Античная натурфилософия

Геоцентризм и гелиоцентризм

Квантовая механика

Механика Ньютона

Естествознание — это система (совокупность) наук о природе. Объектом естествознания является природа. Под природой понимается весь материальный мир, взятый во всем многообразии.

Естествознание в своем развитии с древних времен по наши дни претерпело множество модификаций. Исторически разным представлялся его объект, хотя всегда он оставался природой. На протяжении тысячелетий понимание науки менялось, менялись ее содержание и форма, ее влияние на общество.

Первой формой, претендующей на осмысление природы, ее явлений, было религиозно-мифологическим созерцание, сложившееся у различных племен, населявших ареал Эгейского моря в середине — конце 2-го тысячелетия до н.э. (рис. 2.1).

В период формирования рабовладельческих общественных отношений возникла античная натурфилософия (от лат. natura — природа), или философия природы. Ее считают первой в истории человечества формой существования естествознания.

Античная натурфилософия характеризовалась чисто умозрительным истолкованием природного мира, рассматриваемого в его целостности.

Считалось, что философии в ее натурфилософской форме отведена роль «науки наук», ибо она является вместилищем всех человеческих знаний (так полагали приверженцы натурфилософии).

Натурфилософское понимание природы содержало много вымышленного, фантастического, далекого от действительности в понимании мира.

Для истолкования непонятных явлений натурфилософы обычно придумывали какую-нибудь силу (например, жизненную силу) или какое-нибудь мифическое вещество (флогистон, эфир).

Когда в XIX в. естествознание достигло достаточно высокого уровня развития и был накоплен и систематизирован большой фактический материал, существование натурфилософии потеряло историческое оправдание. А в связи с этим понимание философии как «науки наук» также прекратило свое существование, но вместе с тем обрела свой предмет для исследования. Тем не менее такая двусторонняя связь между философией и естествознанием сохраняется по сей день. Принято считать, что наука зародилась в Древней Греции в VI в. до н.э. (Уже к 200 г. до н.э. греки сумели точно определить длину земного шара, хотя китайцы еще раньше и независимо от греков сделали ряд важных открытий, особенно в астрономии).

В Древней Греции возникали первые научные сообщества (милетская школа, платоновская академия, пифагорийцы и др.). При этом древнегреческие мыслители были, как правило, одновременно и философами, и учеными-естествоиспытателями (рис. 2.2).

В V—IV вв. до н.э. греческие мыслители, Аристотель (рис. 2.3), Фалес (рис. 2.4), Гераклит (рис. 2.5) и др., создают свое учение о природе.

Важной характеристикой древнегреческой натурфилософии был космоцентризм. Древнегреческой концепции понятия космоса был характерен налет прежних мифологических представлений о мире.

Вместе с тем уже в V в. до н.э. появляется понимание космоса как Вселенной, как окружающего человека мира.

Представления о «стихиях» как основных, простейших элементах, из которых слагается космос, возникло уже на первом этапе становления античной натурфилософии.

К таким простейшим элементам или «стихиям» чаще всего относили огонь, воду, воздух и землю (см. видео 2.1).

Итак, древнегреческая натурфилософия прошла в своем развитии несколько этапов.

Первый этап называют ионийским.

В VI в. до н.э. древнегреческая цивилизация обрела господство в обширном регионе, охватывающем юго-восточное Средиземноморье, Малую Азию и часть черноморского побережья. К этому времени завершилось формирование городов-государств. Среди них выделялся Милет — главный город Ионийской колонии в Малой Азии на побережье Эгейского моря (рис. 2.6). Там сформировалось Милетская школа натурфилософии, которая оставила глубокий след в истории античной культуры.

Основатель милетской школы Фалес Милесский (625—547 гг. до н.э.) полагал, что началом всего существующего является вода. Нашу землю он сравнивал с островом, плавающим в океане воды (рис. 2.7). Фалес был одним из первых ученых античности, оставившим определенный след в истории астрономии и математики (предсказал солнечные затмения, определил солнцестояния и равноденствия, открыл, что луна светит отраженным светом. Им была указана Полярная звезда и ряд созвездий, что послужило руководством для мореплавателей. Он ввел календарь, определив продолжительность года в 360 дней и разделив его на 12 тридцатидневных месяцев).

Ученик Фалеса Анаксимандр(610—546 гг. до н.э.) первоосновой мировоззрения считал мифическое вещество, которому дал наименование «апейрон» (беспредельное, неопределенное) (рис. 2.8). Анаксимандру принадлежала первая в Европейской науке попытка дать общекосмическую картину мира.

В этой картине Земля — центр Вселенной. В отличие от Фалеса Анаксимандр утверждал, что Земля пребывает в мировом пространстве, ни на что не опираясь. По мнению американского исследователя Ч. Кана, это было самое значительное достижение научной мысли милетской школы.

Итак, постепенно происходил переход от созерцательного мировосприятия — наблюдения за природой — к появлению и расширению научных знаний.

Среди первых объектов, вовлеченных благодаря практике в сферу человеческих интересов, были Солнце, планеты, звездное небо, знание о которых имело большое значение в развитии мореплавания и земледелия.

Составление натурфилософской картины мира завершается переходом к математическим моделям космоса в учениях древних пифагорийцев. Начинается осознанное размежевание материалистического и идеалистического мировоззрения.

Пифагор (582—500 гг. до н.э.) занимал особое место в науке Древней Греции (рис. 2.9). Он внес немалый для своей эпохи вклад в развитие математики и астрономии. Пифагору (через 60 лет после Фалеса) приписывают доказательство знаменитой теоремы. Пифагор пытался с помощью чисел объяснить различные свойства материи.

Имеются упоминания о том, что Пифагор придерживался мнения о шарообразности Земли и ее вращении вокруг собственной оси. Вместе с тем Пифагор был геоцентристом, т.е. считал Землю центром Вселенной.

Другой грек — Евклид (330 г. до н.э.) — заложил основы преподавания классической геометрии, используемые и поныне (рис. 2.10).

Архимед (287 г. до н.э.) очень остроумно использовал математику для практических целей (рис. 2.11).

Архимед открыл закон, гласящий, что если тело погружено в жидкость, то кажущаяся потеря его веса равна весу вытесненной им жидкости. Архимеду, по преданию, принадлежит изобретение винта для подъема воды. При помощи системы рычагов он осуществил спуск на воду большого судна (см. видео 2.2).

Евдокс (около 408 г. до н.э.) заложил научные основы астрономии. Он попытался объяснить движения Солнца и планет, центры которых расположены вблизи центра Земли (рис. 2.12).

Древнегреческий философ — материалист Демокрит — создал первую атомистическую теорию (рис. 2.13).

Возникновение атомистики знаменует второй этап развития древнегреческой натурфилософии (афинский), охватывающий V—IV вв. до н.э. В этот период завершается господство концепции «стихий» и возникает новое направление — атомистика.

В современной литературе основные принципы атомистической теории Демокрита сводятся обычно к следующим положениям.

1. Материя не возникает и не уничтожается. Всякое изменение есть только соединение и разъединение некоторых частей, из которых она состоит.

2. Ничто не происходит случайно, но всегда по причине и необходимости.

3. Ничего не существует, кроме атомов и пустоты; представления обо всем прочем есть только мнение. Атомы представляют собой абсолютно плотные, неделимые, обладающие весом, формой и величиной частицы. Число атомов и число их бесконечных форм бесконечно.

Различные предметы образуются из атомов разных форм и различных сочетаний, подобно тому, как слова образуются из букв. Из атомов образуются не только отдельные предметы, но и целые миры; их также бесконечно много, они возникают и исчезают в бесконечном пространстве вследствие движения атомов.

Учение Демокрита об атомном строении тел, о бесконечности Вселенной и множественности миров, о вечности, неуничтожимости движения настолько опережало время, что впоследствии многие поколения ученых разрабатывали его идеи. Теория Демокрита играла существенную роль вплоть до великих естественнонаучных открытий конца XIX в. (рис. 2.14).

В формировании натурфилософской картины мира большая роль принадлежит Аристотелю, имя которого связывают с первой научной революцией (рис. 2.15).

Как первый и крупнейший историк античной мысли Аристотель дал анализ почти всех предшествующих ему философских и естественнонаучных концепций и на основе критического осмысления предпринял попытку синтеза различных направлений в единую натурфилософскую систему. Однако его стремление связать космологическое, биологическое и физическое направления в систему привело к чрезвычайно абстрактному и противоречивому толкованию основных понятий («материя», «форма», «причина» и др.), к сведению исследований многих проблем лишь к лексическому анализу терминов.

Однако в учениях Аристотеля (о движении, о сущном и сущности и др.) пересекаются идеалистические и материалистические корни всей античной философии.

Аристотель выделяет три основные «философские науки»: математику, учение о природе и учение о божественном.

Центральную роль в аристотелевской картине мира играет космологическое учение (трактат «О небе», «Физика», «Метафизика», «О возникновении и уничтожении»). Предметом этого учения является по Аристотелю мир в целом, ограниченный сферой неподвижных звезд, и небесные тела, которые совершают круговые обращения относительно Земли. В противоположность почти всем предшествующим учениям о природе аристотелевская концепция начисто отвергает идею эволюции космоса и его возникновения во времени (видео 2.3).

Эта созданная Аристотелем модель вечной и неизменной Вселенной оставалась в течение многих веков (до Коперника, Декарта и Канта) самой авторитетной теорией.

Третий (эллинистский) этап в древнегреческой натурфилософии характеризуется развитием математики и механики (предположительно с 330 по 30 гг. до н.э.). Крупнейшим ученым-математиком этого периода был Евклид (III в. до н.э.) (рис. 2.16).

Идеи атомистики Демокрита в этот период получили развитие в учении Эпикура (рис. 2.17). Самое главное учение Эпикура — попытка найти какие-то внутренние источники жизни атомов, их движения.

Первоклассным математиком и механиком этого периода был Архимед.

При римлянах наука в Европе пришла в упадок. В средневековье происходит переориентация с изучения природного мира на познание своего внутреннего мира, как отношения к богу. Насаждаются теология, богословие. Развитие естествознания замедляется.

Пока Европейская христианская наука переживала длительный период упадка (вплоть до ХII — ХIII в.), на Востоке, наоборот, наблюдался прогресс науки.

Нужно отметить, что арабы в Северной Африке сохранили накопленные их предшественниками знания. Арабы были завоевателями и путешественниками и заимствовали математические знания у сирийцев, греков, индусов (рис. 2.18), но внесли и свой вклад в развитие математики, астрономии, фармакологии.

Выдающимися учеными-энциклопедистами средневекового Востока были философ и врач Ибн Сина (890—1077 гг.) и знаменитый арабский математик Аль-Хорезми (заложил основы алгебры) (рис. 2.19, 2.20).

Через арабов Европа познакомилась с китайскими открытиями и изобретениями: порохом, магнитным компасом, книгопечатанием.

Арабы оказали цивилизации неоценимую услугу, познакомив западный мир с научными идеями Индии и Китая. Но ни арабы, ни Индия, ни Китай не стали основателями современной науки. Она зародилась в Европе.

Несмотря на негативное влияние церкви, развитие естествознания в средневековой Европе продолжалось.

Важная роль в развитии науки принадлежит Леонардо Пизанскому (1180—1240 гг.) (рис. 2.21). Он ввел арабские цифры в Европе.

Одним из наиболее известных средневековых ученых был англичанин Роджер Бэкон (1214—1292 гг.) (рис. 2.22). Он занимался оптикой, телескопами, изобрел очки. Его основная заслуга в том, что он подчеркивал роль эксперимента в науке и по праву считается одним из предшественников современной науки, сочетающей в себе теорию и эксперимент. Его продолжателем в этом смысле стал позже Галилей (рис. 2.23).

Большую роль в подъеме западной христианской науки сыграли университеты (Парижский, Болонский, Оксфордский, Кембриджский и др.), которые стали образовываться, начиная с XII в. (рис. 2.24).

И хотя эти университеты первоначально предназначались для подготовки духовенства, но в них уже тогда начинали изучаться предметы математического и естественного направления (например, в Парижском университете группа во главе с Иорданом Неморарием развивала античное учение о равновесии простых механических устройств; в Оксфорде Томас Брадвардин (1290—1344 гг.) написал трактат «О пропорциях»).

Начиная с XV—XVI вв. характер научного прогресса существенно меняется. В развитии науки появляются переломные этапы, выводящие на качественно новый уровень знаний, радикально меняющий прежнее видение мира. Эти переломные этапы в генезисе научного знания получили наименование научных революций.

В эпоху Возрождения в Европе вновь ожил дух открытий, что послужило началом второй научной революции. Для этой эпохи была характерна прочная связь культуры, искусства и науки. Наиболее ярким представителем эпохи итальянского Возрождения, сочетавшим в себе таланты художника, скульптора, архитектора, инженера, был Леонардо да Винчи (рис. 2.25).

Эпоха Возрождения отличалась существенным прогрессом науки

и радикальным изменением миропонимания, которое явилось следствием появления гелиоцентрического учения великого польского астронома Николая Коперника (1473—1543 гг.), изложенного в труде «Об обращении небесных сфер» (1543 г.) (рис. 2.26).

Коперник совершил переворот в естествознании, отказавшись от принятого в течение многих веков учения о центральном положении Земли (от геоцентрической системы мира).

Новое миропонимание исходило из того, что Земля одна из планет, движущихся вокруг Солнца по круговым орбитам.

Учение Коперника явилось первой в истории человечества научной революцией. Католическая церковь объявила учение Коперника ересью. Сам Коперник избежал преследования ввиду своей смерти, случившейся в том же году, в котором был опубликован его главный труд «Об обращении небесных тел» (1543 г.). Этот труд был запрещен католической церковью на протяжении двух столетий с 1616 по 1828 гг.

Защитники учения Коперника были объявлены еретиками и подвергнуты гонениям.

Одним из активных сторонников учения Коперника был знаменитый итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548—1600 гг.) (рис. 2.27). Но он пошел дальше Коперника, отрицая наличие центра Вселенной вообще и отстаивая тезис о бесконечности Вселенной. Бруно говорил о существовании во Вселенной множества тел, подобных Солнцу и окружавшим его планетам. В 1600 г. Дж. Бруно был сожжен на костре.

Вслед за эпохой Возрождения в истории Естествознания начинается так называемая эпоха Нового времени, которая охватывает, три столетия: XVII, XIII и XIX вв. В этом периоде особую роль сыграл XVII век — век создания классической механики и экспериментального естествознания, у истоков которого стояли такие выдающиеся ученые, как Галилей, Кеплер, Ньютон.

В учении Галилео Галилея (1564—1642 гг.) были заложены основы нового механистического естествознания (рис. 2.28). Галилей сформулировал принцип инерции (тело либо находиться в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия), открыл закон свободного падения тел.

Астрономические исследования Галилея обосновывали и утверждали гелиоцентрическую систему Коперника (Галилей установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности имеются пятна, обнаружил 4 спутника Юпитера и др.).

Одним из крупных математиков и астрономов конца XVI — начала XVII вв. был Иоганн Кеплер, открывший законы движения планет (рис. 2.29):

• каждая планета Солнечной системы движется по эллипсу;

• скорость движения увеличивается с приближением планеты к Солнцу.

Важные открытия были сделаны в XVII в. и в других науках, например английский врач Уильям Гарвеи (1578—1657 гг.) открыл закон кровообращения. Он по праву считается основоположником современной физиологии и эмбриологии.

Химия как наука возникла несколько позже других на основе древней алхимии. В конце XVIII в. благодаря работам Антуана Лавуазье и Джозефа Пристли в ней наметился существенный прогресс, проложивший путь атомистической гипотезе Джона Дальтона.

Вторая научная революция завершилась творчеством Исаака Ньютона (1643—1727 гг.) (рис. 2.30). Его научное наследие чрезвычайно разнообразно. В него входит и созданное параллельно с Лейбницем, но независимо от него дифференциальное и интегральное исчисление, которое стало основой математического анализа и математической базой всего современного естествознания. Ньютон сформировал три основных закона движения, которые легли в основу механики как науки:

1) закон инерции;

2) ускорение прямо пропорционально действию силы и обратно пропорционально массе тела;

3) закон равенства действия и противодействия.

И, наконец, Ньютон открыл закон всемирного тяготения.

Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую физику и эксперимент, определили направление развития естествознания на многие десятилетия вперед.

В истории изучения человеком природы сложились два прямо противоположных метода, которые приобрели всеобщий характер. Это диалектический и метафизический методы.

При метафизическом подходе объекты и явления окружающего мира рассматриваются изолированно друг от друга, без учета их взаимных связей, как бы в застывшем, неизменном состоянии.

Диалектический подход, наоборот предполагает изучение объектов, явлений в их взаимосвязи, с учетом реальных процессов их изменения, развития.

Новые научные идеи и открытия второй половины XVIII — первой половины XIX вв. вскрыли диалектический характер явлений природы.

Начало процессу диалектизации (и третей научной революции в естествознании) положила работа Иммануила Канта (1724—1804 гг.) «Всеобщая естественная история и теория Неба», в которой была сделана попытка исторического объяснения происхождения Солнечной системы во времени (рис. 2.31).

Идеи Канта независимо от него развил и дополнил 40 лет спустя французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас (рис. 2.32).

Таким образом, с середины XVIII в. естествознание стало все больше проникаться идеями эволюционного развития явлений природы.

Значительную роль в этом сыграли труды Михаила Васильевича Ломоносова (1711—1765 гг.), который удачно совмещал теоретические и экспериментальные исследования (рис. 2.33). Для него был характерен «метод философствования, опирающийся на атомы». За 48 лет до французского физика и химика А. Лавуазье (казненного в годы Великой Французской революции) М.В. Ломоносов экспериментально открыл и теоретически обосновал закон сохранения вещества, высказав при этом и идею закона сохранения движения. Он разрабатывал механическую теорию теплоты, объясняя ее вращательным движением корпускул (молекул), кинетическую теорию газа, волновую теорию света, исследовал грозовые электрические явления, природу северного сияния. Грозовые разряды он объяснял трением восходящих тепловых и нисходящих холодных потоков воздуха. Ломоносов доказал наличие атмосферы у Венеры. Изучая земные слои, он обосновывал оригинальные эволюционные идеи об образовании гор, руд, каменного угля, торфа, нефти, почв, янтаря. Ученый предполагал существование жизни на других планетах. Большое внимание энтузиаст науки уделял методологии познания, подчеркивая единство теории и опыта, необходимость их опоры друг на друга. Будучи страстным патриотом, он не щадил сил в отстаивании интересов России.

В XIX в. диалектическая идея развития распространялась на широкие области естествознания, в первую очередь на геологию и биологию.

Эволюционное учение в области биологии отстаивал французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк (1744—1829 гг.) (рис. 2.34).

Быстрое развитие биологии, геологии и палеантологии, основывающееся на эволюционных идеях, подготовило почву для теории Дарвина.

На протяжении XIX столетия темп развития наук непрерывно возрастал. Была обнаружена связь магнетизма и электричества (Джоуль), открыт закон сохранения энергии (Гельмгольц) и в конечном итоге процесс превращения материи из одной формы в другую.

Происходит развитие термодинамики, открытие ее законов. Термодинамика сыграла важную роль в решении практических задач преобразования тепла в работу. Таким образом, в XIX в. вслед за механикой теоретическими науками стали химия, термодинамика, учение об электричестве. Теоретизация химии связана в первую очередь с исследованиями англичанина Дж. Дальтона, сознательно положившего в основу теоретического обоснования химических изменений вещества атомистическую идею и придавшего этой идее вид конкретной научной гипотезы. Это стало началом химического этапа развития атомистики. В 1861 г. русский химик A.M. Бутлеров сформулировал основные положения теории химического строения молекул.

Впервые немецким химиком Фридрихом Велером было синтезировано искусственное органическое вещество — мочевина.

Эпохальным явилось открытие выдающегося химика Дмитрия Ивановича Менделеева (1834—1907 гг.) установившего, что свойства элементов изменяются в периодической зависимости от их атомных весов (рис. 2.35).

Исследования в области электромагнитного поля положили начало разрушению механической картины мира. Вклад в этот процесс внесли Шарль Огюст Кулон (1736—1806 гг.), доказавший, что положительный и отрицательный заряды притягиваются прямо пропорционально величине зарядов, Майкл Фарадей (1741—1869 гг.), который ввел в науку понятие электромагнитного поля (рис. 2.36).

Математическую разработку идей Фарадея дополнил английский ученый Максвелл. Он доказал, что свет представляет собой распространяемые в пространстве электромагнитные волны. Немецкий физик Генрих Герц экспериментально подтвердил теоретические выводы Максвелла.

Выдающиеся заслуги в развитии биологии принадлежат русским ученым П.Ф. Горянинову (одному из создателей клеточной теории строения организмов), эволюционистам К.Ф. Рулье, А.Н. Бекетову и И.И. Мечникову. Основополагающие открытия в физиологии высшей нервной деятельности совершил И.М. Сеченов. Его учение о механизмах деятельности головного мозга было развито работами великого исследователя И.П. Павлова.

Иван Михайлович Сеченов (1829—1905 гг.) доказал, что в основе психических явлений лежат физиологические процессы. Если Р. Декарт осознал рефлекторный характер непроизвольных движений, управляемых спинным мозгом, то И.М. Сеченов первым высказал идею о рефлекторном характере произвольных движений, управляемых головным мозгом.

Продолжением этой идеи явилось открытие Иваном Петровичем Павловым (1855—1935 гг.) условных рефлексов. И.М. Сеченов доказал, что раздражение определенных центров в головном мозгу тормозит деятельность центров спинного мозга. Благодаря И.М. Сеченову головной мозг стал предметом экспериментального исследования, а психические явления начали получать материалистическое объяснение в конкретной научной форме.

Таким образом, в XVII—XIX вв. наряду с бурным развитием наук происходит их дифференциация. Появившийся в конце XIX в. — первых десятилетиях XX вв. «каскад» научных открытий коренным образом изменил существовавшие физические воззрения.

25 апреля (7 мая) 1895 г. русский ученый А.С. Попов продемонстрировал изобретенный им радиоприемник на заседании физического отделения Русского физико-химического общества.

В 1896 г. французский физик Беккерель открыл явление радиоактивности. В его исследования включились французские физики супруги Мария Склодовская-Кюри, Пьер Кюри, сумевшие получить новые радиоактивные вещества.

В 1897 г. английский физик Томсон открыл первую элементарную частицу электрон.

В 1911 г. знаменитый английский физик Резерфорд предложил планетарную модель атома. Нильс Бор, приняв ее в качестве исходной и опираясь на квантовую теорию, начало которой было положено немецким физиком Планком, предложил свою модель атома. Согласно этой модели при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое — с одной орбиты на другую атом излучает или поглощает энергию.

Сенсационным открытием явилась теория относительности Альберта Эйнштейна (1879—1955 г.). Специальная теория относительности, созданная им в 1905 г., показала, что для движущихся тел изменяется сам темп движения времени. Развивая эти идеи дальше (через 10 лет) Эйнштейн создал общую теорию относительности, показавшую, что гравитация порождается искривлением пространства — времени.

Открытия на рубеже ХIХ—ХХ вв. по праву считаются третьей научной революцией, приведшей к признанию релятивистской и квантовомеханической картины мира.

Новые идеи способствовали прогрессу научного знания и пониманию с одной стороны структуры атома и элементарных частиц, с другой Вселенной и ее составных частей.