Естественнонаучное познание эллинистически-римского периода

Культура эллинизма. 10 июня 323 г. до н.э. - скончался Александр Македонский, но эта дата может быть условно названа началом эпохи эллинизма - своеобразного периода в истории культуры, который охватывает почти тысячу лет - вплоть до падения Западной Римской империи (от IV в. до н.э. до Vв. н.э.), это и эпоха греческой экспансии на Восток, волна греческой колонизации.

Римская империя, впитала в себя эллинистическую культуру. Эллинистически-римская культур как историческая целостность, как синтез греческой и восточной культур способствовала развитию конкретных наук математики и астрономии.

Новые города строились по греческим канонам. В каждом городе существовали стадион, театр, гимнасии. Одним из наиболее известных таких городов была Александрия, как главный научный центр Востока (к концу I в. до н.э. в Александрии проживали около миллиона жителей). Александрия славилась знаменитой библиотекой, основанной в середине III в. до н.э.; она насчитывала свыше 700 тыс. папирусных свитков, в которых были собраны все основные сочинения античной эпохи. Александрийская библиотека являлась частью Музея (храма муз), в котором размещались астрономическая обсерватория, зоологический и ботанический сад, помещения для жизни и работы ученых, приезжавших сюда из разных стран.

Во многих странах пользовался широким признанием и уважением слой культурной интеллигенции - людей, профессионально и творчески занимающихся умственным, организационным трудом.

Значительно изменился духовный мир человека, для эллинизма характерна психологизированная (интимно-личностная, эмоционально окрашенная, полная теплоты, переживания и сердечности) индивидуальность; индивид, получил возможность углубиться в свою собственную личность, сделать мир своих мыслей и чувств важнейшим предметом духовного освоения, научно-философского познания.

Вопросы объективного устройства мира, законов природы передаются от философии к конкретным наукам.

Александрийская математическая школа. В древнегреческой культуре развитие получила прежде всего математика. С деятельностью александрийской математической школы связна качественно новый этап в развитии математики. У ее истоков стоял великий математик древности Евклид (последняя четверть IV - первая четверть III в. до н.э.). В своем основном труде «Начала» (13 книг), Евклид изложил все достижения древнегреческой математики в систематизированной аксиоматической форме (школьная геометрии построена на основе «Начал»).

Универсальной ученостью отличался Эратосфен, он известен как ученый, определивший размеры земного шара, открывший «решетки Эратосфена» (способ выделения простых чисел из любого конечного числа нечетных чисел, начиная с трех).

В Александрии начинал свой творческий путь и Архимед, он определял площади и объемы методом «исчерпывания», центров тяжести, развил метод приближенного измерения величин.

Математик Никомед стал известным открытием алгебраической кривой конхоиды (в полярных координатах эта кривая имеет вид p = А + В / cos φ), которую он применял для решения задач удвоения куба и трисекции угла.

Величайший математик древности Аполлоний Пергский разработал теорию кривых второго порядка - эллипса, параболы и гиперболы или теорию конических сечений (дал основы аналитической и проективной геометрии). Аполлоний предложил метод описания неравномерных периодических движений как результат сложения более простых - равномерных круговых движений, как важнейшую предпосылкой создания геоцентрической системы Клавдием Птолемеем.

Величайший алгебраист Диофант Александрийский разработал алгебраическое исчисление, в котором систематически исследовались алгебраические символы, правила решения уравнений, приемы решения некоторых квадратных и кубических уравнений и другое.

Развитие теоретической и прикладной механики. В древнегреческий период наиболее обстоятельно была разработана статика (и гидростатика) Архимедом. Сочинения Архимеда лишены видимой связи с практикой, они абстрактны, как и «Начала» Евклида. Архимеду принадлежит установление понятия центра тяжести тел, теоретическое доказательство закона простого рычага, формулировка правила сложения параллельных сил: в гидростатике Архимед открыл закон, носящий его имя – закон Архимеда.

Главная проблема динамики состояла в объяснении основного закона механики Аристотеля: скорость движения тела пропорциональна приложенной к нему силе. Но при прекращении действия силы на тело оно сейчас же должно остановиться, однако во многих случаях этого не происходило.

Для объяснения этих явлений в VI в. возникла «теория импетуса», ее родоначальник, греческий ученый Филопон полагал, что движущемуся телу движущее тело сообщает некую «движущую силу», которая продолжает некоторое время двигать это тело, пока вся не израсходуется.

Получила развитие и прикладная механика - создание разного рода механизмов и машин для ремесла, в строительстве и гидростроительстве (создание сложных блоков, лебедок, зубчатой передачи, архимедова винта и т.д.); создание метательной артиллерии и новых типов военных судов; театральной техники - подъемные сценические устройства.

В III в. до н.э. возникла отрасль механики, пневматика (использование давления воздуха для создания разного рода механических устройств). Основателем этой отрасли считают Ктесибия, Он изобрел двухцилиндровый водяной насос, управление которого осуществлялось с помощью сжатого воздуха; водяных часов; военных метательных машин, использовавших силу сжатого воздуха.

Известным изобретателем механизмов был Герон Александрийский, он изобрел сифоны и автоматы: проводил опыты с нагретым воздухом и паром, используя реактивное действие струи пара, построил прообраз реактивного двигателя.

Становление математической астрономии. Модели Космоса в древнегреческой натурфилософии носили умозрительный характер, только в V в. до н.э. пифагорейцами было осознано различие между звездами и планетами и установлено существование пяти планет. Пифагореец Филолай построил модель Вселенной (первая из известных древних моделей): в центре Вселенной находится огонь - Гестия, вокруг которого вращается сферическая Земля. Центральный огонь невидим для нас потому, что между Землей и Гестией расположена Антиземля (Антихтон) - темное тело, подобное Земле. Солнце - шар, прозрачный, как стекло, получает свой свет и тепло от Гестии. Все остальные планеты вращаются вокруг нее.

В V в. до н.э. развивается наблюдательная астрономия: обнаружено неравенство четырех времен года; измерен наклон эклиптики (движения Солнца, Луны и планет) к небесному экватору (около 24°); создан лунно-солнечный календарь; установлено, что планеты движутся по небу по траекториям, с попятным петлеобразным движение.

То есть созревали теоретические предпосылки моделирования астрономических явлений, создания математических моделей Вселенной. Создание математической теории движений небесных тел началось еще в платоновской Академии. Планеты («блуждающие светила») движутся по чрезвычайно сложным траекториям, которые включают в себя колебательные движения, попятное петлеобразное движение и др. Потребовалось «спасения явлений» т.к. господствовало представление о том, что истинное движение носит идеальный геометрический характер.

Все развитие математической астрономии в античном мире определялось этим требованием «спасения явлений», т.е. предпринимались попытки устранить противоречия между наблюдаемыми движениями планет на небе и мировоззренческими представлениями об устройстве Космоса, об идеальном движении небесных тел.

Евдокс Книдский предложил метод гомоцентрических сфер космологии Аристотеля: Космос состоит из определенного количества вращающихся сфер, с общим центром, совпадающим с центром земного шара; самая дальняя сфера - это сфера неподвижных звезд, совершающая оборот вокруг мировой оси в течение суток. Для Солнца, Луны и пяти планет существуют отдельные независимые системы сфер; каждая сфера вращается вокруг своей оси, однако направление этой оси и скорость вращения у разных сфер различны. Любая сфера увлекает следующую за ней сферу и участвует в движении всей системы сфер данного небесного тела. Само небесное тело крепится к экватору самой внутренней из сфер данной системы. Для Луны и Солнца Евдокс предлагал системы из трех сфер, а для каждой планеты - из четырех.

Более усложненной эта модель была в космологии Аристотеля, поскольку он пытался создать некую единую систему движения всех небесных тел, единый физический Космос на основе принципа отсутствия пустоты. В его модели Вселенной сферы различных планет передают свое движение друг другу, вследствие чего теряется независимость движения каждого отдельного светила (планеты). Чтобы сохранить независимость движения каждой планеты, Аристотель вынужден был добавлять к каждой системе сфер дополнительные сферы, компенсирующие вращательный эффект первых. В результате в аристотелевской модели количество основных и компенсирующих сфер достигает 55-ти.

Концепция гомоцентрических сфер не получила развития в послеаристотелевскую эпоху, в ней расстояние от любой планеты до Земли постоянно, возникла потребность в поиске новых теоретических моделей описания движений небесных тел (с идеями и теориями античного гелиоцентризма (Гераклид Понтийский, Аристарх Самосский)), однако, это противоречило общими мировоззренческими представлениями о центральном положении Земли, человека во Вселенной (антропоцентризм) и прочее.

Эпициклы и деференты. Великий древнегреческий астроном Гиппарх, впервые использовал в астрономии предложенный Аполлонием Пергским геометрический метод описания неравномерных периодических движений. Он разработал теорию эпициклов (движение небесных тел происходит равномерно по круговой орбите – эпициклу, центр которого, в свою очередь, совершает равномерное вращение вокруг Земли по круговой орбите – деференту), и (или) теорию эксцентриков (небесные тела равномерно движутся по окружности, центр которой не совпадает с центром Земли).

Гиппарх привлекал для описания движения Солнца и Луны теорию эксцентриков. Он определил положение центров эксцентриков для Солнца и Луны, впервые в истории астрономии разработал метод и составил таблицы для предвычисления моментов затмения (с точностью до 1-2 ч).

Гиппарх составил каталог положений на небесной сфере 850-ти звезд, разбив все звезды на шесть классов и назвав самые яркие звездами первой величины. Он обнаружил, что все звезды, отмеченные в его каталоге, как бы сместились по долготе, т.е. вдоль эклиптики, к востоку от начала отсчета долгот - точки весеннего равноденствия (пересечение эклиптики и экватора) и заключил, что сама точка весеннего равноденствия отступает в обратном направлении. В результате Солнце в своем годовом движении с запада на восток каждый раз встречает точку весеннего равноденствия немного раньше, не доходя до того места, откуда оно год назад начинало свой путь по эклиптике (предварение равноденствия, или прецессия). Гиппарх весьма точно оценил ее значение (46, 8" в год, по современным данным – 50, 3"). Открытие прецессии позволило Гиппарху установить, что солнечный и звездный годы различаются на 15 минут (по современным данным, около 20 минут).