Физика – сравнительно молодая наука. Общепринято датировать её рождение 17 веком и связывать с именами Галилея и Ньютона. Ранее она была растворена в «Натуральной Философии» – сложном коктейле сведений из механики, астрономии, химии, геологии, физиологии и т. п., приправленным религиозно-мистическим соусом. Дистилляция этого раствора началась в Европе, что в конечном итоге позволило Западу занять доминирующие позиции перед лицом более древних и могущественных цивилизаций Востока. Сам исходный раствор (натуральная философия) был очень богат как полезными компонентами (фактами, технологиями, созданными всем Человечеством), так и буферными (не позволяющими менять концентрацию религиозно-философских идей). На Западе это были приспособленные к христианской теологии воззрения Аристотеля, развитые им в 4-том веке до нашей эры и дошедшие до Европы в арабских переводах с греческого в 10–14 веке. Европейская критика Аристотеля в 15–16 веках была очень робкой, так как его идеи (где они не противоречили учению церкви!) стали базисом физических объяснений. Очевидные нелепости частных утверждений великого Стагирита разрешалось устранять, но основные его положения поддерживала церковь как авторитетом Отцов Церкви: Фомы Аквинского, Блаженного Августина, так и кострами Святой инквизиции. (Смешная деталь – очевидной устраненной нелепостью было утверждение о том, что у женщин на два зуба меньше, чем у мужчин!). Несмотря на очевидные с точки зрения современности недостатки учения Аристотеля, вызывают уважение системность и прочность его физической теории (редкая современная концепция в физике может похвастаться такой продолжительностью существования). Даже само название науки – физика – было придумано Аристотелем (др. греч. φυσική – природный). Механика, понимаемая ныне как часть физики, возникла намного раньше физики, её история уходит в глубокую древность, и многие её приложения могут быть поняты на интуитивном уровне.
Если бы можно было ознакомить Архимеда с устройством легкового автомобиля, то древнегреческий ученый без особых усилий разобрался бы со всей его механической начинкой (тяги, поворотные устройства, дифференциалы и т. п.). Однако даже простые задачи, связанные с вычислением скорости брошенного тела, люди научились решать только в 16-том веке, а полная система законов механического движения, которую мы связываем с именем Ньютона, появилась только в конце 17-того века.
Архимед (287–212 д.н. э.)
Архимед – величайший древнегреческий механик и инженер. Разработал научные основы статики, в частности, ввел понятия центра тяжести и момента силы, сформулировал правило сложения параллельных сил. Заложил основы гидростатики, сформулировав закон, названный его именем. Научные работы относятся к математике, механике, астрономии. В античности он прославился как изобретатель различного рода механических устройств и инструментов, о чем сообщают авторы, жившие в более позднюю эпоху. Считается, что Архимед был изобретателем так называемого «архимедова винта», который служил для подъема воды на поля и явился прообразом корабельных и воздушных винтов. Принцип рычага и учение о центре тяжести являются важнейшими (наряду с законом Архимеда) научными достижениями Архимеда в области механики. Рычаг позволял поднимать большие тяжести, преодолевать значительные сопротивления, затрачивая относительно небольшие усилия. Он и основанные на нем машины помогли человеку «перехитрить» природу. Отсюда и пошло название «механика». Греческое слово «механе» означало орудие, приспособление, осадную или театральную машину, а также уловку, ухищрение, жульничество (сравните с современным жаргонными словами – «химики», «схимичить»).
Архимед один из первых механиков, известный нам не только по имени, но и как личность. Уроженец греческого города Сиракузы на острове Сицилия, Архимед был приближенным управлявшего городом царя Гиерона (и, вероятно, его родственником). Возможно, какое-то время Архимед жил в Александрии – знаменитом научном центре того времени. Вернувшись в Сиракузы, Архимед находился там вплоть до своей гибели при захвате Сиракуз римлянами. О его жизни мы знаем в основном из легенд, сообщаемых греческими и римскими историками (Папп, Ливий, Полибий, Плутарх). Предоставим слово знаменитому древнегреческому историку Плутарху (46 -127), который сохранил для нас несколько легенд о замечательном ученом – практике.
Эврика (по-гречески: «Нашел!»). Царь Гиерон поручил Архимеду проверить, из чистого ли золота сделана его корона или же ювелир присвоил часть золота, сплавив его с серебром. «Размышляя над этой задачей, Архимед как-то зашел в баню и там, погрузившись в ванну, заметил, что количество воды, переливающейся через край, равно количеству воды, вытесненной его телом. Это наблюдение подсказало Архимеду решение задачи о короне, и он, не медля ни секунды, выскочил из ванны и, как был нагой, бросился домой, крича во весь голос о своем открытии: „Эврика! Эврика!“»
Точка опоры. Известно замечание Архимеда: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю!». В ответ на просьбу царя Гиерона продемонстрировать, как тяжелый груз может быть сдвинут малой силой, Архимед «взял трехмачтовое грузовое судно, которое перед этим с превеликим трудом вытянули на берег много людей, усадил на него множество народа и загрузил обычным грузом. После этого Архимед сел поодаль и стал без особых усилий тянуть на себя канат, перекинутый через полиспаст, отчего судно легко и плавно, словно по воде, „поплыло“ к нему». (Полиспаст – грузоподъемное устройство, состоящее из системы подвижных и неподвижных блоков).
Смерть Архимеда. «При двойной атаке римлян (т. е. с суши и с моря) жители Сиракуз онемели, пораженные ужасом. Что они могли противопоставить таким силам, такой могущественной рати? Архимед пустил в ход свои машины. Сухопутная армия была поражена градом метательных снарядов и громадных камней, бросаемых с великой стремительностью. Ничто не могло противостоять их удару, они все низвергали пред собой и вносили смятение в ряды. Что касается флота – то вдруг бревна опускались на суда с высоты стен вследствие своего веса и приданной скорости и топили их. То железные когти и клювы захватывали суда, поднимали их в воздух носом вверх, кормою вниз и потом погружали в воду. А то суда приводились во вращение и, кружась, попадали на подводные камни и утесы у подножия стен. Большая часть солдат, находящихся на судах, погибала под ударом. Всякую минуту видели какое-нибудь судно поднятым в воздухе над морем. Страшное зрелище!..» Попытка противопоставить технике Архимеда римскую военную технику потерпела крах. Архимед разбил громадными камнями осадные машины, и римлянам пришлось увести флот в безопасное место и перейти к длительной осаде. Через два года город захватили благодаря измене. Архимед погиб вместе с родным городом. 75-летнего ученого, занимавшегося в глубокой задумчивости геометрическими построениями, зарубил при взятии Сиракуз римский солдат. Таким образом, Архимед вошел в историю как один из первых ученых, работавших на войну, и как первая жертва войны среди людей науки.
Аристотель (384–322 до н. э.)
Аристотель – величайший греческий мыслитель, гением которого была озарена вся последующая история Запада. Его труды охватывают многие предметы, включая физику, биологию, зоологию, метафизику, логику, этику, эстетику, поэзию, театр, музыку, риторику, психологию, лингвистику, экономику, политику, метеорологию, геологию и государственное управление. Его называют отцом логики, биологии, политологии, зоологии, эмбриологии, естественного права, научного метода, риторики, психологии, реализма, критики, индивидуализма, телеологии и метеорологии.
Основным принципом его физики был телеологизм – все процессы и явления в мире имеют цель. С точки зрения Аристотеля, «Бог и природа ничего не делают напрасно». Все существует ради какой-то конечной цели, всё так или иначе конечно. Актуальной бесконечности ни внутри нашего мира, ни за его пределами нет. Мир – конечен. Он один, единственный в своем роде и шарообразен (сферически симметричен). Строя законы движения на основе натурфилософии с её элементами-стихиями, Аристотель приписал каждому элементу свое специфическое движение. Каждый элемент тянется к своему естественному месту – для земли и воды, как тяжелых элементов, характерно движение от периферии к центру мироздания – Земле. Для воздуха и огня характерно обратное движение – от центра к периферии. Движение возможно только тогда, когда на тело действует сила, двигающая эти объекты к их естественному месту. Что является характерным для движения всех четырех элементов? Оно является прямолинейным, и в этом отношении оно конечно. Весь наш «подлунный мир» есть результат взаимодействия элементов между собой. Время – это есть мера или число движения в отношении предшествующего и последующего моментов, то есть ощущение времени возникает тогда, когда те или иные состояния объектов меняются. По Аристотелю, время и место не являются ни вещами, ни физическими константами. Строго говоря, ни времени, ни места – нет. Атомов нет, так как из атомистического учения следует, что атом, движущийся с определенной скоростью в определенном направлении, будет продолжать свое движение бесконечно или до столкновения с другим атомом (фактически здесь атомисты закладывали прообраз будущего первого закона Ньютона). Пустоты, в которой должны были бы двигаться атомы, тоже нет, так как в пустоте (где нет никаких сил) скорость любого тела должна стать бесконечно большой, что недопустимо, следовательно, мир континуален (каждая точка пространства заполнена материей). Попав в капкан ошибочных гипотез (отрицание пустого пространства, определение силы как причины движения), Аристотель был вынужден придумать нелепую (на современный взгляд) теорию движения, согласно которой брошенное тело подталкивается далее средой, пришедшей в движение от броска (эта теория продержалась на Западе до 16-того века!). Но это все о «подлунном мире», а как устроены небеса? Здесь Аристотель был вынужден придумать еще один элемент мироздания – пятую («quinta»– квинта) стихию, или сущность («essentia» – эссенция), как её потом называли латинские авторы, – «квинтэссенцию». Сам он назвал её – разреженным воздухом («αἰθήρ» – эфиром), которым дышали боги на Олимпе. Эфир – пятый элемент – не смешивается с остальными элементами, не обладает весом, и его естественное движение – это вечное круговое вращение. Пятый элемент взяли на вооружение пифагорейцы, которые давно обнаружили пятое платоново тело – додекаэдр, но скрывали это от непосвященных, так как не могли сопоставить ему стихию, чего требовало их мистическое учение. Аристотель был самым известным выпускником знаменитой Академии Платона (424–348 до н. э.) и сам создал в 335 г. до н. э. Ликей – философскую школу, которая работала до 267 года, но в 4-ом веке была заброшена. Выпускники Ликея (их было более 2000) продолжали и развивали теории Учителя. Но самым знаменитым учеником Аристотеля стал Александр Македонский, с которым он занимался, как сейчас бы сказали, частным образом и который не пошел в философы, а занялся более традиционным для царей делом – пытался завоевывать всё, что было чужим.
Как же устроена космология Аристотеля? Космос иерархически упорядочен: в центре его находится земля, над землей располагаются последовательно вода, воздух, огонь и пятый элемент – эфир. Эфир неуничтожим и образует небесные тела и сферы. Самая внешняя сфера – небо неподвижных звезд, ниже располагаются Солнце, Луна, планеты. Почему происходят изменения положения звезд и планет? Аристотель рассуждает так: «Это происходит от того, что движется либо Земля, либо небеса, либо от того, что и то, и другое движется, либо от того, что одно покоится, а другое движется. Если бы Земля двигалась, то ее движение было бы насильственным. И каждая часть Земли обладала бы таким движением. Если это движение насильственно, то оно не может быть вечным. Однако порядок космоса вечен». Отсюда естественный постулат: Земля неподвижна!
А как с проверкой теории наблюдением и расчетом (эксперимент появится только через две тысячи лет)? Это заслуга Клавдия Птолемея, астронома, жившего четырьмя веками позже Аристотеля и построившего на базе его физики сложную геоцентрическую модель движения планет. При создании данной системы он проявил себя как умелый механик, поскольку сумел представить неравномерные движения небесных светил (с попятными движениями планет, например Марса), в виде комбинации нескольких равномерных движений по окружностям (эпициклам, дифферентам). Геоцентрическая система Мира Аристотеля-Птолемея была универсальной, простой идейно, но технически весьма сложной (суммарное число эпициклов всех светил равнялось 77). Она позволяла предвычислять небесные явления с любой необходимой для тогдашних наблюдений степенью точности, что позволило ей просуществовать до начала 17-ого века. С точки зрения современной математики эпициклы и дифференты Птолемея – это разложения в ряды Фурье движения планет по эллиптическим орбитам, в фокусе которых на ходится Солнце, да еще и с неудачной точки разложения (с Земли).
Галилео Галилей (1564–1642)
Галилео Галилей – итальянский физик, механик, астроном, философ, математик, оказавший значительное влияние на науку своего времени. Галилей – основатель экспериментальной физики. Своими экспериментами он убедительно опроверг умозрительную метафизику Аристотеля и заложил фундамент классической механики. Одним из первых использовал телескоп для наблюдения небесных тел и сделал ряд выдающихся астрономических открытий. Наиболее видная фигура в конфликте науки с церковью.
Выдающийся физик современности Хокинг писал: «Галилей, пожалуй, больше, чем кто-либо другой из отдельных людей, ответствен за рождение современной науки. Знаменитый спор с Католической Церковью занимал центральное место в философии Галилея, ибо он одним из первых объявил, что у человека есть надежда понять, как устроен мир, и, более того, что этого можно добиться, наблюдая наш реальный мир».
Галилей родился в 1564 году в итальянском городе Пиза, в семье родовитого, но обедневшего дворянина Винченцо Галилея, видного теоретика музыки и лютниста. В семье Винченцо Галилея и Джулии Амманнати было шестеро детей, но выжить удалось четверым: Галилео (старшему из детей), дочерям Вирджинии, Ливии и младшему сыну Микеланджело. Среди знатных предков семьи был даже глава Флорентийской республики (1445), тоже носивший имя Галилео. В 1572 году Винченцо переехал во Флоренцию, столицу Тосканского герцогства. Правящая там династия Медичи оказывала постоянное покровительство искусству и наукам. Начальное образование Галилей получил в монастыре, как тогда было принято. В учебе продемонстрировал большие успехи и подумывал о карьере священника, но отец хотел пустить его по медицинской линии, и по настоянию отца 17-летний Галилео оказался на медицинском факультете Пизанского университета, где проучился три года, но завершить обучение не смог, так как у папаши начались финансовые проблемы, и он не смог больше платить за обучение. Тем не менее эти три года были очень значимы для юноши – он впервые познакомился с математикой, основательно изучил труды античных философов и элементы астрономии. Тогда же он познакомился с гелиоцентрической теорией Коперника. Как это все совмещалось с изучением медицинских предметов – непонятно. Во всяком случае пизанские профессора не дали ему бесплатную стипендию для продолжения обучения, и диплома врача он не получил. Тем не менее через пять лет, в 1589 году, Галилей вернулся в Пизанский университет, но уже не студентом, а профессором и стал преподавать астрономию, механику и математику! (Ему оказал протекцию сам тосканский герцог Фердинанд Медичи. Правда, жалованье ему назначили минимальное: 60 скудо в год, тогда как профессор медицины получал 2000 скудо). В 1591 году умер отец, и ответственность за семью перешла к Галилео. В первую очередь он должен был позаботиться о воспитании младшего брата и о приданом двух незамужних сестёр.
В 1592 году Галилей переехал в Падую (Венецианская республика), где продолжил преподавать в местном (весьма престижном) университете. К этому времени он стал уже известным профессором, «…справедливо признаваемым за самого сведущего в математических науках». В Падуе он стал уже получать «…180 флоринов жалованья в год». Годы пребывания в Падуе (1592–1610) были вершиной популярности Галилея. Студенты толпами сбегались на его лекции, правительство поручало разработку технических устройств, с ним активно переписываются молодой Кеплер, Браге и другие научные авторитеты того времени. Пик популярности приносит изобретение телескопа, который он изготовил в 1609 году, узнав об изобретении зрительной трубы в Голландии. Используя свой телескоп, Галилей открывает горы на Луне, показывает, что Млечный Путь состоит из отдельных звёзд, но особенно поразили современников обнаруженные им четыре спутника Юпитера (1610). В честь четырёх сыновей своего покойного покровителя Фердинанда Медичи, Галилей назвал эти спутники «Медичийскими звёздами». Популярность зашкаливает, наблюдения в телескоп становятся модным. Наступает всеобщее признание. Галилей становится самым знаменитым учёным Европы, в его честь сочиняются оды, где он сравнивается с Колумбом. Свои первые открытия с телескопом Галилей описал в сочинении «Звёздный вестник» (1610). Книга имела сенсационный успех по всей Европе, даже коронованные особы спешили заказать себе телескоп (французский король Генрих IV просит Галилея открыть и для него какую-нибудь звездочку).
В эти годы Галилей наконец выдает замуж своих сестер (залезая в огромные долги), вступает в гражданский брак с венецианкой Мариной Гамба, становится отцом (сын и две дочери). Общеевропейская слава и нужда в деньгах толкнули Галилея на неосмотрительный, как позже оказалось, шаг: в 1610 году он покидает Венецию, где он был недоступен для инквизиции, и перебирается во Флоренцию. Герцог Козимо II Медичи, сын Фердинанда, обещал Галилею почётное и доходное место советника при тосканском дворе. Обещание он сдержал, что позволило Галилею решить проблему долгов, но лишило его защиты от нападок Святой инквизиции. Доносы в инквизицию поступали на Галилея и раньше, но хода им не давали покровители. Галилей переоценил свое влияние на Папу Римского Урбана VIII и решил дать бой устаревшей системе Птолемея, чтобы освободить дорогу гелиоцентрической системе Коперника, которую он развивал в течении 30 лет. Для этого он опубликовал книгу «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой» (1632), которую для маскировки снабдил предисловием, где объявлял себя сторонником птолемеевой системы. Однако столь наивная уловка не сработала, и давние враги Галилея – монахи-иезуиты – убедили Урбана, что под одним из действующих героев «Диалогов», простаком-Симпличио, Ст выведен сам Урбан (Книга была написана в форме диалога между тремя любителями науки: коперниканцем Сальвиати, нейтральным участником Сагредо и Симпличио, приверженцем Птолемея). Книга была написана не на латыни, как тогда было принято для научных публикаций, а на «народном» итальянском языке, то есть предназначалась для широкой публики. Аргументы Сальвиати (Галилея) были неотразимы, а сам текст был превосходен, так как Галилей обладал несомненным литературным талантом (даже сейчас чтение «Диалогов» доставляет эстетическое удовольствие). Упрямый и самовлюбленный Урбан впал в ярость – книга была запрещена и изъята, а сам Галилей был вызван в Рим на суд Святой инквизиции по обвинению в ереси. Несмотря на заступничество герцога Фердинанда Галилея пытали и заставили подписать отречение от своих коперниканских убеждений. Легенда говорит, что после произнесения слов отречения, Галилей тихо добавил: «И все-таки она вертится!». Галилей сравнительно легко отделался – его объявили не еретиком, а «сильно заподозренным в ереси», что спасало от костра. Вскоре Галилею было разрешено отправиться на родину, и он поселился в Арчетри, рядом с монастырём, где находились его дочери. Здесь он провёл остаток жизни под домашним арестом и под постоянным надзором инквизиции. Церковь реабилитировала Галилея только в 1992 году (божьи жернова работают медленно).
Несмотря на варварское обращение со светилом мировой науки, решение Урбана оказалось полезным для рождения Физики. Изолировав Галилея от пропаганды идей гелиоцентризма, оно позволило последнему сосредоточиться на обдумывании идей, положивших начало двум новым физическим наукам. Несмотря на полную потерю зрения в 1635 году, он продолжал научные исследования, опираясь на верных учеников: Кастелли, Торричелли и Вивиани. Последней книгой Галилея стали «Беседы и математические доказательства двух новых наук» (1638), где излагаются основы кинематики и сопротивления материалов. Этот труд стал настольной книгой Гюйгенса и Ньютона, завершивших начатое Галилеем построение оснований механики.