Фізика і пізнання світу

Волчкова В. Б., Хунджуа А. Г.

Науковий метод має строго певні «правила» побудови будь-якої науки. Кожна наука має предмет вивчення і справедлива тільки в певних межах. Створення спрощеної моделі будь-якого явища - необхідність. Без спрощень, створення деякої моделі явища неможливо здійснити його кількісну оцінку. Будівля внутрішньо несуперечливою теорії можна звести лише на фундаменті чітко обумовлених постулатів, припущень. Сучасні прилади, більш досконалі, ніж ті, якими користувалися Галілей і Ньютон, дозволяють підвищити точність вимірів і розширюють межі досліджуваного. Але закон всесвітнього тяжіння, встановлений Ньютоном, як узагальнення відомих експериментальних фактів, не зазнав змін, також як і закон падіння тіл, відкритий Галілеєм. Закони руху планет не змінилися, планети Нептун і Плутон були відкриті саме внаслідок справедливості теорії, в основі якої лежить закон всесвітнього тяжіння. Саме в цьому полягає принципова їх відмінність від, наприклад, діаграми Герцшпрунга-Рессела, що ілюструє «еволюцію» зірок. Не кажучи вже про те, що далеко не всі зірки «укладаються» в цю діаграму, вона базується на знанні маси зірок, яку неможливо виміряти прямими методами, і на ніколи не спостерігалися експериментально перетвореннях зірок одного типу в інші. Тобто являє собою наукоподібний вигадка, або більш м'яко кажучи неперевірену і непроверяемую гіпотезу. Тим не менш, вона (діаграма) прикрашає форзаци підручників астрономії, вкладаючи в голови школярів все ті ж еволюційні ідеї.

В чому тут справа? У бажанні переконати! До науки такі методи відношення не мають!

Сучасна наука, яка розвивається за своїми об'єктивними законами, досягла величезних результатів, про що свідчать досягнення техніки. Прикладна наука базується на фундаментальній, яка в свою чергу розширює свої можливості за рахунок створення і впровадження нових більш досконалих приладів і навіть методів дослідження. Це об'єктивна реальність. Але не можна не розуміти, що можливості науки в пізнанні світу обмежені, про що говорилося раніше. І будь-який вихід за межі веде до помилки. На жаль, бажання переконати в деяких випадках виявляється сильнішим, ніж наукову достовірність. Підручник з астрономії -- яскравий приклад строкатою суміші з наукових фактів і «сміливих гіпотез».

Галілео Галілей

Галілео Галілей народився 15 лютого 1564 в Пізі в збіднілої дворянській сім'ї, а помер 3 січня 1642 в Арчетрі. Похований він у Флоренції поруч з Мікеланджело Буанаротті і Данте Аліг'єрі. Вченим треба народитися, заняття наукою для великих людей це не професія, а спосіб життя. Тому слова Вінченцо Вівіані (1622 -- 1703), учня Галілея про те, що Галілей відкрив закон постійності періоду гойдання маятника, спостерігаючи розгойдування лампади в Пізанської соборі і вимірюючи час за биття власного пульсу, безумовно справедливі (хоча скептики вважають це легендою).

Батько майбутнього вченого був видатним теоретиком музики і математиком. Підлітком, в монастирській школі у Флоренції, Галілей вперше познайомився з працями грецьких і латинських авторів. У 1581 Галілей почав навчатися медицині в Пізанської університеті. Там він самостійно вивчає фізику Аристотеля, твори Евкліда і Архімеда. У 1589 р. він був уже призначений професором у Пізанський університет, і відразу ж виявляє незалежність свого мислення. У трактаті «Про рух », написаному по-латині, він спростовує пануюче в науці думка Аристотеля про просторі і про теорію руху, підтримуваного повітрям. Якщо середовищем, пише Галілей, в якій рухаються тіла, є не повітря, а вода, то деякі тіла, наприклад дерево, стають легкими і змінюють напрямок свого руху. Отже, вони рухаються вгору або вниз залежить від їх питомої ваги по відношенню до навколишнього середовища. Крім того, у присутності учнів Аристотеля (перипатетиків) Галілей довів з великою урочистістю в дослідах на Пізанської вежі, що швидкість падаючих тіл не залежить від їх ваги. Ці досліди стали «класичними» і були повторені багатьма натуралістами: Д. Б. Бальяні, В. Раньєрі, і т. д. До пізанського періоду відносяться і винахід «Біланчетти» - гідравлічних ваги для вимірювання густини твердих тіл, і дослідження центрів тяжіння, яке принесло Галілею славу досвідченого геометра. Але, як це часто буває в житті, все це викликало недоброзичливе ставлення до вченого, тому він став шукати собі більш зручне місце.

В 1592 Галілей одержав посаду професора математики в Падуанському університеті, де він пробув 18 років; ці роки були найбільш спокійні і продуктивні в його бурхливого життя. Галілей читав лекції з геометрії, астрономії, механіки для теологів, філософів і медиків. У цей період було складено трактат «Про механічної науці і про користь, яку можна витягти з механічних інструментів ». Крім того, до цього періоду відноситься і досвід з термоскопом -- прообразом термометра. До Галілея сама можливість вимірювання ступеня тепла і холоду здавалася неймовірною, так як холод і тепло представлялися різними властивостями, перемішаними в матерії.

Поділ властивостей на первинні та вторинні - характерна особливість наукової позиції Галілея, за що він і піддавався критиці, яка звинувачує його у філософському дуалізм. Аналогічної позиції дотримувався і Демокріт, якого Галілей цитував у своїх роботах.

В Наприкінці 1608 початку 1609 р. у Венеції поширилися чутки про винахід підзорної труби. Галілей у цей час в області оптики мав слабку підготовку, тим не менш, він взявся за виготовлення цього інструмента. Талант вченого і спостережливість (відвідування скляних майстерень свого друга Маганьяті в Мурано) дозволили Галілею і в цій області досягти успіху, і про це він розповів у «Зоряному віснику». Безумовно, винахід Галілеєм телескопа (хоча початкове його збільшення становило 3, а потім 32) колосально розширило можливості вивчення навколишнього світу. Галілей виявив у хмарах Чумацького шляху збіговисько зірок, які раніше здавалися маленькими молочний плямами. Згодом він вивчив поверхні Місяця і Сонця (виявив сонячні плями, довів, що Сонце обертається навколо своєї осі), відкрив супутники у Юпітера і фази у Венери, пояснив «попелястий світло» Місяця, показало, що Місяць, Земля і всі планети світять відбитим світлом. Крім того, Галілей переконався в істинності геліоцентричної системи світу Коперника.

Гучний слава, яку приніс Галілею його «Зоряний вісник», дозволила йому зайняти місце першого математика Пізанського університету без зобов'язання жити там і читати лекції. Тому Галілей оселився в Арчетрі, поблизу Флоренції. Там він продовжив свої астрономічні спостереження та фізичні дослідження. Було показано різними способами, що повітря має вагу (це стверджував і Арістотель, але його коментатори вважали за потрібне виправити цю думку!). Галілей отримав співвідношення питомої ваги повітря до питомою вагою води 1:400. Сучасні йому критики знайшли експериментальне мистецтво вченого дуже незначним, а нам, з огляду на експериментальні можливості того часу, ця точність здається чудовою. Більш точне значення було отримано через півстоліття Бойл, який вже мав на той час пневматичний насос.

В 1632 у Флоренції вийшов великий труд Галілея «Діалог про дві найголовніші системах світу - птоломеевой і коперниковой ». Цей твір складається з чотирьох діалогів, кожен з яких вважається що відбувалися протягом одного дня. У діалозі беруть участь три особи, одна з яких представляє самого Галілея, другий (перипатетиків) захищає філософію послідовників Арістотеля, третє -- освічена людина зі здоровим глуздом, який ніби є неупередженим суддею. «День перший» присвячений головним чином обговорення вчення про незмінність і нетлінності небесного світу, зокрема, сонячним плям, гористій поверхні Місяця. При цьому другий співрозмовник заперечує всі наукові досягнення і відкриття. «День другий» присвячений, в основному, обговорення питання про рух Землі. Тут закладаються основи сучасної динаміки: принцип інерції і класичний принцип відносності. Принцип інерції доводиться за допомогою міркування, що нагадує доказ «від протилежного »в математиці. Принцип відносності Галілея (або перетворення Галілея) не втратив свого величезного значення і в наш час, зайнявши міцне і почесне місце в класичній фізиці. «Неквапливо і докладно описує великий учений свій принцип: відчуйте їх з ким-небудь з друзів в просторе приміщення під палубою корабля, запасіться мухами, метеликами та іншими літаючими комахами, нехай у вас буде посудину з плаваючими рибками; підвісьте нагорі відерце, з якого вода буде капати крапля за краплею в іншу посудину з вузьким шийкою, поставлений внизу. Поки корабель стоїть нерухомо, спостерігайте старанно! ... хоча у вас не виникає сумніву, що корабель стоїть нерухомо. Примусьте тепер корабель рухатися з будь-якою швидкістю (тільки без поштовхів і качки) так само риби будуть плавати байдуже в будь-яких напряму, комахи літати з однією і тією швидкістю в різні боки, краплі падати в вузьке отвір, як і раніше! У всіх названих явищах ви не знайдете ні найменшої зміни! І причина узгодженості всіх цих явищ у тому, що рух корабля загально усім, хто знаходиться в ньому предметів ...». Краще не скажеш! Сучасний мова лаконічніше і «переведений» на мову математики: принцип відносності означає інваріантність законів механіки по відношенню до перетворень Галілея, але некваплива «музика» оригіналу захоплює і сьогодні.

«День третій »починається тривалою дискусією про нову зірку 1604 Потім розмова переходить на головну тему - про річне русі Землі. Спостереження руху планет, фаз Венери, супутників Юпітера, сонячних плям - всі ці аргументи дозволяють Галілею показати невідповідність вчення Арістотеля даними астрономічних спостережень і обгрунтувати можливість геліоцентричної системи миру і з геометричною і з динамічної точок зору.

«День четвертий »присвячений морським припливи і відпливи, які Галілей помилково пов'язує з рухом Землі, хоча в той час вже існувала гіпотеза про виникненні припливів і відливів під дією Місяця і Сонця. Дія Місяця і Сонця в даному випадку вчений вважав «окультним властивістю притягання небесних тіл »і не поділяв його.

Опублікування «Діалогу» - джерела нещасть всієї його наступного життя - знаменна подія в історії всієї людської думки. Боротьба світоглядів - боротьба не на життя, а на смерть!

Наступний великий труд «Бесіди і математичні докази, що стосуються двох нових галузей науки, що відносяться до механіки і місцевим руху », який сам Галілей справедливо називав шедевром, був опублікований в Лейдені в 1638 р. У ньому було приведено систематичний виклад усіх відкриттів Галілея в області механіки. Робота так само написана в формі діалогу тих же учасників. Але загальний тон роботи більш спокійний, ніби вже не існує противників -- прихильників ідей Арістотеля, і перемогло новий світогляд.

«День перші »починається з дискусії про швидкість світла. Фактично досвід, описаний в цій роботі, повторив Фізо через 250 років. Галілей у той час не зумів провести цей складний експеримент, але його заслуга в постановці цієї експериментальної і теоретичної завдання безперечна. Далі розглядаються проблеми руху, вивчаються коливання маятників, обговорюються акустичні явища: одержання звуку за допомогою коливань, частота яких визначає висоту тону звуку, хвильовий поширення в повітрі, явище резонансу, акустичні інтервали. Таким чином, Галілей заклав основи сучасної акустики.

«День друга »присвячений опору матеріалів при різних способах впливу на них. І хоча ці міркування не мають у даний час практичного застосування, їх наукова цінність, як прообразу науки про опір матеріалів безперечна. Наступний етап, що переходить у третій і четвертий дні, - динаміка. Урочисто звучить фраза - «про предмет найдавнішому створюємо науку новітню». Коротко розглядається рівномірний рух, детально і цікаво розглядається прискорений рух. Розглядаються закони пропорційності швидкості падіння і часу падіння, і формулюється принцип (названий згодом принципом Торрічеллі) про рух центру тяжіння механічної системи. Крім того, виконані оригінальні роботи по руху тіл по похилій площині і про рух «кинутих» тел. Вперше показано, що в цьому випадку траєкторія руху - парабола, доводиться цілий ряд теорем.

Хронологічний метод викладу, що застосовувався до цих пір, дозволив показати глибину і широту наукових інтересів і фундаментальних відкриттів Галілея. Але, можливо, ще важливіше новий спосіб мислення, який ввів Галілей при дослідженні природи.

Коли кажуть, що Галілей був засновником експериментального методу, то це слід розуміти не просто як застосування експерименту для пізнання природи (в грубій формі досліди ставилися ще з часів античності), але як певної філософської концепції, що полягає в неупередженості оцінок і обов'язкової перевірки істинності результату. Тобто те, що ми зараз називаємо наукової достовірністю та наукової сумлінністю (від слова совість).

Таким чином, завдання фізика - придумати експеримент, повторити його кілька разів, виключивши або зменшивши вплив збурюючих факторів, ловити у неточних (так як точність будь-якого досвіду залежить від його методики, і «абсолютно» точних результатів не може бути) експериментальних даних математичні закони, що зв'язують величини, що характеризують явище, передбачити нові експерименти для підтвердження - в межах експериментальних можливостей - сформульованих законів, і, знайшовши підтвердження, йти далі з допомогою дедуктивного методу і знайти нові слідства з цих законів, у свою чергу підлягають перевірці. (Деякі філософи, чисто теоретично розробляли експериментальні методи, яким жоден фізик ніколи не дотримувався.)

Галілей ніде не дає абстрактного викладу свого експериментального методу. Весь цей підхід дан в конкретному додатку до дослідження окремих явищ природи. В усіх його дослідженнях можна виділити чотири моменти. Перший - це чуттєвий досвід, що привертає нашу увагу до вивчення природи, але не встановлює її закони. Другий - аксіома чи робоча гіпотеза. У цьому центральний момент -- момент творчого осмислення побаченого, схожий з інтуїцією художника, не піддається теоретичного обгрунтування. Третій - математичне розвиток -- знаходження логічних закономірностей і наслідків. Четвертий - досвідчена перевірка як найвищий критерій усього шляху розвитку.

Така особистість, як Галілей, який рухається настільки різноманітними мотивами, настільки вільний від вантажу традицій, не може бути втиснута в якусь жорстку схему. Питання про філософських поглядах Галілея обговорювалося і обговорюється і зараз. Його називали і послідовником Платона, і Демокріта, і Канта, і позитивістом і т.д. Сам він на обкладинці зібрання своїх творів хотів бачити слова «Звідси стане зрозумілим на незліченних прикладах, як корисна математика у висновках, що стосуються того, що пропонує нам природа і наскільки неможлива справжня філософія без допомоги геометрії, у відповідності з істиною, проголошеної Платоном ».

Список літератури

1. Маріо Льоцці. Історія фізики. Москва, Мир, 1970. -464 С.

2. М. Лауе. Історія фізики. Москва., Держ. изд-во техніко-теоретичної літ-ри, 1956. -230 С.

3. А.І. Єремєєва., Ф.А. Ціцін. Історія астрономії. Москва, Изд-во МГУ.1989. -349с.