РАЗДЕЛ Предыстория физики

Физика в начале пути. Античная наука

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • характерные особенности античной науки;
• • атомистическую гипотезу Демокрита — Эпикура;
• • основополагающие открытия, сделанные учеными Античности в механике, гидростатике, акустике, оптике;
• • краеугольные идеи методологической системы Аристотеля;

уметь

• • оценивать научные и технические достижения древних цивилизаций Востока, античных государств;
• • различать и приводить особенности греческой и римской науки;
• • обсуждать биографии выдающихся ученых античного периода;

владеть

• навыками оперирования основными понятиями античной науки.

Ключевые термины: древнеегипетская и вавилонская математика и астрономия, календарь, греческая и римская наука, атомизм Демокрита — Эпикура, механика, движение, методологическая система Аристотеля, гидростатика, акустика, оптика.

Человек добывал знания об окружающем мире в суровой борьбе за существование, постепенно отделяясь от животного мира, развивая свои навыки и интеллект, переходя ко все более совершенным каменным орудиям. Величайшим завоеванием человека было получение и использование огня. В этой длившейся тысячи и тысячи лет эволюции развивалось сознание человека, совершенствовалась речь, накапливались знания и представления о мире, возникали первичные, свойственные человеку тех времен объяснения окружающих явлений.

Наряду с совершенно фантастическими представлениями о природе человек обогащался реальными знаниями о небесных светилах, животных и растениях, о движении и силах, метеорологических явлениях и т. д. Накопленные знания и практические навыки, передаваясь от поколения к поколению, образовывали основу будущей науки. По мере развития общественных трудовых отношений накапливались предпосылки для создания цивилизации. Решающую роль здесь сыграло земледелие. Там, где сложились условия для получения устойчивых урожаев, создавались поселения, города, а затем и государства. Эти условия возникли в долине Нила, в Междуречье Тигра и Евфрата, в некоторых других регионах. В IV тысячелетии до н.э. там возникли первые рабовладельческие государства. Система орошаемого земледелия, добыча и обработка металлов, связанное с этим развитие техники изготовления орудий создали предпосылки для возникновения сложного общества с развитой экономикой. Общественные потребности привели к появлению письменности, а также к возникновению астрономических и математических знаний.

Памятники древнеегипетской письменности, относящиеся ко Н-му тысячелетию до н.э., — папирус Ринда из Британского музея и Московский папирус содержат решения задач по вычислению площадей и объемов. В Московском папирусе, например, приведена формула для вычисления объема усеченной пирамиды. Площадь круга египтяне вычисляли, используя довольно точное значение числа п = 3,16.

Высокого уровня достигли вавилонская математика и астрономия. Вавилонянам была известна теорема Пифагора, они умели вычислять квадраты и кубы, квадратные корни, решать квадратные уравнения и системы уравнений. Следует подчеркнуть, что математика египтян и вавилонян носила прикладной характер и выросла из потребностей хозяйственной и строительной практики.

Жизненно необходимое для экономики Древнего Египта определение времени начала разливов Нила потребовало тщательных астрономических наблюдений. Египтяне разработали календарь, состоявший из 12 месяцев по 30 дней и 5 дополнительных дней в году. Значительны и астрономические достижения древних вавилонян. Им, в частности, принадлежит разделение эклиптики на 12 созвездий Зодиака.

Астрономия была той естественной наукой, с которой началось развитие естествознания. Согласно «Диалектике природы» Ф. Энгельса, естествознание развивалось таким образом, что сначала благодаря наблюдению смены дня и ночи и времен года возникла астрономия, абсолютно необходимая для сельского хозяйства. Астрономии, в свою очередь, понадобилась математика, а строительство стимулировало развитие механики. Строительство грандиозных сооружений (храмов, крепостей, пирамид) потребовало хотя бы эмпирических знаний строительной механики и статики. Строительные работы выполнялись с использованием простых механизмов: рычагов, наклонных плоскостей. Это свидетельствует, что именно практика вызвала необходимость появления научных знаний.

Несмотря на это, достижения древних цивилизаций не стали основой современной науки. Эта честь принадлежит науке Древней Греции и возникших на ее руинах античных государств. Излишний практицизм ученых древнего Востока не мог привести к возникновению теоретической науки. Разработка представлений о том, как устроен мир, не интересовала египетских или вавилонских жрецов. Они не видели нужды что-то доказывать своим подопечным, они просто требовали: «Делай так». Лишь с выходом на историческую арену античных обществ возникла необходимость в доказательствах тех или иных правил или утверждений. Так, известны слова основателя атомистики Демокрита: «Найти одно научное доказательство для меня значит больше, чем овладеть всем персидским царством».

Античностью в истории принято считать период со времени возникновения греческой цивилизации (VII—VI вв. до н.э. — вторая половина V в. н.э.), когда под ударами варваров пала Римская империя. Таким образом, говоря об истории античной науки, мы имеем в виду ее развитие в городах и государствах Древней Греции, в государствах эллинистического мира, а также в Древнем Риме в период республики и империи.

Здесь уместно сказать несколько слов о различии наук греческой и римской. Оно связано с национальным менталитетом греков и римлян. Первые — творцы. Поэтому многие научные идеи, которые и сейчас, по прошествии тысячелетий, остаются в центре внимания ученых, принадлежат мыслителям Греции. В то же время главным качеством прагматиков-римлян было умение усвоить и преобразовать высказанные ранее идеи, сделать их полезными для жизни, передать потомкам. Именно поэтому большинство свершений греческой культуры и науки известны нам в римской интерпретации.

Достижения античного периода в развитии нашей цивилизации (вне зависимости от того, принадлежат они грекам или римлянам) столь велики, что практически в любой области человеческой деятельности мы ведем отсчет развития от античных времен. Конечно же, это относится и к истории развития науки.

Феномен Античности как специфической формы цивилизации обусловлен рядом исторических и социальных причин, анализ которых весьма важен для понимания особенностей науки в этот период. Для античных государств было характерно, во-первых, преобладание торговцев и свободных ремесленников, которые были наиболее активной частью населения. При этом на одного свободного человека приходилось в среднем довольно большое число рабов. Это позволяло получать значительный объем прибавочного продукта и обеспечивать существование людей, которых затем назовут интеллигентами: писателей, ученых, артистов, музыкантов, художников и учителей. Античное общество могло позволить какому-то количеству людей заниматься наукой, философией, учить и учиться.

Во-вторых, следует помнить о наличии в античных государствах рабовладельческой демократии. История цивилизации свидетельствует о том, что культура и наука развивается наилучшим образом в условиях, когда в обществе реализуются демократические права и свободы. В античных государствах для свободного населения они реализовывались, и это способствовало развитию науки. Хотя нашей целью не является исследование развития культуры в античный период, нельзя не отметить, что, как и наука, античная культура стала фундаментом будущей культуры европейской цивилизации.

В-третьих, нельзя не сказать о том, что на развитие науки положительное влияние оказывали господствовавшие в античном мире религиозная терпимость и свободомыслие. Научная мысль в этот период времени не была чрезмерно скована религиозными догмами, характерными для последующих периодов, которые не давали простора творческой фантазии ученых, поскольку несли в себе значительные ограничения. К сожалению, подобная свобода научных исследований была характерна далеко не для всех исторических периодов, что, естественно, сказывалось на развитии науки.

Именно в период Античности человек впервые осознал могущество своего разума. Люди стали заниматься наукой не только потому, что это было нужно, но и потому что это было интересно. Неудивительно поэтому, что именно тогда появились философы — «любители мудрости». В обществе начала ощущаться потребность в подобной деятельности, возникла необходимость в учителях мудрости, появились профессии ученого и учителя. Древняя Греция стала и родиной истории науки. Сведения о достижениях античной науки мы черпаем из научных трудов древних ученых — историков науки.

Исследователи античного периода истории физики сталкиваются с многочисленными трудностями. Главная из них состоит в том, что источники — книги, письма, лекции, относящиеся к периоду Античности, практически не дошли до нас. За 15 веков многие сочинения античных натурфилософов были утрачены. Войны, пожары, религиозный фанатизм, природные катастрофы — все это не способствовало сохранению рукописей античных ученых. Впрочем, в истории есть и другие примеры. Так, на средневековом исламском Востоке книги античных авторов сохранялись, коллекционировались и переводились с языков того периода времени (латыни и древнегреческого) на арабский — язык науки средневекового Востока. Только благодаря этому нам теперь известны многие трактаты античных авторов, посвященные физике и близким ей естественным дисциплинам.

Среди полностью сохранившихся сочинений — четыре трактата величайшего мыслителя древности —Аристотеля (384— 322 до н.э.): «Физика», «О небе», «О возникновении и уничтожении», «Метеорологика», составляющие единое целое и представляющие собой конспекты лекций, которые он читал в Ликее.

Аристотель (384—322 до н.э.) — греческий философ и ученый, родился в Стагире, учился в Академии Платона в Афинах. Личная судьба Аристотеля совпала с бурным периодом жизни античной Греции и соседних с ней государств. В 333—335 гг. до н.э. он был воспитателем будущего великого полководца Александра Македонского, с 336 г. до н.э. — жил в Афинах, где основал свой ликей (лицей). Учеников Аристотеля называли перипатетиками (прохаживающимися). Название связано, по-видимому, с прогулками по аллеям ликея, во время которых философ беседовал с учениками. После смерти в 323 г. до н.э. Александра Македонского Аристотель был изгнан из Афин на остров Эвбею, где и умер, пережив своего ученика менее чем на год.

Аристотель собрал и систематизировал огромный естественно-научный материал предшественников и сам осуществил ряд глубоких наблюдений. В трактатах «Физика», «О происхождении и уничтожении», «О небе», «Механика» и др. изложены его представления о природе и движении. Физика Аристотеля умозрительна. Первичными качествами материи он считал две пары противоположностей «теплое — холодное» и «сухое — влажное», основными (низшими) элементами (стихиями) — землю, воздух, огонь и воду. Пятая совершенная стихия — эфир. В соответствии с этими представлениями строится космология Аристотеля. В ней мир делится на надлунный и подлунный. Первый, состоящий из эфира, есть область вечных равномерных движений. Подлунный мир состоит из низших элементов, в нем господствуют беспорядочные неравномерные движения. Аристотель отрицал атомизм и гелиоцентрическую систему мира.

Учение Аристотеля было канонизировано христианством и исламом и стало основой религиозной системы мира. Благодаря этому оно было прекрасно известно ученым в течение многих веков и сыграло роль своеобразного катализатора. Именно в борьбе со взглядами Аристотеля родилась современная система мироздания.

Полностью сохранилось также сочинение Платона (ок 427— 347 до н.э.) «Тимей», которое фактически является энциклопедией, составленной в виде доклада, прочитанного знатокам астрономии и естественных наук.

Многие достижения научной мысли античного периода стали нам известны только благодаря образованному римлянину Титу Лукрецию Кару (ок. 99—55 до н.э.). Его знаменитую дидактическую поэму «О природе вещей» («De rerun nature») можно смело назвать энциклопедией научных знаний времен расцвета Римской империи. В шести книгах, написанных александрийским стихом, Лукреций рассматривает вопросы сущности мира и космогонии, оптики и зрения, астрономии, метеорологии, геологии, географии, техники, биологии и теории наследственности, анатомии, истории, культуры, музыки и т. д.

Сохранившиеся античные сочинения бесценны для историков науки. Кроме них еще ряд сочинений ученых Античности дошел до нас частично или в изложении более поздних авторов. Это фрагменты сочинений Демокрита (ок. 460—370 до н.э.), Эпикура (ок. 341—270 до н.э.), комментарии различных авторов к «Тимею» и «Физике», высказывания Аристотеля. Нам известны, хотя и не полностью, труды Архимеда (287— 212 до н.э.) (рис. 3.1) «О равновесии плоских фигур», «О плавающих телах», Евклида (расцвет деятельности ок. 300 г. до н.э.), учебные пособия по механике, пневматике, военной технике Герона Александрийского (I — II вв. н.э.), учебный курс Марка Витрувия Поллиона (вторая половина I в. до н.э.) «Об архитектуре» и некоторые другие.

Таким образом, античные источники дошли до нас в совершенно недостаточном количестве и плохой сохранности. Кроме того, их физические учения, как правило, изложены в разных, часто полемизирующих друг с другом сочинениях, поэтому мы не можем полностью воссоздать картину развития физики в античный период. Можно лишь отобразить общий уровень физических знаний и представлений в эту эпоху.

Как уже упоминалось, именно в античный период возникла та наука, развитие которой продолжается и сегодня. Поэтому понимание особенностей античной науки крайне необходимо для анализа всего исторического периода развития физики. Каковы же основные черты, характеризующие науку Античности? В первую очередь следует отметить отсутствие эксперимента. В то время как достижения современной физики связаны с постановкой экспериментов, анализом и осмыслением полученных при этом результатов. Античная наука строилась на иных критериях оценки. Эксперимент не являлся ее основой, теоретические выводы были умозрительными, не связанными с проведением опытов и тем более с измерениями.

Можно назвать несколько причин такого положения. В первую очередь историки науки называют идеологические соображения. В рабовладельческом обществе свободные граждане не занимались физическим трудом. Он был уделом рабов, которые, конечно, не входили в число любителей мудрости. Поэтому теоретические научные изыскания в условиях античного общества не могли подтверждаться экспериментальными исследованиями.

Это простое и на первый взгляд обоснованное объяснение не является, однако, достаточно полным. Хотя идеологические соображения играли определенную роль в том, как была устроена античная наука, все-таки главными были экономические причины. Отсутствие материальной базы, низкий уровень техники не позволяли производить сколько-нибудь серьезные научные эксперименты, выходящие за рамки визуальных наблюдений за природными явлениями.

Такое положение не касалось некоторых сфер жизни античных государств, в первую очередь военного дела и строительства. Там научные исследования, которые мы сегодня назвали бы экспериментальными, велись весьма интенсивно. Об этом свидетельствуют дошедшие до нас источники, о которых говорилось выше, а также деятельность ученых и инженеров, в том числе величайшего ученого древнего мира Архимеда из Сиракуз.

Еще одной особенностью античной науки была ограниченность применения математики в научнъос исследованиях. Этот фактор, как и предыдущий, связан с особенностями рабовладельческого строя в античных обществах. Уклад жизни, темпы развития экономики, политическая обстановка приводили к неприятию экспериментального получения количественных показателей тех или иных процессов и их всесторонней оценки. А это вело к тому, что античным натурфилософам для решения научных вопросов достаточно было грубых качественных соображений и умозаключений. Попытки пифагорейцев — последователей великого математика древности Пифагора (570—490 до н.э.) — ввести в античную науку количественные соотношения и характеристики («все есть число») не получили широкого признания и выродились в числовую магию.

Пифагорейцы вышли за рамки естественных наук. Они обожествляли числа, считая, что именно они управляют миром. Математика для пифагорейцев была средоточием идеальных законов; отдельные числа становились совершенными символами: единица была всеобщим первоначалом; двойка — началом противоположности; тройка — символом природы и т. д. Числовая магия очень живуча, она не забыта и поныне. Вспомним, например, «чертову дюжину», «счастливую» семерку или «число зверя» 666.

Уже неоднократно говорилось о том, что современная наука произошла от науки античной. Это означает, в частности, что именно тогда был поставлен ряд «вечных» вопросов, ответы на которые искали и продолжают искать ученые многих поколений, в том числе и современные.

Какие же основные проблемы стояли перед античными естествоиспытателями?

Первая и главная задача — разобраться в строении материи. Ее решением занимались и философы, и натурфилософы. Древних мыслителей занимала проблема: как увязать единство Вселенной с множественностью и разнообразием ее объектов? Отсюда естественным образом вытекает вопрос о том, из чего все состоит, что можно считать элементарным? Ответы на этот вопрос различны: Фалес Милетский (ок. 624—548 до н.э.) считал, что это — вода; Анаксимен (ок. 585—525 до н.э.) — воздух; Гераклит (ок. 550—480 до н.э.) — огонь; Эмпедокл (ок. 490— 430 до н.э.) — четыре элемента (огонь, воздух, вода и земля); Анаксимандр (ок. 610—546 до н.э.) и Анаксагор (ок. 500— 428 до н.э.) постепенно пришли к введению представления об атомах («семенах» Анаксагора).

Атомисты Демокрит и его полулегендарный предшественник Левкипп (V в. до н.э.) предположили, что все тела состоят из одного и того же вида первичной материи. При этом имеющиеся различия в свойствах тел возникают из-за различия формы простейших частиц и их взаимного расположения. Сочинения Демокрита не дошли до нас, имеются лишь их короткие фрагменты. Поэтому можно говорить лишь о том, на что была направлена мысль ученого, любые подробности будут лишь предположениями. Учение Демокрита было переработано Эпикуром, но и его основное сочинение не сохранилось. Однако оно было подробно изложено Титом Лукрецием Каром в поэме «О природе вещей».

Поэма (см. список рекомендуемой литературы) переведена на русский язык, после первого издания в 1945 г. несколько раз переиздавалась и легко доступна. Поэтому здесь мы не ставим задачу ознакомить читателя со всей поэмой или даже со значительными ее отрывками. Приведем лишь отдельные выдержки из нее, чтобы проиллюстрировать сказанное выше и дать возможность читателю почувствовать силу и глубину стиха, хоть и не на латыни, а в переводе. Перевел Лукреция с латинского Ф. А. Петровский.

В основе учения Демокрита — Эпикура, как утверждает Лукреций, лежат три принципа: сохранение материи, сохранение форм (видов материи), существование пустоты:

Ничто не возникает из ничего (Nil posse creari de nilo).

За основанье тут мы берем положенье такое:

Из ничего не творится ничто по божественной воле.

На тела основные природа все разлагает и в ничто ничего не приводит.

Без пустоты никуда вещам невозможно бы вовсе двигаться было.

Всю, самое по себе составляют природу две вещи:

Это, во-первых, тела, во-вторых же, пустое пространство, Где пребывают они и где двигаться могут различно.

Что существуют тела — непосредственно в том убеждает Здравый смысл; а когда мы ему доверяться не станем, То и не сможем совсем, не зная, на что положиться, Мы рассуждать о вещах каких-нибудь тайных и скрытых.

Если ж пространства иль места, что мы пустотой называем, Не было б вовсе, тела не могли бы нигде находиться И не могли б никуда и двигаться тоже различно, Как я на это тебе указал уже несколько раньше.

Дальше, тела иль вещей представляют собою начала, Или они состоят из стеченья частиц изначальных. Эти начала вещей ничему не под силу разрушить, Плотностью тела своей они все, наконец, побеждают.

Согласно Лукрецию, мир бесконечен в пространстве, он не имеет единого центра. Вместе с тем в поэме нет представления о шарообразности Земли. Трудно понять, каким образом эти вещи могут сочетаться, какое место плоская Земля может занимать во Вселенной с множественностью миров, может ли это вытекать из космогонической концепции о возникновении этих миров из сочетания атомов. Путь к истине не прямолинеен.

Говоря об атомистах Античности, не следует путать их представления с современными представлениями об уровнях структуры вещества. Нужно всегда помнить об умозрительности атомизма древних. Читая Лукреция, не нужно видеть в нем провидца, хотя иногда кажется, что его описание природы очень близко к тому, которое мы исповедуем сейчас. Лукреций, так же как и его предшественники, — дитя своего времени: будучи в чем-то впереди своего века, он не смог избежать и его заблуждений.

Рассмотрим теперь, каковы были достижения античных ученых в различных областях физики.

Первоначально механика была наукой о технических изобретениях, и лишь потом в ее рамках возникли первые научные обобщения. Одним из них было рассмотрение простых механизмов, в первую очередь решение проблемы рычага. Этим вопросом занимался Архимед (его книга «О весах» не дошла до нас), Евклид («Книга о весах»), псевдо-Евклид и некоторые другие ученые.

Архимед сформулировал известные нам правила равновесия рычага таким образом:

• 1) соизмеримые величины уравновешиваются на длинах, обратно пропорциональных тяжестям;
• 2) если величины не соизмеримы, то они точно так же уравновешиваются на длинах, обратно пропорциональных этим величинам.

Архимед (ок. 287—212 до н.э.) — несомненно, самый выдающийся естествоиспытатель Античности. Он родился на Сицилии в г. Сиракузы, там же погиб от руки римского легионера. Архимед — механик, оптик, гидравлик, военный инженер, автор многочисленных изобретений и открытий, в том числе машины для орошения полей, блоков и винтов для поднятия тяжелых грузов (см. рис. 3.2), военных метательных машин и т. п. Он ввел понятие центра тяжести, определил центры тяжести многих тел и фигур, математически вывел законы рычага, заложил основы гидростатики. В сочинении «О плавающих телах», дошедшем до нас в арабском переводе, содержатся основы гидростатики, в том числе известный со школьной скамьи закон Архимеда.

Псевдо-Евклид дал определение веса. Псевдо-Аристотель свел движения рычага к вращательным движениям. Герон Александрийский посвятил проблеме рычага часть своего труда «Механика», дошедшего до нас в арабском переводе.

Герон Александрийский (вероятно, 150—250 н.э.) — древнегреческий ученый и инженер, преподавал в Александрии. Его работы почти полностью дошли до нас. Главные из них — двухтомное сочинение «Пневматика» и трактат «Механика», в которых Герон изложил основные достижения своих античных предшественников. «Пневматика» представляет собой собрание описаний устройств, в которых используется сжатый или горячий воздух, пар.

В «Механике» рассмотрены свойства простых механизмов: ворота, рычага, блока, клина, винта, зубчатых передач и более сложных механизмов. Это фактически энциклопедия античной техники. Герон также занимался вопросами оптики и теории оптических инструментов.

Обсуждение античными учеными проблемы простых механизмов интересно еще и тем, что при рассмотрении статических задач они разработали методы, которые уже содержали, хотя и в зачатке, идеи, положенные впоследствии в основу классической механики.

Не менее важными античные ученые считали для себя проблемы гидростатики. Архимед сформулировал закон плавания тел («О плавающих телах»), который мы привыкли называть его именем, в следующем виде: тела, более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут погружаться, пока не дойдут до самого низа и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела. Согласно преданию, дошедшему до нас благодаря римскому инженеру Витрувию Полионому, Архимед сам произвел проверку этого закона, определив количество серебряной примеси в материале золотой короны, которую изготовил некий ювелир для сиракузского царя Гиерона.

«Тяжесть воздуха» — так в давние времена называли пневматические свойства воздуха. Наибольшая заслуга в изучении этого вопроса принадлежит Герону Александрийскому. Его трактат «Пневматика» послужил учебным пособием для александрийских инженеров. В нем описаны различные пневматические устройства, действующие при помощи сжатого и нагретого воздуха, водяного пара. Герону было известно, что жидкость оказывает давление, что воздух упруг и расширяется при нагревании. Он подчеркивает, что сжатый воздух равномерно давит на стенки сосудов. Путем наглядных экспериментов Герои доказывал: вакуум может быть создан искусственно; между частицами газа есть пустоты, наличие которых объясняет сжимаемость тел и т. п. При этом Герои не использует количественных характеристик установленных им законов. В книге описан ряд механизмов, основанных на гидравлике и пневматике: водяные часы — клепсидра, сифон, водяной механизм, открывающий и закрывающий двери храма, водяной орган и т. п. Особый интерес представляет эолипил (шар, вращающийся силой пара) — прообраз паровой турбины.

Описывая все эти механизмы, Герои ни словом не упоминает о практической реализации каких-либо устройств. Что это — снобизм ученого Античности? Думается, что не только. Скорее всего, искусный экспериментатор Герои понимал, что на современном ему уровне техники эти изобретения реализовать невозможно.

Движение — еще одна важная проблема, которая занимала античных ученых. Наиболее системно она изложена в «Физике» Аристотеля; по ней мы судим о воззрениях античных ученых в этом направлении, возможно, потому, что именно работы Аристотеля сохранились лучше всего. Аристотель и его воззрения были канонизированы христианской и мусульманской церквями. В то же время сочинения Эпикура и его сторонников почти не сохранились. В эпоху варваров они даже уничтожались. Можно лишь предполагать, что воззрения Демокрита на динамику существенно отличаются от Аристотелевых. Однако это лишь предположение, и попытки реконструировать динамику Демокрита сомнительны, так как они не опираются на достаточный фактический материал.

Согласно воззрениям Аристотеля, движения делятся на две категории: «естественные», или «самопроизвольные», и «искусственные», т. е. «насильственные». Первые свойственны идеальным объектам, находящимся в «надлунном мире», вторые — всем остальным телам, которые существуют в мире «подлунном». Приложение силы требуется только для осуществления «искусственного» движения; «естественное» же не требует их приложения. На вопрос о том, почему «идеальные» объекты движутся, Аристотель отвечал: «…по своей природе». Естественные движения — совершенны. К ним относятся, например, движения по окружности. Естественными являются движения планет, а значит, и небесные явления. По мнению Аристотеля, прямолинейное движение не может быть бесконечным, так как такого рода бесконечности не существует. Много занимался Аристотель и проблемами падения тел. Здесь у него наряду с рядом мыслей, нашедших подтверждение, есть и такие, которые сейчас кажутся нам наивными.

Обсудим краеугольные идеи методологической системы Аристотеля. Основополагающий принцип, лежащий в ее основе, звучит следующим образом: «Так как и знание, и научное познание возникают при всех исследованиях, которые простираются на начала, причины и элементы, путем их уяснения, то ясно, что и в науке о природе надо попытаться определить, прежде всего, то, что относится к началам». Так появилось учение о четырех причинах, или первоначалах.

• 1. Материя («то, из чего») — вечна, несотворима и неуничтожима; она не может возникнуть из ничего, увеличиться или уменьшиться в своем количестве; она инертна и пассивна. Бесформенная материя представляет собой небытие. Первично оформленная материя выражена в виде пяти первоэлементов (стихий): воздух, вода, земля, огонь и эфир (небесная субстанция).
• 2. Форма («то, что») — сущность, стимул, цель, а также причина становления многообразных вещей из однообразной материи. Формы разнообразных вещей из материи создает Бог (или перводвигатель). Аристотель подходит к идее единичного бытия вещи, явления: оно представляет собою слияние материи и формы.
• 3. Действующая, или производящая, причина («то, откуда») характеризует момент времени, с которого начинается существование вещи. Началом всех начал является Бог. Существует причинная зависимость явления сущего: есть действующая причина — это энергийная сила, порождающая нечто в покое универсального взаимодействия явлений сущего, не только материи и формы, акта и потенции, но и порождающей энергии-причины, имеющей наряду с действующим началом и целевой смысл.
• 4. Цель, или конечная причина («то, ради чего»). У каждой вещи есть своя частная цель. Высшей целью является Благо.

Для выявления сущности «начал» Аристотель предложил вещи и явления, начала которых мы ищем, сначала расчленять на составные части, а затем анализировать их. Другими словами, исследование необходимо проводить с помощью операции анализа. Подобные идеи и методы были положены Аристотелем в основу созданной им теоретической системы донаучного знания. Несмотря на ее логическую стройность, эта система не учитывала эвристической роли эксперимента в процессе познания. В связи с этим многие ее отправные идеи оказались ошибочными.

Зрение и слух, вообще органы чувств всегда были предметом пристального внимания людей. Поэтому связанные с ними физические процессы еще с античных времен интересовали ученых, именно тогда зародились акустика и оптика.

Первые сведения об античной акустике восходят к Пифагору. Речь идет о законах музыкальной гармонии, которые, согласно пифагорейцам, являются игрой чисел. Основы музыкальной акустики, разработанной в Древней Греции, изложил Витрувий Полион, а также поздний римский ученый, «последний римлянин» Боэций (ок. 480—524 н.э.) в своем сочинении «Пять книг о музыке». Важно отметить, что наряду с определенными достижениями пифагорейцев в музыкальной акустике, многие их представления были весьма субъективными. Так, пифагорейцы полагали, что скорость распространения звука зависит от его высоты, но о связи высоты с частотой колебаний они не предполагали.

Говоря об античныхученых-оптиках, в первую очередь следует назвать Евклида — того самого, который написал «Начала», изложив там основы геометрии, называемой евклидовой, описывающей пространство, где проистекают процессы классической физики. Достижения Евклида приведены в его сочинениях «Оптика» и «Катоптрика», что означает «О видении» и «О видении отражения». В них заложены основы сегодняшней геометрической оптики. В исходных положениях «Оптики» сформулирован закон прямолинейного распространения света, при этом, однако, Евклид имеет в виду лучи зрения, исходящие из глаз, а не лучи света. Впрочем, это не играет роли для геометрических построений, и Евклид правильно строит ход лучей света, отражающихся от плоского, вогнутого и выпуклого зеркал, хотя точного положения фокуса он определить не смог.

Много занимался оптикой и Архимед. Сохранилось описание знаменитого эксперимента по определению угла, под которым видно Солнце. Для измерений Архимед использовал цилиндр, закрывавший диск Солнца. Экспериментально полученное им значение угла составляет 30°; его современное среднее значение — 32°. Очень важно, что Архимед при проведении вычислений учитывал конечные размеры зрачка.

Еще один этап в развитии оптики связан с именем Герона Александрийского. Он, подобно Евклиду, еще не отличает лучей зрения от лучей света, но отсутствие этого различия уже смущало его. Свидетельством этого является поставленный им принципиальный вопрос: почему лучи, исходящие из наших глаз, отражаются от зеркал, и почему они отражаются под этими же углами? Интересно, что Герои фактически открыл принцип Ферма для частного случая отражения света, сделав это за полторы тысячи лет до его строгой формулировки в 1679 г.

Говоря об античных исследованиях в оптике, нельзя не упомянуть Клавдия Птолемея (II в. н.э.), автора трактата «Великое математическое построение астрономии в XIII книгах», в переводе на арабский — «Альмагест». В нем приведен завершенный вид геоцентрической теории мироздания, которую и принято называть системой мира Птолемея. Хорошо известна также «Оптика» Птолемея. В ней, в частности, рассмотрены углы преломления лучей при переходе из воды в воздух, из воздуха в стекло и из воды в стекло. Сделанные задолго до работ Снеллиуса (XVII в.), эти исследования очень точны. Птолемей пытался объяснить различия углов преломления и отражения на основе своеобразного «закона сохранения». Правда, совершенно не ясно, что же, собственно, сохраняется. Сохранившиеся фрагменты «Оптики» этого не объясняют.

Современная наука своими корнями уходит в Античность. Во-первых, именно античная наука поставила целый ряд физических проблем, которые затем в течение многих веков были предметом дискуссий и тщательного изучения. Во-вторых, конкретные учения, разработанные в античный период, оказались необыкновенно живучими во все времена, в том числе и сегодня, непосредственно влияя на развитие науки.

Наивысших успехов античная натурфилософия достигла в разработке теоретических проблем. Труды и, что еще более важно, идеи Аристотеля, Платона, атомистов определяли направления исследований в течение многих веков и сейчас не забыты. Опыты Архимеда, Герона и Птолемея свидетельствуют о том, что эксперимент, вопреки распространенному мнению, в Античности также достиг высокого развития, ограниченного лишь уровнем техники. Однако многие знания и практика античной экспериментальной науки с исчезновением античных государств были утрачены, а теория дошла до наших дней не в полном виде.

С личностью Архимеда связано множество полулегендарных рассказов, помещенных римскими биографами в свои книги. В «Сравнительных жизнеописаниях» Плутарха приведена легенда о сожжении римского флота с помощью зеркал, которые направляли на паруса кораблей женщины Сиракуз, управляемые Архимедом. В другой легенде рассказывается о том, как с помощью гидростатики Архимед уличил недобросовестного ювелира, который, изготавливая царскую корону, заменил часть данного ему золота более дешевым металлом.

Кто не знает приписываемое Архимеду выражение «дайте мне точку опоры, и я переверну Землю». Существование этих легенд показывает, сколь популярен во все времена был Архимед. Одним из известных его изобретений является так называемый винт Архимеда, предназначенный для перекачки воды (рис. 3.2).

Творчество Архимеда — вершина научной мысли древнего мира. Последующие ученые Античности, даже самые талантливые, лишь повторяли его достижения, а их труды носили компилятивный характер.

Контрольные вопросы

• 1. Как формировался первоначальный фон будущей науки?
• 2. Почему возникновение земледелия сыграло важную роль в создании цивилизации?
• 3. Какие результаты были получены античными математиками и астрономами?
• 4. Как был устроен древнеегипетский календарь?
• 5. С какой науки началось развитие естествознания?
• 6. В результате чего появилась механика?
• 7. Какой период в истории занимает Античность?
• 8. В чем состоит различие греческой и римской науки?
• 9. Какие особенности характерны для античной науки?
• 10. Какие сочинения древнегреческих мыслителей сохранились до наших дней?
• 11. Какой вклад в развитие научных знаний внес Тит Лукреций Кар?
• 12. Какие основные проблемы стояли перед античными естествоиспытателями?
• 13. Как отвечали античные философы на вопрос о том, из чего все состоит?
• 14. Какие открытия сделали ученые Античности: а) в механике; б) в гидростатике; в) в акустике; г) в оптике?
• 15. Что представляет особой методологическая система Аристотеля?
• 16. Почему современная наука своими корнями уходит в Античность?

Задания для самостоятельной работы

• 1. Античность. Социально-историческая характеристика.
• 2. Общие признаки античной науки.
• 3. Основные физические проблемы, поставленные учеными Античности, и их решение на протяжении истории науки.
• 4. Философия естествознания в Древней Греции.
• 5. Атомизм античный и современный.
• 6. Философская и натурфилософская система Аристотеля.
• 7. Механика в Древней Греции. Открытия и творцы.
• 8. Научные биографии античных ученых-оптиков.
• 9. Основные представления древних греков о строении Земли и Вселенной.
• 10. Характер развития физики в эпоху эллинизма и Римского государства.
• 11. Техника во времена Античности. Общая характеристика.
• 12. Военная техника в Древней Греции, античных государствах и Риме.
• 13. Статика как теоретическая основа развития строительства в античный период.
• 14. Аристотель. Жизнь и научная деятельность.
• 15. Архимед. Жизнь и научная деятельность.
• 16. Евклид. Жизнь и научная деятельность.
• 17. Птолемей. Жизнь и научная деятельность.
• 18. Герои Александрийский. Жизнь и научная деятельность.
• 19. Откуда нам известны достижения античной физики? Памятники античной натурфилософии.
• 20. Лукреций Кар: биография; содержание, философия и поэтика поэмы «О природе вещей».

Рекомендуемая литература

• 1. Кудрявцев, П. С. Курс истории физики. — 2-е изд. — М.: Просвещение, 1982.
• 2. Кудрявцев, П. С. История физики: в 3 т. — М.: Просвещение, 1956—1971.
• 3. Спасский, Б. И. История физики: в 2 т. — М.: Высшая школа, 1977.
• 4. Дорфман, Я. Г. Всемирная история физики: в 2 т. — М.: Наука, 1974—1979.
• 5. Голин, Г. М. Классики физической науки (с древнейших времен до начала XX в.) / Г. М. Голин, С. Р. Филонович. — М.: Высшая школа, 1989.
• 6. Храмов, Ю. А. Физики. Биографический справочник. — М.: Наука, 1983.
• 7. Житомирский, С. В. Архимед. — М.: Просвещение, 1981.
• 8. Архимед. Сочинения. — М.: Физматгиз, 1962.
• 9. Лукреций. О природе вещей. — М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1945.
• 10. Жмудь, Л. Я. Зарождение истории науки в Античности. — СПб.: РХГИ, 2002.
• 11. Рожанский, И. Д. История естествознания в эпоху эллинизма и римской империи. — М.: Наука, 1988.
• 12. Рожанский, И. Д. Античная наука. — М.: Наука, 1980.
• 13. Рожанский, И. Д. Развитие естествознания в эпоху Античности. Ранняя греческая наука «о природе». — М.: Наука, 1979.
• 14. Зубов, В. П. Развитие атомистических представлений до начала XIX века. — М.: Наука, 1965.
• 15. Ахутин, А. В. История принципов физического эксперимента. От Античности до XVIII в. — М.: Наука, 1976.
• 16. Ахутин, А. В. Понятие «природа» в Античности и в Новое время («фюзис» и «натура»), — М.: Наука, 1988.
• 17. Книжные серии «ЖЗЛ»: «Люди науки», «Творцы науки и техники».