Презентация "Коперниканский переворот, галилеанская и ньютонианская революции в науке" (10 класс) – проект, доклад

Коперниканский переворот, галилеанская и ньютонианская революции в науке.

Николай Коперник (1473-1543)

Размышляя о Птолемеевой системе мира, Коперник поражался её сложности и искусственности, и, изучая сочинения древних философов, особенно Никиты Сиракузского и Филолая, он пришёл к выводу, что не Земля, а Солнце должно быть неподвижным центром Вселенной.

Главное и почти единственное сочинение Коперника, плод более чем 40-летней его работы, — De revolutionibus orbium coelestium («О вращении небесных сфер»). Сочинение издано в Нюрнберге в 1543 году; оно разделено на 6 частей (книг) и печаталось под наблюдением лучшего ученика Коперника, Ретика.

Небесные сферы в рукописи Коперника

В первой части говорится о шарообразности мира и Земли, а вместо положения о неподвижности Земли помещена иная аксиома — Земля и другие планеты вращаются вокруг оси и обращаются вокруг Солнца. Эта концепция подробно аргументируется, а «мнение древних» убедительно опровергается. С гелиоцентрических позиций он без труда объясняет возвратное движение планет. Во второй части даются сведения по сферической тригонометрии и правила вычисления видимых положений звезд, планет и Солнца на небесном своде. В третьей говорится о годовом движении Земли и прецессии (предварении равноденствий), причём Коперник правильно объясняет её смещением земной оси, из-за чего перемещается линия пересечения экватора с эклиптикой. В четвёртой — о Луне, в пятой о планетах вообще, и в шестой — о причинах изменения широт планет. В книге также содержится звёздный каталог, оценка размеров Солнца и Луны, расстояния до них и до планет (близкие к истинным), теория затмений.

Гелиоцентрическая система в варианте Коперника может быть сформулирована в семи утверждениях:

орбиты и небесные сферы не имеют общего центра; центр Земли — не центр Вселенной, но только центр масс и орбиты Луны; все планеты движутся по орбитам, центром которых является Солнце, и поэтому Солнце является центром мира; расстояние между Землёй и Солнцем очень мало по сравнению с расстоянием между Землёй и неподвижными звёздами; суточное движение Солнца — воображаемо, и вызвано эффектом вращения Земли, которая поворачивается один раз за 24 часа вокруг своей оси, которая всегда остаётся параллельной самой себе; Земля (вместе с Луной, как и другие планеты), обращается вокруг Солнца, и поэтому те перемещения, которые, как кажется, делает Солнце (суточное движение, а также годичное движение, когда Солнце перемещается по Зодиаку) — не более чем эффект движения Земли; это движение Земли и других планет объясняет их расположение и конкретные характеристики движения планет.

Эти утверждения полностью противоречили господствовавшей на тот момент геоцентрической системе. Хотя, с современной точки зрения, модель Коперника недостаточно радикальна. И всё же модель мира Коперника была колоссальным шагом вперёд и сокрушительным ударом по архаичным авторитетам. Низведение Земли до уровня рядовой планеты определённо подготавливало (вопреки Аристотелю) ньютоновское совмещение земных и небесных природных законов.

Учение Коперника было равносильно революционной перестройке не только в астрономии и естествознании, но и в методах научного исследования и познания. Оно привело к радикальным изменениям образа мышления естествоиспытателей, повернув его от привычных и закостенелых догм к непосредственному исследованию реального мира.

Галилео Галилей (1564-1642)

В 1609 году Галилей самостоятельно построил свой первый телескоп с выпуклым объективом и вогнутым окуляром. Труба давала приблизительно трёхкратное увеличение. Вскоре ему удалось построить телескоп, дающий увеличение в 32 раза. Отметим, что терминтелескоп ввёл в науку именно Галилей (сам термин предложил ему Федерико Чези, основатель «Академии деи Линчеи»). Ряд телескопических открытий Галилея способствовали утверждению гелиоцентрической системы мира, которую Галилей активно пропагандировал, и опровержению взглядов геоцентристов Аристотеля и Птолемея.

Первые телескопические наблюдения небесных тел Галилей провёл 7 января 1610 года. Эти наблюдения показали, что Луна, подобно Земле, имеет сложный рельеф — покрыта горами и кратерами. Известный с древних времен пепельный свет Луны Галилей объяснил как результат попадания на наш естественный спутник солнечного света, отражённого Землёй. Всё это опровергало учение Аристотеля о противоположности «земного» и «небесного»: Земля стала телом принципиально той же природы, что и небесные светила, а это, в свою очередь, служило косвенным доводом в пользу системы Коперника: если другие планеты движутся, то естественно предположить, что движется и Земля.

Галилео Галилей оказал сильную поддержку системе Коперника, наблюдая фазы Венеры (предсказанные Коперником, а не Птолемеем) и спутники Юпитера (которые показали, что видимые аномалии орбиты Луны по теории Коперника не являются уникальными). Галилей также пишет классическую работу в защиту гелиоцентрической системы: Диалог о двух важнейших системах мира (1632), которая привела к процессу над ним и к его домашнему аресту инквизицией.

Галилей считается одним из основателей механицизма. Этот научный подход рассматривает Вселенную как гигантский механизм, а сложные природные процессы — как комбинации простейших причин, главная из которых — механическое движение. Анализ механического движения лежит в основе работ Галилея. Опыт Галилей рассматривал не как простое наблюдение, а как осмысленный и продуманный вопрос, заданный природе. Он допускал и мысленные эксперименты, если их результаты не вызывают сомнений. При этом он ясно представлял, что сам по себе опыт не даёт достоверного знания, и полученный от природы ответ должен подвергнуться анализу, результат которого может привести к переделке исходной модели или даже к замене её на другую. Таким образом, эффективный путь познания, по мнению Галилея, состоит в сочетании синтетического (в его терминологии, композитивный метод) и аналитического (резолютивный метод), чувственного и абстрактного. Эта позиция, поддержанная Декартом, с этого момента утвердилась в науке. Тем самым наука получила свой метод, собственный критерий истины и светский характер.

Находясь в Падуанском университете, Галилей изучал инерцию и свободное падение тел. В частности, он заметил, что ускорение свободного падения не зависит от веса тела, таким образом опровергнув первое утверждение Аристотеля. Галилей опроверг и второй из приведённых законов Аристотеля, сформулировав первый закон механики (закон инерции): при отсутствии внешних сил тело либо покоится, либо равномерно движется. То, что мы называем инерцией, Галилей поэтически назвал «неистребимо запечатлённое движение». Правда, он допускал свободное движение не только по прямой, но и по окружности (видимо, из астрономических соображений). Правильную формулировку закона позднее дали Декарт и Ньютон; тем не менее общепризнанно, что само понятие «движение по инерции» впервые введено Галилеем, и первый закон механики по справедливости носит его имя. Галилей является одним из основоположников принципа относительности в классической механике, который также был позже назван в его честь.

Эти открытия Галилея, кроме всего прочего, позволили ему опровергнуть многие доводы противников гелиоцентрической системы мира, утверждавших, что вращение Земли заметно сказалось бы на явлениях, происходящих на её поверхности. Например, по мнению геоцентристов, поверхность вращающейся Земли за время падения любого тела уходила бы из-под этого тела, смещаясь на десятки или даже сотни метров. Галилей уверенно предсказал: «Будут безрезультатны любые опыты, которые должны были бы указывать более против, чем за вращение Земли». Галилей опубликовал исследование колебаний маятника и заявил, что период колебаний не зависит от их амплитуды (это приблизительно верно для малых амплитуд) . Он также обнаружил, что периоды колебаний маятника соотносятся как квадратные корни из его длины. Результаты Галилея привлекли внимание Гюйгенса, который изобрёл часы с маятниковым регулятором (1657); с этого момента появилась возможность точных измерений в экспериментальной физике. Многие рассуждения Галилея представляют собой наброски открытых много позднее физических законов. Например, в «Диалоге» он сообщает, что вертикальная скорость шара, катящегося по поверхности сложного рельефа, зависит только от его текущей высоты, и иллюстрирует этот факт несколькими мысленными экспериментами; сейчас мы бы сформулировали этот вывод как закон сохранения энергии в поле тяжести. Аналогично он объясняет (теоретически незатухающие) качания маятника. В статике Галилей ввёл фундаментальное понятие момента силы.

К теории вероятностей относится его исследование об исходах при бросании игральных костей. В его «Рассуждении об игре в кости» («Considerazione sopra il giuoco dei dadi», время написания неизвестно, опубликовано в 1718 году) проведён довольно полный анализ этой задачи. В «Беседах о двух новых науках» он сформулировал «парадокс Галилея»: натуральных чисел столько же, сколько их квадратов, хотя бо́льшая часть чисел не являются квадратами. Это подтолкнуло в дальнейшем к исследованию природы бесконечных множеств и их классификации; завершился процесс созданием теории множеств. Занимался также оптикой, акустикой, теорией цвета и магнетизма, гидростатикой, сопротивлением материалов, проблемами фортификации. Провёл эксперимент по измерениюскорости света, которую считал конечной (без успеха). Он первым опытным путём измерил плотность воздуха, которую Аристотель считал равной 1/10 плотности воды; эксперимент Галилея дал значение 1/400, что намного ближе к истинному значению (около 1/770). Ясно сформулировал закон неуничтожимости вещества.

Исаак Ньютон (1642-1727)

С работами Ньютона связана новая эпоха в физике и математике. Он завершил начатое Галилеем создание теоретической физики, основанной, с одной стороны, на опытных данных, а с другой — на количественно-математическом описании природы. В математике появляются мощные аналитические методы. В физике основным методом исследования природы становится построение адекватных математических моделей природных процессов и интенсивное исследование этих моделей с систематическим привлечением всей мощи нового математического аппарата. Последующие века доказали исключительную плодотворность такого подхода.

Ньютон решительно отверг популярный в конце XVII века подход Декарта и его последователей-картезианцев, который предписывал при построении научной теории вначале «проницательностью ума» найти «первопричины» исследуемого явления. На практике этот подход часто приводил к выдвижению надуманных гипотез о «субстанциях» и «скрытых свойствах», не поддающихся опытной проверке. Ньютон считал, что в «натуральной философии» (то есть физике) допустимы только такие предположения («принципы», сейчас предпочитают название «законы природы»), которые прямо вытекают из надёжных экспериментов, обобщают их результаты; гипотезами же он называл предположения, недостаточно обоснованные опытами. «Всё…, что не выводится из явлений, должно называться гипотезою; гипотезам же метафизическим, физическим, механическим, скрытым свойствам не место в экспериментальной философии»

Механистические взгляды Ньютона оказались неверны — не все явления природы вытекают из механического движения. Однако его научный метод утвердился в науке. Современная физика успешно исследует и применяет явления, природа которых ещё не выяснена (например, элементарные частицы). Начиная с Ньютона, естествознание развивается, твёрдо уверенное в том, что мир познаваем, потому что природа устроена по простым математическим принципам. Эта уверенность стала философской базой для грандиозного прогресса науки и технологии.

Первые математические открытия Ньютон сделал ещё в студенческие годы: классификация алгебраических кривых 3-го порядка (кривые 2-го порядка исследовал Ферма) ибиномиальное разложение произвольной (не обязательно целой) степени, с которого начинается ньютоновская теория бесконечных рядов — нового и мощнейшего инструмента анализа. Ньютон разработал дифференциальное и интегральное исчисление одновременно с Г. Лейбницем (немного раньше) и независимо от него. До Ньютона действия с бесконечно малымине были увязаны в единую теорию и носили характер разрозненных остроумных приёмов. Уже будучи студентом, Ньютон понял, что дифференцирование и интегрирование — взаимно обратные операции.

В 1707 году вышла книга «Универсальная арифметика». В ней приведены разнообразные численные методы. Ньютон всегда уделял большое внимание приближённому решению уравнений. Знаменитый метод Ньютона позволял находить корни уравнений с немыслимой ранее скоростью и точностью (опубликован в «Алгебре» Валлиса, 1685).

Заслугой Ньютона является решение двух фундаментальных задач. Создание для механики аксиоматической основы, которая фактически перевела эту науку в разряд строгих математических теорий. Создание динамики, связывающей поведение тела с характеристиками внешних воздействий на него (сил). Кроме того, Ньютон окончательно похоронил укоренившееся с античных времён представление, что законы движения земных и небесных тел совершенно различны. В его модели мира вся Вселенная подчинена единым законам, допускающим математическую формулировку.

Важно отметить, что Ньютон опубликовал не просто предполагаемую формулу закона всемирного тяготения, но фактически предложил целостную математическую модель: закон тяготения; закон движения (второй закон Ньютона); система методов для математического исследования (математический анализ).

Ньютону принадлежат фундаментальные открытия в древней науке оптике. Он построил первый зеркальный телескоп (рефлектор), в котором, в отличие от чисто линзовых телескопов, отсутствовала хроматическая аберрация. Он также детально исследовал дисперсию света, показал, что белый свет раскладывается на цвета радуги вследствие различного преломления лучей разных цветов при прохождении через призму, и заложил основы правильной теории цветов. Оптические опыты Ньютона на десятилетия стали образцом глубокого физического исследования.

И. Ньютон завершил коперниковскую революцию. Он доказал существование тяготения, как универсальной силы - силы, которая одновременно заставляла камни падать на Землю и была причиной замкнутых орбит, по которым планеты вращались вокруг Солнца. Заслуга И. Ньютона была в том, что он соединил механическую философию Р. Декарта, законы И. Кеплера о движении планет и законы Г Галилея о земном движении, сведя их в единую всеобъемлющую теорию. После целого ряда математических открытий И. Ньютон установил следующее: для того, чтобы планеты удерживались на устойчивых орбитах с соответствующими скоростями и на соответствующих расстояниях, определяющихся третьим законом И. Кеплера, их должна притягивать к Солнцу некая сила, обратно - пропорциональная квадрату расстояния до Солнца; этому же закону подчиняются и, тела, падающие на Землю.

Ньютон создал свой вариант дифференциального и интегрального исчисления непосредственно для решения основных проблем механики: определения мгновенной скорости как производной от пути по времени движения и ускорения, как производной от скорости по времени или второй производной от пути по времени. Благодаря этому ему удалось точно сформулировать основные законы динамики и закон всемирного тяготения. Ньютон был убежден в объективном существовании материи, пространства и времени, в существовании объективных законов мира, доступных человеческому познанию. Несмотря на свои огромные достижения в области естествознания, Ньютон глубоко верил в Бога, очень серьезно относился к религии. Он был автором «Апокалипсиса», «Хронологии». Эта приводит к выводу, что для И. Ньютона не было конфликта между наукой и религией, в его мировоззрении уживалось и то и другое.

Основными достижениями ньютонианской революции можно считать: 1) натурализм-идею самодостаточности природы, управляемой естественными, объективными законами; 2) механицизм - представление мира в качестве машины, состоящей из элементов разной степени важности и общности; 3) квантитативизм-универсальный метод количественного сопоставления и оценки всех предметов и явлений мира, отказ от качественного мышления античности и Средневековья; 4) причинно-следственный автоматизм жесткую детерминацию всех явлений и процессов в мире естественными причинами, описываемыми с помощью законов механики; 5) аналитизм - примат аналитической деятельности над синтетической в мышлении ученых, отказ от абстрактных спекуляций, характерных для античности и Средневековья; 6) геометризм-утверждение картины безграничного однородного, и управляемого едиными законами космического универсума.

Спасибо за внимание.