Возникновение научного эксперимента как метода исследования

Основной метод исследований Нового времени — научный эксперимент, который отличается от всех возможных наблюде­ний тем, что предварительно формулируется гипотеза, а все на­блюдения и измерения направлены на ее подтверждение или оп­ровержение. Экспериментальный метод начал готовить к разработке еще Леонардо да Винчи (1452-1519). Но Леонардо жил за сто лет до этой эпохи, и у него не было соответствующих технических воз­можностей и условий. Не разработана была также логическая струк­тура экспериментального метода. Эксперименту Леонардо да Винчи недоставало строгости оп­ределений и точности измерений, но можно только восхищаться универсальностью ума этого человека, которой восторгались его современники и которая поражает сегодня нас. С методологической точки зре­ния Леонардо можно считать предшественником Галилея. Помимо опыта он придавал исключительное значение математике. «Лучше маленькая точность, чем большая ложь», — утверждал он.

Начало экспериментальному методу Нового времени положи­ло изобретение двух важнейших инструментов: сложного микро­скопа (ок. 1590 г.) и телескопа (ок. 1608 г.). Уже древние греки были знакомы с увеличительной силой линзовых стекол. Но сущ­ность и микроскопа, и телескопа заключается в соединении не­скольких увеличительных стекол. По-видимому, первоначально такое соединение произошло случайно, а не под влиянием какой-нибудь руководящей теоретической идеи. Первый микроскоп изоб­рел, по всей видимости, голландский шлифовальщик стекол Захарий Янсен, первую подзорную трубу — голландский оптик Франц Липперстей.

С появлением телескопов развитие астрономии поднялось на качественно новый уровень. Были открыты (еще Галилеем) четы­ре наиболее крупных спутника Юпитера, множество новых, не видимых невооруженным взглядом, звезд; было достоверно уста­новлено, что туманности и галактики являются огромным скопле­нием звезд. Кроме того, были обнаружены темные пятна на Солн­це, которые вызвали особые возражения и даже ярость руководи­телей католической церкви.

К середине XVII в. выдающийся астроном Гевелий изготовил первую карту Луны. Именно он впервые предложил принятые в настоящее время названия темных пятен Луны — океаны и моря. Гевелию удалось наблюдать девять больших комет, что положило начало их систематическому исследованию.

В конце века Тихо Бра­ге усовершенствовал технику наблюдений и измерений астроно­мических явлений, достигнув предела возможностей использованного им оборудования. Он также ввел, как отмечалось выше, в практику наблюдения пла­нет во время их движения по небу.

В Новое время, во многом благодаря экспериментальному методу, были объяснены многие довольно простые яв­ления, над которыми человечество задумывалось в течение многих веков, а также были высказаны идеи, определившие научные поиски на века вперед.

Законы функционирования линз удалось объяснить Кеплеру;

Проблему «почему вода в насосах не поднимается выше 10,36 м» - Торричелли сумел связать с давлением ат­мосферы на дно колодца.

Правильные объяс­нения приливов и отливов в морях и океанах, дали Кеплер (начало рассуждений) и Ньютон.

Причина цветов тел была установлена Ньютоном. Его теория цветов представляет собой одно из выдающихся достижений оп­тики, сохранившее значение до настоящего времени. Ньютон также начал разработку эмиссионной и волновой теорий света, современный фундамент которой создал Гюйгенс.

В XVI - XVII вв. наблюдается бурный расцвет анатомических исследований. В 1543—1544 гг. А. Везалий опубликовал книгу «О стро­ении человеческого тела», которая была прекрасно иллюстриро­вана и сразу же получила широкое распространение. Она считается первым скрупулезным описанием анатомии из всех известных человечеству. Но это было, если так можно выразиться, развитием статических представле­ний о человеческом теле.

У. Гарвей (1578—1657) продвинул дело гораздо дальше, начав развитие биологических аспектов механистической философии. Он заложил основы экспериментальной физиологии и правильно по­нял основную схему циркуляции крови в организме. Гарвей вос­принимал сердце как насос, вены и артерии — как трубы. Кровь он рассматривал как движущуюся под давлением жидкость, а ра­боту венозных клапанов уподоблял клапанам механическим. В спо­рах со своими коллегами Гарвей утверждал, что «никакого жиз­ненного духа» (эфирного тела) ни в каких частях организма не обнаружено.

В истории естествознания процесс накопления знаний сменял­ся периодами научных революций, когда происходила ломка ста­рых представлений и взамен их возникали новые теории.

Крупные научные революции связаны с такими достижения человеческой мысли, как:

учение о гелиоцентрической системе мира Н. Копер­ника,

создание классической механики И. Ньютоном,

ряд фунда­ментальных открытий в биологии, геологии, химии и физике в первой половине XIX столетия, подтвердившие процесс эволю­ционного развития природы и установившие тесную взаимосвязь многих явлений природы,

крупные открытия в нача­ле XX столетия в области микромира, создание квантовой меха­ники и теории относительности.

Рассмотрим эти основные достижения.

R Польский астроном Н. Коперник в труде «Об обращении не­бесных сфер» предложил гелиоцентрическую картину мира вмес­то прежней птолемеевой (геоцентрической). Она явилась продол­жением космологических идей Аристотеля, и на нее опиралась религиозная картина мира. Заслуга Н. Коперника состояла также в том, что он устранил вопрос о «перводвигателе» движения во Вселенной, так как, согласно его учению, движение является есте­ственным свойством всех небесных и земных тел. Вполне понятно, что его учение не соответствовало мировоззрению католической церкви, и с этого времени начинается противостояние науки и церкви по главным вопросам, касающимся природы.

«Трудно переоценить значение и влияние гелиоцентрической кар­тины мира на все естественные науки. Это было поистине яркое событие в истории естествознания: вместо прежнего неверного каркаса мироздания была введена истинная система координат околоземного космоса».

R Сравнимые по масштабу перемены в теоретической физике произошли в XVII в. Был осуществлен переход от аристотелевой физики к ньютоновой, которая господствовала в западной науке в течение трех столетий. Используя эту модель, физика достигла прогресса и выгодно отличалась от других дисциплин. Ее законы приобрели математическую формулировку, она доказала свою эф­фективность при решении многих проблем. С тех пор западная наука добилась крупных успехов и стала мощной силой, преобразую­щей мир. К тому же она определенным образом формировала ми­ровоззрение ученых. Вступала в силу механистическая картина мира.

R Говоря о создании механики Ньютоном, нельзя не упомянуть имя Галилео Галилея, который стоял у ее истоков. Его принцип инерции был крупнейшим достижением человеческой мысли: предложив его миру, он решил фундаментальную проблему — проблему движения. Уже одного этого открытия было бы достаточно для того, чтобы Галилей стал выдающимся ученым Нового времени.

Однако его научные результаты разнообразны и глубоки. Он исследовал свободное падение тел и установил, что скорость сво­бодного падения тел не зависит от их массы (в отличие от Арис­тотеля) и траектория брошенного тела представляет собой пара­болу. Известны его астрономические наблюдения Солнца, Луны, Юпитера. В работе «Диалог о двух системах мира — Птолемеевой и Коперниковой» он доказал правильность гелиоцентрической кар­тины мира, утверждению которой способствовали передовые уче­ные того времени.

R Первый закон механики Ньютона — это принцип инерции, сформулированный Галилеем. Во втором законе механики Ньютон утверждает, что ускорение, приобретаемое телом, прямо пропор­ционально приложенной силе и обратно пропорционально массе этого тела. И третий закон механики Ньютона есть закон действия и противодействия: действия двух тел друг на друга всегда равны по величине и противоположны по направлению. И еще один за­кон, предложенный Ньютоном, закон всемирного тяготения, зву­чит так: все тела взаимно притягиваются прямо пропорционально их массам и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Это — универсальный закон природы, на основе которого была построена теория Солнечной системы.

«Механика Ньютона поражает своей простотой. Она имеет дело с материальными точками и расстояниями между ними и, таким образом, является идеализацией реального физического мира. Но благодаря этой простоте стало возможным построение замкнутой механической картины мира. Его теория использовала строгий матема­тический аппарат и опиралась на научный эксперимент. Именно такая тенденция наметилась в физике после его работ».

Благодаря трудам Галилея и Ньютона XVIII век считается на­чалом того длительного периода времени, когда господствовало механистическое мировоззрение.

R Развитие биологии в XVIII веке также не обходилось без революционных открытий в то время шло своим путем:

Г. Мендель (1822-1884) от­крыл законы наследственности, скрещивая семена гороха в тече­ние восьми лет.

Исследуя бактерии, Л. Пастер показал, что они присутствуют в атмосфере, распространяются капельным путем и их можно разрушить высокой температурой. В XIX в. микробиоло­гия помогала побеждать инфекционные болезни.

Итогом раз­вития эволюционной концепции стала работа Ч. Дарвина (1809— 1882) «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859). Эта теория имела такое же влияние на умы людей, какое в свое время имела теория Коперника. Это была научная революция в области биологии. Можно сказать, что коперниковская революция указала место человека в пространстве, а теория Дарвина опреде­лила место человека во временной шкале мира.

R Следующая научная революция, после которой резко измени­лась система взглядов и подходов, также связана с физикой. Это произошло в конце XIX — начале XX столетия. Толчком к построению новой физической картины мира послужил ряд новых эксперименталь­ных фактов, которые не могли быть описаны в рамках старых тео­рий, как это обычно бывает в науке. К таким фактам относятся прежде всего:

исследования Фарадея по электрическим явлениям,

работы Максвелла и Герца по электродинамике,

изучение явле­ния радиоактивности Беккерелем,

открытие первой элементарной частицы (электрона) Томсоном и т.д.

Проникая в область микромира, физики столкнулись с неожи­данными проявлениями физической реальности, для описания которой возникла потребность в новой теории, ибо сделать это с помощью классической механики не удавалось. Поэтапно, благодаря работам ряда физиков и глав­ным образом Бора, Гейзенберга, Шредингера, Планка, де Бройля и других, была построена физическая теория микромира, создана кван­товая механика. Согласно этой теории, движение микрочастиц в пространстве и времени не имеет ничего общего с механическим движением макрообъектов и подчиняется соотношению неопреде­ленностей: если известно положение микрочастицы в пространстве, то остается неизвестным ее импульс и наоборот.

R В 1905 г. А. Эйнштейн создал специальную теорию относитель­ности, в которой свойства пространства и времени связаны с ма­терией и вне материи теряют смысл. Эта теория дает преобразова­ние пространственных и временных координат тел, которые дви­гаются со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Вторая часть теории, которая называется общей теорией относительнос­ти, связывает присутствие больших гравитационных полей (или массы) с искривлением пространства. Эта часть теории использу­ется в космологических моделях.