Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Архимед также сделал около сорока искуснейших и полезных изобретений. Он создал винт (он так и называется – винт Архимеда), который мог поднимать воду на высоту до четырёх метров, позволяя орошать верхние участки местности и осушать низменные. Архимед сконструировал планетарий, который впоследствии был привезён в Рим в качестве военного трофея и вызвал восхищение у римского оратора и политического деятеля Цицерона. Во время осады римским войском Сиракуз – родного города Архимеда он непрерывно изобретал всё новые боевые машины, наводившие страх на осаждающих. По легенде, после взятия Сиракуз Архимеда убил какой-то грубый римский воин в тот момент, когда философ рисовал на песке геометрические фигуры.

Рис. 7. Герон придумал конструкцию амфоры, «превращающей воду в вино и обратно». Одну половину такого сосуда наполняли вином, а другую – водой. Затем горлышко амфоры закрывали пробкой. В верхней части сосуда под выступающими ручками были просверлены два отверстия: одно – в «винной» части, а второе – в «водяной». Кубок подносился к кранику, расположенному внизу амфоры, жрец открывал его и наливал в кубок либо вино, либо воду, незаметно затыкая одно из отверстий пальцем

Герон Александрийский

Наверное, самым знаменитым изобретателем эллинистического мира является Герон Александрийский , хотя на самом деле про него мало что известно. Мы знаем, что он преподавал в Александрии, но не вполне ясно, в какое время (I в. до н. э. – I в. н. э.). Герон описал множество сложнейших приспособлений (рис. 7). Однако осталось неясным, какие из них изобрёл он сам, а какие заимствовал у предшественников. Среди них так называемый эолипил – приспособление, которое вращается под действием реактивной силы пара, вырывающегося из трубок (рис. 8), механические театры, в которых энергия сыплющегося песка или зерна с помощью системы отверстий и клапанов заставляет двигаться фигуры, изображающие сцены из жизни людей и богов, и многие другие. Поражает воображение описание устройства, благодаря которому двери храма открывались после того, как на жертвеннике разводили огонь (рис. 9).

Рис. 8. Эолипил

Таким образом, греки уже владели достаточными научными и техническими знаниями для того, чтобы оказаться на пороге той технической революции, которая произошла спустя две тысячи лет. Революция задержалась из-за того, что в эллинистическом мире людей интересовало не столько практическое использование изобретений, сколько конструирование игрушек для развлечений во время праздников и создания магических эффектов на религиозных торжествах.

Рис. 9. Устройство для автоматического открывания дверей в храме

Возможно, это связано с тем, что изобретатели на местах не имели в то время достаточного количества сырья и энергии для осуществления своих замыслов в промышленных масштабах. Так или иначе в научно-техническом развитии наступила длительная пауза.

Проверьте свои знания

1. Когда и благодаря каким историческим событиям появился эллинизм?

2. Какое изобретение Архимеда было привезено в Рим в качестве военного трофея?

3. Сформулируйте закон Архимеда.

4. Почему в Древней Греции не произошло технической революции?

5. Вспомните устройства из нашей повседневной жизни, в основе действия которых лежит принцип рычага. В каких биологических объектах используется рычаг?

6. Подготовьте сообщения о других, помимо упомянутых в параграфе, интересных и полезных изобретениях Аристотеля.

Рис. 10. Опыт с рычагом

Задания

Проведите опыты с рычагом. Для этого возьмите негнущуюся линейку и положите её на какую-нибудь точку опоры, например на авторучку (рис. 10). После этого поместите на один край линейки какой-либо груз. Нажимая пальцем на участки линейки, находящиеся на разных расстояниях от точки опоры, оцените усилие, которое вам потребуется для поднятия груза.

§ 4 От натурфилософии к науке

Сократ – друг, но самый близкий друг – истина.

Платон

Хотя Платон и истина мне дороги, однако священный долг велит отдать предпочтение истине.

Аристотель

Эпоха Средневековья.

В период раннего Средневековья развитие естествознания практически остановилось. Хотя в практическом отношении эта эпоха сделала шаг вперёд по сравнению с Античностью. В это время стали широко использоваться железные орудия, были освоены новые культуры сельскохозяйственных растений и расширились территории посевов, разрабатывались новые конструкции мельниц и охотничьих орудий. Однако научные исследования в этот период практически никого не интересовали. Сознание человека раннего Средневековья было религиозно-мистическим, определяемым отчасти христианством, отчасти патриархальной мистикой. По сохранившимся источникам видно, что средневековый человек часто не очень отчётливо понимал, в каком мире он, собственно говоря, находится. Его наполняли переживания, связанные с всевозможными видениями, откровениями, ощущениями наказаний за грехи и т. д. Человеческая личность не могла играть в этом мире сколько-нибудь самостоятельную роль. Поведение человека обосновывалось ссылками на сверхъестественные силы, которые могли по своей воле в любой момент нарушить ход естественных событий.

Высшей из этих сил считался Бог.

Рис. 11. Абу Али Хусейн ибн Абдаллах ибн Сина (Авиценна)

Достижения античной науки в средневековой Европе практически не были известны, а культура Древнего мира категорически отвергалась как языческая и, следовательно, греховная. В это время традиции античных авторов нашли своё продолжение в странах Передней и Средней Азии. Расцвет арабской науки пришёлся на X–XII вв. Одним из наиболее знаменитых учёных этого времени был Ибн Сина, получивший известность в Европе как Авиценна (980—1037) (рис. 11). Ибн Сина внёс огромный вклад в медицину, занимался философией (развивал идеи Аристотеля) и музыкой. Выдающимися арабскими учёными того же периода были Аль-Бируни, с высокой точностью определивший плотность веществ и объяснивший действие артезианских колодцев на основе принципа сообщающихся сосудов, его современник Аль– Хайтан (Альхазен), внёсший большой вклад в развитие оптики, а также Аль-Хазини, написавший в начале XII в. «Книгу о весах мудрости», представляющую собой полный курс средневековой физики.

Военные и экономические контакты с арабской культурой открыли для европейцев философию и науку как новую сферу познания. В XI в. в Болонье (Италия) и в Париже появляются первые университеты, служащие для распространения и расширения знаний.

Рис. 12. Оксфордский университет

В XIII в. были основаны знаменитые Оксфордский (рис. 12) и Кембриджский (рис. 13) университеты в Англии и многие другие учебные заведения. В это же время были переведены труды Аристотеля и других философов и механиков Греции. Физика Аристотеля была официально одобрена христианской церковью, получила признание её выдающихся мыслителей и долгое время пользовалась в европейских странах непререкаемым авторитетом.

Рис. 13. Кембриджский университет

Отчасти по причине этого чрезмерного, абсолютно не критического прославления мудрости Аристотеля, отчасти из-за того, что европейское общество не одобряло самостоятельное мышление человека, особых достижений в области естествознания долгое время не было. Науку этой эпохи называют схоластикой (от греческого слова, означающего «школьный»).

В этой науке никакая мысль не может быть принята, если она не подкреплена ссылками на общепризнанные церковные или философские авторитеты.

Эпоха Возрождения

Решающий перелом как в мышлении европейского человека в целом, так и в появлении принципиально новой науки и основанной на ней техники произошёл в XV в. с наступлением эпохи Возрождения.

Рис. 14. Леонардо да Винчи

Первым универсальным гением Возрождения был Леонардо да Винчи (1452–1519), «человек без книжного образования», чьё художественное и техническое творчество не было подавлено господством официально признанных авторитетов (рис. 14). Он писал по поводу схоластов:

«Хотя я и не умею так, как они, цитировать авторов, я буду цитировать гораздо более достойную вещь – опыт, наставника из наставников. Они ходят напыщенные и чванные, разряженные и разукрашенные, и не своими, а чужими трудами, а мне в моих собственных трудах отказывают, и если они меня, изобретателя, презирают, то насколько больше следует порицать их самих – не изобретателей, а лишь трубадуров и пересказчиков чужих трудов».

Будучи величайшим художником, Леонардо тем не менее считал себя в большей мере «изобретателем», т. е. в современном понимании – инженером. Его называют величайшим из инженеров, которых знала история. Назовём только некоторые, наиболее известные, его изобретения. Он разработал всевозможные виды механических преобразователей движения (например, цепную передачу, до сих пор используемую в велосипедах, и применяемый сейчас в автомобилях карданный вал), подшипники, многочисленные станки для обработки металла и для текстильного производства, боевые машины для ведения войны («жесточайшего помешательства», как он её называл), различные замысловатые музыкальные инструменты. Леонардо долго и внимательно изучал механику полёта птиц и в результате пришёл к идее парашюта:

«Если человек имеет шатёр из полотна шириной 12 локтей и 12 локтей в высоту, то он может прыгать с любой большой высоты без вреда для себя», а также самолёта и вертолёта (последний в его трудах описан как «винтовой аппарат, который, если его вращать с большой скоростью, ввинчивается в воздух и поднимается вверх») (рис. 15).

К сожалению, многие из замыслов гениального мыслителя раннего Возрождения не могли быть в то время реализованы из-за отсутствия источников необходимой энергии.

Помимо изобретения всевозможных полезных приспособлений, в круг интересов Леонардо входили и чисто научные вопросы, связанные главным образом с проблемами механики, где его можно считать предшественником Галилея и Ньютона, о которых мы будем подробно говорить в дальнейшем. Он пробовал прояснить и определить понятие силы и задолго до Ньютона догадывался о законе равенства действия и противодействия:

«Что касается движения воды, то же производит движение весла против неподвижной воды, что и движение воды против неподвижного весла».

Леонардо также много сделал для создания экспериментального метода, который скоро стал основой всего научного знания. Как вы узнаете из этой главы, современная наука строится на эксперименте с последующей математической обработкой его результатов. Об этом и говорил Леонардо. «Знание – дочь опыта», – утверждал он, поэтому «нужно ограничивать рассуждение опытом», а не распространять его за пределы опыта. Но опыт сам по себе – только сырой материал, требуется ещё включить его в общее понимание мира. Так возникла идея необходимости использования в науке математических вычислений.

Идеи Леонардо можно встретить в трудах многочисленных учёных, живших сразу после него. Неизвестно, были ли они заимствованы у величайшего гения Возрождения или, как это часто бывает, «носились в воздухе», но в XVI в. уже вполне оформилось то мировоззрение, которое легло в основу современных естественных наук. Духовной предпосылкой этого мировоззрения явился полный пересмотр в период Возрождения роли человека в природе и обществе. Вместо убеждения в том, что человеком управляют сверхъестественные силы, поведение которых невозможно предсказать, стало укрепляться твёрдое мнение, что человеческая личность является центром мироздания, способным самостоятельно, без помощи церковных и философских авторитетов, познавать мир и даже управлять им. Но ведь «сколько голов, столько и умов», и если каждый имеет право на своё личное мнение, то как же создать истинную картину Мира, свободную от индивидуальных ошибок и неточностей, допускаемых отдельными наблюдателями? Для этого нужно разработать строгие методы исследований и доказательств, т. е. жёсткие правила, по которым требуется получать знания о природе. Всё, что добыто в соответствии с этими правилами, следует считать истиной, а знания, полученные другими способами, не следует принимать во внимание.

Рис. 15. Проекты Леонардо: А – самолет; Б – аэроплан; В – система рычагов; Г – машина

Возможно, при этом что-то ускользнёт от нашего внимания, но зато за полученные таким способом результаты можно будет ручаться. Так получил распространение научный метод, а вместе с ним родилась современная наука.

Проверьте свои знания

1. Что характеризовало сознание человека Средневековья?

2. Когда и с помощью кого средневековая Европа познакомилась с трудами античных философов?

3. В чём состоят основные заслуги Леонардо да Винчи?

4. Как изменился подход к научным исследованиям после эпохи Возрождения?

Задания

Воспроизведите опыты Леонардо да Винчи.

1. Возьмите лист бумаги, прикрепите к его углам грузик и наблюдайте за скоростью его падения. Затем повторите тот же опыт с половинкой и четвертушкой листа. Не забудьте проколоть в листах дырочки.

2. Поставьте на возвышение сосуд с водой и подведите к нему жёлоб таким образом, чтобы вода по нему стекала медленно. Опустите в поток воды деревянную лопатку и оцените силу, которая вам потребуется для того, чтобы удерживать её на месте. Теперь погрузите лопатку в жёлоб с неподвижной водой и гребите им, как это делают при катании на лодке. Постарайтесь гнать воду с той же скоростью, с которой она текла по жёлобу до этого, и сравните затрачиваемые в том и другом случае силы.

§ 5 Рождение науки

Аристотель научил меня удовлетворять свой разум только тем, в чём убеждают меня рассуждения, а не только авторитет учителя…

Г. Галилей

Отсюда станет понятным на бесчисленных примерах, сколь полезна математика в заключениях, касающихся того, что предлагает нам природа, и насколько невозможна настоящая философия без помощи геометрии, в соответствии с истиной, провозглашённой Платоном.

Г. Галилей

Работы Галилео Галилея

На протяжении XVI в. закладывался фундамент здания современной науки, превратившегося потом в поражающий своим величием небоскрёб. К этому приложили усилия многочисленные мыслители, жившие преимущественно в Италии, так как именно из этой страны стали проникать в Европу идеи Возрождения. Там же, в итальянском городе Пизе, родился и долгое время работал великий учёный, про которого можно сказать, что именно он завершил закладку фундамента и начал возводить само здание науки. Этим человеком был Галилео Галилей (1564–1642) (рис. 16). В юные годы Галилей изучал медицину, однако затем увлёкся наблюдениями за движущимися предметами. Движение – вот что в первую очередь интересовало основателя физики. Как мы знаем, движение почти за две тысячи лет до того изучал и Аристотель, но Галилей пришёл к совершенно противоположным выводам.

Рис. 16. Галилео Галилей

По поводу ранних исследований Галилея ходит много легенд, большинство из которых нельзя достоверно подтвердить. Говорят, что ещё в ранней молодости он бросал различные предметы с наклонной Пизанской башни, определяя время их падения путём подсчёта ударов своего пульса, и таким образом заметил, что ускорение не зависит от массы предметов (рис. 17). Это был серьёзный удар по представлениям Аристотеля, принимавшимся в то время за абсолютную истину.

Рис. 17. Пизанская башня известна во всём мире. Она достигает в высоту 55 м, а надпись на ней свидетельствует о том, что она заложена в 1174 г. В 1564 г. в Пизе родился Галилео Галилей, будущий знаменитый учёный

Вспомним утверждение Аристотеля о том, что каждое тело стремится к своему месту, зависящему от соотношения входящих в это тело элементов. Опровергая это учение, Галилей замечал, что если тела будут двигаться не в воздухе, а в воде, то, например, дерево, которое считают тяжёлым, становится лёгким, потому что движется вверх. Галилей также показал, что если бы не существовало сопротивления воздуха, то все предметы падали бы с одинаковым ускорением. Собственно говоря, об этом обстоятельстве догадывались и раньше – понятно, что парашют, изобретённый Леонардо да Винчи, не уменьшает массы человека, но замедляет его падение, – но Галилей впервые высказал это положение в виде строгого принципа.

Вообще выводы Галилея часто противоречили повседневному человеческому опыту, например это касается принципа инерции. Аристотель утверждал, и это казалось всем очевидным, что скорость движения тела зависит от приложенной к нему силы. Галилей же доказывает, что движение будет происходить с постоянной скоростью, если на него не действует никакая сила. Интересно, что к этому выводу Галилей пришёл с помощью рассуждений, напоминающих доказательство от противного в математике: поскольку наклон плоскости, по которой движется тело, ускоряет его движение вниз и замедляет движение вверх, то при отсутствии этого наклона, т. е. на горизонтальной плоскости, скорость движения вообще не должна меняться.

Ясно, что закон инерции противоречит всем реально наблюдаемым явлениям, – все знают, что всякий движущийся предмет, если его не подталкивать, довольно скоро остановится. И Галилей разрешает это противоречие с помощью того же аргумента, который он использовал для объяснения падения предметов: закон соблюдался бы в точности, если бы не существовало сопротивления среды. В том, что среда имеет отношение к замедлению движения, легко убедиться. Для этого надо подтолкнуть один и тот же предмет с одной и той же силой сначала по стеклу, а потом по мягкой ткани и убедиться в том, что во втором случае он остановится гораздо быстрее. Но всё-таки что значит «если бы…»? Ведь на самом деле не может быть так, чтобы сопротивление среды (трение, как мы его теперь называем) вообще отсутствовало. И здесь мы сталкиваемся с одним из основополагающих принципов науки – абстракцией, или абстрагированием.