И. Кеплера

Основоположником гелиоцентризма по праву считается Н.Коперник (1473 – 1543). Коперник родился на территории Польши в городе Торунь. Закончил Краковский университет, один из старейших в Европе, где изучал математику, физику, астрономию, труды Гиппарха, Птолемея и др. По окончании университета 10 лет учится и путешествует по Италии, где получает степень доктора физических и математических наук. В 1506 году возвращается в Польшу, где в городе Фромборке получает давно желаемую должность каноника. Занимается экономическими вопросами римской католической церкви на территории Польши. В свободное время занимается науками и инженерной деятельностью. Так, Коперник сконструировал и реализовал строительство водопровода в городе Фромборке, - один из первых водопроводов в средневековой Европе.

К началу 16 века остро встала проблема пересмотра и уточнения календаря. Дело в том, что дата весеннего равноденствия, приходившаяся в 4 веке на 21 марта (утвержденная П Никейским Собором в 325 году), от которой рассчитывали христианский праздник Пасхи, к 16 веку приходилась уже на 11 марта. По церковному обычаю праздник Пасхи празднуется в первый воскресный день после весеннего равноденствия (21 марта) и первого мартовского полнолуния. Пасха бывает между 3 апреля и 2 мая.

Разрешить проблему календаря было предложено известным астрономам того времени, в том числе и Н.Копернику. Последний сумел преодолеть преклонение перед авторитетами и догмой, в которую был возведен геоцентризм. Коперник искал красоту и гармонию в природе как ключ к объяснению многих проблем. Итогом его длительных размышлений явилось произведение “О вращениях небесных сфер”, увидавшее свет в 1543 году, то есть в год смерти самого ученого.

Революционная идея Коперника состояла в том, что он в центр мирапомещает Солнце, вокруг которого движутся планеты, - и среди них Земля со своим спутником Луной. На огромном расстоянии от солнечной системы находится сфера звезд. Земля, таким образом, была низведена доранга рядовой планеты, а видимые движения планет и звезд объяснялись суточным и годичным вращением Земли вокруг Солнца. Однако, как и у античных ученых, движения небесных тел оставались равномерными и круговыми. Принять гелиоцентризм Копернику помогло представление об относительном характере движения, известном еще в античности и используемом пифагорейцами.

В основе системы Коперника лежали 2 принципа: допущение подвижности Земли и признание центрального положения Солнца в системе. С помощью основных движений Земли – годичного и суточного впервые получила объяснение смена времен года и смена дня и ночи.

Преимущество теории Коперника по сравнению с теорией К.Птолемея состояло в логической простоте, стройности и практической применимости. Коперник считал, что “природа не терпит лишнего” и стремится, возможно, меньшим числом причин обеспечить, возможно, большее число следствий и явлений. Благодаря системе Коперника с 5 октября 1582 года в Европе по инициативе папы Григория 13 был введен новый (григорианский) стиль исчисления времени, которым мы пользуемся и поныне.

Однако чтобы как-то смягчить впечатление от своего нововведения, Коперник указывал на то, что размеры сферы звезд и удаленность ее от солнечной системы столь, колоссальны, что, вся, солнечная, система, вместе, с подвижной теперь уже Землей, может практически рассматриваться как центр Вселенной, как единая точка.

Благодаря системе Коперника, движение стало рассматриваться какестественное свойство небесных объектов и в том числе Земли. Движение подчинялось общим закономерностям, единой механике. Поэтому “рухнуло” веками существовавшее представление Аристотеля о перводвигателе.

Благодаря Копернику, “тленная Земля” перестала противопоставляться божественным планетам и звездам и приобрела равный с ними статус.

Коперник один из первых критическим разумом показал ограниченность нашего чувственного познания и доказал необходимость его дополнения.

Дело, начатое Н.Коперником, было продолжено монахом одного из неаполитанских монастырей, итальянским ученым Джордано Бруно (1548 – 1600). На развитие его взглядов большое влияние оказала натурфилософия Николая Кузанского, в которой отрицалась возможность для любого тела быть центром Вселенной, поскольку Вселенная бесконечна, а бесконечность центра не имеет. Объединив философско-космологические взгляды Н.Кузанского и четкие гелиоцентрические выводы Н.Коперника (сторонником учения которого был Бруно), Дж. Бруно создает собственную естественно-философскую картину бесконечной Вселенной. Концепция Бруно хорошо просматривается в его основных трудах: “ О причине, началеи едином”, “О бесконечности, вселенной и мирах” и др.

Вслед за Н.Кузанским Бруно отрицал существование какого бы то нибыло центра Вселенной. Он утверждал бесконечность Вселенной во времени и пространстве. Бруно писал о колоссальных различиях расстояний до разных звезд и сделал вывод, что соотношение их видимого блеска может быть обманчивым.

Ученый утверждал изменяемость (эволюцию) всех небесных тел, полагая, что существует непрерывный обмен между ними космическим веществом. Идею изменяемости он распространял и на Землю, утверждая, что поверхность нашей Земли меняется только через большие промежутки эпох и столетий, в течение которых моря превращаются в континенты, а континенты в моря.

Интересным и перспективным было и утверждение ученого об общности элементов составляющих Землю, как и все другие небесные тела. Причем, в основе всех вещей лежит неизменная, неисчезающая, первичная материальная субстанция. Исходя из этого единства, Бруно логично предположил, что в бесконечно развивающейся Вселенной должно существовать бесконечное число очагов разума, множество обитаемыхмиров.

За высказанные крамольные идеи, противоречащие церковным догматам, Дж. Бруно был приговорен инквизицией к сожжению на костре, что и было приведено в исполнение в Риме, в 1600 году.

Коперниканская революция повлекла за собой революцию в механике, основателем которой был Г.Галилей из Падуи (1564 – 1642). Механические процессы интересовали Галилея на протяжении всей его жизни. Он первый построил экспериментально- математическую науку о движении – кинематику, законы которой вывел в результате обобщения специально поставленных научных опытов. Галилей предложил новое понимание движения – движения по инерции. Ранее господствовало аристотелевское понимание движения, согласно которому тело движется благодарявнешнему на него воздействию, а когда последнее прекращается, телоостанавливается. Галилей же предложил принцип инерции, согласно которому тело либо находится в состоянии покоя, либо движется,не изменяя направления и скорости своего движения сколь угодно долго, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия.

Галилей открыл законы свободного падения тел: независимость скорости такого падения от массы тела, определил, что путь, пройденный падающим телом пропорционален квадрату времени падения (l ~ t 2).

Галилей построил теорию равномерно ускоренного движения.

Ученый показал, что траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начального толчка и силы тяготения есть парабола.

Галилей открыл законы колебания маятника.

Метод исследования Г.Галилея носит название экспериментально-теоретического. Суть его заключается в количественном анализе наблюдаемых частных явлений и постепенном мысленном приближении этих явлений к некоторым идеальным условиям, в которых законы, управляющие этими явлениями, могли бы проявиться в чистом виде.

Кроме открытия законов движения Галилей сделал и ряд астрономических открытий с помощью новых способов наблюдения. Г.Галилей самостоятельно сконструировал телескоп на основе изобретенной в Голландии зрительной трубы. Этот телескоп давал прямое изображение и действовал по принципу бинокля. Сначала увеличение было в 3 раза, а вскоре уже в 32 раза. Галилей использовал телескоп для изучения неба. С Галилея началась новая оптическая эра в наблюдательной астрономии. Что же обнаружил Галилей с помощью своего телескопа?

А) В бледных облаках Млечного пути было обнаружено огромное скопление звезд.

Б) Звезды безмерно удалены от нас по сравнению с планетами, так как планеты в телескоп увеличивались и имели вид кружков, в то время как звезды оставались точками, лишь увеличиваясь в яркости.

В) Описал реальную поверхность Луны, которая как оказалось, не имеет гладкой полированной поверхности, а представляет собой неровности и возвышенности подобно земной поверхности покрыта огромными горами, глубокими пропастями и обрывами. Галилей впервые оценил высоту самой большой лунной горы (около 7 км).

Г) Чрезвычайно важным было открытие Галилеем в 1612 году на диске Солнца маленьких темных образований (пятен), которые перемещались по диску Солнца. Это позволило Галилею утверждать, что Солнце вращается вокруг своей оси. Солнце перестало быть символом чистоты и совершенства, ведь даже на нем были пятна (“и на Солнце есть пятна”).

Д) Галилей открыл в 1610 году 4 спутника Юпитера (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто). Всего же у Юпитера на сегодняшний день обнаружено 15 спутников. Таким образом, Луна перестала быть исключением, и Земля перестала быть единственной планетой, имеющий спутник.

Всеми своими открытиями Г.Галилей неопровержимо доказывал правоту гелиоцентрической системы Н.Коперника. Симпатии Галилея гелиоцентризму нашли свое отражение в работе “Диалог о двух системах мира – Птолемеевой и Коперниковой”. Не дремала и святейшая инквизиция. В 1633 году Галилей был вызван в Рим и брошен на несколько недель в застенки инквизиции. Под угрозой пыток 69-летнего ученого заставили отречься от “заблуждений”. После этого Галилей покидает Италию и едет в протестантские Нидерланды, где продолжает работать и переиздает свои труды, которые уже в то время пользовались большой популярностью среди ученых.

Спустя 350 лет после смерти Г.Галилея, в октябре 1992 года он был реабилитирован католической церковью. Осуждение Галилея было признано ошибочным, а учение – правильным.

Поиски точных законов движения планет стали главным делом жизни немецкого астронома И.Кеплера (1571 – 1630).Основные труды И.Кеплера “Новая, изыскивающая причины астрономия или физика неба” (“Астрономия нова”), “Сокращение коперниковой астрономии”, “Гармония мира”, “Рудольфовы таблицы” и др. были связаны с идеей мировой гармонии и с поиском простых числовых отношений ее выражающих.

И.Кеплер был математиком – неопифагорейцем, верящим в гармонию мира. Природа создана в соответствии с математическими правилами и обязанность ученого их понять. Кеплер был убежден, что структура мира может быть определена математическим путем, ибо при сотворении мира Бог руководствовался математическими соображениями, что простота – знак истины, а математическая красота идентифицируется с гармонией и красотой. Кеплер использовал то обстоятельство, что существует 5 правильных многогранников, которые должны каким – то образом соотноситься со структурой Вселенной. “Орбита Земли является мерой всех остальных орбит. Опиши вокруг нее додекаэдр (правильный 12-ти гранник), тогда сфера, которая в свою очередь опишет его, будет сфера Марса. Вокруг сферы Марса опиши тетраэдр (правильный 4-гранник), тогда сфера, которая его обнимает, будет сфера Юпитера. Вокруг сферы Юпитера опиши куб (правильный 6-ти гранник), заключающая его сфера будет сфера Сатурна. В орбиту Земли впиши икосаэдр (правильный 20-ти гранник), вписпнная в него сфера будет сферой Венеры, в сферу Венеры впиши октаэдр (правильный 8-ми гранник), в него будет вписана сфера Меркурия. Так ты поймешь причину числа планет.”

Идея связи между планетами и многогранниками вскоре обнаружила свою несостоятельность, но в ней проявилась будущая программа исследования.

Ни К.Птолемей, ни Н.Коперник, ни Т.Браге не смогли объяснить “нерегулярное” движение Марса. За эту задачу взялся и решил ее И.Кеплер.Ученый пришел к выводу, что теоретические расчеты движения планет совпадают с наблюдениями, если предположить движение планет по эллиптическим орбитам с изменяющейся скоростью. “Введя эллиптическую гипотезу вместо многовековой догмы о круговом характере и единообразии планетарных движений, Кеплер осуществил глубинный переворот внутри самой коперниканской революции”(А.Пасквинелли).

Поиски мировой гармонии привели Кеплера к созданию 3 законов движения планет. Первые два закона открыты в 1605 году.

Первый закон Кеплера. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Тем самым был разрушен принцип круговых движений в космосе.

Р

А__________F______О______S___________В

F, S – фокусы

PF + PS = AB

Второй закон Кеплера. Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем линия, соединяющая Солнце с планетой за равные промежутки времени описывает равные площади. Таким образом, был показан характер изменения скорости при движении планеты по орбите (скорость движения планеты тем больше, чем она ближе в данный момент к Солнцу). В связи с этим законом рухнул принцип равномерности небесных движений.

Р1

Р4 Р2

А________________S___________В

Р3

t2 t1

t1 = t2

SP- описывает секторы равных площадей за равные промежутки времени.

Через 10 лет, в 1615 году Кеплер выводит 3 закон движения планет.

Третий закон Кеплера. Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбит. (Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы расстояния каждой из них от Солнца).

Таким образом, была установлена универсальная зависимость между периодами обращения планет и средним расстоянием их от Солнца. С удалением от Солнца уменьшается скорость движения планет.

На основании этих законов Кеплер развил представление о механизме действия силы, движущей планеты, как о вихре, возникающем в эфирной среде, от вращения магнитного поля Солнца и увлекающем окрестные тела.

Также Кеплером была разработана теория солнечных и лунных затмений и предложены способы их предсказания.

Ученый составил, так называемые Рудольфовы таблицы, с помощью которых можно было с высокой точностью определить положение планет в любой момент времени.

Проблема устройства планетного мира благодаря Кеплеру перешла из области мифологических и гипотетических построений в область научных знаний и стала предметом точных наук. Небесная механика Кеплера явилась следствием теории Коперника и в то же время она подготовила почву для формирования механистической картины мира.

ЛЕКЦИЯ № 4. Механистическая картина мира, динамизм И.Ньютонакак завершающий этап коперниканской революции.

И.Ньютон – выдающийся английский физик (1643 – 1727) был последователем механики Г.Галилея и дальше совершенствовал метод последнего. Так, в основе метода Ньютона лежало экспериментальное установление точных количественных связей и закономерностей между явлениями и выведение из них общих законов природы. Основным трудом И.Ньютона считаются “Математические начала натуральнойфилософии” (1687).

С именем Ньютона связано открытие, независимо от Г.В.Лейбница, дифференциально-интегральных исчислений. Но он все же наиболее известен как создатель теории динамического движения на основе закона инерции, сформулированного еще Галилеем. Так, если чистый механицизм (например, Р.Декарт) считает, что тело инертно и движение передается лишь толчком, то у Ньютона тело активно, признается его сила. Ньютоном были открыты и сформулированы три основных закона движения тел.

Первый закон Ньютона: Если бы на тело не действовало никаких сил вообще или действие сил было бы скомпенсировано, то после того, как телу бы сообщили начальную скорость, оно продолжало бы двигаться в соответствующем направлении равномерно, прямолинейно и сколь угодно долго. Ньютон вкладывал в этот закон, следующий смысл: всякое тело удерживает, сохраняет свое состояние (движения или покоя), пока оно не вынуждается внешней силой изменить его. Тело косно, инертно и сопротивляется любому воздействию извне.

Второй закон Ньютона: Ускорение a, сообщаемое телу массой m, прямо пропорционально приложенной силе F и обратно пропорциональна массе m, то есть F = m a. В этом законе Ньютон говорит о пропорциональности силы и изменении количества движения (импульса), то есть количество движения (mv) пропорционально приложенной силе F.

Третий закон Ньютона: Каждое действие вызывает противодействие, равное по величине и противоположное по направлению, иначе: взаимное действие двух тел друг на друга равно по величине и противоположно по направлению, то есть F = - F.

Вершиной научного творчества И.Ньютона все же стала теория тяготения и провозглашение первого универсального закона природы – закона всемирного тяготения. Древняя идея взаимного стремления тел друг к другу, трактовавшегося даже как проявление любви между ними, освободилась от антропоморфности и мистицизма. В теории Ньютона тяготение стало эмпирически обоснованным постулатом, утверждавшим, что сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных качеств исостава; она всегда прямо пропорциональна массам тяготеющих тел и обратно пропорциональна квадрату

Дата добавления: 2014-01-07