первый оптический прибор для астрономических исследований. Здесь важна не техническая сторона дела, а чисто познавательный поворот. За исключением военных и моряков остальная просвещенная публика линзам не доверяла, считая, что они обманывают глаза. Богословы полагали, что Бог сотворил органы чувств совершенными и искусственная помощь им не нужна. Когда Галилей предложил итальянскому философу П. Либри посмотреть в телескоп на Луну, тот отказался под тем предлогом, что Аристотель все про нее уже выяснил, и ничего нового здесь быть не может. Такого барьера для Галилея не было, он был убежден, что линзы способны существенно помочь зрению открыть новые факты в пользу гипотезы Коперника.

Небо так же неидеально, как и земные явления.И действительно, телескоп дал целую россыпь неожиданных открытий. На Луне Галилей обнаружил горы и долины, миф о ее ровной и гладкой поверхности пал. Далее он открыл четыре спутника Юпитера и тем самым показал, что эти тела подобны Луне, обращающейся вокруг Земли. Астрономия Коперника предсказала существование фаз Венеры, и телескопические наблюдения их подтвердили. Галилей обнаружил на Солнце движущиеся пятна, что свидетельствовало о вращении нашей звезды. Млечный путь оказался гигантским множеством скоплений звезд. Благодаря Галилею граница между земным и небесным рухнула, и открылось их изменчивое единство.

Основоположник современной экспериментальной науки.Заслуги Галилея в науке очевидны. Если Ф. Бэкон выдвинул философский проект научного эмпиризма, то итальянский ученый дал его первые образцы в естествознании. Ему принадлежат первые методологические осмысления связи эксперимента с теорией, а также введение в научный оборот мысленного эксперимента и концептуальной модели. Все это делает Галилея революционером в науке. Но как любой исследователь он имел право на ошибку. Будучи в переписке с И. Кеплером, он знал о том, что немецкий ученый заменил круги эллиптической орбитой планет. Это позволило убрать все эпициклы и значительно упростить небесную геометрию. И все же Галилей не смог преодолеть веру в традиционные круги и не принял эллипсы. Подтвердилась психологическая мудрость – и гении гениальны далеко не во всем.

За что церковь осуждала Галилея?Итальянский ученый два раза допрашивался в священной канцелярии Ватикана, его произведения запрещались. Основная причина лежит на виду – Галилей развивал гелиоцентризм Коперника, осужденный церковью. Некоторые исследователи указывают и на другую, скрытую причину. Ученый открыто заявлял, что он является приверженцем атомизма. Это учение способствовало развитию математики для физики (представление о бесконечно малом) и благоприятствовало становлению понятия «материальная точка». Однако богословы полагали, что атомизм угрожает догмату о евхаристии. Согласно последнему, Христос чудодейственно превращал воду в вино и т.п., и все это основано на вхождении Святого Духа вовнутрь любого тела. Любая частица евхаристического хлеба содержит всю полноту сущности Тела Христова. Таково таинство пресуществления. Но если признается неделимость атома, значит, Святой Дух не может входить вовнутрь атомов и преобразовывать их. Вполне возможно, что инквизиторы требовали от Галилея отречения не только от коперниканства, но и от атомизма. Во всяком случае сам ученый не оставил по этому поводу никаких письменных свидетельств.