Розвиток наукової думки Нового часу: емпіризм, механіка та гравітація

Кінець епохи Ренесансу в Європі характеризується розквітом наукової думки: було сформовано основні засади фізики, астрономії, механіки — наук, які успішно розвиваються й сьогодні. Зародження класичної наукової традиції очікувано спричинило появу технологічних інновацій, які вивели суспільство на якісно новий рівень життя. Але для того, щоб нові технології могли стати реальністю, світ потребував революціонерів у науці, які створили б наукову базу для їхньої появи. Ця стаття — про найзнаменитіших із них.

Формування наукового методу: Бекон та Декарт

Попри бурхливий розвиток наукової думки та критичного мислення, багато вчених кінця епохи Ренесансу продовжували пояснювати природу речей містичними поглядами. Активний розвиток астрономії так і не витіснив інтерес широкого кола дуже освічених людей до астрології — псевдонауки, яка намагалася пояснити майбутнє та сьогодення рухом зір та планет. Вчені уми нерідко шукали підтвердження своїх теорій в окультизмі та зверталися до алхімічних рецептів, щоб розширити своє знання про матерію. Як і слід було очікувати, безрезультатно.

Ця ситуація докорінно не влаштовувала Френсіса Бекона (1561-1626) — англійського парламентаря, філософа та ерудита, який був активним прибічником революції у науці. Бекон ганив прихильників нічим не доказаних парадигм і застарілих моделей устрою Всесвіту, заявляючи, що тільки нові знання та теорії, доведені експериментальною базою, можуть претендувати на істинність.

З метою підтвердити на практиці важливість свого наукового методу він сконструював лабораторію, де проводив безліч експериментів. Розроблений Беконом науковий метод ґрунтувався на необхідності для вченого ставити під сумнів правдивість теорій, що висуваються ним, і перевіряти їх за допомогою експерименту. Так, для перевірки наявної раніше гіпотези про те, що багато захворювань передаються за допомогою контакту хворої людини зі здоровою, Френсіс Бекон пропонував піддавати здорових людей впливу різних змінних (однією з яких був контакт із хворим), щоб експериментальним шляхом з’ясувати конкретну причину виникнення захворювання. Важливим в емпіризмі Бекона була саме повторюваність і систематичність експерименту. Він вважав недостатнім, одного разу отримавши підтвердження своєї гіпотези, відразу припиняти експериментальну роботу над нею. Навпаки, для того щоб напевно переконатися в істинності (або хибності) судження, експеримент належало повторювати знову і знову, аж поки можлива похибка в результатах не буде зведена до абсолютного мінімуму.

Міркування Бекона про важливість критичного мислення в науці лягли в основу його книги “Про просування і майстерність навчання” (The Advancement and Proficiency of Learning), яка була опублікована 1605 року. Необхідність обґрунтованого і доказового наукового підходу в науці Бекон пояснював його універсальністю — будь-яка людина могла повторити описані в його книзі експерименти та особисто переконатися у їхній істинності або хибності.

Вже після смерті Бекона його філософія емпіричного пізнання ляже в фундамент заснованого 1660 року Королівського товариства з розвитку природничих наукових знань. Товариство, зокрема, запам’яталося запуском у тираж першого в історії наукового журналу, який отримав назву “Філософські праці Королівського товариства” (Philosophical Transactions of the Royal Society).

І хоча Бекон і не увійшов в історію науки як видатний винахідник, саме його рекомендації щодо того, як слід займатися наукою, надихнули наступні покоління вчених, зокрема французького філософа та математика — Рене Декарта (1596-1650). Декарт створив власну систему координат, яка отримала назву декартова. Система координат із двох осей (х і у) дозволила розраховувати графіки залежності змінних від часу та стала основою для появи аналітичної геометрії. Зрозуміла система графіків сприяла розвитку низки наукових дисциплін: астрономії, фізики та інженерії. Найбільш повний опис своєї системи координат Декарт навів у доповненні до своєї книги “Міркування про метод”, опублікованій 1637 року.

У своїх роботах Рене Декарт також дійшов висновку, що сам Всесвіт не є статичним і суворо підпорядкований законам механічного руху. Проте точно описати ці закони за свого життя він так і не зміг. Декарту не вистачило математичних інструментів та наявності нової системи обчислення, яка була би здатна розраховувати зміну процесів у часі. Бракувало й чіткої класифікації законів, які описували всі відомі типи механічного руху. Однак зовсім скоро в Англії з’явиться людина, якій буде під силу зібрати всі спостереження своїх попередників воєдино і впорядкувати їх у формі системи елегантних рівнянь, що описували ці закономірності.

Нове обчислення та гравітація: Ньютон як феномен

Ісаак Ньютон (1643-1727) народився передчасно і важив настільки мало, що перспектива його виживання була зовсім не очевидною. Утім, Всесвіт мав на нього інші плани, і вже 1661 року Ісаак вступив до Трініті коледжу в Кембриджі, де потрапив під наставництво Ісаака Барроу — на той момент одного із найсильніших математиків Англії. Саме професор Барроу сформував ньютонівський інтерес до найважливіших математичних проблем того часу: необхідності алгебраїчного опису процесів, що змінюються в часі.

Після закриття Кембриджського університету внаслідок спалаху чуми Ньютон почав працювати самостійно і не менш плідно. Він експериментував з оптикою, в результаті чого створив один із перших дзеркальних телескопів-рефлекторів, який мав кращу здатність до збільшення, і разом з цим — компактніші розміри (ньютонівський телескоп-рефлектор був у 10 разів менший за попередні телескопи-рефрактори). Ідею нового телескопа із захопленням сприйняли в Королівському товаристві, членом якого був і сам Ньютон. Згодом, у 1703 році, за свій колосальний внесок у науку та натурфілософію Ньютон був обраний президентом цього наукового товариства.

Ісаак Ньютон також вперше винайшов свої принципи обчислення — зовсім нову математику, яка була здатна визначати швидкість зміни процесів у часі. Замість стандартних операторів складання, віднімання, поділу та множення, нова методологія Ньютонівського обчислення використовує інтеграли та функції, за допомогою яких детально описує процеси, що змінюються в часі.

Ньютон розбиває своє обчислення на два типи:

• Диференціальне — обчислення, спрямоване на визначення швидкості змінюваної у часі величини, працює з похідними.
• Інтегральне — обчислення, покликане визначити величину, швидкість зміни якої вже відома, працює з інтегралами.

Хоча саме Ісаак Ньютон першим винайшов своє обчислення і навіть застосував його принципи до опису фізичних процесів, його колега, німецький математик Готфрід Лейбніц (1646-1716) вперше розробив позначення для цієї мови, які використовуються й донині. Публікації Лейбніца стали справжнім ударом для Ньютона, який стверджував, що описав цей метод на 20 років раніше. Між двома вченими спалахнула справжня ворожнеча. Звинувативши свого опонента у плагіаті та бажаючи довести це, Ньютон підняв свої старі нотатки та розрахунки, не опубліковані раніше. Утім, внесок Лейбніца у доопрацювання ньютонівського обчислення не можна відкидати, тож створення нової методології обчислення в математиці сьогодні заведено приписувати обом вченим, оскільки, найімовірніше, вони сформулювали їх незалежно один від одного.

Попри колосальну важливість нових методів обчислення, всесвітню популярність Ньютону принесли не вони, а виведені ним закони, що описують механічний рух об’єктів. Він сформулював три закони, які описували механічний рух об’єктів у просторі.

1. Закон інерції — перший закон Ньютона описував інерційні системи відліку. Вчений стверджував, що якщо на тіло не діють жодні інші сили, воно буде або зберігати рівномірний прямолінійний рух (якщо спочатку тіло перебувало в русі), або залишатися у стані спокою (якщо спочатку тіло було у стані спокою). Цю особливість тіл Ньютон називав інертністю, окремо наголошуючи, що різні тіла мають різну інертність, яка передусім залежить від їхньої маси. 

2. Закон диференціального руху — другий закон Ньютона описував взаємозв’язок між силою, прикладеною до матеріальної точки тіла, та прискоренням, яке воно отримувало від нього. Вектор прискорення завжди буде спрямований до прикладеної сили. 

3. Закон урівноваження сил — третій закон Ньютона стверджував, що сила, прикладена на об’єкт, дорівнює за модулем і спрямована суворо у протилежний бік від його сили протидії. Згідно з ньютонівськими формулюваннями, сила — це завжди взаємодія кількох тіл, і без їхньої участі не є можливою. 

Наразі багато законів класичної механіки Ньютона зазнали змін, які більш точно описують процеси і сили, що беруть участь у них, проте їхній базовий наратив залишився незмінним.

Розвиваючи своє уявлення про сили та рух, який вони викликають, Ісаак Ньютон дійшов найважливішого відкриття свого життя, що досі просто лежало на поверхні — він сформулював перші уявлення про гравітацію як про силу тяжіння менш масивних об’єктів до більш масивних. Для вченого було очевидно, що сила земного тяжіння повинна була працювати і в космічних масштабах. За допомогою низки обчислень йому вдалося визначити силу, яка дозволяла Місяцю рухатися, водночас не виходячи за межі своєї навколоземної орбіти. Здивуванню вченого не було меж, коли він зрозумів, що ця сила дорівнює силі земного тяжіння, яка діє на яблуко в момент його вільного падіння на землю. 

Результатом майже 20 років розумових міркувань та розрахунків стала книга “Математичні принципи натуралістичної філософії” (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica), яку Ньютон опублікував 1687 року. Книга містить описи нових методів інтегрального і диференціального обчислення, три закони руху Ньютона, а також загальний опис принципів гравітації.

Поряд із розвитком теоретичних знань про принципи роботи Всесвіту суттєвий крок уперед робить і інженерна справа: нові знання про матеріали та їхню поведінку з часом дозволять видатним винахідникам створити інновації, які впритул наблизять цивілізацію до промислової революції. Про найцікавіші з них читайте у другій частині цього матеріалу, присвяченій технологічним інноваціям Нового часу.