Химия в механистическом мире

Вторая научная революция. Создание классической механики и экспериментального естествознания. Механическая картина мира

Трагическая гибель Джордано Бруно произошла на ру­беже двух эпох: эпохи Возрождения и эпохи Нового вре­мени. Последняя охватывает три столетия — XVII, XVIII, XIX века. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыг­рал XVII век, ознаменовавшийся рождением современной науки, у истоков которой стояли такие выдающиеся уче­ные, как Галилей, Кеплер, Ньютон.

В учении Галилео Галилея (1564-1642) были заложе­ны основы нового механического естествознания. Как сви­детельствуют А. Эйнштейн и Л. Инфельд, «самая фундамен­тальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет не­разрешенной из-за сложности, — это проблема движения»⁸.

До Галилея общепринятым в науке считалось понима­ние движения, выработанное Аристотелем и сводившееся к следующему принципу: тело движется только при нали­чии внешнего на него воздействия, и если это воздействие прекращается, тело останавливается. Галилей показал, что этот принцип Аристотеля (хотя и согласуется с вашим повседневным опытом) является ошибочным. Вместо него Галилей сформулировал совершенно иной принцип, полу­чивший впоследствии наименование принципа инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия.

Большое значение для становления механики как на­уки имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость свободного падения тел не за­висит от их массы (как думал Аристотель), а пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. Галилей открыл, что траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начального толчка и зем­ного притяжения, является параболой. Галилею принадле­жит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника, немалый вклад в разработку учения о сопротивлении материалов.

Галилей выработал условия дальнейшего прогресса естествознания, начавшегося в эпоху Нового времени. Он понимал, что слепая вера в авторитет Аристотеля сильно тормозит развитие науки. Истинное знание, считал Гали­лей, достижимо исключительно на пути изучения природы при помощи наблюдения, опыта (эксперимента) и воору­женного математическим знанием разума, — а не путем изучения и сличения текстов в рукописях античных мыс­лителей.

Росту научного авторитета Галилея способствовали его астрономические исследования, обосновывавшие и утверж­давшие гелиоцентрическую систему Коперника. Используя построенные им телескопы (вначале это был скромный оптический прибор с трехкратным увеличением, а впослед­ствии был создан телескоп и с 32-кратным увеличением), Галилей сделал целый ряд интересных наблюдений и от­крытий. Он установил, что Солнце вращается вокруг сво­ей оси, а на его поверхности имеются пятна. У самой боль­шой планеты Солнечной системы — Юпитера — Галилей

обнаружил 4 спутника (из 13 известных в настоящее вре­мя). Наблюдения за Луной показали, что ее поверхность гористого строения и что этот спутник Земли имеет либ­рацию, т.е. видимые периодические колебания маятнико­вого характера вокруг центра. Галилей убедился, что кажу­щийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд.

Но самым главным в деятельности Галилея как уче­ного-астронома было отстаивание справедливости учения Н. Коперника, которое подвергалось нападкам не только со стороны церковных кругов, но и со стороны некоторых ученых, высказывавших сомнения в правильности этого учения. Галилей сумел показать несостоятельность всех этих сомнений и дал блестящее естественнонаучное обосно­вание правильности идей Н.Коперника.

Как уже отмечалось выше, католической церковью в 1616 году было принято решение о запрещении книги Коперника «Об обращениях небесных сфер», а его учение объявлено еретическим. Галилей в этом решении упомя­нут не был, но ему все же пришлось предстать перед судом инквизиции. После длительных допросов он был вынуж­ден отречься от учения Коперника и принести публичное покаяние.

Однако остановить движение, прервать преемственность научной мысли было уже невозможно. С астрономическими наблюдениями Галилея, описанными им в сочинении «Звезд­ный вестник», ознакомился и дал им высокую оценку один из крупнейших математиков и астрономов конца XVI — первой трети XVII в. Иоган Кеплер (1571-1630). Эта оцен­ка астрономических исследований Галилея содержалась в работе Кеплера «Рассуждение о Звездном вестнике».

Кеплер занимался поисками законов небесной механи­ки и составлением звездных таблиц. На основе обобщения данных астрономических наблюдений он установил три закона движения планет относительно Солнца. В своем первом законе Кеплер отказывается от коперниковского представления о круговом движении планет вокруг Солн­ца. В этом законе утверждается, что каждая планета дви­жется по эллипсу, в одном из фокусов которого находит­ся Солнце. Согласно второму закону Кеплера, радиус-век­тор, проведенный от Солнца к планете, в равные промежут­ки времени описывает равные площади. Из этого закона

следовал вывод, что скорость движения планеты по орби­те непостоянна и она тем больше, чем ближе планета к Солнцу. Третий закон Кеплера гласит: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него.

Помимо сказанного, Кеплеру принадлежит немало заслуг в астрономии и математике. Он разработал теорию солнеч­ных и лунных затмений, предложил способы их предска­зания, уточнил величину расстояния между Землей и Солн­цем, составил так называемые Рудольфовы таблицы — по имени австрийского императора Рудольфа II, при дворе которого Кеплер занимал место астронома, сменив на этой должности умершего Тихо Браге. С помощью этих таблиц можно было с высокой степенью точности определять в любой момент времени положение планет. Кеплеру принад­лежит также решение ряда важных для практики стерео­метрических задач.

Поскольку Кеплер был сторонником гелиоцентриче­ской космологии Коперника и не скрывал этого, Ватикан относился к его сочинениям отрицательно, включив неко­торые из них в список запрещенных книг.

Конечно, главной заслугой Кеплера было открытие за­конов движения планет. Но он не объяснил причины их движения. И это неудивительно, ибо не существовало еще понятий силы и взаимодействия. В то время из разделов механики была разработана лишь статика — учение о рав­новесии (которая разрабатывалась еще в античности, в первую очередь, Архимедом), а в работах Галилея были сде­ланы первые шаги в разработке динамики. Но в полной мере динамика — учение о силах и их взаимодействии — была создана лишь позднее Исааком Ньютоном.

Вторая научная революция завершалась творчеством одного из величайших ученых в истории человечества, ка­ковым был Исаак Ньютон (1643-1727). Его научное на­следие чрезвычайно разнообразно. В него входит и созда­ние (параллельно с Лейбницем, но независимо от него) диф­ференциального и интегрального исчисления, и важные астрономические наблюдения, которые Ньютон проводил с помощью собственноручно построенных зеркальных теле­скопов (он так же, как и Галилей, именно телескопу обя­зан первым признанием своих научных заслуг), и большой вклад в развитие оптики (он, в частности, поставил опыты

в области дисперсии света и дал объяснение этому явле­нию). Но самым главным научным достижением Ньютона было продолжение и завершение дела Галилея по созданию классической механики. Благодаря их трудам XVII век считается началом длительной эпохи торжества механи­ки, господства механистических представлений о мире.

Ньютон сформулировал три основных закона движения, которые легли в основу механики как науки. Первый за­кон механики Ньютона — это принцип инерции, впервые сформулированный еще Галилеем: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного дви­жения до тех пор, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил. Существо второго зако­на механики Ньютона состоит в констатации того факта, что приобретаемое телом под действием какой-то силы ускорение прямо пропорционально этой действующей силе и обратно пропорционально массе тела. Наконец, третий закон механики Ньютона — это закон равенства действия и противодействия. Этот закон гласит, что действия двух тел друг на друга всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны.

Данная система законов движения была дополнена от­крытым Ньютоном законом всемирного тяготения, соглас­но которому все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное при­тяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними.

Пожалуй, ни одно из всех ранее сделанных научных открытий не оказало такого громадного влияния на даль­нейшее развитие естествознания, как открытие закона все­мирного тяготения. Огромное впечатление на ученых про­изводил масштаб обобщения, впервые достигнутый есте­ствознанием. Это был поистине универсальный закон природы, которому подчинялось все — малое и большое, земное и небесное. Этот закон явился основой создания не­бесной механики — науки, изучающей движение тел Сол­нечной системы.

Воображение ученых захватывала простота той карти­ны мира, которая складывалась на основе ньютоновской классической механики. В этой картине, носящей абстракт­ный характер, отбрасывалось все «липшее»: не имели зна­чения размеры небесных тел, их внутреннее строение, иду-

щие в них бурные процессы. Оставались только массы и расстояния между центрами этих масс, к тому же связан­ные несложной формулой.

В 1687 году вышел в свет главный труд Ньютона «Ма­тематические начала натуральной философии», заложив­ший основы современной теоретической физики. Оценивая это событие, видный физик XX века, бывший президент Академии наук СССР СИ. Вавилов писал: «В истории естествознания не было события более крупного, чем по­явление «Начал» Ньютона. Причина была в том, что эта книга подводила итоги всему сделанному за предшествую­щие тысячелетия в учении о простейших формах движе­ния материи»⁹.

Не менее высокую оценку дает «Началам» Ньютона такой крупный специалист по истории науки, как Джон Бернал. «По убедительности аргументации, подкрепленной физическими доказательствами, — пишет он, — книга не имеет себе равных во всей истории науки. В математичес­ком отношении ее можно сравнить только с «Элементами» Евклида, а по глубине физического анализа и влиянию на идеи того времени — только с «Происхождением видов» Дарвина. Она сразу же стала библией новой науки»...¹⁰

В своей знаменитой работе Ньютон предложил учено­му миру научно-исследовательскую программу, которая вскоре стала ведущей не только в Англии, на родине вели­кого ученого, но и в континентальной Европе. Свою науч­ную программу Ньютон назвал «экспериментальной фило­софией», подчеркивая решающее значение опыта, экспери­мента в изучении природы.

Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую физи­ку и эксперимент, определили направление развития есте­ствознания на многие десятилетия вперед. Вместе с тем, эти идеи предопределили механические взгляды на материаль­ный мир, которые господствовали в естествознании не толь­ко в течение XVII и XVIII веков, но и почти весь XIX век. В целом природа понималась как гигантская механиче­ская система, функционирующая по законам классической механики. Считалось, что в силу неумолимой необходимо­сти, действующей в природе, судьба даже отдельной мате­риальной частицы заранее предрешена на все времена. Ученые-естествоиспытатели видели в классической механи­ке прочную и окончательную основу естествознания.

Естествознание XVII века характеризовалось не толь­ко революционными достижениями в космологии и меха нике. В этот период была начата, образно говоря, заклад­ка будущего здания химической науки. Последнее было связано с именем известного английского ученого, физика и химика Роберта Бойля (1627-1691). Как физик, он по­лучил известность благодаря открытию «газового закона», устанавливающего зависимость объема газа от давления. Согласно этому закону, произведение удельного объема газа на его давление при неизменной температуре есть величина постоянная. Поскольку этот же закон установил, незави­симо от Бойля, и французский медик Эдм Мариотт (1620-1684), то в историю науки он вошел под названием зако­на Бойля-Мариотта.

Но этим законом не ограничивается вклад Р. Бойля в науку. Он серьезно занимался химией, выполнял многочис­ленные химические опыты. Одним из первых он получил и описал водород, хотя истинная природа этого газа оста­лась ему неизвестной. Бойль сумел получить фосфор и не­которые его соединения. Он разработал основы качествен­ного химического анализа «мокрым путем», т. е. в раство­рах, и ввел применение цветочных отваров в качестве инди­каторов на присутствие кислот и щелочей. Им были чет­ко сформулированы отличительные признаки кислот (энер­гично растворять различные вещества, изменять окраску сока некоторых растений и т. д.) и установлено, что эти особенности кислот исчезают, если привести их в соприкос­новение со щелочами.

В своей книге «Химик-скептик», опубликованной в 1661 году, Бойль отверг как нереальное утверждение пред­ставителей античной натурфилософии о четырех «стихиях» (огне, воздухе, воде и земле) и изложил применительно к химии основы корпускулярной теории. Бойль дал опреде­ление корпускулы¹¹ как простейшего элемента вещества. Корпускула, по мнению Бойля, — это простое тело, которое уже не может быть разделено на другие более простые тела, т. е., другими словами, это предел качественного деления вещества. Бойль был убежден, что химия как наука долж­на широко использовать корпускулярные представления. Выступая за союз химиков и философов-корпускуляристов,

он писал: «Сколько химических экспериментов можно объяснить корпускулярными понятиями, столько же кор­пускулярных понятий можно легко иллюстрировать или подтвердить посредством химических экспериментов»¹².

Несомненной заслугой Бойля является первое научное толкование понятия химического элемента. Он предложил химико-аналитическое определение элемента и фактиче­ски поставил перед химией новую задачу: научиться вы­делять в чистом виде отдельные вещества и устанавливать их состав, т. е. определять, из каких конкретных частей состоит данное тело и каким комплексом физико-химиче­ских свойств оно обладает.

Бойль положил начало преобразованию химии в само­стоятельную науку. Сам же он подчеркивал, что занима­ется химией «не столько ради нее самой, но в целях нату­ральной философии и для нее», что его целью было дос­тичь «взаимопонимания между химиками и механисти­ческими философами, которые доселе слишком мало были знакомы с учениями друг друга»¹³.

Дата добавления: 2015-05-07