Культура современного естествознания

Как известно, в результате предательства Сиракузы были захвачены римлянами, причем во время грабежа города Архимед был убит.

Архимед по своему геометрическому подходу к решению физических проблем и ценностным установкам близок, скорее, к математической программе Платона, но по своему инженерному и экспериментальному, опытному характеру идет даже дальше Аристотеля к методам и воззрениям новой физики.

Например, автомат для открывания дверей в храм с одновременным возжиганием жертвенного огня. В своих автоматах Герон впервые использовал силу пара.

Герон по своей научной позиции, ценностным установкам отличен от прежнего направления греческой науки, в его работах чувствуется восточное влияние.

1.4.2. Астрономия.

На первом этапе становления греческой астрономии этот процесс шел в двух направлениях: I) выдвижение астрономических гипотез, 2)развитие систематических и все более точных и регулярных наблюдений. И лишь в эллинистическую и даже римскую эпоху произошло соединение победившей гипотезы с накопленными наблюдениями, вернее гипотеза побеждает потому, что объясняет наблюдаемое. В первом направлении развивали астрономию в основном философы: Анаксимандр, Анаксимен, Пифагор, Анаксагор, Филолай; во втором - те, кто занимался календарной астрономией: Клеостат с Тенедоса (конец 6-го в. до н.э.), Эпонид Хиосский (ок.450 г.до н.э.), Метон и Евктемон из Афин (ок. 430 г. до н.э.).

В первом процессе было выдвинуто много интересных предположений.

Фалес еще представлял Землю плоской

По-видимому, пифагорейцам принадлежит идея о шарообразности Земли, очевидно, из идей симметрии и геометрической идеальности. Эта идея стала общепризнанной в античной астрономии.

Еще Анаксимандр выдвинул идею о центральном положении Земли, свободно висящей в пространстве (правда ее форма ему виделась цилиндрической). Парадоксальная идея, но также принятая практически без доказательств.

Выдвигались разного рода негеоцентрические системы. Из них первой следует признать пифагорейскую, согласно которой в центре мира находится огонь - Гестия.

Земля совместно с подобной ей Противоземлей вращается вокруг Гестии. Гестия в находящуюся между Землей и Противоземлей щель посылает свет, отражением которого светит Солнце, планеты и звезды. Подвижные планеты, Луна и Солнце находятся на одной оси.

Наиболее близкой к современным воззрениям следует признать гелиоцентрическую систему Аристарха Самосского (ок. 250 г. до н.э.) С точки зрения кинематики совершенно безразлично, обращается ли Земля вокруг Солнца или Солнце вокруг Земли расстояние между ними остается неизменным. Вопрос, находится ли Земля в центре мира всегда упирался в поведение "сферы неподвижных звезд". Она ведет себя так, словно ее центр совпадает с центром Земли (звезды неизменно сохраняют свое взаимное расположение).

 

Простые законы перспективы указывают на то, что если бы Земля перемещалась внутри этой сферы, то созвездия, к которым она приближается, казались бы крупней, в то время как на противоположной стороне неба созвездия выглядели бы "сжимающимися". Отсутствием таких явлений объяснялось расположением Земли в центре мира. Как потом стало ясно, это в действительности объясняется тем, что расстояния до звезд очень велики. Аристарх Самосский как раз считал звезды неподвижными и удаленными практически бесконечно от Земли, а Солнце, находящимся в центре, вокруг которого движется Земля, вращаясь суточным обращением. "Сфера звезд ...так велика, что круг, по которому обращается Земля, так относится к расстоянию до неподвижных звезд, как центр сферы к ее поверхности". (R орб.Земли/ R непод.звезд = R Солнца/ R орб.Земли ). Исходя из этой системы, он рассчитал соотношение между диаметрами Земли, Солнца и Луны и диаметрами орбит Земли и Луны. Причем методы расчета были безупречны, но точность измерения весьма низка, и поэтому результаты далеки от действительных.

Система Аристарха Самосского не была принята современиками. Почему? Из нее вытекали два следствия, не гармонирующие с античным представлением о космосе: практическая его бесконечность и разноприродность планет и звезд. Птолемей оценивает расстояние от Земли до Солнца в 1200 радиусов Земли, что в10 000 раз меньше действительного. По- видимому большинство греческих ученых не могло согласиться с тем, что звезды находятся невообразимо далеко от Земли.

"Генеральной линией" развития греческой космологии  стала геоцентрическая система  Платона - Аристотеля - Птолемея. Платон  поручил своему ученику Евдоксу  Книдскому (408 - З55 гг.до.н.э.) разработать астрономическую модель Вселенной в соответствие со своими космогоническими идеями, что последний и осуществил.

В результате возникла система, в которой небесные светила располагались на правильных сферах (хрустальных).

Оси вращения у сфер были разные, причем ось вращения предыдущей сферы наклонно закреплялась на последующей. Сложение ряда вращений, происходящих в разных плоскостях, давало качественно верную картину небесных движений. В частности, оно объясняло ставшие в это время известными грекам (вероятно из вавилонских наблюдений) попятные движения планет. Эта система лежит и в основе космологии Аристотеля. Гераклит Понтийский в разработке этой системы добавил идею о том, что Меркурий и Венера вращаются вокруг Солнца.

Основным недостатком вышеприведенной модели было то, что она не объясняла неодинаковых расстояний между Землей и планетами, в частности, наблюдаемое увеличение яркости Марса в моменты противостояний. Впервые Апполоний Пергамский (262 - 200 гг.до н.э.)предположил движение планет по эксцентрическим орбитам, равноценным по кинематике эпициклическому движению.

Однако признанным автором теории эпициклов и эксцентриков является Клавдий Птолемей с его знаменитым трудом Альмагест (арабское название, первоначально "Синтаксис").

В основе космоса Птолемея лежит эпициклическая модель движения светил вокруг центра Земли. Наблюдатель находится в точке О (Земля). По окружности АА1А2: - деференту равномерно относительно О вращается центр эпицикла А небесного тела.  Эпициклом планеты называется окружность, которую описывает планета вокруг центра А равномерно.

Греческие астрономы использовали эпициклическую систему двумя способами:

1. Эксцетр. Радиус эпицикла МА всегда параллелен некоей прямой ОС. На рис. точка М всегда находится выше точки А. Тогда эпицикл вырождается в эксцентр. В такой модели планета М движется равномерно относительно точки С, которая не совпадает с точкой О, где находится наблюдатель. Расстояние ОС называется эксцентриситетом. Расположение планеты в точке М1 (на максимальном удалении от наблюдателя) называется апогеем, в точке М45 (на минимальном удалении от наблюдателя) - перигей. Модель эксцентра использовалась для описания движения Солнца. Погрешность модели для Солнца меньше 1 минуты.
2. Эквант. Круг деферента М1М2М: имеет центр в точке С. Точка М - центр эпицикла находится всегда на деференте, но ее вращение вокруг С не является равномерным. Это движение равномерно относительно некоей новой точки Д. Наблюдатель находится в точке О (Земля).  Эквантом называется точка Д для наблюдателя О. По этой модели в системе Птолемея движутся Венера и внешние планеты - Марс, Юпитер, Сатурн.

Еще более сложные модели строит Птолемей для движения Луны и Меркурия (вращение экванта Д). Задачей Птолемея помимо задания геометрической модели, было определение многочисленных параметров этого сложного движения.

Эту задачу он решает с использованием астрономических наблюдений, проведенных им самим и предшествующими греческими и вавилонскими астрономами, причем делает это не всегда методически корректно.

На почти полторы тысячи лет утверждается геоцентрическая модель космоса.

1.4.3. Оптика и акустика.

Представления о природе зрения в Древней Греции.

Оптика - один из самых древних разделов физики, внимание к природе зрительных ощущений характерно почти для всех греческих ученых и философов. В греческом мире существовали две основные теории зрения:

1. Атомисты- "физики" объясняли возникновение зрительных ощущений истечением "образов" или "призраков" из светящихся тел (Левкипп, Демокрит, Эпикур). Зрительные ощущения возникают благодаря проникновению "образов" в тело человека. "Призраки" распространяются прямолинейно (Лукреций Карр) в отличие от звуков: "Мы не способны видеть сквозь стены домов, голоса же оттуда мы слышим". По Анаксагору образы есть "отражения". Причиной отражений является свет (поэтому мы видим днем). Видим мы благодаря отражению в зрачках. Ощущение вызывается противоположным, то есть преобладающий цвет скорее отражается на противоположный.
2. Пифагорейцы - "математики" разработали субъективную теорию. Согласно ей свет распространяется благодаря зрительным лучам (opsies), исходящим из глаза и как-бы ощупывающим видимые предметы. К этой школе относились виднейшие греческие математики: Евдокс, Евклид и Птолемей.

Воззрения Эмпедокла можно назвать попыткой соединения двух теорий. Согласно ей от видимых предметов происходят "истечения", флюиды, но глаз сам имеет "огненную природу", испускает "свет очей" и зрительное ощущение происходит благодаря слиянию этих истечений. Если флюиды из глаз и от предметов подобны, то мы видим, если нет, то они взаимоуничтожаются и глаз не получает никаких ощущений.

Аристотель с одной стороны придерживался теории зрительных лучей (Meteorologika). С другой стороны, критиковал ее, ибо если лучи исходят из глаз (как огонь из фонаря), то почему мы не видим в темноте?

В духе Платона Евклид, исходя из теории зрительных лучей, строит геометрическую оптику, которая не теряет своего значения до наших дней, устанавливает закон отражения. Птолемей исследует явление преломления света (в воде) и экспериментально находит ряд углов преломления, соответствующих определенным углам падения. Находясь на пороге открытия закона преломления, он тем не менее делает неверный вывод о постоянстве отношения углов  а не их синусов).

Акустика.

Первыми исследованиями по акустике можно считать эксперименты Пифагора со струнами и найденные им отношения музыкальной гармонии. Пифагорейцы проводили подобные опыты с духовыми инструментами, с сосудами одинаковой формы, которые заполнялись различными объемами воды. Звук они совершенно верно представляли как совокупность следующих друг за другом толчков воздуха. Высоту звука также верно связывали с частотой колебаний. Однако скорость звука считали зависящей от частоты.

Атомисты (Лукреций) считают звук субстанцией - это атомы:

"

...Ибо  и голос и звук непременно  должны быть телесны,

   В уши внедряются нам разновидные первоначала"

   Разнообразию звуков обязаны  мы разнообразием звуковых частиц.

"

Подробное изложение акустических вопросов дается у римского военного инженера и архитектора Витрувия (50 г. до н. э. - 20 г. н. э.). Он продолжает линию Аристотеля, а точнее, его ученика Аристоксена. Аристоксен отрицал наличие количественных отношений в акустике: "Для этого они (пифагорейцы) придумывают чисто умственные причины и утверждают, что высота или низкость тона основываются на определенных соотношениях между числами и скоростями. Все это рассуждение совершенно чуждо существу дела и совершенно противоположно явлениям". Тем не менее, качественно Аристоксен и его продолжатель Витрувий дают верную теорию звука: "Голос же есть текучая струя воздуха, которая, соприкасаясь со слухом, ощущается им. Голос движется по бесконечно расширяющимся окружностям, подобно тем бесчисленным кругам волн, которые возникают на спокойной воде, если бросить в нее камень. Если они прерываются препятствиями, то первые из них, отливая назад, расстраивают очертания последующих:". Таким образом, высказана верная идея о волновой природе звука. Витрувий - строитель театральных зданий, что объясняет его интерес к акустике.

Однако в целом наступление римской эпохи печально сказалось на состоянии античной науки. После Герона и Птолемея наступил упадок физики. Первые его признаки появились еще ранее, со временем же оно становился все глубже и глубже. Свежие, оригинальные исследования уступили место компиляциям, бесконечным повторам. Римляне, вступившие в контакт с греческой наукой периода упадка, переняли ее в тех частях, которые могли иметь непосредственное практическое применение. Но напрасно искать в римской литературе оригинальные научные работы. Со смертью Боэция (480 - 525 гг.) традиции греческой школы были надолго забыты.

Однако в целом наступление римской эпохи печально сказалось на состоянии античной науки. После Герона и Птолемея наступил упадок физики. Первые его признаки появились еще ранее, со временем же оно становился все глубже и глубже. Свежие, оригинальные исследования уступили место компиляциям, бесконечным повторам. Римляне, вступившие в контакт с греческой наукой периода упадка, переняли ее в тех частях, которые могли иметь непосредственное практическое применение. Но напрасно искать в римской литературе оригинальные научные работы. Со смертью Боэция (480 - 525 гг.) традиции греческой школы были надолго забыты.

При рассмотрении истории европейского естествознания в средние века, нас будут интересовать три проблемы:

1. В чем специфика статуса естествознания в структуре знаний и в целом внутри средневековой культуры?
2. Какова связь между ней и античными научными программами?
3. Что наиболее важного и нового добавила эта эпоха в науку по сравнению с античностью?

1.5.1. Статус естествознания в Средние века.

Естественно, что при рассмотрении этих вопросов невозможно обойти влияния христианства, которое определяло всю культурную среду эпохи. Как изменяется статус теоретического знания о природе (естествознания) в связи с принятием христианства?

В христианской традиции существует три источника знания: опыт, разум и Откровение. Новым здесь является Откровение, причем статус всех трех - разный. Абсолютным авторитетом является именно Откровение. Что касается остальных двух источников, то Августин, Тертуллиан и другие отцы церкви в своей полемике с языческими скептиками и неоплатониками отстаивали реальность и достоверность чувственного опыта. Августин: "Мы не должны жаловаться на чувства, будто бы они нас обманывают; мы не имеем права требовать от них более надлежащего. Что видят глаза, то видят совершенно правильно. Если палка, опущенная в воду, кажется изломанною, то есть причина такого явления:".