Читать книгу Видатні наукові відкриття. Дитяча енциклопедія - Группа авторов - Страница 10

Історія фізики – це історія боротьби за істину, історія перемог і поразок – від загального поклоніння до гонінь. Істини, що сьогодні відкриває для нас фізика, здаються навіть буденними. Всі звикли, що працюють телевізори, пральні машини, комп’ютери чи просто горить електричне світло. А для чого ж тоді будувалися тепло-, електро– та атомні станції? Нікого вже не вражають підводні човни і літаки, автомобілі і космічні кораблі. Здається навіть дивним, що колись людство не мало не тільки цих благ, але й багатьох звичних інструментів та пристроїв. Усе це з’явилось не одразу, а поступово і завдяки відкриттям, які були зроблені вченими в галузі фізики. Але історія свідчить, що за знання подеколи платили навіть життями. Однак деякі відкриття, крім користі, принесли людям багато горя. Це передусім стосується «мирного атома», який незабаром перетворився на жахливу атомну бомбу і смертоносний Чорнобиль. І все ж позитивних відкриттів було і є набагато більше.

У шумерів, вавилонян і єгиптян з окремих питань фізики були певні цінні знання, від яких, однак, складається враження чогось випадкового, несистемного. Це були зародкові пізнання, і науки як системи знань ще не існувало, на відміну від математики і астрономії.

У наведеній таблиці представлений хронологічний зв’язок основних етапів розвитку фізики й суспільства. З розвитком матеріального виробництва в давньому світі йшло нагромадження знань у галузі природознавства. Але в Давньому Єгипті, Месопотамії, Індії й Китаї ці знання не були систематизовані. Для розвитку фізики, безумовно, важливим є й рівень духовної культури суспільства, що необхідний для узагальнення даних, отриманих під час спостережень, для появи нових фізичних ідей і уявлень, створення стрункої системи знань. Особливо яскраво про це свідчить історія фізики античного світу.

Хронологія розвитку культури й фізики

Уявлення давніх греків про форму атомів (зліва направо): землі, вогню, повітря та води

І тільки після появи «чистих наук» – філософії й математики в Давній Греції стали можливими систематичні роботи з опису й пояснення явищ природи. При цьому природно використовувалися експериментальні спостереження, які накопичувалися в процесі розвитку матеріальної культури. Досягнення високого загального культурного рівня в Греції при наявності великого комплексу знань і технічних навичок забезпечило в VI столітті до нашої ери початок робіт з опису, упорядкування й пояснення явищ природи. Тому саме в цей час, у натурфілософських роботах Арістотеля з’являється поняття «фізика» і закладаються підвалини фізичного мислення.

І все ж таки вже в епоху античності було зроблено багато відкриттів у галузі фізики. Так, у VI столітті до нашої ери Піфагор дійшов висновку про кулястість Землі. Він же здійснив перші спостереження в галузі акустики: встановив зв’язок між висотою тону й довжиною струни або труби. Фалесу Мілетському належать перші відкриття в галузі електрики й магнетизму: відкриття властивостей натертого бурштину притягати легкі предмети, а магніту – залізні.

У V–IV столітті до нашої ери виникли ідеї про переривчасту, зернисту будову матерії, а Левкіпп та Демокріт установили, що границею подільності речовини є атом. Платон же створив теорію зору. У IV столітті до нашої ери виникли поняття руху як загальної зміни й механічного руху як просторового переміщення, що стало грунтом для зародження елементів механіки. Водночас формулювалися правила додавання переміщень, рівноваги важеля, а також перші уявлення про поширення звуку в повітрі (стискання і розрідження повітря), про відбиття звуку від перешкод.

Арістотель (384–322 р. до н. е.) був учнем Платона, а згодом став вихователем Александра Македонського. Останній дуже цінував Арістотеля і казав: «Я шаную Арістотеля нарівні зі своїм батьком, бо якщо батькові я зобов'язаний життям, то Арістотелю зобов'язаний усім, що дає йому ціну».

Дослідження Арістотеля належать до галузі механіки, акустики, оптики. Фізика Арістотеля, що була заснована на доцільності природи, містила окремі правильні положення, але не сприймала низки ідей попередників (геліоцентризм, атомізм тощо). Вчення Арістотеля було канонізоване церквою й гальмувало до XVI століття розвиток природознавства. Вчений написав ряд натурфілософських робіт («Фізика», «Про небо», «Про виникнення й знищення», «Метеорологія», «Механічні проблеми», «Метафізика» тощо), які систематизували всі природничо-наукові знання того часу. В цих роботах він виклав свої уявлення про рух і природу. Первинними якостями матерії він уважав дві пари протилежностей: «тепле – холодне» і «сухе – вологе», основними елементами або стихіями – землю, повітря, воду й вогонь. Найбільш досконалим Арістотель вважав п’ятий елемент – ефір. Арістотель намагався заснувати фізику на грунті спостережень й експериментів, однак прагнув охопити й пояснити все. За традицією філософів того часу, у своїх працях він прагнув створити закінчену наукову картину замкнутого й обмеженого світу.

Найцікавішим є його вчення про рух, що за Арістотелем є будь-якою кількісною та якісною зміною, завдяки якій явище реалізується. Це вчення панувало у фізиці до епохи Відродження, і, незважаючи на виявлені істотні помилки, ряд принципових уявлень залишився сталим дотепер. Великою заслугою Арістотелевої кінематики було формулювання точного правила додавання переміщень. До сучасної науки близько стоять його дослідження зі статики: рівновага важелів, дія ваг і блоків. Арістотелю належить й відкриття заломлення світла.

Демокріт

Чого бракувало Арістотелевій фізиці, так це аналітичної обробки, критичності й обережності при узагальненні. Сучасна фізика ставиться до даних, отриманих під час експерименту, з критичною обережністю, Арістотелева ж наука – з наївною простодушністю. Поразки Арістотеля пояснюються недосконалістю методів дослідження.

До епохи Відродження, що почалася після тисячоліття застою, велику кількість наукових відкриттів було зроблено в Давній Греції, проте чимало відкриттів і винаходів припадає також на арабські країни й Китай. Та незаперечним є те, що античний світ народив лише дві постаті – Демокріт з Абдери (бл. 460–370 до н. е.) у Фракії (нині Болгарія) і Архімед із Сиракуз (бл. 287–212 до н. е.), – які зробили найбільший внесок у формування основ сучасної фізики.

Демокріт першим з великих математиків вплинув на розвиток фізики. Найбільше він відомий як творець атомістичної теорії. Ідея атомістики, очевидно, зародилася в його вчителя Левкіппа з Мілета, фігури, про яку мало що відомо. Аргументи атомістів мали непрямий характер (чому навряд чи доводиться дивуватися, якщо взяти до уваги, що прямі експериментальні дослідження атомних явищ стали можливі тільки в ХХ ст.). Вони думали, що, хоча в природі й відбуваються безперервні зміни, у ній також, можливо, є якийсь незмінний субстрат. Демокріт цей субстрат уявляв як сукупність атомів, а ріст і розпад організмів і рослин – лише як прояв змін у розташуванні незмінних атомів. Плавлення твердих тіл і випаровування рідин він пояснював як перехід сукупності атомів до менш зв’язаного стану.

Щодо теорії, то найблискучішими вважаються основні праці великого вченого античності Архімеда, які стосувалися різних практичних відгалужень математики, фізики, гідростатики й механіки. Архімед створив теорію п’яти механізмів, відомих на той час як «прості механізми». Це – важіль, клин, блок, нескінченний гвинт і лебідка.

Але Архімед знав також, що предмети мають не тільки форму й вимір, але й те, що вони рухаються або можуть рухатися, чи залишаються нерухомими під дією певних сил, які рухають предмети вперед чи надають рівноваги. Великий сиракузець вивчав ці сили й винайшов нову галузь математики, у якій матеріальні тіла, при зведенні до їхньої геометричної форми, зберігають водночас свою вагу. Ця геометрія ваги і є раціональна механіка, статика, а також гідростатика.

Вчення про гідростатику Архімед розвиває в праці «Про плаваючі тіла». «Припустимо, – казав учений, – що рідина має таку природу, що з її часток, розташованих на однаковому рівні й притиснутих одна до одної, менш здавлені виштовхуються більш здавленими й що кожна з її часток здавлюється рідиною, що перебуває над нею по схилу, якщо тільки рідина не укладена в який-небудь посуд й не здавлюється ще чимось іншим». Покладаючись на це положення, Архімед математично довів, що вказані нижче «наслідки» повністю пояснюються за допомогою наведеної гіпотези:

1. Тіла, рівновагі з рідиною, занурені в цю рідину, поринають так, що ніяка їхня частина не виступає над поверхнею рідини, і не будуть рухатися донизу.

2. Тіло, легше за рідину, занурене в цю рідину, не поринає повністю, і певна його частина залишається над поверхнею рідини.

3. Тіло, легше за рідину, занурене в цю рідину, поринає настільки, що об’єм рідини, який відповідає зануреній частині тіла, має вагу, рівну вазі всього тіла.

4. Тіла, легші за рідину, занурені в цю рідину насильно, будуть виштовхуватися нагору із силою, рівною тій вазі, на яку рідина, що має рівний об’єм із тілом, буде важча цього тіла.

5. Тіла, важчі за рідину, занурені в цю рідину, будуть поринати, поки не дійдуть до самого низу, і в рідині полегшають на величину ваги рідини в об’ємі, що дорівнює об’єму зануреного тіла.

Пункт 5 містить фактично загальновідомий закон Архімеда, відкриття якого дало йому змогу, відповідно до легенди, здійснити перевірку, з яких металів складається корона сиракузького правителя Гієрона. Відома розповідь про перше практичне застосування Закону Архімеда наведена в давньоримського автора Вітрувія: «…Виходячи зі свого відкриття, він, кажуть, зробив два зливки, кожен такої самої ваги, як і корона, – один із золота, другий – зі срібла. Зробивши це, він наповнив водою посуд по самі вінця і опустив у нього срібний зливок, із посуду вилилася така кількість води, що за своїм об’ємом відповідала об’єму зливка, зануреного в посуд. Так він знайшов, яка вага срібла відповідає певній кількості води.

Схематичне зображення дії закону Архімеда

Зробивши таке дослідження, він у такий же спосіб опустив золотий зливок у повний посуд. Потім, вийнявши його й додавши тією ж міркою кількість води, що вилилася, знайшов на підставі меншої кількості води, наскільки менший об’єм займає зливок золота порівняно з таким же зливком срібла». Те саме він зробив і з короною, довівши, що корона складається зі сплаву, а не з чистого золота. Архімед не обмежився описом не досить точного експерименту, а перейшов до більш точного кількісного вимірювання. Автор арабського твору XII століття «Книга про ваги мудрості» ал-Хазіні, цитуючи «слово в слово» трактат грека Менелая, що дійшов до нас, повідомляє, що Архімед «винайшов механічне пристосування, і завдяки своєму тонкому пристрою визначив, скільки золота й скільки срібла міститься в короні, не порушуючи її форми». Ал-Хазіні наводить також схему пристрою, який називається «ваги Архімеда», з рухливим вантажем.

Схематичне зображення дії закону відбиття світла.

Спираючись на принципи Архімеда, Сінезій з Кірени в IV столітті винайшов «гідроскоп» – ареометр для визначення питомої ваги рідин. Прилад, виготовлений із бронзи, мав насічки і вочевидь використовувався для складання таблиць питомих ваг різних рідин. На жаль, подібні таблиці до нашого часу не збереглися.

Крім математики, фізики й механіки, Архімед займався геометричною й метеорологічною оптикою й зробив ряд цікавих спостережень щодо заломлення світла. Є відомості про те, що вченим був написаний невеликий твір, який дійшов до нас під назвою «Катоптрика», уривки з якого часто цитувалися давніми авторами. На основі цих цитат можна зробити висновок про те, що Архімед добре знав запалюючу дію ввігнутих дзеркал, проводив досліди із заломлення світла у повітряному й водному середовищах, знав властивості зображень у пласких, опуклих і ввігнутих дзеркалах. От як про ці роботи говорив Апулей: «Чому в плоских дзеркалах предмети зберігають свою натуральну величину, в опуклих – зменшуються, а в увігнутих – збільшуються; чому ліві частини предметів видно праворуч і навпаки; коли зображення в дзеркалі зникає й коли з’являється; чому ввігнуті дзеркала, поставлені проти Сонця, запалюють піднесений до них трут; чому в небі видно веселку; чому іноді здається, що на небі два однакових Сонця, і про багато чого іншого подібного ж роду, про що розповідається в об’ємистому томі Архімеда».

Однак від самої праці, та й то в пізньому переказі, вціліла лише єдина теорема, у якій доводиться, що при відбитті світла від дзеркала кут падіння променя дорівнює куту відбиття. З «Катоптрикою» пов’язана й легенда про дзеркала, що запалюють, про підпали Архімедом римських кораблів під час облоги Сиракуз. Що в цій історії вимисел, а що є відображенням дійсних подій, це і донині викликає бурхливі дискусії сучасних учених. Деякі дослідники не виключають можливості, що генієві Архімеда був по силі винахід і побудова геліоконцентратора, тому що сама ідея розчленовування ввігнутого дзеркала на безліч пласких елементів, яка пов’язана із заміною кривої уписаними й описаними багатокутниками, часто застосовувалася ним у геометричних доведеннях. Взагалі, підхід Архімеда й інших давньогрецьких учених до розв’язування фізичних проблем грунтувався на простих, але строгих геометричних доведеннях, отже, математика стала основним інтелектуальним знаряддям фізики.

Спалення ворожого флоту за допомогою системи дзеркал

Архімед був одержимий наукою й винахідництвом. Сконструйовані ним апарати й машини сприймалися сучасниками як чудеса техніки. Складалося враження, що він не спав і не їв, а весь час приділяв лише творчому пошуку. Саме тому багатьом не давали спокою «сонячні дзеркала» Архімеда. Навіть після того, як знаменитий французький філософ і математик Рене Декарт у своїй «Діоптриці» переконливо довів, що це неможливо, і розповіді про них стали для науки легендою, загадка залишилась. Але було б дуже шкода, якби така цікава легенда була спростована. І тому італійські вчені спробували довести, що «бойові дзеркала» Архімеда існували, але були призначені не для підпалу, а для… наведення на ціль. Тобто з'єднаний із сонячним «зайчиком» стовбур арбалета посилав стрілу точно в ціль за променем. А якщо згадати про те, що сиракузці мали секрет (до речі, безнадійно загублений) «грецького вогню», то може бути цілком імовірним той факт, що кораблі римлян спалахували від стріл, просотаних цією займистою сумішшю. А що ж дзеркала? А вони до того ж били в очі відбитим сонячним світлом і, природно, «приховували» політ стріли. Отже можливо, що геніальний Архімед винайшов не «сонячний лазер», а першу «променеву зброю».

Після Герона й Птолемея (перший відомий більш як механік, а другий як астроном) почався занепад фізики. Замість оригінальних наукових досліджень настав час примітивного використання здобутих знань. Так, римляни із науки грецького періоду в основному засвоїли те, що могло мати пряме практичне застосування, і широко користувалися цим, наприклад, у будівництві. Разом з тим, у Римській імперії була створена велика кількість наукових енциклопедій. Це протягом багатьох століть було єдиним джерелом відомостей про грецьку науку. Але з розпадом імперії внаслідок навали варварів традиції грецької школи були надовго забуті на Заході.

На Сході культурні традиції грецької школи ніколи не зникали, хоча й були ослаблені. Вони підтримувалися у Візантійській імперії, а потім були перейняті арабами, а від них прийшли на Захід уже приблизно в ХІІІ столітті.

Найбільш яскравим арабським фізиком-оптиком був Альхазен (965-1039), який працював у Каїрі на початку ХІ століття. Крім фізики він займався також астрономією, математикою та медициною, які зіграли не останню роль у його дослідженнях. Основним його досягненням як оптика стало створення теорії зору. У цій теорії Альхазен грунтувався на анатомічному описі ока, відомому з античних часів. Але в той же час учений відмовився від уявлень давньогрецьких учених, згідно з яким світлові промені випускаються оком. Неспроможність цього він довів за допомогою низки фізико-фізіологічних дослідів, наприклад осліпленням, коли в очі потрапляє сонячне світло. Альхазен говорив, що зоровий образ формується під впливом на око природного світла й колірних променів. (Під природним світлом він розумів біле сонячне світло, а під колірними променями – світло, відбите від кольорових предметів.)

Альхазен

Головним же відкриттям Альхазена стало те, що кожній точці спостережуваного предмета відповідає сприймальна точка ока. Якщо в усіх грецьких фізиків зір розглядається як відчуття образу, сприйняття всього спостережуваного тіла разом, то за Альхазеном, з кожної точки предмета виходить нескінченна кількість променів, і в зіницю потрапляє така сама кількість. При цьому Альхазен обгрунтував свої міркування не тільки за допомогою геометричних побудов, але й користуючись описаними ним дослідами з камерою-обскурою.

Крім робіт з теорії зору відомі праці Альхазена, в яких він експериментально й геометрично розглядав дзеркала різних форм, досліджував заломлення світла, а ще він висловив ідею щодо граничної швидкості світла. Фундаментальні праці з оптики Альхазена в ХІІ столітті були перекладені на латину й поширювалися в рукописах, але широкої популярності тоді не мали. Більш відомим став трактат з оптики Еразма Вітеллія, який вийшов у 70-ті роки ХІІІ століття й де одночасно викладалися уявлення Евкліда, Птолемея й Альхазена.

Слід згадати й про Абу Рейхан Мухаммеда ібн Ахмеда аль-Біруні (973-1048) з Хорезму, який проводив експерименти щодо визначення питомої ваги за допомогою спеціального відливного посуду. Біруні був енциклопедистом. Широко відомими є його дослідження з астрономії й географії, зокрема визначення радіуса Землі, кута нахилу екліптики до екватора, радіуса Землі і т. ін. Також добре відома робота середньоазіатського вченого ХІІ століття Аль Хазіні «Книга про ваги мудрості», у якій докладно описані застосування закону Архімеда й спеціально сконструйовані ваги. При цьому закон Архімеда застосовується для повітря, простежується також залежність питомої ваги води від температури, пропорційність ваги кількості речовини, що міститься в тілі.

Датується 1269 роком перший рукописний трактат з магнетизму «Про магніти» П. Перегріно (опублікований тільки в 1558 р.) з описом методів визначення полярності магніту, взаємодії полюсів, намагнічування дотиком, явища магнітної індукції, деяких технічних застосувань магнітів тощо. Однак подана Перегріно теорія не витримує ніякої критики, оскільки грунтується на астрології.

Абу Рейхан Мухаммед ібн Ахмед аль-Біруні

У XIII столітті францисканський монах Роджер Бекон (1214–1294), який проводив в Оксфорді наукові дослідження, виміряв фокусну відстань сферичного дзеркала й відкрив сферичну аберацію, висунув ідею зорової труби й лінзи як наукового приладу. Він належав до тих учених, які шукали нові шляхи пізнання, і тому різко виступав проти загального захоплення книгами Арістотеля, вважаючи, що науковець не повинен обмежуватися тлумаченням авторитетів. Наука, за Беконом, повинна будуватися на строгих аргументах і точному досліді, що доводить теоретичний висновок. Він сам проводив хімічні й фізичні експерименти, робив астрономічні спостереження, пояснював веселку заломленням світлових променів у краплях води.

У той же час у Венеції були винайдені і набули поширення окуляри. У XIV столітті Альберт Саксонський увів розподіл рухів на поступальний й обертальний, рівномірний й змінний, а також кутову швидкість. Французький математик Н. Орезм уперше дав графічне зображення руху й установив закон рівномірно змінного руху (зв’язок шляху, пройденого тілом, із часом).

І тільки з епохою Ренесансу почалося відродження фізики, яке пов’язують з іменами фундаторів експериментального методу у фізиці – Леонардо да Вінчі й Галілео Галілея (див. також у розділі III). Промислова революція, що відбувалася в той час, запровадження машин у мануфактурне виробництво поставили перед фізикою нові проблеми. Досягнення античної статики тоді вже були практично вичерпані, і на відміну від техніки стародавності, де в основному використовувалася наука про рівновагу, в техніці мануфактурного періоду важливе місце посіла проблема освоєння й передачі механічного руху. Такі завдання повною мірою вирішила лише створена в XVII–XVIII століттях класична механіка.

Магнетизм – єдиний розділ фізики суто середньовічного походження, який пов'язаний з появою в ХІ столітті морського компаса – приладу виняткової практичної важливості. Історія компаса починається в Китаї, де ще в ІІ столітті було відомо про властивість намагніченої голки вказувати напрямок на північ. Вочевидь, від китайців про цю властивість стало відомо арабам, і вони використали її в мореплавстві, а потім всі країни Середземномор'я внесли істотний вклад в удосконалювання конструкції компаса, зокрема ввели рухливу картушку.

В епоху Відродження (XV–XVI ст.) основними досягненнями стали дослідження вільного падіння й руху тіла, кинутого горизонтально, співударяння тіл, винахід низки механізмів для перетворення й передачі рухів. Тоді зародилася динаміка (з’ясування природи інерції), розпочалося вивчення механізму польоту птахів, відкриття опору середовища й підйомної сили. Леонардо да Вінчі проводив дослідження законів бінокулярного зору. 1543 року вийшла у світ праця Н. Коперника «Про обертання небесних сфер», що містила виклад геліоцентричної системи світу.

Леонардо да Вінчі

У цей період відбувається й інтенсивний розвиток техніки, з’являються більш потужні джерела енергії (водяні й вітряні млини), вогнепальна зброя, більш легкі конструкції в будівництві, кораблі з більшою водотоннажністю, виробництво скла і паперу, відкриваються перші мануфактури тощо. Йоганн Гутенберг (1401–1468) винаходить друкарство окремими вирізними буквами й друкарський верстат. Все це ставило нові проблеми перед природознавством. Розвиток техніки й слабість університетської «книжкової науки» створили передумови для відновлення науки, що характерно для епохи Відродження. У цей період виникає новий ідеал людини, найбільш яскравим представником якої є Леонардо да Вінчі (1452–1519) – італійський живописець, скульптор, архітектор, учений та інженер. Його наукові праці присвячені математиці, механіці, фізиці, астрономії, геології, ботаніці, анатомії й фізіології людини. Він конструював багато машин, проектував канали, досліджував механічний рух, тертя, хвилі на поверхні води, капілярність, опір повітря, підйомну силу, формування зображення в камері-обскурі й оці. Леонардо довго й уважно вивчав політ птахів, сформулювавши при цьому свідомий метод наукового дослідження, що є однією із його головних наукових заслуг.

Леонардо да Вінчі був незнатного походження і тому не мав замолоду можливості познайомитися з академічними латинськими працями свого часу. Але саме через це його творчість не була скута схоластичною наукою, не придушувалася пануванням авторитетів. Це спонукало його до безпосереднього спостереження природи і до її вивчення. Леонардо усвідомлював, що його розуміння світу, досягнуте за допомогою дослідів, більш надійне й правильне, ніж почерпнуте із книг розуміння вчених того часу. Видатний художник казав: «…Хоча я не вмію так, як вони, цитувати авторів, я буду цитувати набагато більш гідну річ – дослід, наставника з наставників».

Леонардо да Вінчі вважають засновником експериментального методу. Він високо цінував дослід: знання – дочка досліду, – і широко використовував його. Але дослід сам по собі – сирий матеріал, і справа розуму включити його в єдину фізичну концепцію явищ природи й показати, чому він повинен йти саме так. Було багато суперечок щодо впливу Леонардо да Вінчі на наступний розвиток науки. Це було викликано саме тим, що його рукописи не публікувалися до кінця XVIII століття. Однак багато ідей Леонардо містяться в працях великих учених XVI століття: Ніколо Тартальї (1499–1552), Ієроніма Кардана (1501–1576), Джованні Баттісти Бенедетті (1530–1590). Взагалі XVI століття – це століття інтенсивної інтелектуальної діяльності, століття боротьби проти панування авторитетів, особливо авторитету церкви. У цьому ж столітті революційне вчення Коперника викликало резонанс у всьому науковому мисленні.

Успіхи фізики XVI століття здаються незначними, але вони є першими завоюваннями нової культури, що звільняється від пут середньовічних традицій. Тут можна відзначити дослідження криволінійності траєкторії снаряда, що летить (Тарталья), незалежності швидкості падіння тіл від їхньої ваги (Бенедетті), рівноваги тіла на похилій площині (голландський учений Симон Стівен, 1548–1620). Також помітні роботи з оптики італійського вченого Франческо Мавроліка (1494–1575), що розглянув кришталик ока як лінзу й першим досліджував переломлення світла в призмі. В XVI столітті з’явилася підзорна труба, але її випадково створили майстри-ремісники по виготовленню окулярів, а не вчені, бо оптичні теорії того часу не тільки не вели до відкриття труби, а навіть відводили від неї.

У цей період продовжилися також роботи з дослідження магнетизму: були відкриті магнітне відмінювання (Христофор Колумб – 1492 р.) і магнітне схилення (Георг Гартман – 1544 р.). В Італії Порта в сьомій книзі своєї «Натуральної магії» описує оригінальні експериментальні дослідження за допомогою металевих ошурок, використання залізної пластини як магнітного екрану і виявлення зникнення магнітних властивостей при нагріванні магніту. Англійський фізик Вільям Гільберт (1544–1603) при дослідженні магніту сферичної форми зробив висновок про відповідність його магнітних властивостей магнітним властивостям Землі, тобто вперше лабораторні результати зіставляються з явищами космічного масштабу. В 1600 році він видав твір «Про магніт, магнітні тіла й великий магніт – Землю…», де описав свої дослідження магнітних і електричних явищ і побудував перші теорії електрики й магнетизму. Гільберту належить заслуга в зародженні науки про електрику: він виявив і досліджував електризацію низки нових речовин (електризація бурштину була відома ще в античні часи), створив перший електроскоп.

Схема роботи електроскопа

XVI століття збагатило фізику багатьма науковими трактатами. Зокрема, італійський учений Н. Тарталья в трактатах «Нова наука» (1537) і «Проблеми й різні винаходи» (1546) описав криволінійну траєкторію руху артилерійських снарядів. Ф. Мавролик опублікував трактат з оптики, де він розглянув прямолінійне поширення, відбиття й заломлення світла, анатомію ока, пояснив дефекти зору (далекозорість і короткозорість), дію окулярів і лінз тощо. Дж. Бенедетті у той же час відкрив, що в пустоті тіла падають із однаковою швидкістю й довів гідростатичний парадокс про однаковий тиск рідини на дно посудини незалежно від її форми. А праця Н. Коперника «Про обертання небесних сфер» (1543), яка містила виклад геліоцентричної системи світу, дала змогу з нової точки зору подивитися на природу та її закони.

У 1558 році вийшов у світ трактат Дж. Порти «Магія», що містив низку нових оптичних спостережень, зокрема в ньому йшлося про отримання прямих зображень за допомогою ввігнутих дзеркал, застосування камери-обскури з лінзою для виконання й перегляду малюнків.

До головних відкриттів у фізиці треба віднести і висловлену Дж. Бруно в праці «Діалог про нескінченність Всесвіту і світи» (1584), ідею про єдність законів природи, а також про нескінченність Всесвіту, про існування в ньому, крім сонячної, інших планетних систем, про можливість відкриття нових планет у нашій сонячній системі та про обертання Сонця й зірок навколо осі. Наприкінці XVI століття були відкриті закони ізохронності коливань маятника та вільного падіння До того ж часу належить винахід підзорної труби й термометра (термоскопа). У 1586 світ побачив трактат С. Стевіна «Початки статики», у якому вчений виклав принцип неможливості вічного руху, оригінально довів, за яких умов тіло на похилій площині перебуває в стані рівноваги, відкрив закон додавання сил (паралелограм сил) і закон розкладання сили на дві складові, які перпендикулярні одна одній. Цей останній закон був сформульований для поодинокого випадку можливих переміщень.

Повністю фізика як наука відродилася лише у XVII столітті, коли розпочалося системне застосування експериментального методу у природознавстві. Провідна роль тут належить італійському фізику і астроному Галілео Галілею (1564–1642). Галілей залишив у спадок свої праці в галузі механіки, оптики, молекулярної фізики, установив закони вільного падіння, руху тіл по похилій площині, додавання рухів, ізохронізму маятника, сформулював принцип інерції й відносності. Він перший побудував підзорну трубу – перший телескоп, за допомогою якого зробив астрономічні відкриття. Йому також належить і першість у створені мікроскопа, термоскопа та у визначенні питомої ваги повітря. Галілей висунув ідею про кінцеву швидкість світла й запропонував спосіб її виміру. За те, що він відстоював вчення Коперника про геліоцентричну систему, його засудили інквізицією в 1633 році, і він був змушений відмовитися від своїх переконань.

Галілей із самого початку наукової діяльності (в 1589 р. він був призначений професором математики) виявляв незалежність свого мислення. У трактаті «Про рух» (1590) він виступає проти Арістотелевих позицій. Його доведення базуються на чітких експериментальних даних. Галілей, як і багато вчених того часу, працював у багатьох галузях фізики й не тільки фізики. До найбільш істотних його результатів слід віднести відкриття законів руху. Це є вершиною досягнень Галілея. Він заклав два наріжних камені сучасної динаміки: принцип інерції й класичний принцип відносності.

Галілео Галілей

Головною ж заслугою Галілея є те, що він увів у дослідження новий спосіб мислення, використовував повною мірою експериментальний метод. Його поряд з Леонардо вважають основоположником експериментального методу у фізиці. При цьому Галілей ніде не наводить абстрактного викладення цього методу. Але суть його можна простежити в конкретних постановках і обговоренні досліджень окремих явищ природи. При цьому можна виокремити чотири основні фази дослідження:

• сприйняття явища, чуттєвий досвід;

• аксіома або робоча гіпотеза з критичним розглядом результатів чуттєвого досвіду;

• математичний розвиток, знаходження логічних наслідків із прийнятої гіпотези;

• дослідна перевірка, вищий критерій на всьому шляху до відкриття.

У часи Галілея був і інший напрямок фізики, одним із представників якого був французький філософ, фізик, математик і фізіолог Рене Декарт (1596–1650). Йому належать роботи в галузі механіки, оптики й будови Всесвіту. Він увів поняття кількості руху, сформулював закон його збереження (але без урахування того, що швидкість – вектор). Декарт прагнув побудувати загальну картину природи, у якій всі явища пояснювалися б як результат руху великих і малих часток, утворених з єдиної матерії. Він був основоположником раціоналізму в теорії пізнання, і вважав, що головну роль при оцінці результатів наукових досліджень відіграє людський розум.

За Декартом, мета фізика полягає в тому, щоб зробити людей «господарями й хазяїнами природи». Декарт уважав, що фізика повинна відповідати на запитання, чому відбуваються явища, а за Галілеєм – повинна досліджувати, як вони відбуваються.

Вчення Галілея поширювалося в Європі, його «Механіка» в 1634 році була перекладена французькою мовою. Таким чином, у Галілея з’явилися послідовники, серед яких були не тільки його безпосередні учні.

Із прямих учнів Галілея найблискучішим був італійський фізик і математик Еванджеліста Торрічеллі (1608–1647) – придворний математик герцога Тосканського й професор математики й фізики Флорентійського університету. Він разом з іншим учнем Галілея Вінченцо Вішані продовжив його роботи, в яких йшлося про доведення того, що повітря є матерією, яка має вагу, а не пустотою. До Торрічеллі й Вівіані примкнуло ще кілька ентузіастів. Із цього гуртка й народилася знаменита Флорентійська академія досліду, що набула офіційного статусу 1657 року, через десять років після смерті Торрічеллі.

Уже в римський період життя (1626–1641)Торрічеллі стояв на порозі фундаментального відкриття – відкриття тиску повітряного океану, але захопився динамікою, балістикою та гідравлікою. Саме тому спочатку він набув слави як фундатор гідравліки і тільки в 1643 році повернувся до дослідження повітря. Йому спало на думку виміряти вагу атмосфери вагою ртутного стовпа. Дослід виправдав усі сподівання, ртуть зупинилася на заданій висоті, над нею утворилася так звана «торрічеллієва пустота».

Еванджеліста Торрічеллі

Пізніше Торрічеллі повторив дослід із двома трубками, про що повідомляє в листі до італійського математика Річчі від 11 червня 1644 року, який залишився єдиним свідченням про знамениті досліди. Ось виписки із цього листа: «…Багато хто стверджує, що пустота взагалі не існує; інші ж говорять, що її можна одержати лише подоланням опору природи та ще й з превеликою силою. Я думаю, що в усіх випадках, коли при одержанні пустоти явно виявляється протидія, немає потреби приписувати пустоті те, що, мабуть, зумовлене зовсім іншою причиною. Кажу так тому, що деякі вчені, коли бачать неможливість заперечувати факт протидії, що проявляється внаслідок ваги повітря при утворенні пустоти, не приписують цього опорові тиску повітря, а завзято стверджують, що сама природа перешкоджає утворенню пустоти. Ми живемо на дні повітряного океану, i досліди з безсумнівністю доводять, що повітря має вагу…

Дослід Торрічеллі

Нами було виготовлено багато скляних пляшечок із трубкою довжиною у два лікті; ми наповнювали їх ртуттю, притримуючи отвір пальцем; коли потім трубки перекидали в чашку із ртуттю, вони ставали порожніми, але лише частково: кожна трубка залишалася наповненою ртуттю до висоти ліктя й одного пальця. Бажаючи довести, що пляшечка (у верхній частині трубки) зовсім порожня, у підставлену чашку доливали воду, і тоді, при поступовому підніманні трубки, можна було бачити, що, як тільки її отвір опинявся у воді, із трубки виливала ртуть, і вся пляшечка, до самого верху, стрімко наповнювалася водою. Отже, пляшечка порожня, ртуть же тримається в трубці. Дотепер уважали, що сила, яка втримує ртуть від природного прагнення опускатися, перебуває всередині верхньої частини трубки – у вигляді пустоти або досить розрідженої матерії. Я не стверджую, що причина знаходиться поза посудиною: на поверхню рідини в чашці тисне повітряний стовп заввишки 50x3000 кроків – не дивно, що рідина входить усередину скляної трубки (до якої вона не має ні притягання, ні відштовхування) і піднімається доти, поки не зрівноважиться тиском зовнішнього повітря. Вода ж піднімається в подібній, але в набагато довшій трубці у стільки разів вище, у скільки разів ртуть важча за воду…»

Торрічеллі вдосконалив повітряний термоскоп Галілея, переробивши його на спиртовий термометр, і перший пояснив появу вітру змінами атмосферного тиску.

Трубка Торрічеллі – перший барометр

Для повної переконливості Торрічеллі поставив дослід із двома трубками. Він хотів показати, що ртуть не втримується ніяким тяжінням або відштовхуванням, а форма простору над ртуттю не має ніякого значення, й справа тільки в зовнішньому тиску повітря.

Торрічеллі зміг знайти ще більш важливі факти, які доводять зовнішній характер причини утворення ртутного стовпа. Вчений помітив, що висота стовпа зазнавала коливань, тобто тиск атмосфери мінявся. Таким чином, трубка Торрічеллі стала першим барометром. Саме із цього досліду почалося наукове спостереження за погодою, найважливішими характеристиками якої є тиск і температура.

Слід зазначити, що експеримент Торрічеллі не був бездоганним. Дана ним висота ртутного стовпа, якщо взяти до уваги висоту Флоренції над рівнем моря, відповідає 74,2 сантиметра ртутного стовпа. Невелике значення цієї величини, вочевидь, можна пояснити тим, що в «торрічеллієвій пустоті» залишалася ще якась кількість повітря.

Блез Паскаль

Отже, основним досягненням Торрічеллі є відкриття й дослідження атмосферного тиску, що викликало великий резонанс серед фізиків. Він також фактично відкрив закон про поширення тиску газу в усі боки, що остаточно сформулював французький математик, фізик і філософ Блез Паскаль (1623–1662). Основні його фізичні роботи стосуються гідростатики, де в 1653 році він сформулював один із фундаментальних її законів про повну передачу рідиною тиску, що діє на неї (закон Паскаля), і встановив принцип дії гідростатичного преса. Також він висловив ідею про залежність атмосферного тиску від висоти, відкрив залежність тиску від температури й вологості повітря й запропонував використовувати барометр для прогнозування погоди. В галузі філософії Паскаль чітко сформулював основні тези наукового пізнання, розвинув поняття «філософія розуму» і «філософія серця». На його честь названа одиниця тиску – паскаль.

Паскаль, який рано виявив видатні математичні здібності, являє класичний приклад геніальності отроків. Зовсім малий, він розмірковував про «високі матерії», справляв на оточуючих враження крихітної дорослої людини, а ще він вражав своїми короткими, досить точними відповідями, а ще більше – питаннями про природу речей. А вже у 18-літньому віці Блез винайшов лічильну машину – «бабусю» майбутніх арифмометрів. Юний конструктор записав, не знаючи ще, що думка його на століття випереджає свій час: «Обчислювальна машина виконує дії, що наближаються до думки більше, ніж усе те, що роблять тварини». Машина принесла йому популярність. Його формули й теореми могли оцінювати лише лічені люди, а тут машина – подумати тільки – рахує сама! Юрби людей квапилися в Люксембурзький сад, щоб подивитися на диво-машину, про неї складали вірші, їй приписували фантастичні можливості. Так Блез Паскаль став знаменитою людиною.

Ще одним із послідовників Галілея і Торрічеллі був англійський хімік, фізик і філософ, член Лондонського королівського товариства Роберт Бойль (1627–1691). Він провадив фундаментальні експерименти з повітрям: визначення ваги повітря, вимір ступеня розрідження повітря, доведення неможливості без повітря горіння, життя, поширення звуку. Йому належать фізичні праці в області молекулярної фізики, світлових і електричних явищ, гідростатики, акустики, теплоти, механіки. В 1660 році він удосконалив повітряний насос Геріке, встановив нові факти, які виклав у «Нових фізико-хімічних дослідах, що стосуються пружності повітря». Показав залежність точки кипіння води від степеня розрідження навколишнього повітря й довів, що підйом рідини у вузькій трубці не пов’язаний з атмосферним тиском. В 1661 році вчений відкрив закон Бойля, сконструював барометр і ввів назву «барометр». Зробив перші дослідження пружності твердих тіл, був прихильником атомізму. В 1663 році він відкрив кольорові кільця в тонких шарах, що ввійшли в науку як кільця Ньютона, а в 1661 році сформулював поняття хімічного елемента й увів у хімію експериментальний метод, заклавши початок хімії як науки.

Роберт Бойль

Довідавшись із наукових публікацій про роботи німецького фізика Отто Геріке, Бойль вирішив повторити його експерименти й для цього винайшов оригінальну конструкцію повітряного насоса, що був побудований за допомогою Гука. Дослідники майже повністю видалили насосом повітря. Однак всі спроби довести присутність ефіру в порожній посудині залишалися марними. «Ніякого ефіру не існує», – зробив висновок Бойль. Пустий простір він вирішив назвати вакуумом, що латиною означає «пустий».

Коли Бойль відкрив свій закон про залежність об’єму повітря від тиску, то значення його він сам спочатку не зрозумів. Аналогічні дослідження незалежно провів настоятель монастиря в Діжоні Едм Маріотт (1620–1684), який опублікував свої спостереження в 1676 році у праці «Про природу повітря». Тому цей закон називають законом Бойля – Маріотта. Зарадисправедливості, слід сказати, що закон мав би носити ім’я чотирьох учених, бо в роботі Бойля брали участь також молоді фізики Роберт Гук та Річард Таунлі, і саме Таунлі сформулював закон Бойля на підставі багатьох експериментів. Але Бойлю належить ідея експериментів.