2. Леонардо да Винчи в истории опытных наук
Со второй половины XV века рождается новое опытное естествознание. Ф. Энгельс так характеризовал этот период в истории науки: «Это был величайший прогрессивный переворот из всех пережитых до того времени человечеством, эпоха, которая нуждалась в титанах и которая породила титанов по силе мысли, страсти и характеру, по многосторонности и учёности...»[2]. Среди этих титанов эпохи Возрождения Ф. Энгельс одними из первых называет Леонардо да Винчи, «который был не только великим живописцем, но и великим математиком, механиком и инженером, которому обязаны важными открытиями самые разнообразные отрасли физики…»[3]. Интересы среды, в которой вырастал Леонардо, были направлены к природе. Представители этой среды видели природу сквозь призму художественного, ремесленного, инженерного и строительного опыта, они угадывали в природе механические закономерности, еще не умея даже назвать их.
С тех пор, по мере того, как извлекаются из могилы всё новые и новые части рукописей, представляющих собой огромнейшую и оригинальнейшую энциклопедию, всё больше разрастается восторженное восхищение перед этим титаном, с единодушием, не имеющего примера в истории науки.
В этих рукописях и в бесчисленных заметках, записанных на отдельных листках и клочках бумаги, затрагиваются и разрабатываются самые разнообразнейшие отрасли знание; если мы возьмём только те из них, которые относятся к наукам в тесном смысле, то увидим, что это дивный ум занимался и анатомией, и зоологией, и ботаникой, и геологией, и палеонтологией, и химией, и астрономией, и географией, включая и физическую географию, и космографией, и топографией. В различных отраслях математики, как частной, так и прикладной, особенно же в теории перспективы, в механике, в гидравлике, в океанографии, а также в различных отраслях гражданского и военного строительства и в баллистике он был верховным авторитетом.
В области физико-математических и естественных наук нет ни одного уголка, в котором он не произвёл бы самостоятельных изысканий и в котором он не оказался бы предтечей будущих успехов. Его равно занимали как арифметика, так и гидростатика, как оптика, так и акустика, и магнетизм. Уже одного только этого было бы совершенно достаточно, чтобы вполне подтвердить данное ему название первого представителя новой эры.
Экспериментальные исследования данного времени в значительной мере связываются с именем Леонардо да Винчи. Исследователи его творчества полагают, что ничего существенно нового в развитие теоретической механики он не внес. Его сила заключалась в разнообразной экспериментальной деятельности. При этом важны оказывались не столько результаты экспериментов, сколько сама нацеленность на эксперимент как главный источник знания и технику постановки эксперимента. Важные эксперименты были поставлены им по проблемам падения тел, влиянию движения тела на силу удара, испытанию на разрыв, трению тел. В области исследования трения между твердыми поверхностями ему принадлежит заслуга выведения из поставленных им экспериментов закона трения, гласившего: "Каждым тяжелым телом побеждается сопротивление трения весу, равное четвертой части этого веса". Открытие этого закона было важным вкладом в развитие экспериментальной механики. Историки науки совершенно справедливо склонны важность открытия этого закона усматривать прежде всего в том, что впервые закон был открыт в результате физического эксперимента - и в этом смысле Леонардо значительно опережал свое время не столько результатами исследования, сколько пониманием задач, возникавших под влиянием бурного развития техники. Сама постановка подобных экспериментов, демонстрировавшая их огромные возможности, стимулировала интерес к экспериментальной физике.
Противопоставив схоластике опытное знание, Леонардо, таким образом, заложил основы экспериментального метода естествознания, открывающего широкие перспективы для использования математики. "Мудрость есть дело опыта" и “Нет достоверности в науках, не использующих математики" - эти провозглашенные им принципы являются двумя сторонами его метода. И в этом смысле Леонардо справедливо рассматривается как предшественник современного естествознания.
Использование своего метода позволило Леонардо сформулировать важные положения. Аристотелевская физика исходила из того, что движение для своего сохранения требует силы. Леонардо в противоположность этому свидетельствует, что всякое движение стремится к своему сохранению, т.е. движущееся тело движется до тех пор, пока в нем сохраняется сила его движения. Это утверждение уже означало существенное продвижение в понимании природы движения от Аристотелевских положений к открытию закона инерции – Леонардо устанавливает факт существования инерции, инерционного движения. Причиной движения является сила, причиной силы выступает движение. Сила рождается при внезапном увеличении тела (так при выстреле из пушки выталкивается ядро), а также путем скручивания и сгибания тел вопреки их естественному состоянию (на этом основано движение баллисты, лука). По мнению академика С.И. Вавилова, Леонардо является зачинателем фотометрии как точкой измерительной науки. Многочисленные опытные наблюдения Леонардо имели принципиально важное значение для последующих теоретических разработок (принцип суперпозиции, телескопический эффект и т.д.), но они не были использованы в полной мере его современниками. Тот факт, что его записи велись зашифрованным способом, а также то, что в рамках потребностей практики того времени многие его замыслы не могли быть реализованы, определили невостребованность его идей. Дж. Бернал охарактеризовал судьбу идей Леонардо: «Изучение бесчисленного множества механических аппаратов, предложенных и обрисованных Леонардо, начиная от прокатных станов до подвижных землеройных машин, раскрывает другой аспект трагедии его гения. Он мог изобретать машины чуть ли не для любой цели и рисовать их несравненно хорошо, однако почти ни одна из них и ни одна из наиболее важных не смогла бы работать, даже если бы он сумел найти достаточно денег, чтобы их сделать. Без количественного знания статики и динамики, без использования первичного двигателя вроде паровой машины инженер эпохи Возрождения фактически не мог даже выйти за пределы, установленные традиционной практикой. Заслуга его заключается не столько в том, что он сделал для развития машин, сколько во внушении образованному миру идеи о том, что действия природы могут быть объяснены с помощью механики»[4].
Его ум, помимо универсального характера и глубины, поражает также своей необычной изобретательностью во всех областях, как в самых важных, так и в совершенно незначительных. Уже в юные годы Леонардо рисовал различные машины и набрасывал схемы гидротехнических сооружений на реке Арно. Для Леонардо искусство всегда было наукой. Заниматься искусством значило для него производить научные выкладки, наблюдения и опыты.
Известно, что Леонардо даВинчи был изобретателем многочисленных приборов, предназначенных для решений математических задач (пропорциональный циркуль, прибор для вычерчивания параболы, прибор для построения параболического зеркала и др.). В то же время о механике Леонардо утверждает: «Механикаесть рай математических наук, посредством неё достигают математического плода»[5]. Работы в области механики, которые проводил Леонардо, можно сгруппировать по следующим направлениям: законы падения тел; законы движения тела, брошенного под углом к горизонту; законыдвижения тела по наклонной плоскости; влияние трения на движение тел, теория простейших машин (рычаг, наклонная плоскость, блок); вопросы сложения сил; определение центра тяжести сил, вопросы связанные с сопротивлением материалов. Рассматривая движение тела, брошенного под угломк горизонту, он показал, что траекторией его движения должна быть парабола, таким образом, рассеял заблуждения Аристотеля. Много ценных мыслей высказано Леонардо да Винчи и о сохранении движения, то есть он вплотную подошел к закону сохранения энергии.
Леонардо приблизился к одной из самых основных идей механического объяснения природы – к идее однородности пространства. Для него характерно распространение законов, управляющих наземным миром, на подлунный мир. Эта тенденция впоследствии выстроилась и слилась с обратным процессом – распространением на космос законов земной механики – и была завершена в системе Ньютона.
Леонардо говорит об однородности вселенной, об отсутствии в ней центра, тем самым он лишает Землю ее привилегированного положения и приходит к относительности и взаимности движений небесных тел вокруг Земли. Таким образом, Леонардо да Винчи указывает на несостоятельность гелиоцентрической системы Птолемея. Леонардо принадлежит конструкцияметательных аппаратов множество других машин.
Очень характерно для механики Леонардо да Винчи стремление вникнуть в сущность колебательного движения. Он приблизился к современному определению понятия резонанса. В трудах по оптике, пожалуй, больше, чем в какой-либо другой области сказалось сочетание научного гения Леонардо да Винчи с дарованием художника. Несомненно, что Леонардо шел к вопросам оптики от живописи; теория света и теней, теория цвета привлекала его внимание, прежде всего как живописца. Но как физика его интересовала и природа сама по себе. Не случайно ему принадлежат плодотворные, прогрессивные для его времени, мысли об аналогии между распространением волн в воде и распространением света. Теория света и теней находила у Леонардо применение не только в живописи, но и в астрономии: толкуя свет Луны как отражение солнечных лучей от лунных морей бороздимых волнами. Леонардо проявлял особый интерес к законам распространения света и тьмы на волнующейся водной поверхности. Наблюдательность и острота физического мышления Леонардо позволили ему сделать интересные наблюдения и сформулировать ряд положений и задач.