Физика в средние века и эпоху Возрождения
Горяев М.А.
После Герона и Птолемея наступил упадок физики. Вместо оригинальных научных исследований мы видим компиляции, повторения и псевдонаучные пережевывания.
Римляне из греческой науки периода ее упадка в основном усвоили те моменты, которые могли иметь прямое практическое применение, и широко использовали их, например, в строительстве.
Вместе с тем в римской империи было создано большое число научных энциклопедий. Это в течение многих веков было единственным источником сведений о греческой науке. Но с распадом империи вследствие нашествия варваров традиции греческой школы были надолго забыты на Западе.
На Востоке культурные традиции греческой школы никогда не исчезали, хотя и были ослаблены. Они поддерживались в Византийской империи, а затем были переняты арабами, а от них пришли на Запад уже приблизительно в 13 веке.
1. Физика арабского средневековья
Арабы в средние века создали огромную империю. В начальный период ее становления господствовало презрительное недоверие к греческой культуре. Но с середины 8 века наступает пересмотр этого отношения. На первых этапах ассимиляции культур на арабский язык с греческого и сирийского были переведены труды греческих ученых. В этот же период основываются школы по образцу греческих в новых столицах - Дамаске и Багдаде, где началось самостоятельное развитие арабской науки. Здесь наряду с изучением теологических проблем развивались и естественнонаучные исследования.
Вследствие своих греческих корней интерес арабских ученых в основном был обращен к исследованиям в области механики и оптики. В механике арабы следовали Аристотелю и не внесли значительных новых идей в эту область, за исключением гидростатики. Здесь в 10 веке были введены в употребление гидростатические весы для определения удельного веса, а также объяснено действие артезианских колодцев на основе принципа сообщающихся сосудов.
Следует отметить заслуги Мухаммеда ибн Ахмеда аль-Бируни (973-1048), который проводил эксперименты по определению удельных весов с помощью специального отливного сосуда. Бируни был энциклопедистом, широко известны его исследования по астрономии и географии, в частности, определение угла наклона эклептики к экватору, радиуса Земли и т.п. Также широко известна работа среднеазиатского ученого 12 века Аль Хазини "Книга о весах мудрости", в которой подробно описаны применение закона Архимеда и специально сконструированные весы. При этом обсуждается закон Архимеда для воздуха, зависимость удельного веса воды от температуры, пропорциональность веса количеству вещества, содержащегося в теле.
Наиболее ярким арабским физиком-оптиком был Альхазен, работавший в Египте в начале 11 века.
Альхазен (Ибн Аль-Хайтан, Абу Али Хайсама) (965-1039) - арабский физик, астроном, математик, медик, философ. Родился в Басре. Жил и работал в Каире.
Основные результаты оптических исследований изложены в трактате, переведенном в 12 веке на латинский язык, где выдвинул свою теорию зрения, описал работы с камерой-обскурой и по отражению в зеркалах различных видов, высказал идею о конечности скорости света.
В своей теории зрения Альхазен основывался на анатомическом описании глаза, известном по античным исследованиям. Но он отказался от представлений древнегреческих ученых, что световые лучи испускаются глазом. Несостоятельность этого он показывает с помощью ряда опытов физико-физиологического характера, например, ослеплением при попадании на глаза солнечного света. По Альхазену зрительный образ формируется при воздействии на глаз естественного света и цветовых лучей. Под естественным светом он понимает белый солнечный свет, а под цветовыми лучами - свет, отраженный от цветных предметов.
Главное же принципиальное открытие Альхазена состоит в утверждении того, что каждой точке наблюдаемого предмета соответствует некоторая воспринимающая точка глаза. Если у всех греческих физиков зрение рассматривается как ощущение образа, восприятие всего наблюдаемого тела разом, то по Альхазену из каждой точки предмета исходит бесконечное число лучей и в зрачок тоже попадает бесконечное число лучей. При этом Альхазен основывает свои суждения не только на геометрических построениях, но и на базе описанных им опытов с камерой-обскурой. Помимо работ по теории зрения известны труды Альхазена по экспериментальному и геометрическому рассмотрению плоских, сферических, цилиндрических и конических зеркал, а также исследования по преломлению света.
Фундаментальные работы по оптике Альхазена были в 12 веке переведены на латинский язык и распространялись в рукописи, но широкой известности в средние века не имели. В большей степени был известен трактат по оптике Эразма Вителлия, вышедший в 70-е годы 13 века и где по существу излагались представления Евклида, Птолемея и Альхазена.
2. Физика в эпоху Возрождения
В 11-12 веках после периода упадка наблюдается развитие экономической деятельности в Западной Европе. Благодаря этому и контактам с арабским миром происходит интеллектуальное пробуждение в Испании, Лотарингии, Франции, Шотландии. Первый университет был организован еще арабами в Кордове, а затем уже европейцами в Италии и Франции создаются университеты (в Болонье, а затем в Париже). С 13 века появляются университеты в Падуе, Оксфорде, Кембридже, Неаполе, Риме и т.д. Средневековые университеты сильно отличались от современных. Там было всего 4 факультета: богословский, медицинский, юридический и подготовительный (искусств). Однако до нашего времени сохранились ученые степени доктора и магистра, звания профессора и доцента, лекция как основная форма обучения. До сих пор в европейских университетах торжественные речи читаются, а дипломы пишутся на латинском языке.
В 12 и 13 веках в Испании и Италии были переведены труды Аристотеля, Евклида и Птолемея, а труды Архимеда и Герона почти не были известны. Такое одностороннее изучение физики, а также тот факт, что университеты создавались при монастырях, привело к развитию схоластики и вклад этого периода в естествознание весьма незначителен. Схоластическая наука базировалась на принципе - истина уже открыта в священном писании и в трудах богословских авторитетов, и нужно только изучать и комментировать эту истину.
Однако благодаря университетам в Европе поднялся общий уровень образования и культуры, и именно в этой среде появлялись ученые, искавшие новые пути познания. К ним следует отнести францисканского монаха Роджера Бэкона (1214-1294), который занимался в Оксфорде научными исследованиями. Он резко выступал против всеобщего увлечения книгами Аристотеля, считая, что ученый не должен ограничиваться толкованием авторитетов. Наука по Бэкону должна строиться на строгих аргументах и точном опыте, который доказывает теоретическое заключение. Он сам проводил химические и физические эксперименты, делал астрономические наблюдения, объяснял радугу преломлением световых лучей в каплях воды.
Следует отметить появление в этот период понятия составляющих силы тяжести при рассмотрении сил давления на наклонную плоскость, а также развитие понятий о равнопеременном движении с графическим представлением движения. Известно, что к середине 14 века довольно широкое распространение получили очки. Однако, линзы, скорее всего, были случайным открытием средневековых ремесленников.
Магнетизм - единственный раздел физики чисто средневекового происхождения и связано это с появлением в 11 веке морского компаса - прибора исключительной практической важности. История компаса начинается в Китае, где еще во 2 веке было известно свойство намагниченной иглы указывать направление на север. По всей видимости, арабам из Китая стало известно свойство ориентации магнитной иглы, и они использовали это в мореплавании, а затем все страны Средиземноморья внесли существенный вклад в совершенствование конструкции компаса, в частности, введением подвижной картушки. В середине 13 века появился первый трактат по магнетизму Пьетро Перегрино, в котором указываются отличительные черты хороших магнитов, а также приводятся экспериментальные методы определения полярности магнитов и описание явления магнитной индукции. Однако рассмотренная там теория не выдерживает никакой критики, т.к. основывается на астрологии.
В эпоху средневековья происходит интенсивное развитие техники, появляются новые более мощные источники энергии (водяные и ветряные мельницы), огнестрельное оружие, более легкие конструкции в строительстве, корабли с большим водоизмещением, стекольное производство, производство бумаги, появляются первые мануфактуры и т.п. Иоганн Гутенберг (1401-1468) изобретает книгопечатание отдельными вырезными буквами и печатный станок. Это, с одной стороны изменяло социальные условия и образ мышления широких слоев населения, а с другой - ставило новые проблемы перед естествознанием. Развитие техники и слабость университетской "книжной науки" создали предпосылки для обновления науки, что характерно для эпохи Возрождения. В этот период возникает новый идеал человека, который не должен быть знающим, но не творящим, или творящим, но не знающим, но, как писал Джованни Баттиста делла Порта (1535-1615) в своей "Натуральной магии" был бы человеком, который делает, чтобы знать, и знает, чтобы делать. Наиболее ярким представителем этой эпохи Ренессанса является Леонардо да Винчи.
Леонардо да Винчи (15.04.1452-02.05.1519) - итальянский живописец, скульптор, архитектор, ученый и инженер. Родился в селении Анкино около городка Винчи между Флоренцией и Пизой, внебрачный сын зажиточного нотариуса. В 1472 закончил обучение в флорентийской мастерской живописи и скульптуры, где также приобретал знания по математике, оптике, механике и технике, после чего работает в цехе флорентийских художников. 1482-1499 - военный инженер, архитектор, скульптор и живописец у миланского герцога, 1499-1507 - живописец во Флоренции, 1507-1513 - живописец у французского посланника в Милане, где также занимается анатомией, 1513-1516 - работа в Риме, 1516-1519 - живописец и архитектор при дворе французского короля, где продолжает работы по анатомии.
Научные работы посвящены математике, механике, физике, астрономии, геологии, ботанике, анатомии и физиологии человека. Сконструировал много машин, проектировал каналы, исследовал механическое движение, трение, волны на поверхности воды, капиллярность, движение птиц, сопротивление воздуха, подъемную силу, формирование изображения в камере-обскуре и глазе.
Леонардо был незнатного происхождения, поэтому не имел в юности возможности познакомиться с академическими латинскими трудами своего времени. В силу этого его творчество не было сковано схоластической наукой, не подавлялось господством авторитетов, в первую очередь, Аристотеля, что побудило его к непосредственному наблюдению природы и ее изучению. Леонардо осознает, что его понимание мира, достигнутое опытом, более надежно и правильно, чем почерпнутое из книг понимание ученых того времени: "...Хотя я не умею так, как они, цитировать авторов, я буду цитировать гораздо более достойную вещь - опыт, наставника из наставников".
Леонардо был величайшим изобретателем не только эпохи Возрождения, но и всех времен и народов. История техники насчитывает сотни его изобретений: стальные цепные передачи, различные сцепления (конические, спиральные, ступенчатые), роликовые опоры, "карданово" соединение, различные станки, приспособления для опытов с трением и по проверке сопротивления металлических нитей растяжению, боевые машины, землечерпалки, шлюзы и т.д. Следует отметить, что многие его изобретения создавались в процессе непосредственной инженерной работы и тут же реализовывались в конкретных сооружениях. Но глубина мышления Леонардо толкала его к переходу от чистой техники к обобщениям, от непосредственных технических применений тех или иных идей к выделению самих идей и их отдаленным применениям, характерных для науки.
Леонардо долго и внимательно изучал полет птиц, сформулировав при этом сознательный метод научного исследования, что и является одной и его главных научных заслуг.
В области механики наиболее значительным было исследование Леонардо центров тяжести плоских и объемных фигур. Здесь подобно Архимеду он основывается на математических доказательствах нахождения центра тяжести тетраэдра. В статике он развил учение о моменте силы, а также сформулировал и доказал "теорему об опорном многограннике": тело, опирающееся на горизонтальную плоскость, остается в равновесии, если основание вертикали, проведенной из его центра тяжести, попадает внутрь площади опоры.
Леонардо был не только разносторонним человеком, но и универсальным ученым. В динамике он вплотную подошел к формулировке принципов инерции и равенства сил действия и противодействия, создал теорию движения волн на море, открыл изменение атмосферного давления и создал разновидность рычажного барометра. В оптике он дал первое описание камеры-обскуры и использовал ее для развития теории зрения: обосновал перевернутое изображение внутри глаза и объемное зрение.
Принято считать Леонардо основателем экспериментального метода. Он высоко ценил опыт: знание - дочь опыта, - и широко использовал его, считая, что всякое знание начинается с чувств, поэтому нужно ограничивать рассуждение опытом. Но опыт сам по себе - сырой материал, и дело разума включить его в единую физическую концепцию явлений природы и показать, почему данный опыт должен идти именно так.
Было много споров о влиянии Леонардо да Винчи на последующее развитие науки. Это основано на том, что его рукописи были не опубликованы до конца 18 века. Однако многие идеи Леонардо содержатся в трудах крупных ученых 16 века: Николо Тартальи (1499-1552), Иеронима Кардана (1501-1576), Джованни Баттисты Бенедетти (1530-1590). Вообще 16 век был веком интенсивной интеллектуальной деятельности, веком борьбы против господства авторитетов, в особенности, авторитета церкви. В этом веке революционное учение Коперника вызвало резонанс во всем научном мышлении.
Коперник Николай (19.02.1473-24.05.1543) - польский астроном. Родился в Торуне в семье купца. Учился сначала в Краковском университете (1491-95), затем в Болонье и Падуе. С 1503 был секретарем и врачом у своего дяди - епископа Ваченроде, а с 1512 г. занимал должность каноника во Фромберке.
Является создателем гелиоцентрической системы мира. Обладал обширными знаниями в области математики, астрономии, права, медицины, философии, греческих и новых языков. Во Фромберке руководил не только церковными, но и хозяйственными, дипломатическими и военными делами епархии. Он не прекращал научной работы, но его основной труд "О вращениях небесных сфер" в 6 томах был опубликован перед самой его смертью, т.к. была еще сильна церковь, и труд предваряло "предохранительное" предисловие. В этом предисловии отмечалось, что данный труд не посягает на религиозные устои и является лишь математической гипотезой для удобства описания движения планет.
Однако идеи Коперника нашли полное понимание в научном мире, и в результате их распространения обновлялась философия и все научное мировозрение. В числе первых противников Аристотеля и приверженцев Коперника был Бернардино Телезий (1509-1588), церковь резко выступила против учения, появилась первая жертва - Джордано Бруно (1548-1600) и в 1616 г. оно было запрещено.
Успехи физики 16 века кажутся незначительными, но они являются первыми завоеваниями новой культуры, освобождающейся от груза средневековых традиций. Здесь можно отметить исследования криволинейности траектории летящего снаряда (Тарталья), независимости скорости падения тел от их веса (Бенедетти), равновесия тела на наклонной плоскости (голландский ученый Симон Стивен (1548-1620)). Также заметны работы по оптике итальянского ученого Франческо Мавролика (1494-1575), который рассмотрел хрусталик глаза как линзу и первым исследовал преломление света в призме. В 16 веке появилась подзорная труба, но ее случайно создали мастера ремесленники по изготовлению очков, а не ученые, т.к. оптические теории того времени не только не приводили к открытию трубы, а даже уводили от него. В это время были сделаны великие географические открытия: открытие Америки Христофором Колумбом в 1492 г., в 1519-1522 г.г. осуществилась первая кругосветная экспедиция Фердинанда Магеллана.
В этот период продолжились также работы по исследованию магнетизма: были открыты магнитное склонение (Христофор Колумб - 1492 г.) и магнитное наклонение (Георг Гартман - 1544 г.). В Италии Порта в седьмой книге своей "Натуральной магии" описывает оригинальные экспериментальные исследования с помощью железных опилок, использование железной пластины в качестве магнитного экрана и обнаружение исчезновения магнитных свойств при нагреве магнита. Гильберт при исследовании магнита сферической формы сделал вывод о соответствии его магнитных свойств магнитным свойствам Земли, т.е. впервые лабораторные результаты сопоставляются с явлениями космического масштаба.
Гильберт Уильям (24.05.1544-30.11.1603) - английский физик. Родился в Колчестере. Учился в Кембридже и Оксфорде. Был придворным врачом королевы Елизаветы.
В 1600 издал сочинение "О магните, магнитных телах и большом магните - Земле...", где описал свои исследования