Физика: Причины возникновения и этапы развития науки и учебной дисциплины. Цикл: Учебники по физике

В Средние века механика была одной из самых развитых наук, развивавшейся на основе основных положений Аристотеля. Средневековые физики критиковали и пытались улучшить многие аспекты аристотелевской физики.

Одной из ключевых проблем в аристотелевской механике было движение снаряда. Анализ этой проблемы стал одним из самых впечатляющих достижений средневековой физики, поскольку для объяснения непрерывного движения снаряда после потери контакта с землёй требовалось постоянное воздействие динамики. В период Средневековья и эпохи Возрождения многочисленные труды античных и раннесредневековых ученых способствовали сохранению и передаче знаний о природе.

Особое значение в арабском культурном пространстве имели сборники и комментарии Авиценны и Аверроэса, которые также оказали влияние на восприятие античных идей на латинском Западе в XII и XIII веках.

Однако на протяжении долгого времени на латинском Западе был утрачен интерес к систематизации и обобщению физических знаний, который проявлял Аристотель. Вместо этого, природа рассматривалась как знак божественной воли и, следовательно, как источник откровения, что нашло отражение, например, в библейском толковании Августина, созданном около 400 года.

Интерес к природе как к источнику объяснений становится особенно заметным в начале 12 века. Одним из ярких представителей этого направления является Аделард Батский. Он уже не рассматривает природу как «книгу» божественных знамений, а описывает естественные биологические, физиологические, космологические и климатологические явления в своих работах. Аделард опирается не на книжное знание, а на наблюдения и эксперименты, хотя и не разрабатывает методологию этого процесса.

Роберт Гроссетест, основываясь на геометрическом мировоззрении Платона, развивает теорию света. Он стремится свести количественные, качественные, пространственные и субстанциальные движения к законам света, что отражено в его работах «De motu corporali» и «Люс и Де Линейс».

Таким образом, оптика, которую Роберт называет «scientia perspectiva», становится «модельной наукой». Роджер Бэкон, также следуя идеям Платона, стремится объяснить все причинно-следственные связи в природе через действие энергетического излучения.

Витело, продолжая традиции Ибн аль-Хайсама, уделяет оптике центральное место в своих передачах и объяснениях перспективы. Аналогичная общая перспектива, предложенная Йоханнесом Пекхамом, до сих пор используется Лоренцо Гиберти и Леонардо да Винчи.

Незадолго до середины XIV века Николаус Отрекур начал активно критиковать статус метафизики как науки, которая претендует на роль первой в познании и дисциплине.

В то же время бурное развитие торговли и техники в XIV веке сделало возможным количественную оценку природы и критику аристотелевской теории движения, то есть теории причинности в целом. Франц фон Маркиа и Йоханнес Буридан, основатель так называемого «Братства», посвятили свои труды этой теме. В период с VII по XV века в мусульманском мире наблюдался значительный научный прогресс. Многие классические труды, написанные на индийском, ассирийском, сасанидском (персидском) и греческом языках, включая работы Аристотеля, были переведены на арабский язык.

Особенно важным является вклад Ибн аль-Хайсама (965—1040), арабского или персидского ученого, которого считают основоположником современной оптики. В то время как Птолемей и Аристотель предполагали, что свет либо исходит из глаза и освещает объекты, либо что «формы» исходят из самих объектов, Ибн аль-Хайсам (известный под латинским названием «Альхазен») выдвинул идею о том, что свет попадает в глаз лучами из разных точек объекта.

Труды Ибн аль-Хайсама и аль-Бируни (973—1050), персидских ученых, в конечном итоге достигли Западной Европы, где их изучали такие известные ученые, как Роджер Бэкон и Вителло.

Ибн аль-Хайтам в своих трудах по оптике применял контролируемые эксперименты, хотя остаётся неясным, насколько они отличались от идей Птолемея[18 - Darrigol, Olivier (2012). A History of Optics from Greek Antiquity to the Nineteenth Century. Oxford University Press. p. 20.]. Арабские механики, такие как Бируни и Аль-Хазини, разработали сложную «науку о весе», проводя измерения удельного веса и объёмов различных веществ[19 - Lindberg, David; Shank, Michael (2013). The Cambridge History of Science, Volume 2, Medieval Science. pp. 984—1108.].

Ибн Сина, известный как Авиценна, был ученым-энциклопедистом из Бухары, расположенной на территории современного Узбекистана. Он оставил заметный след в области физики, оптики, философии и медицины.

В 1020 году Авиценна опубликовал свою теорию движения в «Книге исцеления». В этой работе он утверждал, что метатель придает снаряду импульс, который сохраняется на протяжении всего движения и требует воздействия внешних сил, таких как сопротивление воздуха, для своего рассеивания.

Авиценна проводил различие между «силой» и «наклоном», называя их «mayl». Он считал, что объект приобретает mayl, когда его движение вступает в противоречие с его естественным состоянием. Благодаря этому наклону объект продолжает движение, и это происходит до тех пор, пока не иссякнет его mayl.. Эта концепция движения соответствует первому закону Ньютона об инерции, который гласит, что движущийся объект будет сохранять свое движение, пока на него не будет действовать внешняя сила[20 - Seyyed Hossein Nasr & Mehdi Amin Razavi (1996). The Islamic intellectual tradition in Persia. Routledge. p. 72.]. Эта идея, которая расходилась с представлениями Аристотеля, позже была описана как «импульс» Джоном Буриданом, на которого, вероятно, оказала влияние «Книга исцеления» Ибн Сины[21 - Nadia Ambrosetti, L’eredit? arabo-islamica nelle scienze e nelle arti del calcolo dell’Europa medievale, Milan, LED, 2008, p. 96—97].

Страница из «Алгебры» аль-Хорезми.

Хибат Аллах Абу-ль-Баракат аль-Багдади (примерно 1080—1165) продолжил и развил теорию Ибн Сины о движении снаряда. В своей книге «Китаб аль-Мутабар» он утверждал, что движущийся объект создаёт сильный наклон (майль касри) для другого, и этот наклон уменьшается с расстоянием.

Аль-Багдади объяснял ускорение падающих тел, говоря о том, что оно происходит из-за постепенного накопления мощности, что приводит к увеличению скорости. Согласно Шломо Пайнсу, теория движения аль-Багдади стала «древнейшим отрицанием фундаментального динамического закона Аристотеля, который утверждал, что постоянная сила вызывает равномерное движение».

Позднее на идеи Абу-ль-Бараката ссылались Жан Буридан и Альберт Саксонский, объясняя, что ускорение падающего тела является результатом его растущего импульса.

Ибн Баджжа, известный в Европе как Авемпейс (ок. 1085 – 1138), высказал предположение, что на каждую силу всегда найдётся противодействующая. Он критиковал Птолемея и стремился создать новую теорию скорости, которая могла бы заменить теорию Аристотеля.

Два будущих философа поддержали теорию Авемпейса, известную как авемпасная динамика. Этими философами были католический священник Фома Аквинский и Иоанн Дунс Скот.

Галилей впоследствии принял формулу Авемпейса, согласно которой «скорость данного объекта равна разности между движущей силой этого объекта и сопротивлением среды движения».

Йоханнес Буридан разработал теорию импульса, которую Пьер Дюэ назвал «предшественником Галилея». Эта теория оставалась авторитетной в течение долгого времени, пока ее не заменила теория инерции.

Николаус фон Оресме, Альберт фон Рикмерсдорф и Марсилий фон Инген развивали эти теории, и только в Оксфорде они встретили сопротивление (со стороны Томаса Брадвардина) или неприязнь (со стороны Ричарда Свинсхеда).

Последние двое, вместе с Йоханнесом Дамблтоном и Уильямом Хейтсбери, принадлежали к так называемым «Оксфордским калькуляторам» из Мертон-колледжа, которые пытались применить общую математизацию для описания природы. Николаус фон Оресме был одним из самых известных мыслителей в мире, а также одним из основателей экономики. Его влияние на мировую культуру было огромно.

Его подход к пониманию мира был основан на аристотелевском знании физики, а также на его способности мыслить в контексте отдельных фрагментов жизни. Он всегда стремился к относительности и концентрации внимания, а его координационная система была действенной и эффективной. Кроме того, он понимал, что количественные изменения определяют качественные, и это понимание стало основой его теории.

Я продолжаю изучать историю, связанную с 15-летним Анфаном, учеником З. Б. Бьяджио Пелакани из Пармы. Этот молодой человек, как и его 15-летний сын, стал основателем компании.

Также стоит упомянуть Николауса фон Куса (Nikolaus von Kues), специалиста по количественным показателям в области медицины, который послужил примером для интереса к эпохе Возрождения.

Великий натуралист эпохи Возрождения, Леонардо да Винчи (1452—1519), был одним из первых, кто пробудил практический интерес художников и инженеров к оптике. Он также исследовал крафтинг, проявлял интерес к ветряным мельницам и стал основателем науки о природе.

В области математики наиболее значимым достижением стало возрождение теоретического подхода Евклида к решению научных проблем и его применение для проверки истинности научных теорий. Следующим шагом стало распространение математики на все области физики.

Однако самым значительным практическим вкладом стало введение арабских цифр, которые зародились в Индии. Итальянский математик Леонардо Фибоначчи из Пизы (ок. 1170—1250) впервые представил их в своем труде «Liber Abaci», опубликованном в 1202 году. Вскоре арабские цифры полностью вытеснили римские из повседневного использования.

В конечном итоге, арабские цифры стали поворотным моментом в развитии готической архитектуры, что свидетельствует о том, что их полноценное практическое применение нашло только на латинском Западе (см. Кромби, 1959).

В контексте математики невозможно не вспомнить немецкого философа и богослова Николая Куса (1401—1464). Этот выдающийся мыслитель не только служил папским легатом в Священной Римской империи германской нации, но также был кардиналом и принцем-епископом Бриксена, а впоследствии – генеральным викарием британских папских государств.

Во время обучения в университетах Гейдельберга, Падуи и Кельна Николай Кус не только изучал труды древних авторов, но и активно участвовал в дискуссиях с современными ему философами. В своих работах «О доктрине невежества», «О видении божьем» и «О предположении» он высказывал идеи о том, что познать Бога можно лишь с помощью божественного человеческого разума, а не только через человеческие средства, которые он называл «ученым невежеством».

Среди прочих его открытий, Николай Кус писал о возведении круга в квадрат и утверждал, что Земля – это всего лишь звезда, подобная другим, что она не является центром Вселенной и, следовательно, не находится в состоянии покоя, а также что её полюса неподвижны.. В медицине он предложил метод подсчета пульса, сравнивая частоту сердечных сокращений с количеством воды, которое вытекает из водяных часов за один удар пульса (McGinn, 2005).

Математические достижения, о которых шла речь ранее, оказали значительное влияние на развитие физики. Греческие философы создали математику, которая описывала только неподвижные объекты, в то время как натурфилософы XIII века расширили горизонты, разработав математику движения.

После осуждения 1277 года появились новые физические теории, которые представляли Вселенную как бесконечную, пустую и не имеющую центра, что противоречило утверждениям Аристотеля. В период развитого Средневековья в Оксфордском университете была разработана новая теория, связывающая восприятие веса с магнитным притяжением.

Сам Аристотель предлагал объяснения, основанные на действии среды, но большинство средневековых комментаторов сочли их неудовлетворительными. Однако они сохранили основное предположение о том, что для непрерывного движения снаряда требуется постоянная причина.

В 1300-х годах некоторые ученые из Оксфорда занимались философской проблемой: как описать изменения, происходящие при увеличении или уменьшении интенсивности свойств. В ходе своих исследований они пришли к пониманию динамических аспектов движения.

Главным догматом стал томизм – учение Фомы Аквинского (1225—1274), в котором аристотелевская философия была адаптирована к требованиям христианского вероучения. Это учение стало основой схоластики.

В этот период активно развивалось учение об импетусе. Аристотель был канонизирован, хотя многие его идеи были отвергнуты. Появилось представление о силе, которая объединяла в себе импульс и энергию. Различали живую и мёртвую силу. Возникло понятие количества материи, и стало ясно, что импетус пропорционален произведению скорости на количество материи (в разных системах измерений это может быть масса или вес). Однако эти знания не нашли практического применения.

Таким образом, арабы получили знания от Рима, а варвары Запада, сначала уничтожив римские знания, затем воспользовались знаниями, полученными от арабов.

В Средние века эти дисциплины развивались, в основном, благодаря учёным из исламского мира. Особенно значимыми были достижения в области оптики, в частности, благодаря Ибн Сахлу, который впервые сформулировал закон преломления Снелла, и Альхазену.

В эпоху латинского Средневековья качественные объяснения продолжали доминировать над количественными, в том числе в области оптики и механики. Однако с распространением номиналистических течений было преодолено аристотелевское представление о движении.

Например, Иоанн Буридан предложил теорию импульса, основанную на идеях Иоанна Филопона, в которой импульс рассматривался как движущая сила не только в земном мире, но и в движении планет. Хотя в последующие века эта теория подвергалась критике, она предвосхитила концепции, подобные идеям инерции, которые фактически исключали любое живое и панпсихическое объяснение природы. По его мнению, тяжелые тела стремятся к движущемуся центру, подобно тому, как железо притягивается к магниту, который движется. Хотя эта теория позже была признана неверной с точки зрения современных представлений, она предлагала оригинальное объяснение и явное улучшение по сравнению с предыдущей теорией тяготения Аристотеля, которая утверждала, что все объекты стремятся к сфере своего происхождения (Crombie, 1959).

Интерес к движению, о котором мы говорили ранее, стал основой для создания теории импетуса, разработанной французским священником Жаном Буриданом (около 1300—1358). Эта теория стремилась объяснить, как тело продолжает двигаться, не теряя контакта с источником движения. Согласно этой теории, импульс, придаваемый снаряду метателем, сохраняется до тех пор, пока он превышает сопротивление, что, по сути, является предшественником концепции инерции.

Теория импетуса нашла практическое применение в управлении движением снарядов и оказалась полезной для объяснения вращения звезд и планет, как это было показано Дюгемом в 1985 году. Эти примеры наглядно демонстрируют, что в Средние века физика, как основополагающая естественная наука, активно развивалась, а не застаивалась.. Хотя впоследствии было установлено, что некоторые из этих средневековых теорий не соответствовали современным представлениям, стоит отметить, что то же самое можно сказать и о некоторых теориях античности или эпохи Возрождения. Поэтому признак ложности не обязательно связан исключительно со средневековой латинской наукой.