Научная революция ХVI – ХVII веков и становление современного естествознания.

Переход от натурфилософского понимания природы к научному естествознанию совершался в период научной революции ХVI – ХVII веков.

Этот период развития естествознания связан со становлением и развитием естественных наук как новой формы теоретического освоения действительности. Изменения в европейской культуре, произошедшие в эпоху Возрождения и перехода к Новому времени, привели к тому, что собственно научный способ мышления стал достоянием естествознания.

Отличие научного естествознания от предшествовавших ему натурфилософских учений о природе заключается в том, что естественнонаучное мышление связывает разрозненные эмпирические данные в одно целое не на основе умозрительных натурфилософских принципов, а раскрывает наиболее существенные связи между ними и выражает их в виде определенной системы научных законов.

Становление научного естествознания было связано с осуществлением теоретическими средствами идеальной реконструкции изучаемых явлений, на основе которой объяснялся весь эмпирический материал. Особенность научного теоретического анализа действительности по сравнению с натурфилософским познанием, состоит в том, что выделяется некоторый аспект окружающей человека природы, который предстает как предмет естествознания. Иными словами, предметом естественнонаучного исследования выступают не природные процессы и явления в их целостности, а система теоретических объектов, реконструирующая некоторые параметры реальных объектов. Только при таком подходе удаётся ввести эмпирические методы в основу познания. При появлении чётко определенной области, где теоретическая концепция не истолковывает эмпирию, а определяет метод исследования и способна предсказывать направление экспериментального поиска, появляется научное познание природы в собственном смысле слова.

Главными факторами в процессе становления естественных наук принято считать:

· становление эксперимента как метода изучения природы;

· соединение математического метода с экспериментом;

· формирование на их основе теоретических схем, объясняющих изучаемые явления.

Научной революции в области физики предшествовала научная революция в астрономии, которая началась с разработки гелиоцентрической системы мира Николаем Коперником. Как уже было сказано, гелиоцентрическая система была противопоставлена им геоцентрической картине мира знаменитого александрийского астронома, математика и географа II века н. э. Клавдия Птолемея, основной труд которого широко известный ныне под названием «Альмагест», был до начала XVII в. главным учебником по астрономии.

Повторим, что идея гелиоцентрической системы мира зародилась ещё в древности, в частности, у Аристарха Самосского (III в. до н.э.). Возродилась она в ХIV в. в учении Николая Орезмского. В эпоху Возрождения Николай Кузанский также высказывал гипотезу гелиоцентризма. Можно сказать, что идея гелиоцентризма как бы носилась в воздухе, ожидая своего научного воплощения. И этот шаг, обозначивший поворотный пункт в истории науки, сделал Николай Коперник, издавший в год своей смерти в Нюрнберге книгу под названием «Об обращении небесных кругов». Согласно его учению Земля находится в движении и не является центром мира. Она вращается вокруг своей оси и вместе с прочими планетами вокруг Солнца. Свою концепцию Коперник строил на основе многочисленных астрономических наблюдений и их математической обработки. Он полагал, движение Земли и других планет происходит равномерно по круговым орбитам. Однако его система не позволяла точно описать движение небесных тел.

Дальнейшее развитие гелиоцентрической системы связано с именами датского астронома Тихо де Браге (1546 – 1601) и немецкого ученого И. Кеплера (1571 – 1630). Более тридцати лет Тихо де Браге проводил систематические астрономические наблюдения. На основе обобщения данных, полученных им, И.Кеплер сформулировал три основных закона, описывающих движение планет. Он утверждал, что каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Радиус-вектор планеты в равные промежутки времени описывает равные площади. Квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от Солнца. Солнце, занимая один из фокусов эллиптической орбиты, является источником силы движущей планеты.

Значение законов Кеплера было понято лишь тогда, когда Ньютон, сделал из них выводы, приведшие к установлению закона тяготения.

Систематическое обоснование гелиоцентрической системы мира дал Г. Галилей (1564 – 1642) в своих фундаментальных произведениях «Диалоги о двух важнейших системах мира, птолемеевской и коперниковской» и «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей знания».

Галилео Галилея по праву считают отцом современного естествознания, который подвел твердый научный фундамент под астрономию и разработал методологию научного эксперимента.

Он первым:

· дал физическое обоснование гелиоцентрической системы;

· ввел эксперимент как метод научного исследования;

· ввел измерения, сделав эксперимент количественным;

· обосновал необходимость математизации естествознания;

· сформулировал принцип относительности;

· сформулировал первый закон механики – закон инерции.

Рассмотрим процесс становления естественнонаучного знания на примере механики, которая первой приобрела статус естественной науки.

Для создания механики как теоретической дисциплины нужно было реальное движение, выступающее предметом исследования, представить как идеализированное движение теоретических объектов.

В этом переходе к построению теоретических объектов и конструированию на их основе теоретических моделей земная механика основывалась на «небесной». Астрономия на протяжении веков по преимуществу являлась сферой становления научного мышления. Приоритет астрономии в теоретизации по отношению к физике объясняется большей простотой условий астрономических наблюдений по сравнению с условиями изучения физических явлений. Периодичность движения небесных тел давала возможность повторять наблюдения неограниченное количество раз и тем самым подметить регулярность в их движении и соответствующим образом выразить в теоретической модели. При примитивной аппаратуре недостаточно точные астрономические измерения давали возможность построения простых схем. К тому же в астрономии была известна практика приложения математики, поскольку производить расчет движения небесных тел (точек света или дисков света) было гораздо легче, чем других объектов.

Земная механика пошла по пути астрономии. В работах Г.Галилея методы теоретизирования, разработанные в астрономии, стали основой научного познания в земных условиях. Различие заключалось только в том, что для астрономии было характерно научное наблюдение, а для механики основным методом стал научный эксперимент. В механике Галилея впервые произошло объединение рациональных и эмпирических моментов познания. Суть этого объединения состояла в том, что теоретическое естествознание вводит в качестве предпосылки постановки опыта следующий методологический приём:

· вычленение отдельных физических и геометрических характеристик объекта исследования;

· превращение их в идеализированные теоретические объекты;

· создание на их основе методом мысленного экспериментирования с идеализированными объектами теоретических схем, которые должны сопоставляться с реальными экспериментальными ситуациями.

Эта методологическая концепция, впервые сформулированная Г.Галилеем в работе «Пробирные весы», оказала решающее влияние на формирование современного естествознания. Галилей писал: «Никогда я не стану от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество и более или менее быстрые движения для того, чтобы объяснить возникновение ощущений вкуса, запаха и звука. Я думаю, что если бы мы устранили уши, языки, носы, то остались бы только фигуры, числа, движения, но не запахи, вкусы и звуки, которые, по моему мнению, вне живого существа являются ничем иным, как только пустыми именами».[11] Интересно, что этот новый методологический подход не был в достаточной степени оценён современниками. Великий французский философ и ученый Р.Декарт в письме к математику и физику, М. Мерсенну (1588 – 1648) писал, что он не находит в книгах Галилея ничего такого, чему бы он мог позавидовать. И почти ничего такого, что он бы желал назвать своим.

Рассмотрим новый способ теоретического естествознания на примере формирования закона инерции.

Теоретическое представление инерции было введено Галилеем. Предметом анализа у Галилея выступает не реальное, а идеализированное движение, выражающее закономерности реального движения. Как отметил В.Гейзенберг, на основании рассмотрения идеализированного движения Галилею удалось сформулировать математические законы этого теоретически воображаемого движения[12].

Исходной посылкой для рассуждения о сохраняющемся движении у Галилея послужил факт ускорения или замедления движения тел по наклонной плоскости в зависимости от его направления (вниз или вверх). Поскольку система теоретической механики ещё не была создана, Галилей был вынужден представить закон инерции как «чистый факт»: «Когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никакого сопротивления, то … движение его является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца»[13].

Как видим, закон инерции представлял собой такой мысленный эксперимент, в котором схематизированные представления экспериментов по скатыванию шара по наклонной плоскости доведены до экстремальной точки. А.Эйнштейн отмечал, что закон инерции нельзя вывести непосредственно из эксперимента, его можно вывести лишь умозрительно – мышлением, связанным с наблюдением: «Этот идеализированный эксперимент никогда нельзя выполнить в действительности, хотя он и ведет к глубокому пониманию действительных экспериментов».[14] У Галилея в законе инерции была представлена в предельно схематизированном виде реальная практика экспериментирования.

Что же касается реальных экспериментов, то объектом исследования в экспериментах Галилея выступали не сами устройства, которые он использовал (шары, наклонная плоскость, часы), а существенные характеристики движения – способность тела двигаться с ускорением и способность тела находиться в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Понятно, что бронзовый шарик, который скатывался по наклонной плоскости, обладал множеством самых различных свойств, но в эксперименте он был представлен только по признакам «быть материальной точкой» и «ускоряться пропорционально весу». Объект исследования представлен всей структурой реального эксперимента, и для того, чтобы выявить его в чистом виде, необходимо абстрагировать соответствующую структуру реального эксперимента, вычленить её как таковую. Это возможно достигнуть только на уровне теории в процессе конструирования теоретических схем методом мысленного экспериментирования с идеализированными объектами.

Начиная с работ Галилея и Ньютона, происходит эффективное применение математики в процессе изучения природы.

Значение математики для создания теоретического естествознания проявилось, прежде всего, в том, что математика играла существенную роль в самом формировании естественнонаучных понятий и физических величин: «Для того, чтобы стать объектом применения прикладной математики, законы природы должны формулироваться на языке математики».[15]

Во многих областях физики создание научной теории потребовало одновременно создания математического аппарата, адекватно выражающего соответствующие физические величины и их соотношения. Создание такого раздела математики, как математический анализ, к примеру, было связано с проблемами движения, то есть с созданием динамики как теоретической дисциплины. Для того, чтобы дать точную математическую интерпретацию понятиям скорости и изменения скорости, то есть ускорения, в случае заданного движения тела, которое можно представить в виде не имеющих размеров материальной точкой по аналогии с математической точкой, Ньютон изобрел дифференциальное и интегральное исчисление.

Можно констатировать, что в применении математики в естественнонаучном познании выразилась общая тенденция в формировании естественнонаучных теорий – совершался переход от понятий естественного языка к научным понятиям искусственного языка, имеющим количественное выражение. Математический язык оказался наиболее адекватным языком для формулирования научных теорий. С введением математических методов исследования был четко очерчен круг предметов и явлений, входящих в сферу естественнонаучного познания. Сама природа за всеми своими внешними проявлениями стала рассматриваться, по словам Галилея, как «написанная на языке математики, её буквами служат треугольники, окружности и другие геометрические фигуры, без помощи которых человеку невозможно понять её речь, без них – напрасное блуждание в лабиринте».[16] Научные законы и теории были призваны точно выразить в своих понятиях математические соотношения природы. То, что нельзя было выявить и подтвердить с помощью эксперимента, то, что нельзя было вычислить или доказать с помощью математики, стало рассматриваться как не относящееся к физической науке.

Интересно, что сами творцы нового естествознания не вполне осознали тот революционный переворот, который они совершили. Хотя в этот период трудами Г.Галилея, И.Ньютона, Х.Гюйгенса, было положено начало новоевропейской науки, а механика обрела статус научной теории, творцы новой науки отождествляли своё детище с натурфилософией как с теоретическим знанием высшего уровня. Натурфилософия мыслилась ими как философско-теоретический анализ природы, тождественный естествознанию, и прежде всего физике. Недаром ещё длительное время в названиях работ естествоиспытателей сохранялся термин «натурфилософия». Свой фундаментальный труд, в котором он сформулировал закон всемирного тяготения и три закона, заложившие основы классической механики, И.Ньютон называет «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» – «Математические начала натуральной философии» (1687). Зададим вопрос: является ли эта работа Ньютона натурфилософским описанием природы? «Математические начала натуральной философии» – изложение механики, в основе которой лежат такие фундаментальные понятия, как «материальная точка», «масса», «сила», «скорость» и т.д. Универсальные связи между ними представлены в трёх основных законах механики и законе всемирного тяготения. Сформулирован общий принцип, определяющий взаимодействия между телами – принцип дальнодействия. Из законов механики выведены следствия, которые можно проверить в экспериментах. Как видим, эта работа И. Ньютона соответствует всем критериям, предъявляемым научным теориям и сама является образцом строгой научной теории.

Результаты естествознания XVII в. обобщил И. Ньютон. Именно он завершил постройку фундамента нового классического естествознания. Вразрез с многовековыми традициями в науке Ньютон впервые сознательно отказался от поисков «конечных причин» явлений и законов и ограничился, в противоположность картезианцам, изучением точных количественных проявлений этих закономерностей в природе.

Обобщив существовавшие независимо друг от друга, результаты своих предшественников в стройную теоретическую систему знания – механику, Ньютон стал родоначальником классической теоретической физики. Он сформулировал ее цели, разработал ее методы и программу развития, которую он сформулировал следующим образом: «Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы».

Создание И.Ньютоном первой фундаментальной естественнонаучной теории – механики, было завершением научной революции, и в то же время началом нового периода в развитии естествознания – периода классической науки.

2.3.Классический период развития естествознания Классическая наука и её особенности.

2.3.1.Развитие естествознания в классический период.

Понятие «классическая наука» охватывает период развития науки с конца XVII в. и до начала ХХ века, то есть до новейшей революции в естествознании.

Процессы становления классической науки тесно связаны с появлением естественных наук в собственном значении этого слова физики, химии, биологии, геологии.

Огромную роль в становлении и развитии классической науки сыграли работы И. Ньютона, которые стали образцом построения естественнонаучных теорий не только в области механики, но и других разделов физики и во многом определяли стиль мышления классической науки в течение более двух веков. Развитие физики в XVIII в. предстает именно как развитие идей Ньютона, выполнение завещанной им программы распространения основных положений механики на всю физику.

Рассмотрим кратко основные вехи развития естественных наук.

В этот период в качестве самостоятельных дисциплин складываются все основные разделы классической физики.

В ХVIII в. начинается научное изучение таких явлений как электричество и магнетизм. Было открыто явление электрической проводимости (С. Грей), существование отрицательного и положительного электричества (Ш.Ф.Дюфе), непосредственно измерены величины сил, действующих между электрическими зарядами, и установлен основной закон электростатики (Ш.О.Кулон). Выявляется способность электричества вызывать химические действия, зарождается электрохимия. Продолжением этих исследований в ХIХ веке стала разработка М. Фарадеем и Дж.К.Максвеллом электродинамики.

В первой половине XIX в. быстро развиваются все разделы физики, но особенно оптика. В этот период складываются основы волновой оптики, теории дифракции, интерференции и поляризации.

В XIX в. происходит становление классической равновесной термодинамики как важной отрасли теоретической физики, объясняющей сущность тепловой энергии. Ее основателем был С. Карно, а далее большой вклад в развитие термодинамики внес Р.Клаузиус. В рамках термодинамики было введено понятие энтропии.

Во второй половине XVII в. алхимическая традиция исчерпывает себя и начинается постепенный процесс становления химии как науки о качественных изменениях тел, происходящих в результате изменения их состава. В качестве научной дисциплины химия конституировалась в ХVIII веке. Начало было положено работами А. Л. Лавуазье, разработавшего кислородную теорию горения, и тем самым показавшим несостоятельность концепции флогистона, Дж. Дальтона, который ввел в химию понятие атомного веса. Во второй половине XIX в. A.M. Бутлеровым была разработана теория химического строения, которая обусловила огромный успех органического синтеза и возникновение новых отраслей химической промышленности, а в теоретическом плане открыла путь теории пространственного строения органических соединений — стереохимии. В это время складываются физическая химия, химическая кинетика — учение о скоростях химических реакций, теория электролитической диссоциации, химическая термодинамика. Таким образом, в химии XIX в. сложился новый общий теоретический подход — определение свойств химических веществ в зависимости не только от состава, но и от структуры. Новым толчком для развития химии стало великое открытие Д. И. Менделеевым периодической системы элементов, которое позволило систематизировать элементы и раскрыть их взаимосвязь.

В ХVIII – первой половине ХIХ века происходит становление биологии как науки. Именно в это время в биологическом познании происходит коренной перелом в направлении систематической разработки научных методов познания и формирования на их основе первых научных теорий, которые носили описательный характер.

К. Линней подытожил длительный исторический период эмпирического накопления биологических знаний, разработав научную систематику растений. Его заслуга заключается в том, что через создание искусственной системы он подвел биологию к необходимости рассмотрения колоссального эмпирического материала с позиций общих теоретических принципов, разработка которых была делом будущих поколений биологов.

В процессе становления биологии как науки выдвигается идея естественного развития органической природы. Первая развернутая концепция эволюции была разработана Ж.Б.Ламарком, который при её разработке опирался на колоссальный эмпирический материал, накопленный в биологии к началу XIX в..

Идея биологической эволюции в учении катастрофизма Ж. Кювье выступала как производная от более общей идеи развития глобальных геологических процессов.

Эволюционные идеи окончательно оформились во второй половине XIX века в теории естественного отбора, разработанной Ч.Дарвиным и А.Р.Уолессом.

К ХIХ веку относится и создание геологии как науки о строении земли и геологических формах.