Владимир Кирсанов - Научная революция XVII века

• Название: Научная революция XVII века
• Автор: Владимир Кирсанов
• Издательство: Наука
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1987

Книга посвящена формированию основных представлений классической науки в XVII в., процессу, который получил название научной революции. Основное место отведено физико-математическим наукам, в развитии которых ярче всего отразились основные черты научной революции. Прослеживаются главные линии этого процесса, связанные в первую очередь с именами Кеплера, Галилея, Декарта, Гюйгенса и Ньютона. Большое внимание уделено первоисточникам — многие отрывки из научных трудов и переписки создателей новой науки публикуются на русском языке впервые. Учтены результаты позднейших исследований по истории науки, которые позволяют по-новому взглянуть на многие события того времени.

---

Но эта формулировка не означает, что получена обратная пропорциональная зависимость между внешним давлением и увеличением объема воздуха. Опыты, которые Бойль проделал для изучения зависимости расширения воздуха с уменьшением внешнего давления, не были им никак интерпретированы. (В этих опытах использовалась торричеллева трубка, сначала полностью погруженная в сосуд со ртутью, а затем постепенно поднимаемая из ртути.) Вместо него интерпретацией опытов занялся физик-любите ль Ричард Таунли. Бойль говорит: «Я не замедлю признать, что я не свел опыты, которые я проделал с измерением расширения воздуха, к какой-либо определенной гипотезе. В то время как искусный джентльмен мистер Таунли... попытался вывести то, чего недоставало у меня». Именно Таунли был тем, кто указал на обратную пропорциональность между объемом и давлением. Бойль говорит далее о «предположении мистера Таунли относительно пропорциональности, определяющей, насколько воздух теряет свою упругость при расширении». «Мой помощник (т. е. Гук.— В. Я.),—заключает он,— сказал мне, что проводил наблюдения с той же самой целью год назад, и они показали довольно хорошее согласие с теорией мистера Таунли» [23, I, с. 100 и далее].

Таким образом, Ричард Таунли является соавтором закона Бойля.

В 1666 г. Бойль опубликовал «Гидростатические парадоксы», в которых стремился опровергнуть старую доктрину, утверждающую, что легкая жидкость не производит давления на более тяжелую жидкость. Что такое опровержение оказалось сделанным столь поздно, показывает, как медленно распространялось правильное представление о давлении жидкостей.

Пятнадцать лет спустя после публикации Бойля «закон Бойля» был переоткрыт (совершенно независимо) выдающимся французским физиком Эдмом Мариоттом (1620—1684). Поэтому он называется теперь также законом Бойля—Мариотта. Мариотт опубликовал закон в своем трактате «О природе воздуха» в 1676 г. Он пишет: «Мы использовали трубку в 40 дюймов, которую заполнили ртутью на 27 ½  дюйма, 12 ½ дюймов осталось для воздуха, будучи погруженной на 1 дюйм в сосуд со ртутью, 39 дюймов оставалось сверху, причем 14 дюймов занимала ртуть и 25 дюймов воздух, расширившийся до двойной величины своего (первоначального) объема». У Мариотта было более ясное представление о важности это-то закона, чем у Бойля.

Мариотту приписывается введение экспериментальной физики во Франции. Как Бойль был знаменит участием в организации Королевского общества в Англии, так и Мариотт был одним из первых и ведущих членов Парижской академии наук, организованной в 1666 г. Тщательными измерениями высоты ртутного столба в глубоком погребе, а затем в астрономической обсерватории (новой), расположенной на одной из возвышенностей Парижа, он получил приближенную формулу для определения высоты с помощью барометра.

ДЕНИ ПАПЕН

В 1674 г. Дени Папен (1647—1714) описал воздушный насос, в котором откачиваемый сосуд с запорным краном был заменен столом и стеклянным колоколом. Заслуга во введении этого усовершенствования обычно приписывается Папену, однако сам он приписывал это Гюйгенсу, который, как теперь известно, сделал это открытие в 1661 г. Папен был учеником и ассистентом Гюйгенса, он познакомился с ним в Париже, и с 1672 г. начались их совместные работы по конструированию пневматических устройств. В первое время они занимались совершенствованием вакуумных насосов, но затем Гюйгенсу, увлекавшемуся тогда опытами с порохом, пришла в голову идея скомбинировать в одном аппарате силу атмосферного давления и силу взрыва. Так в 1673 г. была построена знаменитая пороховая машина, которую Гюйгенс и Папен демонстрировали Кольберу. Ее устройство было весьма простым и представляло цилиндр с поршнем; в пространстве под поршнем взрывалось небольшое количество пороха, в результате в камере образовывалось разрежение и поршень мгновенно втягивался в цилиндр. Машина развивала достаточную мощность, чтобы поднять нескольких человек. Папен всю жизнь продолжал заниматься вопросами пневматики (вскоре он переехал в Англию, где стал ассистентом Бойля, а затем членом Королевского общества), но для Гюйгенса это был всего лишь эпизод.

В том же 1673 году выходит в свет главная книга Гюйгенса «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium»), в которой он свел воедино результаты своих многолетних исследований проблемы колебаний и вращательного движения. В ней впервые опубликовано соотношение между периодом и длиной маятника (сегодня оно записывается формулой T = 2πl√(l/g), дано доказательство таутохронности циклоидального маятника (которую он открыл еще в 1658 г.), а также развита теория центра качаний.

Проблема, которую предстояло решить Гюйгенсу, заключалась в описании колебаний физического тела аналогично тому, как это делается для простого (математического) маятника. Иначе говоря, задача сводилась к тому, чтобы найти характеристики простого маятника, колеблющегося изохронно с данным телом.

Гюйгенс нашел длину такого простого маятника, которая определяется расстоянием от точки подвеса до точки, находящейся на прямой, проходящей через центр тяжести тела и точку подвеса, и названной им «центром качаний». Формула, полученная Гюйгенсом для определения центра качаний, аналогична современной L = I/ml, где L — искомая длина, I — момент инерции, m — масса и l — расстояние от точки подвеса до центра тяжести. Гюйгенс получил также важную теорему об обратимости центра качаний, т. е. если центр качаний и точку подвеса поменять местами, то период колебаний не изменится.

В «Маятниковых часах» Гюйгенс приводит без доказательства зависимость центробежной силы (сам термин тоже принадлежит ему) от скорости и радиуса вращения: Fц.б.~ v2/R. Эту зависимость он получил еще в 1659 г., но дал ее вывод, использующий закон падения Галилея и геометрические построения, позже, в рукописном трактате «О центробежной силе».

В 1681 г. Гюйгенсу приходится покинуть Париж — и, как оказалось, навсегда — главным образом из-за религиозных преследований, связанных с отменой нантского эдикта. Первый академик Франции отказывается от своего звания и возвращается на родину. Вернувшись в Гаагу, в дом своего отца, он вновь начинает заниматься астрономией и оптикой, пытается построить планетарий.

В 1690 г. появляется «Трактат о свете», который составил Гюйгенсу славу основателя волновой теории света. Согласно его представлениям, свет есть результат прохождения через упругий эфир ударных волн с чрезвычайно большой скоростью. Такой эфир состоит из весьма малых упругих частиц, плотно примыкающих друг к другу. Переноса материи при прохождении света через эфир не происходит, речь идет о передаче импульса, или «тенденции к движению». Каждая частица, получившая импульс, передает его соседним частицам, которые, в свою очередь, становятся источниками импульсов света. В результате каждая частица будет порождать сферическую волну. Волны, исходящие от отдельных частиц, слишком слабы, но когда бесконечное число таких волн перекрывается, возникает свет, т. е. огибающая фронтов волн всех частиц. Это и есть знаменитый принцип Гюйгенса. С его помощью Гюйгенс объяснил явления отражения и преломления, связав показатель преломления со скоростью света в различных средах. Триумфом волновой теории было объяснение двойного лучепреломления в исландском шпате.

Говоря об астрономических занятиях Гюйгенса, отметим, что он — автор одной из первых популярных книг по астрономии. Его «Космотеорос», опубликованный посмертно в 1698 г., пользовался большим успехом у читателей и в 1717 г. по указанию Петра I был переведен на русский язык.

Гюйгенс играл важную роль в научной жизни Европы. Его труды получили широкую известность в Голландии, Франции, Англии, Германии и Италии, к его мнению прислушивались все выдающиеся ученые того времени. Гюйгенс был одним из первых, кто прочел и откликнулся на ньютоновы «Начала». Летом 1689 г. он встретился с Ньютоном. Оба они выступили на заседании Королевского общества. «Гюйгенс, установивший закон двойного преломления, излагал свою неверную теорию тяготения, а Ньютон, открывший закон тяготения, докладывал о своих ошибочных измерениях двойного преломления» [14, с. 163— 164].

Глава пятая. Ньютон

1

Ньютон родился в год смерти Галилея[16]. Его творчество представляет собой кульминацию научной революции XVII в., а его жизнь обнимает целую эпоху, вмещающую множество событий, и в первую очередь английскую буржуазную революцию 1640— 1660 гг. Эпоха была до чрезвычайности бурной — рушились старые монархии, возникали новые государства, буржуазия шаг за шагом отвоевывала новые позиции в обществе и экономике; жизнь Ньютона, напротив, оставалась внешне предельно размеренной и безмятежной — он пережил шестерых королей, гражданскую войну, протекторат Кромвеля, реставрацию Стюартов, но все это мало отражалось на его судьбе. Он никогда не был женат, никогда не выезжал за пределы Англии, практически не имел учеников. Однако его творческая жизнь была ничуть не менее напряженной и была столь же богата событиями, как и его эпоха.