Развитие научной мысли Нового времени: эмпиризм, механика и гравитация

Конец эпохи Ренессанса в Европе характеризуется расцветом научной мысли: были сформированы основные принципы физики, астрономии, механики — наук, успешно развивающихся и сегодня. Зарождение классической научной традиции ожидаемо привело к появлению технологических инноваций, которые вывели общество на качественно новый уровень жизни. Но для того чтобы новые технологии могли стать реальностью, миру необходимы были революционеры в науке, которые бы создали научную базу для их появления. Эта статья — о самых знаменитых из них.

Формирование научного метода: Бэкон и Декарт

Несмотря на бурное развитие научной мысли и критического мышления, многие ученые конца эпохи Ренессанса продолжали объяснять природу вещей мистическими воззрениями. Активное развитие астрономии так и не вытеснило интерес широкого круга весьма образованных людей к астрологии — псевдонауке, пытавшейся объяснить будущее и настоящее движением звезд и планет. Ученые умы нередко искали подтверждение своим теориям в оккультизме и обращались к алхимическим рецептам, чтобы расширить свое знание о материи. Как и следовало ожидать, безрезультатно.

Эта ситуация в корне не устраивала Фрэнсиса Бэкона (1561-1626) — английского парламентария, философа и эрудита, который был активным приверженцем революции в науке. Бэкон порицал сторонников ничем не доказанных парадигм и устаревших моделей устройства Вселенной, заявляя, что только новые знания и теории, подтвержденные экспериментальной базой, могут претендовать на истинность.

С целью доказать на практике важность своего научного метода он сконструировал лабораторию, в которой проводил множество экспериментов. Разработанный Бэконом научный метод основывался на необходимости для ученого ставить под сомнение правдивость выдвигаемых ним теорий и проверять их посредством эксперимента. Так, для проверки существовавшей ранее гипотезы о том, что многие заболевания передаются посредством контакта больного человека со здоровым, Фрэнсис Бэкон предлагал подвергать здоровых людей воздействию разных переменных (одной из которых был контакт с больным), чтобы экспериментальным путем выяснить конкретную причину возникновения заболевания. Важным в эмпиризме Бэкона была именно повторяемость и систематичность проводимого эксперимента. Он считал недостаточным, единожды получив подтверждение своей гипотезы, сразу прекращать экспериментальную работу над ней. Напротив, для того чтобы наверняка убедиться в истинности (или ложности) суждения, эксперимент надлежало повторять вновь и вновь, пока возможная погрешность в получаемых результатах не будет сведена к абсолютному минимуму.

Рассуждения Бэкона о важности критического мышления в науке легли в основу его книги «О продвижении и мастерстве обучения» (The Advancement and Proficiency of Learning), которая была опубликована в 1605 году. Необходимость обоснованного и доказательного научного подхода в науке Бэкон аргументировал его универсальностью — любой человек мог повторить описанные в его книге эксперименты и лично убедиться в их истинности либо ложности.

Уже после смерти Бэкона его философия эмпирического познания ляжет в фундамент основанного в 1660 году Королевского общества по развитию естественных научных знаний. Общество, в частности, запомнилось запуском в тираж первого в истории научного журнала, получившего название «Философские труды Королевского общества» (Philosophical Transactions of the Royal Society).

И хотя Бэкон и не вошел в историю науки как выдающийся изобретатель, именно его рекомендации касательно того, как нужно заниматься наукой, вдохновили следующие поколения ученых, в частности французского философа и математика — Рене Декарта (1596-1650). Декарт создал свою систему координат, получившую название декартова. Система координат из двух осей (х и у) позволила рассчитывать графики зависимости переменных от времени и стала основой для появления аналитической геометрии. Понятная система графиков способствовала развитию ряда научных дисциплин: астрономии, физики и инженерии. Наиболее полное описание своей системы координат Декарт привел в дополнении к своей книге «Рассуждения о методе», опубликованной в 1637 году.

В своих работах Рене Декарт к тому же заключил, что сама Вселенная не является статичной и строго подчинена законам механического движения. Однако в точности описать эти законы при своей жизни он так и не смог. Декарту не хватило математических инструментов и наличия новой системы счисления, что позволяла бы рассчитывать изменение процессов во времени. Не хватало и четкой классификации законов, которые описывали бы все известные типы механического движения. Впрочем, совсем скоро в Англии появится человек, которому будет под силу собрать все наблюдения своих предшественников воедино и упорядочить их в форме системы элегантных уравнений, описывающих эти закономерности.

Новое исчисление и гравитация: Ньютон как феномен

Исаак Ньютон (1643-1727) родился преждевременно и весил настолько мало, что вопрос его выживаемости был совершенно неочевиден. Тем не менее, Вселенная имела на него иные планы, и уже в 1661 году Исаак поступил в Тринити колледж в Кембридже, где попал под наставничество Исаака Барроу — на тот момент одного из сильнейших математиков Англии. Именно профессор Барроу сформировал ньютоновский интерес к самым важным математическим проблемам того времени: необходимости алгебраического описания изменяющихся во времени процессов.

После закрытия Кембриджского университета вследствие вспышки чумы Ньютон начал работать самостоятельно и не менее плодотворно. Он экспериментировал с оптикой, в результате чего создал один из первых зеркальных телескопов-рефлекторов, который обладал лучшей способностью к увеличению, и наряду с этим гораздо более компактными размерами (ньютоновский телескоп-рефлектор был в 10 раз меньше предшествующих ему телескопов-рефракторов). Идею нового телескопа с восторгом приняли в Королевском обществе, членом которого являлся и сам Ньютон. Впоследствии, в 1703 году, за свой колоссальный вклад в науку и натурфилософию Ньютон был избран президентом этого научного общества.

Исаак Ньютон также впервые изобрел свои принципы исчисления — совершенно новой математики, способной определять скорость изменения процессов во времени. Вместо стандартных операторов сложения, вычитания, деления и умножения, новая методология ньютоновского исчисления использует интегралы и функции, при помощи которых детально описывает процессы, изменяющиеся во времени.

Ньютон разбивает свое исчисление на два типа:

• Дифференциальное — исчисление, которое заточено на определение скорости изменяемой во времени величины, работает с производными.
• Интегральное — исчисление, призванное определить величину, скорость изменения которой уже известна, работает с интегралами.

Хотя именно Исаак Ньютон первым изобрел свое исчисление и даже применил его принципы к описанию физических процессов, его коллега, немецкий математик Готфрид Лейбниц (1646-1716) впервые разработал обозначения для этого языка, которые используются и по сей день. Публикации Лейбница стали настоящим ударом для Ньютона, утверждавшего, что он уже описал этот метод 20 годами ранее. Между двумя учеными разгорелась настоящая вражда. Обвиняя своего оппонента в плагиате и желая доказать это, Ньютон поднял свои старые заметки и расчеты, не опубликованные ранее. Так или иначе, вклад Лейбница в доработку ньютоновского исчисления нельзя отвергать, поэтому создание новой методологии исчисления в математике сегодня принято приписывать обоим ученым, поскольку, вероятнее всего, они сформулировали их независимо друг от друга.

Несмотря на колоссальную важность новых методов исчисления, всемирную известность Ньютону принесли не они, а выведенные ним законы, описывающие механическое движение объектов. Он сформулировал три закона, описывающих механическое движение объектов в пространстве.

1. Закон инерции — первый закон Ньютона описывал инерциальные системы отсчета. Ученый утверждал, что если на тело не действуют никакие другие силы, оно будет либо сохранять равномерное прямолинейное движение (если изначально тело пребывало в движении), либо оставаться в состоянии покоя (если изначально тело находилось в состоянии покоя). Эту особенность тел Ньютон называл инертностью, особо подчеркивая, что различные тела обладают различной инертностью, которая в первую очередь зависит от их массы.  

2. Закон дифференциального движения — второй закон Ньютона описывал взаимосвязь между силой, приложенной к материальной точке тела, и ускорением, которое оно получало от него. Вектор ускорения всегда будет направлен по направлению к приложенной силе. 

3. Закон уравновешивания сил — третий закон Ньютона утверждал, что сила, приложенная на объект, равна по модулю и направлена строго в противоположную сторону от его силы противодействия. Согласно ньютоновским формулировкам, сила — это всегда взаимодействие нескольких тел, и без их участия не представляется возможной. 

Сегодня многие законы классической механики Ньютона претерпели изменения, более точно описывающие происходящие процессы и силы, участвующие в них, однако их базовый наратив остался неизменным.

Развивая свои представления о силах и движении, которое они вызывают, Исаак Ньютон пришел к наиболее важному открытию своей жизни, которое до тех пор просто лежало на поверхности — он сформулировал первые представления о гравитации как о силе притяжения менее массивных объектов к более массивным. Для ученого было очевидно, что наблюдаемая им сила земного притяжения должна была работать и в космических масштабах. С помощью ряда вычислений ему удалось определить силу, которая позволяла Луне двигаться, при этом не выходя за пределы ее околоземной орбиты. Удивлению ученого не было предела, когда он понял, что эта сила равна силе земного притяжения, которое действует на яблоко в момент его свободного падения на землю. 

Результатом почти 20 лет умственных рассуждений и расчетов стала книга «Математические принципы натуралистической философии» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica), которую Ньютон опубликовал в 1687 году. Книга включает в себя описания новых методов интегрального и дифференциального исчисления, три закона движения Ньютона, а также общее описание принципов гравитации.

Вместе с развитием теоретических знаний о принципах работы Вселенной существенный шаг вперед делает и инженерное дело: новые знания о материалах и их поведении с течением времени позволят выдающимся изобретателям создать инновации, которые вплотную приблизят цивилизацию к промышленной революции. О самых интересных из них читайте во второй части этого материала, посвященной технологическим инновациям Нового времени.