За истинность и признание своих открытий Галилею пришлось вести сложнейшую борьбу с церковной ортодоксией. Ведь его жизнь и деятельность происходили в атмосфере Контрреформации, усиления католической реакции. Это был трагический для естествознания период истории. Речь шла о суверенитете разума в поисках истины. В 1616 г. учение Коперника было запрещено, а его книга внесена в инквизиционный “Индекс запрещенных книг”. После выхода в свет декрета начались сумерки итальянской науки, в научных кругах воцарило мрачное безмолвие.
Церковь дважды вела процессы против Галилея. После первого процесса в 1616 году Галилей вынужден был перейти к методам “нелегальной борьбы” за коперниканизм. В то же время он продолжает исследование законов движения тел под действием сил в земных условиях. Основные итоги этих исследований были изложены им в книге “Диалог о двух системах мира”, которая вышла в свет во Флоренции в 1632 году.
Книга Галилея вызвала восторг в научных кругах всех стран и бурю негодования среди церковников. Иезуиты немедленно начали компанию против Галилея, которая привела ко второму процессу инквизиции в 1633 году. Инквизиция пригрозила Галилею не только его осуждением как еретика, но и уничтожением всех его рукописей и книг. От него требовали признания ложности учения Коперника. Галилей вынужден был уступить. Ценой тягчайшей моральной пытки, невероятных унижений перед теми, кого он так страстно бичевал в своих произведениях, Галилей купил возможность завершения своего дела.
Существует легенда, что 22 июня 1633 г. в церкви Святой Марии после прочтения текста формального отречения Галилей произнес фразу “Eppur si muove!” (И все-таки она движется!). Эта легенда вдохновляла многих художников, писателей, поэтов. На самом деле эта фраза не была произнесена ни в этот день, ни позже. Но тем не менее эта непроизнесенная фраза выражает действительный смысл жизни и творчества Галилея после приговора. В годы, последовавшие за процессом, Галилей продолжал разработку рациональной динамики.
Историческая заслуга Галилея перед естествознанием состоит в следующем:
· Галилей разграничивает понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движения;
· формулирует понятие ускорения (скорость изменения скорости);
· показывает, что результатом действия силы на движущееся тело является не скорость, а ускорение;
· выводит формулу, связывающую ускорение, путь и время S = 1 / 2 ( a t І );
· формулирует принцип инерции (“если на тело не действует сила, то тело находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейного равномерного движения”);
· вырабатывает понятие инерциальной системы;
· формулирует принцип относительности движения (все системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга (т.е. инерциальные системы) равноправны между собой в отношении описания механических процессов);
· открывает закон независимости действия сил (принцип суперпозиции).
На основании этих законов появилась возможность решения простейших динамических задач. Так, например, Х. Гюйгенс дал решение задач об ударе упругих шаров, о колебаниях физического маятника, нашел выражение центробежной силы.
Исследованиями Галилея был заложен прочный и надежный фундамент динамики и методологии классического естествознания. Дальнейшие исследования лишь углубляли и укрепляли этот фундамент. С полным основанием Галилея называют “отцом современного естествознания”.
5. Ньютонианская революция
Целая плеяда ученых ХVII века внесли свой вклад в развитие предпосылок классической механики (И. Буйо, Дж. Борелли, Гук и др.).
Обобщение результатов естествознания ХУП века выпала на долю И. Ньютона (1643 – 1727). Именно Ньютон завершил грандиозную работу постройки фундамента нового классического естествознания. Вразрез с многовековыми традициями в науке, Ньютон впервые сознательно отказался от поисков “конечных причин” явлений и законов и ограничился, в противоположность картезианцам, точным изучением количественных проявлений этих закономерностей в природе.
Обобщая существовавшие независимо друг от друга результаты своих предшественников в стройную теоретическую систему знания (ньютоновскую механику), Ньютон тем самым явился и родоначальником классической теоретической физики.
Родился И. Ньютон в небольшой деревушке Вульсторп в графстве Линкольн 5 января 1643 г. в семье мелкого фермера. Детские и отроческие годы прошли в среде фермеров и сельских пасторов. В детстве Исаак жил в основном на попечении бабушки. Склонный к одиночеству, размышлениям, упорный в учебе мальчик закончил школу первым и в 1660 г. поступил в Кембридж. Все свои великие открытия он сделал или подготовил в молодые годы, в 1665 – 1667 гг., спасаясь в родной деревушке Вулсторпе под Лондоном от чумы, свирепствовавшей в городах Англии. (К этому периоду относится известный анекдот о падающем яблоке, наведшим Ньютона на мысль о тяготении). Среди этих открытий: знаменитые законы динамики, закон всемирного тяготения, создание (одновременно с Лейбницем) новых математических методов – дифференциального и интегрального исчислений, ставших фундаментом высшей математики; изобретение телескопа-рефлектора, открытие спектрального состава белого света и др.
С именем Ньютона связано открытие или окончательная формулировка основных законов динамики: закона инерции; пропорциональности между количеством движения (mv) и величиной движущей силы (F); равенства по величине и противоположности по направлению сил при центральном характере взаимодействия. Вершиной научного творчества Ньютона стала его теория тяготения и провозглашение первого действительно универсального закона природы – закона всемирного тяготения.
В 1666 г. у Ньютона возникает идея всемирного тяготения, его родства с силой тяжести на Земле и идея о том, каким образом можно вычислить силу тяготения. Доказательство тождества между силой тяготения и силой тяжести на Земле проводится у Ньютона путем вычисления центростремительного ускорения Луны в ее обращении вокруг Земли; затем Ньютон уменьшает это ускорение пропорционально квадрату расстояния Луны от Земли, после чего оно оказывается равным ускорению силы тяжести у земной поверхности. Обобщая эти результаты, Ньютон приходит к выводу, что для всех планет имеет место притяжение к Солнцу, что все планеты тяготеют друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Дальнейший шаг заключался в том, что Ньютон выдвинул тезис, в соответствии с которым сила тяжести пропорциональна лишь количеству материи (массе) и не зависит от формы материала и других свойств тела. Развивая это положение, Ньютон приходит к закону всемирного тяготения в общем виде.
Не будет преувеличением сказать, что 28 апреля 1686 года - одна из величайших дат в истории человечества. В этот день Ньютон представил Лондонскому королевскому обществу свою новую всеобщую теорию - механику земных и небесных процессов. В систематической форме изложение классической механики было дано Ньютоном в книге “Математические начала натуральной философии”, которая вышла в свет в 1687 году. Современники Ньютона тотчас же высоко и достойно оценили этот уникальный труд.
Исключительно плодотворным оказался способ изучения явлений природы, разработанный Ньютоном. Eго учение о тяготения была уже не общим натурфилософским рассуждением и умозрительной схемой, а логически строгой, точной (и более чем на два века единственной) фундаментальной теорией - особым рабочим инструментом исследования окружающего мира, прежде всего движения небесных тел. Физическим фундаментом небесной механики стал закон всемирного тяготения.
Из закона всемирного тяготения Ньютон вывел в качестве простых следствий (и уточнил при этом) кеплеровы законы эллиптического движения планет и показал, что в Солнечной системе в общем случае движение ее тел может происходить по любому коническому сечению, включая параболу и гиперболу. На этом основании он сделал вывод о единстве законов движения комет и планет и включил впервые кометы в состав Солнечной системы. Ньютон дал также математический (геометрический) метод вычисления истинной орбиты кометы по ее наблюдениям, что вскоре позволило Галлею открыть первую периодическую комету (комета Галлея). Разрозненные прежде и загадочные явления на Земле и на небе: приливы и отливы, сжатие планет (уже обнаруженное тогда у Юпитера), наконец, прецессия – нашли четкое объяснение в единой теории всемирного тяготения Ньютона. Новыми, подтвердившимися лишь после смерти Ньютона, были его выводы о сплюснутой у полюсов форме Земли. Ньютону принадлежит и великая заслуга объяснения возмущенного движения в Солнечной системе как неизбежного следствия устройства этой системы. Чисто кеплеровского движение, определяемое действием одного центрального светила – Солнца, как показал Ньютон, обязательно будет нарушаться у планет и спутников из-за их взаимного воздействия друг на друга. (Эти отклонения от некоего правильного движения еще задолго до открытия законов Кеплера были впервые обнаружены Птолемеем в движении Луны. Ньютон открыл в ее движении новые неравенства – попятное движение узлов, годичное и параллактическое неравенства и др.).
Формирование основ классической механики было величайшим достижением естествознания ХVII века. Классическая механика была первой фундаментальной естественнонаучной теорией. В течение трех столетий (с ХVII в. по начало ХХ в.) она выступала единственным теоретическим основанием физического познания, а также ядром второй естественнонаучной картины мира - механистической.