Наукова революція XVI - XVII ст. і становлення класичної науки

     За  арістотелевою традицією у фізиці існувало уявлення про неперервний  рух, як рух по колу, а водночас і  про коло як найдовершенішу фігуру. Дж.Бенедетті зробив спробу переглянути  арістотелеву тезу про те, що прямолінійний  рух не може бути неперервним. За допомогою геометричних міркувань він довів, що рух по прямій може бути неперервним, причому на обмеженому відрізку прямої. Модель, котру Дж.Бенедетті використав у своєму доведенні, дозволила йому стверджувати, що стан спокою, в якому начебто перебуває тіло, рухаючись уздовж нескінченного відрізка прямої, є лише видимість. Насправді те, що сприймається як спокій, є рух з нескінченно малою швидкістю. Доведення Дж.Бенедетті дали змогу зробити висновок, що відбиттям неперервного руху по колу на прямій лінії є проекція руху маятнику. Отже маятник став чуттєво даною моделлю першого та найдосконалішого руху - руху небосхилу, але не такого, яким він є насправді, об"єктивного, а такого, яким його спостерігають, тобто ілюзорного. Завдяки зоровій ілюзії рух маятника замінив рух по колу Арістотеля, а маятник перетворився в головну модель механіки наступного, галілеєвого періоду.

     Галілео Галілей завершує наукові зрушення XVI ст. і створює риштовання наукової революції, перехід до XVII ст. Г.Галілей  зайнявся проблемами копернікової теорії і написав свої найважливіші праці: "Діалог про дві системи світу — Птолемеєву та Копернікову" ("Діалог") і "Бесіди та математичні докази, що стосуються двох нових галузей науки, які належать до механіки та локального руху" ("Бесіди").

     Експерименти  Галілея були чи не найперші експерименти в новій науці. Вони відрізнялися від експериментів схоластів XIII ст. передусім тим, що були більше дослідницькими, ніж ілюстративними, а ще більшою  мірою — своїм кількісним характером, який дозволив пов'язати їх з математичною теорією.

     Галілей висунув аргумент, що для формулювання чітких суджень щодо природи учені  повинні враховувати тільки об"єктивні, тобто такі, що піддаються точному  виміру, властивості (форма, розмір, кількість, вага, рух). А ті властивості, що доступні просто сприйняттю (колір, звук, смак тощо), залишаються поза увагою дослідника як суб"єктивні. Достовірні знання можна одержати лише в результаті кількісного аналізу.

     Галілей започаткував у науці традицію систематичної  орієнтації на дослід у сполученні з його математичним осмисленням. Експеримент - це дослід, який проводиться планомірно, через посередництво якого дослідник задає природі питання, що його цікавлять. Відповіді, які він хоче отримати, можливі шляхом дедуктивно-математичного осмислення результатів дослідження. Ця важливіша сторона методології Галілея реалізувалася через ідею систематичного використання методів аналізу і синтезу, які взаємодоповнюють один одного. Галілей вказав на використання в науковій площині дослідно-індуктивного та абстрактно-дедуктивного способів дослідження природи, що дало можливість зв"язати наукове мислення на засадах абстрагування та ідеалізації з конкретним сприйняттям явищ і процесів природи.

     За  часів Галілея найбільш розробленим  розділом фізики була статика - наука про рівновагу тіл під дією прикладених до них сил. Засновником статики був Архімед, якого Галілей вважав своїм учителем. Галілей розробив динаміку - науку про рух тіл під дією прикладених сил. У галузі динаміки доводилось починати із самого початку. Необхідно було встановити основні поняття (швидкість, прискорення, переміщення), дати наукову класифікацію руху, і, зрештою, вивчити причини, які зумовлюють той чи інший вид руху, тобто встановити закони динаміки. Ці причини крилися не лише в зовнішніх фізичних обставинах, а й у внутрішніх властивостях тіла, яке рухається. Необхідно було розкрити, що залежить від внутрішніх властивостей тіла, а що від зовнішніх обставин; це означало, врешті-решт, встановлення таких понять динаміки, як маса і сила. Проте в епоху Галілея обговорення цих понять ще не розгорнулося. підійшов до ідеї інерції, сформулював поняття відносності руху. Завдяки Галілею коперніканська гіпотеза стала перетворюватись на теорію.

     Розвиток  динаміки розпочався з дослідження Галілеєм найпростих видів руху - вільного падіння тіл та руху тіл по нахиленій площині. Галілей довів помилковість уявлень Арістотеля про механічний рух і встановив ряд основних положень динаміки стосовно досліджуваних ним випадків механічного руху, які при подальшому узагальненні ввійшли в основи класичної механіки.

     У ранній період творчості Галілей  спирався на теорію імпетусу. В трактаті "Про рух" він критикував арістотелеву динаміку з точки зору динаміки імпетусу, а згодом надав їй тої форми, яка містила принцип інерції.

     Галілей дав уявлення про вільне падіння  тіл. Прискорення падіння він  пояснює силою ваги. Це дуже важлива для науки обставина: в поясненні використано поняття сили. У природному прискореному русі тіло отримує одне й те саме прискорення під дією даної сили, хоча швидкість його в кожний момент різна: дія сили на тіло не залежить від стану його руху. Отже, всі тіла, що падають вільно, мають однакове прискорення. Швидкість у такому падінні зростає пропорційно часу. Галілею належить пріоритет у постановці питання про швидкість світла та спроба вирішити цю проблему дослідним шляхом.

     Для того, щоб показати об'єктивну істинність системи М. Коперніка, треба було спростувати закони руху фізики Арістотеля, за якими тіла, що перебувають у русі без будь-якого впливу ззовні, прагнуть до стану спокою. Тому всі рухомі тіла в земній атмосфері, жорстко не зв'язані з Землею, мусили б відставати від Землі під час її обертання навколо осі. Це заперечення М. Копернік спростував філософськими міркуваннями, підтвердити експериментально і математично припущення М. Коперніка взявся Г. Галілей. На основі багатьох проведених дослідів він установив один із основних законів динаміки — закон інерції, згідно з яким тіла зберігають стан руху і без впливу зовнішніх сил зовсім не переходять до спокою або якогось іншого стану. На основі цього закону Г. Галілей встановив, що при рівномірному і прямолінійному русі будь-яких тіл явища відбуваються на них так само, як і на тілах, що перебувають у стані спокою. Внаслідок того, що Земля обертається навколо своєї осі досить повільно, її рух можна вважати приблизно рівномірним і прямолінійним.

     Галілей відкинув твердження Арістотеля про  те, що всі тіла намагаються досягти  місця, яке відведено їм природою, а якщо відсутній зовнішній імпульс, який постійно відтворюється, то рух  зупиняється. Галілей вважав, що тіло, яке рухається намагається бути у постійному русі, якщо тільки яка-небудь зовнішня причина не зупинить його або не відхилить. Таким чином він відстоював ідею руху Землі. Галілей доводив, що рухома Земля автоматично передає свій власний рух усім предметам або метальним снарядам, одже загальний інерційний рух залишається непомітним спостерігачу, який також знаходиться на Землі.

     Математичний  аналітичний метод Галілея привів до механістичного витлумачення буття, положив край якісному витлумаченню природи, яке панувало в натурфілософії та схоластиці. Натурфілософське пізнання грунтувалося на засадах органіцизму (аналогії між організмом і природою), у Галілея воно замінюється причинно-детерміністичним. Особливе значення мали відкриття Галілея в галузі механіки. На засадах критики арістотелевої фізики він створив програму побудови нового природознавства. Центром фізики Арістотеля було вчення про рух. Для його розуміння важливим є поняття простору, який за Арістотелем - це місце, межа того, що охоплюється, з тим, що охоплює. Тобто тіло, ззовні якого знаходиться тіло, яке його охоплює, є у певному місці. Наприклад, відповідно до вчення Арістотеля про елементи, земля знаходиться у воді, вода - у повітрі, повітря - у ефірі, а ефір - ні в чому. Простір є надмірним, що зумовлено якісною межою між об’єктом та оточуючим середовищем. Рух також визначається якісною природою його носія. Наприклад, вогонь за природою рухається вгору, а проти природи – донизу. Тобто існує рух природний та примусовий. Важкі тіла, за Арістотелем, завжди рухаються до центру, а легкі – на перефірію. Галілей відкинув такі умозорові твердження. Він довів, якщо середовищем руху є не повітря, а вода, то деякі важкі тіла стають легкими, через те, що рухаються догори. Отже, рух тіл до гори і донизу залежить від їх питомої ваги по відношенню до середовища, а не від їх призначення.

     Арістотель  вважав, що важке тіло повинно падати з більшою швидкістю, ніж легке, через притаманний йому стихійний  потяг до центру землі, як до свого  природного місцезнаходження. Те тіло, яке важче, має сильніший потяг. Галілей на підставі математичних доведень у фізичних дослідах спростував цю гіпотезу, а потім сформулював закон постійного прискорення для руху тіл, що падають, руху, що не залежить від ваги та складу тіл.

     Галілей дав раціональну класифікацію руху на вимушені і природніУсе,що відбувається в природі, має відбуватися за законами природи - це основна ідея нового наукового світогляду. Г.Галілею належить поділ руху на рівномірний та нерівномірний. При цьому він обмежився розглядом рівномірного прямолінійного руху і дав чітке визначення його як такого, при якому відстані, які проходять рухомі тіла в рівні проміжки часу, рівні між собою.

     Математичне пояснення експериментів Г. Галілея  над тілами, що падають, виявилось  важливішим, аніж самі досліди. Г. Галілей використав певні математичні ідеї, поєднуючи їх з точним експериментом. Тим самим він створив перший образчик методів сучасної фізики, які успішно розвивалися в майбутньому.

     1600 р. за допомогою спеціально  сконструйованого телескопа Г.  Галілей зробив блискучі астрономічні відкриття : дослідив форму Місяця, відкрив супутники Юпітера, відкрив фази у Венери і плями на Сонці. На чергу у фізиці та асторономії постало питання насамперед про систему відліку. Стара астрономія знала абсолютний спокій і абсолютний рух. Тіло, яке покоїться відносно Землі - абсолютно покоїться, яке рухається - абсолютно рухається. М.Копернік перший перемістив точку відліку на Сонце і описав астрономічні явища з точки зору сонічного спостерігача. Для фізики крок, зроблений М.Коперніком, мав те фундаментальне значення, що він висунув питання про вплив зміни системи відліку на спосіб пояснення ходу процесів, які вивчаються в цій системі.

     Г.Галілей  як астроном, оцінивши переваги системи  М.Коперніка, мусив довести впроваджену  систему відліку. Його аргументація на користь системи М.Коперніка була настільки блискучою, що в науці виникла домовленість: систему відліку, пов"язану з центром сонячної системи, називати галілеєвою. Г.Галілей встановив факт великої принципової ваги: будь-яка система відліку, що перебуває а рівномірному прямолінійному русі відносно галілеєвої системи, рівноправна з нею стосовно опису механічних процесів.  

3. Ісаак Ньютон - засновник  кількісної фізики

     .Природознавство  другої половини XVII — першої третини  XVIII ст. створило картину будови світу і ця картина була історично більш високою, ніж погляди попереднього періоду. Це стосується насамперед системи І. Ньютона. Завдяки механіці І. Ньютона картина світу стала вірогіднішою. Вона, однозначно узагальнюючи перевірені експериментом емпіричні знання, втратила наочну форму і базувалася на точних кількісних співвідношеннях. Це була механічна картина світу. Нерухомість природи в ній була пов'язана з методом і стилем ньютоніанства.

     Найяскравішою постаттю, що уособлює природознавство XVII ст., цілком справедливо вважається англійський фізик і математик Ісаак Ньютон (1643—1727), який заклав теоретичні основи механіки і астрономії, зробив неабиякий внесок у оптику, започаткував новий напрямок математичних досліджень. У 1687 р. Ньютон опублікував свою видатну працю "Математичні начала натуральної філософії".

     І. Ньютон дав природознавству теоретичні конкретно-наукові знання у вигляді  трьох фундаментальних законів  руху (механіки): закону інерції, закону пропорційності сили прискорення та закону рівності дії протидії. Теоретичне збагачення механіки (фізики) відбулося також за рахунок аналізу та визначенню основних понять: маси, сили, простору, часу, кількості руху тощо. Поняття "маса" та "сила" стають основою механіки І. Ньютона. Він першим розглядав масу як міру інертності й водночас як об'єкт притягання. У другому законі динаміки І. Ньютон упроваджує поняття про кількість руху як векторну величину, що дорівнює добутку маси тіла на його швидкість. У цьому законі було вперше встановлено зв'язок між масою тіла, його прискоренням та силою, що діє на тіло, і дано спосіб визначення маси тіла. Окрім того, це співвідношення було виражено в математичній формі. Це головне рівняння динаміки дало змогу як самому І. Ньютону, так і його послідовникам успішно розв'язати цілий ряд нових важливих задач, у тому числі й тих, що стосувалися руху небесних тіл.

     Сформулювавши закон всесвітнього тяжіння, І. Ньютон зробив непереоціненний внесок у  науку, хоча від пояснення причин та походження цього явища він відмовився.

     Сутність  теорії тяжіння І. Ньютона випливала  із знайдених Г. Галілеєм законів  падіння, визначалась їх розвитком  і застосуванням до всієї світової системи. Спираючись на теорію тяжіння, І. Ньютон довів обов'язковість відхилення форми Землі від кулеподібної, з'ясував траєкторію руху планет, розробив теорію морських припливів, визначив густину планет, дав повне пояснення не лише законам Й. Кеплера, а й деяким відхиленням від них, що відбуваються внаслідок взаємного тяжіння планет тощо.

     Головною  думкою І. Ньютона було наочно показати, яким чином всесвітнє тяжіння може підтримувати систему світу. І зробив він це не старим, філософським, шляхом, а за допомогою нової, кількісної фізики. І. Ньютон намагався встановити такі начала природознавства, з яких строго і однозначно випливали величини, одержані в астрономічних спостереженнях. Єдино правильне, абсолютно точне пояснення природи, що не має суперечностей, — таке завдання І. Ньютона. Тому він і закликає "очистити науку" від кінетичних гіпотез і вивчити природу за допомогою законів, точність яких доведено експериментальне. Методологічний принцип, який обстоював І. Ньютон: вважати за правильне лише те твердження науки, яке одержано з досвіду за допомогою індукції.