Европейская физика XIV и XV веков

Историки науки отмечают, что ни одно столетие в научном отношении не представляло столь жалкого и прискорбного зрелища, как XIV век в Западной Европе. В XIII веке, в связи с приходом нового знания из Византии, можно было надеяться на близкое пробуждение умов. Университеты возникали один за другим, был сделан ряд научные открытий, и метод опытного исследования был противопоставлен схоластическим истолковательным приемам. Несмотря, однако, на все это, наступил не новый научный прорыв, а паралич умственной деятельности. Безотрадную пустыню этого столетия не оживляет ни одно открытие, ни одна светлая личность, выдающаяся своей ученостью.

В XIV столетии спорный вопрос между наукой и верой был поставлен более ясно, и учение Фомы Аквинского получило очень важное дальнейшее развитие. По первоначальным понятиям, формы были чем-то вроде неизменных субстанций, смешивающихся между собою в определенных количествах: в таком-то сером цвете имеется столько-то белого и столько-то черного цвета. Теперь же под формой стали понимать лишь физическое качество, изменяющееся по различным степеням какой-то шкалы: такой-то серый цвет имеет такую-то степень густоты на таком-то расстоянии от исходной точки, от совершенно белого или от совершенно черного цвета.

Интенсивность формы получила название ширины (latitudo). Ее изменения попытались определять математически. Например, если изобразить время посредством отрезка прямой, проведенной от исходной точки вправо, то «ширина» формы в данный момент может быть выражена перпендикуляром, восставленным из окончания этого отрезка. Этот способ тождествен с нашим способом изображения хода какого-либо явления посредством текущей ординаты кривой. Подобные воззрения с середины XIV и до начала XVII столетия обычно преподавались в университетах, и относительно «ширины» форм было написано немало трактатов и комментариев. Первыми авторами подобных сочинений были английский монах Ричард Суисет и француз Николай Ореэм, жившие около 1350 года. До сих пор не решен окончательно вопрос, кому из них следует приписать первенство. Не выяснено, какие идеи привели их к этой новой теории, которую ни один из них как будто не приписывал лично себе.

Отголоском достижений XIII века выглядит сочинение по оптике монаха Теодорика (ок. 1311 года). Он подробно и верно описывает ход светового луча через дождевую каплю для главной радуги и для радуги второго порядка: каждый солнечный луч главной радуги преломляется вверху капли, отражается от задней ее стенки и вторично преломляется внизу капли; радуга же второго порядка происходит в результате двоякого преломления и двоякого отражения лучей. Однако вследствие незнания законов преломления Теодорик не смог объяснить, почему только те лучи, которые падают на места, указанные чертежом, дают в нашем глазу изображение радуги. Он призывает на помощь схоластическое предположение, что эти места особенно предназначены природой для преломления и отражения. Сочинение Теодорика долгое время было скрыто в библиотеке монахов-проповедников в Базеле и осталось без всякого влияния на науку. Оно увидало свет только в 1814 году.

Известный немецкий часовой мастер Гейнрих-фон-Вик устроил в 1364 году на здании парижского парламента первые колесные часы с боем. С этого времени и большинство германских городов начало обзаводиться башенными часами. Тем не менее и механические часы следует считать изобретением XIII века, сделанным в Италии. Об этом говорит то обстоятельство, что в Германии долгое время оставалось в употреблении итальянское подразделение часов от 1 до 24.

В это время схоластика не успела еще познакомиться со всеми классическими учеными, остановившись на Аристотеле, но даже его не знала в оригинальной форме. Схоластикам недоставало знания греческого языка; их знакомство с греческой наукой произошло через латинские переводы, которые, в свою очередь, не были сделаны с подлинников. Даже сочинения Аверроэса были латинским переводом с еврейского перевода одного арабского комментария к арабскому же переводу с сирийского.

Петрарка (1304–1374) жалуется, что в Италии не насчитывается более 10 человек, способных оценить Гомера, а Боккаччо (1313–1375) с большим трудом находит кафедру греческого языка во Флоренции, чтобы пристроить на работу византийца Леонтия Пилата. Да и то ненадолго, так как ученый «в философском плаще и с всклоченной бородой» вскоре покинул Италию, исполненный глубокого отвращения. Зато в XV веке, после взятия Константинополя турками ученые, бежавшие оттуда, очень скоро распространили греческий язык по всей Европе, а расцветающий гуманизм не только подготовил падение схоластики, но и косвенным образом повлиял на развитие естественных наук, открыв большую свободу мысли вообще и расширив круг знакомства с греческой наукой о природе.

Самым оригинальным мыслителем XV столетия был бесспорно Николай Кузанский (1401–1464).

Николай Кребс, также называемый де-Куэза или Кузанский, был сыном рыбака из города Куэзе на Мозеле. В качестве люттихского архидиакона он заявил себя энергическим противником папы на Базельском соборе, но впоследствии сделался кардиналом и епископом Бриксенским. Он возродил учение Пифагора о движении Земли. В сочинении «De docta ignorantia» («Об ученом невежестве») старался доказать, что всякое бытие заключается в движении и что Земля уже потому не может находиться в центре Вселенной, что бесконечная Вселенная не может иметь центра. Поскольку всем телам свойственно движение, то и Земля не может быть неподвижной. Его теории земного движения довольно-таки темны, но из них все-таки явствует, что он думал о движении Земли вокруг ее оси как о некотором движении нашей планеты вместе со всей Солнечной системой «вокруг вечно вращающихся мировых полюсов».

Он дал совершенно новую систему физических понятий. По его мнению, все научные познания в области физики должны выражаться в некоторых числах и все наблюдения, имеющие целью изучение природы, должны производиться с весами в руках. Правда, его собственные измерения оказались чисто фантастическими, и автор даже не замечал причин их ошибочности. Но важно было уже то, что Николай Кузанский сформулировал общий принцип.

Главная трудность, которую он хотел преодолеть, заключалась в том, чтобы отыскать то абсолютно единое начало, которое проходит через все построение Вселенной. Для разрешения этой проблемы он придумал следующую смелую формулу, из которой делал подчас самые странные применения: утверждал, что противоположности и в бесконечно большом, и в бесконечно малом совпадают.

Николай Кузанский воскресил также понятие о протяженных, неделимых ни актуально, ни в возможности атомах. Однако он не рискнул утверждать, что существует пустое пространство, – доводы Аристотеля против возможности пустоты казались убедительными в течение всех Средних веков. Наконец, он считал невозможным разложение тел на совершенно простые элементы.

Механику Кузанского нельзя назвать ни философской, ни математической; в ней попадаются черты той и другой, но изобилует она преимущественно фантастическими проектами, – явление весьма частое в те времена, предшествовавшие возникновению экспериментальной физики. Средневековый механик высказывает свои мысли, не имея намерения осуществлять их, не заботясь даже о том, осуществимы ли они вообще или нет. Тем не менее подобные проекты дали начало экспериментальной физике.

Путешествие Колумба (1492) имело один важный результат для физики, именно для учения о магнетизме. Компас вошел уже в общее употребление у моряков, но в это время, столь чуждое всяким научным интересам, никто не позаботился ни об исследовании таинственной силы, направляющей магнитную стрелку, ни даже о точном изучении ее направления. Возможно, что при недостатке кругового деления под магнитной стрелкой или не замечали ее отклонения от северного направления, или объясняли его несовершенством устройства магнитной стрелки. Так или иначе, до Колумба было известно только восточное склонение, наблюдавшееся в прибрежиях Средиземного моря.

И вдруг Колумб к великому своему удивлению заметил вечером 13 сентября (он производил астрономическое определение на расстоянии 200 морских миль к западу от о. Ферро), что магнитная стрелка отклонилась на запад, притом на целых 5°, и что это отклонение постоянно увеличивалось по мере удаления на запад. Этим открытием было не только установлено склонение магнитной стрелки вообще, но и различие его для разных мест земного шара. С этих пор число наблюдений над направлением стрелки постепенно увеличивается, а вместе с тем начинаются и опыты для объяснения этих загадочных явлений.

С конца XV века многие науки начинают получать практическое воплощение. В частности, происходит резкий сдвиг в практическую область оптики, во многом благодаря трудам Леонардо да Винчи.

Леонардо да Винчи (1452–1519) родился в Винчи, близ Флоренции, и уже в 1480 году писал в Милане для доминиканской церкви св. Марии свою знаменитую «Тайную вечерю». В 1502 году он отправился путешествовать по Италии для обозрения крепостей, по поручению Валентина Борджиа; в 1507 году был занят сооружением мартезианского канала близ Милана; в 1509-м – руководил постройкой канала св. Христофора. В 1511 году Леонардо да Винчи проявил большую активность при вступлении в Милан Людовика XII, а в 1515-м – при вступлении туда Франциска I. В следующем году он в качестве придворного живописца отправился с королем во Францию и умер здесь в 1519 году.

Его научные познания отличаются такой же разносторонностью, как и его практическая деятельность, и касаются не только теории искусств, но и математики, астрономии и описательных естественных наук. При всем том Леонардо не был обыкновенным энциклопедистом, относящимся пассивно к воспринятому; напротив, он обнаружил, особенно в понимании физики, такой мощный и обширный ум, что опередил свое время более чем на целое столетие.

Леонардо основательно изучил труды древних и вынес убеждение, что одно философское направление не способно двинуть физику вперед, тогда как приложение математики даст плодотворные результаты: «Механика – истинный рай математических наук, потому что при ее посредстве можно вкусить от плодов математического познания». Но вместе с тем ему было ясно, что прежде чем приложение математики сделается вообще возможным, наблюдение должно накопить достаточный запас фактических данных, и он особенно настаивает на необходимости наблюдения и систематического опыта для познания частных явлений, от которых далее можно подняться к общим законам.

Следуя такому приему, Леонардо устанавливает, что тело падает по наклонной плоскости тем медленнее, чем длина ее больше высоты; а затем, правда, без доказательства, высказывает замечательное положение, что тело падает по дуге скорее, чем по соответствующей ей хорде. Его представление о свободном падении тел тоже гораздо рациональнее общепринятых в то время, так как относительно нарастания скорости падения он находит, что ускорение это происходит в арифметической прогрессии. Задачу косого рычага Леонардо разрешает, заменив его теоретическим рычагом, плечи которого перпендикулярны к направлениям силы. Далее, мы находим у него знание явлений капиллярности, знание веса воздуха, стоячих водяных волн, трения и т. д. Физические работы Леонардо сохранились в виде разрозненных листков.

Идея союза науки и практики проявилась и в его оптических исследованиях. В «Атлантическом кодексе» и других манускриптах им были поставлены и решены задачи построения хода лучей в глазе, рассмотрены вопросы аккомодации и адаптации глаза, дано научное объяснение действия линз, зеркал и очков, изучаются вопросы аберраций; зарисованы каустические поверхности, приведены результаты первых фотометрических исследований, описаны технологии изготовления линз и зеркал.

Особо важными представляются объяснения Леонардо да Винчи перевернутых изображений, даваемых камерой-обскурой, поскольку, помимо изображений на картинах художников и возникающих в глазу человека, в те годы это был единственный пример действительного оптического изображения. Историческая роль камеры-обскуры состоит в том, что она четко разграничила понятия свет и зрение. Изучение бинокулярного зрения привело Леонардо да Винчи к созданию около 1500 года стереоскопа, он изобрел ряд осветительных устройств, в том числе ламповое стекло. В 1509 году им была предложена конструкция станка для шлифовки вогнутых зеркал, подробно описано изготовление параболических поверхностей.

Леонардо обнаружил разницу между распространением звуковых и световых волн, исследовал отражение и преломление звуковых волн, эхо, скорость звука и факторы, определяющие степень громкости, исследуя для этого законы, управляющие затуханием звука, посредством изменения расстояния между источником звука и ухом. В результате он создал некую перспективу звука, подобную законам оптической и изобразительной перспективы.

Леонардо серьезно интересовался оптикой, поскольку практические вопросы, связанные с оптикой, были близки к живописи, а главным в жизни Леонардо была, конечно, живопись. Считая живопись наукой, Леонардо писал: «Наука живописи распространяется на все цвета поверхностей и на фигуры одетого ими тела, на их близость и отдаленность с соответствующими степенями уменьшения в зависимости от степеней расстояния. Эта наука – мать перспективы, т. е. учения о зрительных линиях».

Разносторонний гений Леонардо да Винчи вызволил наконец и механику из ее продолжительного летаргического сна. Но хотя он явно дал толчок новым исследованиям, собственные работы при его жизни остаются в неизвестности.

В это время статика делает некоторые успехи, исходя из архимедовых данных, но динамика остается всецело в руках аристотелианцев. Распространение компаса ведет к новым наблюдениям над магнитной силой, однако только в начале следующего столетия Гильберт даст теорию земного магнетизма.