Текст книги "Курс истории физики"

Автор книги: Кудрявцев Степанович

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 48 страниц)

Глава вторая. Физика средневековья

Исторические замечания

Процесс распада рабовладельческого Римского государства и переход к феодализму в Западной Европе происходили в сложной обстановке военных столкновений и движений племен и народностей. Рухнувшая под напором «варварских» племен Римская империя оказывала идеологическое воздействие на эти племена сохранившейся в ней прочной и сильной организацией христианской церкви, сумевшей быстро приспособиться к новым историческим условиям и превратившейся в идеологический оплот феодализма. На Востоке, в Китае и Индии переход к феодализму происходил раньше, чем в Западной Европе, и в своем экономическом и культурном развитии эти страны обогнали ее, что сказалось также и на развитии науки.

Интересное и до некоторой степени загадочное историческое явление произошло на Аравийском полуострове в начале VII в. Там кочевые и полукочевые племена объединились под знаменем новой религии – ислама, провозглаше иной купцом Мухаммедом, и в короткое время создали сильное воинственное государство, завоевавшее Иран, страны Среднего Востока, Египет и проникшее в Европу на Пиренейский полустров. В истории науки и культуры арабы сыграли важную роль. Они были связующим звеном между восточной и западной культурой, между античной и средневековой наукой. В результате в период раннего средневековья (VII– XI вв.) ведущую роль в развитии науки играл Восток. Лишь в более позднюю эпоху, начиная с крестовых походов, оживляется европейская наука, возникают университеты, появляются крупные ученые. Вместе с тем эта так называемая эпоха развитого феодализма (XI—XV вв.) характеризуется интенсивным ростом производительных сил, развитием ремесла и торговли, подготовившим почву для перехода к новому способу производства – капиталистическому и новой экономической формации – капитализму.

Разложение феодализма и переход к новым экономическим формам происходит с конца XV в. примерно до первой половины XVII в. Этот период имел в истории науки исключительно важное значение, поскольку именно в этот период возникло новое опытное естествознание. Таким образом, история средневековой науки, в том числе и физики, в соответствии с историей общества разбивается на три хронологических отрезка:

1. Период развития науки на Востоке (VII-ХI вв.).

2. Период развития европейской феодальной науки (XI—XV вв.).

3. Период возникновения опытного естествознания (конец XV – первая половина XVII в.).

К рассмотрению этих периодов мы и переходим.

Достижения науки средневекового Востока

Западная Европа в эпоху раннего средневековья представляла унылую картину. Редкие деревушки и еще более редкие помещичьи усадьбы были отдельными мирками, слабо связанными между собой, феодал получал все необходимое от своих крепостных, съестные припасы, одежду, обувь, оружие. Не было городов, подобных древнему Риму, Афинам, Александрии, оживленных гаваней, шумных рынков, театров и цирков. Мир средневекового человека ограничивался узкими рамками его деревушки и усадьбы. Немудрено, что и мировоззрение этого человека было столь же ограниченным и сильно уступало мировоззрению образованного афинянина или александрийца Вся духовная жизнь средневековья, просвещение, искусство, наука – была подчинена церкви.

Средневековый Восток был богаче и культурнее. Столица арабского халифата—Багдад—была украшена роскошными дворцами халифа и его визирей, шумные базары заполняла пестрая разноязычная толпа. Арабские купцы снаряжали караваны и морские суда, в городах выделывались богатые ткани, ковалось замечательное оружие, изготовлялись золотые и серебряные украшения. Восток славился пряностями и сладостями, ароматическими веществами. Это был совсем другой мир, мир роскоши и богатства, построенный на труде рабов и крепостных. В этом мире могла найти приют и дать толчок новым знаниям гонимая христианской церковью наука древности.

Широкая торговля давала богатый материал для математических задач, дальние путешествия стимулировали развитие астрономических и географических знаний, развитие ремесла способствовало развитию экспериментального искусства. Поэтому новая математика, удобная для решения вычислительных задач, берет начало на Востоке. Хорезмиец Абу Абдалла Мухаммед ибн Муса аль-Хорезми (ок 780 —ок. 850), работавший в эпоху просвещенного халифа аль-Мамуна, был автором арифметики и трактата по алгебре. Из арифметического трактата Европа познакомилась с индийской позиционной системой чисел и употреблением нуля, арабскими цифрами, арифметическими действиями с целыми числами и дробями. Алгебраический трактат Хорезми дал имя новому разделу математики – алгебре («Аль-Джабар») В трактате Хорезми решаются линейные и квадратные уравнения.

Последующие за Хорезми ученые развили новые идеи, заимствовав их, в свою очередь, у индийских математиков, и в XII в. в Европе уже появляются переводы трактатов Хорезми и других восточных авторов. К началу научной революции Коперника – Галилея новая нумерация, алгебра и тригонометрия были не только освоены, но и развиты европейскими учеными.

Труды Аристотеля и Птолемея пришли на кафедры средневековых университетов также в арабских пере водах.

Однако задолго до арабов достижения античной науки стали известными в странах Закавказья. Армения и Грузия еще в IV в. установили тесные экономические и культурные связи с Византией. Христианство проникло в эти страны задолго до крещения Руси Уже в 301 г. христианство стало в Армении государственной религией, идеоло-

гической опорой раннего феодализма. В V—VII вв. на армянский язык были переведены труды Аристотеля, Платона и христианских богословов.

Знаменитый армянский ученый начала VII в. Анания Ширакаци путешествовал в Византию, изучал математику и философию и, вернувшись на родину, основал школу, в которой преподавал математику, астрономию, географию Им был составлен армянский учебник арифметики, выпущен трактат по космографии. Этот трактат свидетельствует о глубоком знании Ширакаци трудов греческого ученого Аристотеля. В своем сочинении Ширакаци рассматривает и чисто астрономические вопросы: пытается оценить расстояние до Солнца и Луны, составляет календарь, свидетельствующий об основательном знании им движений Солнца и Луны и трудов древних ученых по этому вопросу.

Ширакаци был разносторонним ученым, связавшим молодую армянскую науку с античным наследием. К сожалению, роль закавказских ученых в развитии естественнонаучных знаний и освоении античного наследия не исследована в достаточной мере. Пример Ширакаци показывает, что Закавказье знало античную науку непосредственно из первоисточника, от самих греков.

Арабы начали культивировать и экспериментальную науку. Мухаммед ибн Ахмед аль-Бируни (Бируни) производил точные определения плотностей металлов и других веществ с помощью изготовленного им «конического прибора». «Конический прибор» Бируни представлял собой сосуд, суживающийся кверху и оканчивающийся Цилиндрической шейкой. Посредине шейки было проделано небольшое круглое отверстие, к которому была припаяна изогнутая трубка соответствующего размера. В сосуд наливали воду. Куски металла, плотность которого определялась, опускали в сосуд, из которого через изогнутую трубку выливалась вода в объеме, равном объему исследуемого металла. Шейка была достаточно узкой («шириной с мизинец»), чтобы «подъем воды был заметен и при опускании того, что по объему равно зерну проса». Сама же трубка после ряда опытов была заменена желобком, чтобы вода по нему стекала без задержки. По измерениям Бируни плотность золота, переведенная на современные единицы измерения, равна 19,5, ртути -13,56.

При сравнении с современными данными результаты Бируни оказываются весьма точными. К сожалению, они стали известны в Европе очень поздно. Русский консул в Америке Н.Ханыков в 1857 г. нашел рукопись аль-Хазини под названием «Книга о весах мудрости» В этой книге приведены извлечения из книги Бируни «Об отношениях между металлами и драгоценными камнями в объеме», содержащие описание прибора Бируни и полученные им результаты.

Сам аль-Хазини продолжал исследования, начатые Бируни, с помощью специально сконструированных им весов, которые он назвал «весами мудрости».

Замечательны практические указания, приведенные Бируни о воде, применяемой при определениях плотности. Он указывает на необходимость пользоваться водой из одного и того же источника, в одних и тех же условиях «в связи с воздействием на ее свойства четырех времен года и зависимостью ее от состояния воздуха». Таким образом, Бируни знал, что плотность воды зависит от содержания в ней примесей и от температуры.

Бируни производил также точные астрономические и географические измерения. Он определил угол наклона эклиптики к экватору и установил его вековые изменения. Для 1020 г. его измерения дали значение 23°34'0" Современные вычисления дают для 1020 г. значение 23°34'45". Во время путешествия в Индию Бируни разработал метод определения радиуса Земли По его измерениям, радиус Земли оказался равным 1081,66 фарсаха, т. е. около 6490 км.

Бируни наблюдал и описал изменение цвета Луны при лунных затмениях, явление солнечной короны при полных затмениях Солнца. Он высказал мысль о движении Земли вокруг Солнца и считал геоцентрическую теорию весьма уязвимой. Им было написано обширное сочинение об Индии и переведены на санскритский язык «Начала» Евклида и «Альмагест» Птолемея.

Приведем краткие биографические сведения об этом выдающемся ученом средневекового Востока. Бируни родился 4 сентября 973 г. в главном городе Хорезма Кяте и вырос в среде ремесленников, к которой, возможно, принадлежали и его родители. Тяга к знаниям у него появилась весьма рано, и он уже в юности был тесно связан с научными кругами древнего Хорезма. По его собственному свидетельству, в возрасте 21—22 лет он «производил астрономические измерения при помощи круга, имевшего в диаметре 15 локтей, и других необходимых для этого инструментов». В это время в Хорезме произошел государственный переворот, плохо отразившийся на судьбе Бируни, который вынужден был уехать из Хорезма, проведя на чужбине около десяти лет. По возвращении Бируни становится одним из государственных деятелей Хорезма. Вероятно, в эти годы он проводил измерения плотностей металлов и драгоценных камней. Тогда же он начинает обширную переписку со знаменитым ученым древнего Хорезма Ибн Синой (Авиценной, 980—1037), с которым он обсуждает ряд естественнонаучных вопросов и физику Аристотеля. Бируни резко критикует многие утверждения Аристотеля, тогда как Ибн Сина выступает в роли защитника Аристотеля.

В 1017 г. властитель Хорасана и Афганистана Махмуд завоевал Хорезм, и Бируни вместе с другими пленными был отправлен в Газни, где прожил 13 лет. Несмотря на тяжелые условия, Бируни продолжал научную работу, написав ряд трудов по географии и астрономии, в том числе и знаменитую «Индию».

К моменту окончания «Индии» положение Бируни изменилось. На прес тол взошел сын Махмуда Масуд. Он благосклонно относился к Бируни и покровительствовал ему. Ученый по святил Масуду большое сочинение по астрономии и сферической триго нометрии, известное под название «Канон Масуда». Им были написаны также «Минералогия», «Книга о лечебных веществах». Умер Бируни 13 декабря 1048 г. (по другим сведе ниям, в 1050 или 1051 г.). По словам известного советского востоковед И.Ю.Крачковского, Бируни был энциклопедистом, охватившим весь круг современных ему наук, в первую очередь математико-физических и почти в такой же мере естественноисторических.

Крупным физиком был современник Бируни египтянин Ибн аль-Хайсам (965—1039), известный в Европе под именем Алхазена. Его основные исследования относятся к оптике. Алхазен развивает научное наследие древних, производя собственные эксперименты и конструируя для них приборы. Он разработал теорию зрения, описал анатомическое строение глаза и высказал предположение, что приемником изображения является хрусталик. Точка зрения Алхазена господствовала до XVII в., когда было выяснено, что изображение появляется на сетчатке.

Отметим, что Алхазен был первым ученым, знавшим действие камер-обскуры, которую он использовал как астрономический прибор для получения изображения Солнца и Луны. Алхазен рассматривал действие, плоских, сферических, цилиндрических и конических зеркал. Он поставил задачу определения положения отражающей точки цилиндрического зеркала по данным положениям источника света и глаза Математически задача Алхазена формулируется так: по данным двум внешним точкам и окружности, расположенным в одной плоскости определить такую точку окружности, чтобы прямые, соединяющие ее с заданными точками, образовывали равные углы с радиусом, проведенным к искомой точке.

Задача сводится к уравнению четвертой степени. Алхазен решил ее геометрически. В дальнейшем задачу Алхазена решали такие крупные ученые XVII в., как Гюйгенс и учитель Ньютона Барроу.

Алхазен занимался исследованием преломления света. Он разработал метод измерения углов преломления и показал экспериментально, что угол преломления не пропорционален углу падения. Хотя Алхазен не нашел точной формулировки закона преломления, он существенно дополнил результаты Птолемея, показав, что падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным из точки падения луча. Алхазену было известно увеличивающее действие плоско-выпуклой линзы, понятие угла зрения, его зависимость от расстояния до предмета. По продолжительности сумерек он определил высоту атмосферы, считая ее однородной.

В этих предположениях результат получается неточным (до Алхазену, высота атмосферы 52 000 шагов), но сам принцип определения является большим достижением средневековой оптики.

«Книга оптики» Алхазена была переведена на латинский язык в XII в. Однако считалось, что это сочинение – копия труда Птолемея. Только после того как было найдено и опубликовано сочинение Птолемея, стало ясно, что оптика Алхазена – это оригинальный труд, развивающий достижения древних ученых. То, что Алхазен есть не кто иной, как арабский ученый Ибн аль-Хайсам, выяснилось только в XIX в.

На примере Бируни и Алхазена мы видим, как развивалось экспериментальное естествознание на Востоке. Вместе с такими изобретениями, как механические часы, компас, порох, бумага, перенесенными в Европу арабами, и античным наследием оно сыграло огромную роль в развитии европейской цивилизации.

Отметим, что у арабов дальнейшее развитие получила астрономия. Сооружались обсерватории, велись наблюдения за небесными светилами Мы говорили об астрономических и геодезических измерениях Бируни Крупным астрономом был внук знаменитого завоевателя Тимура Улугбек (1394—1449). Он построил в Самарканде обсерваторию, снабдил ее первоклассными по тому времени инструментами. Им были составлены точный каталог звезд и таблица движения планет. Результаты наблюдений, вынолненных Улугбеком, характеризуют высокий уровень арабской астрономии.

Астрономические исследования средневековых арабских ученых вместе с другими достижениями арабской науки и техники становились позднее известными в Европе и стимулировали развитие европейской астрономии.

Рис. 1. Лаборатория алхимика (средневековый рисунок)

Европейская средневековая наука

Восточные государства значительно опережали Европу в экономическом и культурном развитии в течение эпохи раннего средневековья (VII—XI вв.) Если, например, Бируни переводил Птолемея, определял радиус Земли, размышлял о гелиоцентрической системе мира, то в Европе господствовали наивные представления о Земле как о плоской лепешке, накрытой хрустальным колпаком и опоясанной океаном.

Один из столпов католической церкви – блаженный Августин – объявил представления об антиподах нелепостью, другой католический авторитет – фома Аквинский – провозгласил тезис: «философия – служанка богословия».

Однако уже с X в. начинают развиваться экономические и культурные связи Европы и Востока. Большую роль в этом сыграли со второй половины XI в. знаменитые крестовые походы, доставившие европейцам новые сведения: экономические, технические и культурные.

Происходящее в Европе развитие ремесла и торговли способствовало оживлению экономики и культуры. Появляются первые университеты, сначала в Испании, где уже арабами был организован университет в Кордове, затем в Италии, Париже и Англии. Университет средневековой Европы существенно отличался от современного университета, однако до нашего времени сохранились ученые степени доктора и магистра, звания профессора и доцента, лекции как основная форма сообщения знаний, факультеты как подразделения университета. Отмерла такая форма обучения, как диспут, имевшая широкое распространение в средневековых университетах, но научные дискуссии и семинары имеют большое значение и в современной науке, и в высшей школе.

Лекция (буквально – чтение) в средневековом университете по необходимости была основной формой сообщения знаний. Книг было мало, они были дороги, и поэтому чтение и комментирование богословских и научных трудов являлось важной формой информации.

Преподавание велось на латинском языке, равно как и бого&гужение в католических храмах. До XVIII в. латинский язык был международным научным языком, на нем писали Коперник, Ньютон и Ломоносов.

До сих пор в европейских университетах торжественные речи читаются, а дипломы пишутся на латинском языке. На торжественных актах профессора появляются в средневековых докторских мантиях и шапочках. Так современная наука сохраняет память о первых университетах, возникновение которых явилось одной из главных предпосылок научного прогресса.

Другой предпосылкой будущего расцвета науки послужило развитие техники. Механические часы, очки, книгопечатание, производство бумаги сыграли огромную роль в развитии естествознания. Немалую роль в развитии цивилизации сыграл компас, история которого начинается в Древнем Китае, где в рукописи II в. н. э. встречается указание на свойство намагниченной иглы указывать направление. Уже в XI в. китайцам было известно магнитное склонение. Арабские мореплаватели начиная с XII в. пользовались компасом. В Европу он проникает в ХП-ХШ вв.

О значении компаса в истории цивилизации свидетельствует тот факт, что именно наличие компаса позволило Колумбу предпринять свое историческое путешествие. «Компас – инструмент малый, но без него не была бы открыта Америка», – любил говорить известный советский ученый академик А. Н. Крылов. Отметим, что Колумб был первым европейцем, обнаружившим склонение магнитной стрелки.

Третья предпосылка научного прогресса – ознакомление с античным научным наследием. В XII в. появляются латинские переводы «Начал» Евклида, трудов Архимеда, Птолемея и других греческих авторов. Тогда же появились переводы Хорезми и Алхазена.

Основным фактором, определившим революционные изменения в развитии общества и науки, было то, что внутри феодального общества вызревали новые производительные силы, пришедшие в противоречие с феодальными производственными отношениями и потребовавшие как новых форм общественного бытия, так и новой науки. Пока же культивировавшаяся в университетах схоластическая наука базировалась на антинаучном по самой сути принципе – истина уже открыта в священном писании и в трудах богословских авторитетов (к которым причислялся и приспособленный к нуждам церковного мировоззрения Аристотель), и долг ученых—изучать и комментировать эту истину.

В этих условиях науке было трудно развиваться; свободная, самостоятельная мысль беспощадно подавлялась. Эта эпоха вошла в историю науки как «период застоя», как «темная ночь средневековья». Однако и в это время жили и работали люди, возвышавшиеся над общим уровнем, искавшие новых путей познания. Таким был, например, знаменитый монах Роджер Бэкон (1214—1294). Бэкон родился в Англии в графстве Сомерсет, учился в Оксфордском и Парижском университетах, в 1250 г. вступил в монашеский орден францисканцев. В Оксфорде он занимался научными исследованиями.

Независимость в мышлении навлекла на него обвинение в ереси, и он был заключен в тюрьму. Освобожденный папой Климентом IV, он уехал во францию, но там вновь подвергся преследованиям и вышел из тюрьмы только глубоким стариком в 1288 г. Бэкон считал, что ученый не должен сводить науку к толкованию авторитетов. По его мнению, наука должна строиться на строгих аргументах и точном опыте, доказывающем теоретические заключения. Бэкон резко выступал против всеобщего увлечения книгами Аристотеля, вдобавок искаженными невежественными переводчиками. В этом отношении он являлся прямым предшественником Галилея.

Бэкон не ограничивался указанием на большое значение опыта. Он неутомимо экспериментировал и сам производил химические, оптические, физические эксперименты и астрономические наблюдения.

Бэкон знал действие камер-обскуры, увеличивающее действие выпуклых линз, установил, что вогнутые зеркала фокусируют параллельные пучки в точ ку, лежащую между центром и вершиной зеркала, предвидел возможность построения оптических приборов. Он сделал шаг вперед в объяснении явления радуги, сравнивая ее цвета с радужными цветами при преломлении света в хрустале, в каплях росы, в водяных брызгах.

При этом он установил, что угол, образованный направлением падающего на водяные капли луча с лучом, направленным от радуги в глаз, составляет 42°.

Младший современник Бэкона поляк Вителло (родился около 1230 г.) был автором написанной в 70-х годах ХIII в. книги по оптике «Перспектива». Он также исследовал радугу и пришел к выводу, что она образуется от преломления лучей в отдельных водяных каплях.

Ход светового луча в дождевой капле, приводящий к образованию радуги, правильно описал умерший в 1311 г. монах Дитрих (Теодорих) фрейбургский.

Таким образом, вХШ в. радуга привлекала внимание многих исследователей Следует добавить, что в конце XIII в. были изобретены очки.

XIII век вообще характеризуется оживлением духовной жизни. В этом веке, кроме Бэкона, жили и работали такие деятели, как знаменитый богослов фома Аквинский, идеалистическая философия которого («томизм») имеет распространение и в современной западной философии; Вильгельм Оккам, выступивший против идеалистической теории о реальном существовании общих понятий; Роберт Большеголовый, занимавшийся оптикой. Интересную фигуру представляет Петр Перегрин – рыцарь Пьер из Марикура, написавший 8 августа 1269 г. в военном лагере «Послание о магните» («Послание о магните Пьера де Марикур, по прозванию Перегрина, к рыцарю Си геру де фукокур»).

В книге автор указывает, по каким признакам можно отобрать хороший «магнитый камень», как распознать полюса магнита. Все эти практические указания свидетельствуют о хорошем знании Марикуром естественных магнитов, о его большом опыте в обращении с магнитом. Марикур дает инструкцию проведения опыта, показывающего, что разноименные полюса магнита притягиваются, а одноименные – отталкиваются.

Пьер де Марикур описывает подробно свойство плавающего магнита указывать на север «к звезде, которую называют мореходной, оттого, что она находится около полюса; но на самом деле он поворачивается не к упомянутой звезде, а к полюсу...» Далее Перегрин указывает, что если целый продолговатый магнит А О разломить на две части, то получится два магнита АВ и СО с двумя полюсами. Если магниты сблизить, они соединятся в месте разлома ВС.

Во второй части своего послания Марикур описывает конструкцию магнитного инструмента, «при помощи которого определяют на горизонте азимут Солнца, Луны и любой звезды», а также проект вечного двигателя с магнитом. Сочинение Пьера де Марикура представляет собой видную веху в ранней истории магнетизма. На фоне рассказов о фантастических свойствах магнитного камня, которые были в ходу даже спустя столетия после «Послания», сочинение Марикура выглядит как первое серьезное экспериментальное исследование магнетизма, а сам Мари-кур – как ученый-экспериментатор, строящий свои выводы на основе опытов. Роджер Бэкон высоко ценил Марикура, называя его в своих сочинениях «магистр Петр» и превознося его ученые заслуги. В «Послании» Марикур упоминает о своем не дошедшем до нас сочинении «О действиях зеркала», свидетельствующем, что он занимался не только магнетизмом, но и оптикой Прозвище Марикура «Перегрин» – странник – указывает на то, что он много путешествовал и, по-видимому, бывал на Востоке.

В XIV в. начинается реакция. Усиливается со стороны церкви борьба с «ересью», вводится пытка. Было осуждено учение и сожжен труд Николая из Отрикура, который, следуя атомистам, утверждал, что в мире нет ничего, кроме сочетания и разделения атомов Он был вынужден отречься от своего учения. Церковь осудила также учение Вильгельма Оккама, который защищал возможность двух видов познания – научного и божественного откровения – и требовал свободы для научного познания. Тем не менее и в XIV в. жизнь не стояла на месте. Продолжается развитие техники, появляются башенные колесные часы в Париже, в Германии, в Москве В 1440 г. Иоганн Гуттенберг (1400-1468) изобретает книгопечатание отдельными вырезными буквами. Наступала новая эпоха в развитии цивилизации и науки.

Рис. 2. Книгопечатание