Природознавство і техніка

Розвитку науки, зростанню її ролі у виробництві, становленню технічних наук у вирішальній мірі сприяло вдосконалення математики та її все більш інтенсивне використання у формулюванні наукових знань. Введення буквеної символіки в алгебраїчні докази, створення таблиць логарифмів, аналітичної геометрії, диференціального числення дозволили зробити механіку а потім і інші науки точними, а їх результати – доступними для практичного застосування. Математика стала інтегруючим фактором науки, а з середини XIX в. – методом отримання наукових знань.

У XVI – XVII ст. заняття математикою стає професією, набуває інтернаціональний характер. Так, швейцарець, петербурзький академік Л. Ейлер (1707-1783) і француз, президент Берлінської академії наук Ж. Лагранж (1736-1816) суттєво продвинули вперед математичний аналіз, теорію чисел. На рубежі наступного століття розвитку математики сприяв Наполеон Бонапарт: він цікавився дослідженнями Лапласа, з його ініціативи вчені зайнялися складанням метричної системи заходів і нових тригонометричних таблиць. У XIX ст. математика стала застосовуватися для пояснення явищ теплоти, електрики, магнетизму.

У математиці, як і в будь-якій науці, існують теми, розробка яких триває протягом століть. Так, введення уявних чисел у XVIII ст. дозволило французькому математику О. Коші (1789-1837) закласти основи теорії функцій комплексного змінного – ця теорія широко використовується сучасною наукою. Два тисячоліття вчені-математики марно намагалися довести п'ятий постулат Евкліда, а до кінця XVIII ст. з'явилися інтуїтивні думки про можливість створення геометрії, в якій був би використаний постулат протилежного змісту. Професор Казанського університету Н.І. Лобачевський (1792-1856) створив варіант неевклідової геометрії. У 1856 р. німецький математик Б. Ріман (1826-1866) довів, що можуть існувати й інші варіанти геометрії. Такі використовуються широко в сучасній науці.

Як зазначалося вище, еталоном науковості в XVIII ст. стала механіка. Для неї створювалися передусім нові експериментальні прилади та обладнання, що вело до розвитку галузей механіки – гідромеханіки (науки про рівновагу та рух в рідинах), пневматики (науки про рух газів), балістики (науки про тверді тіла, що вільно рухаються в газоподібних середовищах). Розвитку механіки сприяло і відродження провансальським священиком П. Гассенді (1592-1655) античного вчення про атоми як частинки, що рухаються в порожнечі. Атомам були приписані властивості мати інерцію і важкість. Ідеї ​ ​ атомізму були використані І. Ньютоном. Потім на атомарному принципі створив вчення про будову речовини Д. Дальтон (1766-1844).

Істотний вплив на розвиток науки надавали результати, отримані у виробництві. Так сталося з термодинамікою. Відкриття в XVII ст. в області пневматики дозволили орієнтувати її на практику. У 1690 р. французький фізик Д. Папен (1647-1714) описав принцип роботи пароатмосферного двигуна. Його розробкою зайнялися Т. Севери, Т. Ньюкомен, Д. Уатт. У результаті цей двигун став найважливішою складовою частиною виробництва. А теоретичний аналіз принципів його роботи французьким інженером С. Карно в XIX в., поклав початок теоретичній термодинаміки, яка після відкриття принципу збереження енергії стала впливати на формування наукового світогляду: була висунута ідея «теплової смерті Всесвіту», а також зроблена спроба створити енергетичну картину світу.

Ще на початку XVII ст. англієць У. Гільберт почав вивчати електрику і магнетизм, який він вважав причиною, що утримує планети на орбітах. Ідеї ​ ​ Гільберта стали предметом уваги через сто років. До кінця XVI – XVII ст. сформувалася наука про електрику, робилися спроби її механістичного обґрунтування. Американський філософ і фізик Б. Франклін (1706-1790) запропонував розуміти електрику як рідину, існуючу у всіх тілах. Француз Ш. Кулон (1736-1806) написав формули математичних співвідношень для цієї рідини, що дозволяють досі виробляти кількісний опис явищ електрики. Схожість рівнянь математики для опису взаємодії зарядів електрики і полюсів магнітів спонукала вчених до думки про зв'язок цих явищ. У 1820 р. випадок допоміг датському вченому X. Ерстеду (1777 – 1851) встановити факт відхилення магнітної стрілки під впливом електричного струму. У 1831 р. англійський фізик-самоучка М. Фарадей (1791-1867) підтвердив факт виникнення електричного струму під впливом магніту. Він же передбачав існування магнітного поля, теорію якого розробив теж англієць К. Максвелл (1831-1879). З'явилася можливість створення електромагнітної картини світу. Практичне використання робіт з електромагнетизму і електрики призвело до створення електротехніки та радіотехніки, успіхи якої – справа наступного століття.

Фізичні знання сприяли розвитку хімії, яка склалася як наука в XVII в. в результаті синтезу практичного досвіду з отримання нових речовин і тисячолітніх досліджень алхіміків. Один із засновників Лондонського королівського товариства фізик і хімік Р. Бейль (1626-1691) сформулював досить точне визначення хімічного елемента і заклав основу кількісного вивчення речовини. Було введено поняття «флогістон» для визначення горючості речовини (флогістон як складова частина речовин, яку вони втрачають при горінні). Численні досліди привели Дж. Прістлі в 1774 р. до виділення флогістону, який згодом був названий киснем. Вдосконаленню кількісного аналізу в хімії сприяли ідеї Дальтона про атомарну будову речовини. Певним завершенням зусиль хіміків з упорядкування знань хімічних елементів слід вважати створення Д.І. Менделєєвим в 1869 р. Періодичної системи.

У XIX в. хімія розвивалася значною мірою під впливом потреб промисловості та сільського господарства. Відкриття нових речовин, їх штучний синтез сприяли розвитку хімічної промисловості, особливо в Німеччині. Практичні потреби в нових барвниках, а також інтенсифікація сільського господарства прагнули розвитку органічної хімії. Постала проблема кількісного аналізу нових речовин. Роботи німецького хіміка Ю. фон Лібіха (1803-1873) і французького біохіміка Л. Пастера (1825-1895) дозволили прийти до висновку про існування спеціальних молекулярних структур цих речовин. Така (бензольне кільце) була виявлена ​ ​ німецьким хіміком Кекуле в 1865 році. Ю. Фон Лібіх з'ясовував роль азоту, фосфатів, солей в житті рослин, заклавши тим самим основи біохімії – науки про єдиний процес взаємоперетворення речовин у природі.

Звернемося тепер до окремих технічних винаходів і відкриттів, щоб повніше звернути увагу на практичний ефект від науки. У результаті створення багатьох робочих машин та парового двигуна в кінці XVIII ст. в Англії, а на початку XIX ст. в інших країнах почалася промислова революція, яка стала найбільшим соціальним явищем, і поставила серйозні завдання і перед природознавством, і перед суспільними науками, і перед політиками. Розглянемо в цьому зв'язку деякі технічні вироби цього періоду – яка була їх доля.

Доречно почати з легкої промисловості – першої «ластівки» капіталістичного виробництва. Вона зацікавлена в прибутку, а значить, в споживачах, покупцях своєї продукції і насамперед тканин, взуття, одягу, а не верстатів і машин. Та й вартість основного капіталу на одиницю продукції тут нижче, ніж у машинобудуванні. Звичайно, для розвитку легкої промисловості була потрібна сировинна база. Вона виникла раніше всього в Англії початку XVIII ст., де вдосконалення в землеробстві різко підвищили прибутковість товарного виробництва необхідної сировини. А швидке зростання міст забезпечувало ринки збуту для хліба, м'яса, тканин і пр. До 1750 р. промисловість навчилася обробляти ввезену з колоній бавовну (до цього експортувалися тканини), що суттєво збільшило і урізноманітнило ринки збуту, а значить, і область застосування техніки. Традиції мануфактурного виробництва, заснованого на поділі праці, досвід майстрових, зростання сировинних ресурсів і потреб спонукали англійських винахідників в XVIII ст. створити необхідне ткацьке, прядильне, швейне обладнання (правда, перша швейна машина з'явилася у Відні, але перший патент на таку машину був отриманий в Англії в 1755 р.). Все це обладнання приводилося в дію спочатку водяними, а потім паровими двигунами, що робило його досить продуктивним, звільняло робочі руки. Деякі винаходи Харгрівса, Аркрайта, Вуда можна зустріти і в сучасних машинах.

Для здійснення революції в легкій промисловості були потрібні капітал і робоча сила. Джерелом накопичення були прибутки купців попередніх століть, експлуатація ресурсів, нововідкритих земель (для цього були потрібні техніка, нові типи транспортування), грабіж колоній. А робоча сила поставлялася політикою витіснення селян із землі при створенні там фермерських господарств знову-таки за наявності відповідної сільськогосподарської техніки. У свою чергу, для розвитку технічно-оснащеного виробництва були необхідні і нові капітали, і вільні руки, тобто зміна характеру суспільних відносин.

Погоня за прибутком і конкуренція в наступному столітті вимагали від власників підприємств вдосконалення цих відносин, використання досягнень науки на виробництві. Одної майстерності умільців – винахідників вже не вистачало. Зростала потреба в технічних винаходах, застосування яких не вимагало б робітників високих кваліфікацій. З'єднання винахідництва з науковими знаннями дозволило в XIX ст. збільшити продуктивність верстатів у легкій промисловості в кілька разів при розширенні асортименту і якості продукції.

Мореплавання, розвиток сільського господарства та легкої промисловості, а також потреби армії інтенсифікували металургійну та машинобудівну промисловість. На початку XVIII століття за допомогою фізичних і хімічних знань був створений кокс, довший можливість отримання дешевого чавуну. Але була необхідна сталь, виробництво якої було засекречено на Сході. Шляхом довгих експериментів французькому дослідникові природи А. Реомюром вдалося довести спорідненість заліза, сталі і чавуну і відкрити секрет виробництва сталі і заліза (1722). Але рецепти Реомюра довгий час здавалися нездійсненними, поки англійський винахідник Г. Бессемер (1813-1898) не знайшов в 1856 р. спосіб продування повітря через гарячий чавун з метою вигорання з нього зайвого кисню і перетворення на сталь. Майже одночасно брати Е. і П. Мартени (Франція) створили спеціальну піч для відновлення сталі з чавуну, названу їх ім'ям. Дешева сталь істотно вплинула на розвиток техніки, в тому числі і зброї, а значить, проклала дорогу до майбутньої «війні моторів».

Перешкодою для з'єднання механіки з машинобудуванням було спочатку як відсутність в науці практично застосовних конкретних формул, таблиць, схем, так і відсутність у машинобудівній практиці методів точного металлорізанія та інших способів обробки металу, відповідних пропонованим схемам, формулам. Тільки к XIX ст. була створена технічна наука про машинобудування, а також відповідні способи обробки металу. Природно, що застосування машин змінювало багато життєві цінності, в чомусь ускладнювало життя людини. Тому були не тільки захоплення з приводу нового прибульця, але і в XVII–XVIII ст. спроби позбутися від нього (наприклад, поломки машин витісняються з виробництва робітниками – луддізм), а також заборони властей застосовувати високопродуктивні машини. Так, з 1653 р. в Утрехті з'явилася машина для виготовлення мотузок з їх напівавтоматичним скручуванням, її продуктивність виявилася у п'ять разів вища раніше діючого обладнання – машину заборонили міська влада. У 1639 і 1648 рр. в Голландії була заборонена стрічкова машина, а в 1685 р. її публічно спалили в Гамбурзі. Але, ймовірно, цією машиною все ж користувалися, так як заборона знову повторив Карл VI. У 1620 р. курфюрст Саксонський прийняв закон, що забороняв цілий ряд верстатів. Однак заборони поступово спускалися на гальмах, бо ставало ясним, що без машин і без застосування наукових знань уже не обійтися; між наукою і виробництвом потрібен посередник – інженер. До числа перших інженерів можна віднести робітників, що володіли великим умінням і кмітливістю. Це були самоучки з виготовлення інструменту, гірничого та ткацького устаткування, двигунів та ін. Лише в 1850 р. сформувалася цілеспрямована підготовка інженерів у навчальних закладах як система.

Велике значення в новий час мав розвиток транспортної техніки і засобів зв'язку. У XIX ст. на допомогу прийшла наука. Частина вирішення проблеми парового залізничного транспорту належить Дж. Стефенсону – самоука, синові рудничного кочегара. Першим споживачем такого транспорту були вугільні басейни. З 1814 по 1829 рр. Стефенсону вдалося створити серію все більш досконалих паровозів, здатних пересувати склади вагою до 90 т. Техніка була визнана придатною для справи, коли вдалося обігнати кінь – традиційного візника вугілля в шахтах. Аж до середини XX ст., коли тепловози і електровози витіснили паровози з залізниць, всі типи паровозів створювалися на базі стефенсоновской «Ракети». Масове залізничне будівництво в Європі та Америці розгорнулося до середини XIX століття.

У 1803 р. на річці Сені в Парижі проходило випробування першого недосконалого пароплаву, побудованого Р. Фултоном. З створеного ним другого, більш досконалого пароплава, випробуваного в Гудзоні (США), почалася історія пароходобудування. «Клермонт» (так назвав своє дітище Р. Фултон) мав у довжину 43 м, водотоннажність – 15 т. На ньому була встановлена ​ ​ парова машина Уатта потужністю 20 кінських сил. Шлях від Нью-Йорка в 270 км він пройшов за 32 години. У 1819 р. морський пароплав «Саванна» дістався з Європи в Америку за 26 днів. Але пароходобудування в XIX ст. розвивалося повільно через важковирішувані проблеми економного використання палива.

Важливе відкриття на базі наукових знань здійснив в 1785 р. іспанський винахідник Ф. Сільва. Використовуючи статичну електрику, він створив першу телеграфну лінію між Мадридом і Аран-Хауес. У 1835 р. американець С. Морзе створив перший пишучий апарат, що передає короткі і довгі імпульси, які на приймальному пристрої сприймалися як крапки і тире. У 1844 р. цей апарат був використаний на лінії Вашингтон – Балтімор, а потім він отримав широке розповсюдження. До 1870 р. було встановлено ​ ​ міжконтинентальний телеграфний зв'язок. Можна стверджувати, що наука про електрику була першою, на базі якої виникла нова промисловість без опори на донауковий досвід.

Хімічна майстерність відома задовго до створення хімії як науки. Але до початку XVI – XVII ст. з'явилися передумови для застосування останньої в практиці, що стало істотним чинником створення нових галузей промисловості. Вище вже говорилося про отримання коксу з кам'яного вугілля в 1640 р. Через 80 років з нього штучно був виділений горючий газ, який в 1765 р. почав застосовуватися для освітлення вулиць. У XVII ст. навчилися отримувати штучний холод шляхом хімічних реакцій, про необхідність якого в господарстві говорив ще Ф. Бекон. У 1727 р. Г. Шульцем була відкрита фотохімічна реакція – основа винаходу Даггером і Арчером фотографії. Розвиток хімії, а також потреби війни привели до створення піроксиліну (1846) і нітрогліцерину (1847). Застосовувати хімію почали і в сільському господарстві.
Вже підкреслювалося, що є наукові відкриття, чий розквіт настає не відразу, як і технічні винаходи, вік яких – попереду. Так трапилось і в XIX ст. з електротехнікою, двигунами внутрішнього згоряння, деякими видами техніки зв'язку, радіотехнікою, що визначили напрямок розвитку технічних наук і виробництв в XX столітті. Непросто складалася доля наук, що мали справу з незворотніми змінами в природі біологічними і геологічними, знання в яких повністю експериментом не перевіриш. Звичайно, потреби в корисних копалинах, в сільськогосподарських продуктах, в лікуванні людини і тварин, накопичені в подорожах результатів спостережень за природою сприяли все зростаючому інтересу до таких явищ, прагненню перетворити його (цей інтерес) в наукове знання.

Можна назвати три причини, які гальмували інтенсифікацію природно-історичних наук. По-перше, це їх вторгнення в теологічну сферу, конкуренція з ідеєю про божественне творіння всіх видів живої і неживої природи. По-друге, складність явищ, що вивчаються цими науками. Незворотність змін дозволяє лише обмежене застосування методів фізики для їх вивчення. Ці методи були створені в припущенні можливості повторення, відтворення в експерименті всіх досліджуваних явищ. І, по-третє, ця ж обставина робить складним уявлення біологічних і геологічних знань у формі, практично корисній для матеріального виробництва (це стало доступним лише в XX ст.).

За допомогою винайденого мікроскопа Левенгук (1632-1723) та інші натуралісти досліджували структуру живих організмів. Були отримані деякі відомості з анатомії. Але все ж це було швидше задоволення цікавості або предмет для натурфілософських конструкцій, ніж база для практичного застосування цих даних.

Лише поступово відбувалося становлення самого поняття «розвиток» як знання про незворотні зміни в досліджуваних явищах, хоча аж до Ч. Дарвіна в біології (та й в геології) досить мирно уживалися отримані в спостереженнях знання і натурфілософські, або теологічні, конструкції. Біологи цього періоду вивчали як внутрішню структуру живого, так і його органічну еволюцію. Швед К. Лінней (1709-1778) створив класифікацію всіх тварин, рослинних організмів і мінералів, виходячи з ідеї незмінності всього існуючого. «Видів стільки, скільки їх спочатку зробило безначальна істота!» Запропонована Ліннеєм класифікація існує до теперішнього часу, вже не спираючись на ідею «безначального істоти», бо вона виникла, спираючись на узагальнені результати спостережень за реальною природою з додаванням вищеназваної ідеї. Ботанік Жорж Луї де Бюффон (1707-1788) намагався обґрунтувати ознаки, за якими Лінней кваліфікував організми, а Е. Дарвін на підставі ідей Бюффона прагнув простежити виникнення і розвиток усього живого від вихідного організму, тобто ввести ідею незворотності змін. Відсутність необхідних даних, навіть нехтування ними, зробили його ідеї непереконливими в очах вчених. Але сама думка про еволюцію виявилася живучою. Ж. Ламарк (1744-1829) висунув ідею про залежність еволюції організмів від пристосовності їх до навколишнього середовища. Це був великий крок до дарвінізму.

Розвиток еволюційної теорії впирався в обмеженість геологічних уявлень про зміни в земній корі. Геологічні знання існували ще з античних часів, але до XVIII ст. вони носили або вузькопрактичний характер, або до них домішувалися релігійні, або натурфілосьфські, обґрунтування (не було і такої професії – геолог). А судження про зміни в земній корі можна було знайти у Д. Бруно, Р. Декарта, І. Ньютона, В. Лейбніца в дусі їх світоглядних установок. Лише у другій половині XVIII ст. лікар з Единбурга Д. Геттон (1726-1797) першим намагався назвати «природні причини» виникнення земних шарів як результат дії сил, які існують і понині, найважливішою ж з них є вогонь. Прихильників Геттона стали звати плутоністами. Їх опонентами були нептуністи – послідовники професора геогнезії, мінералогії та гірничої справи з Фрайбурга А.Г. Вернера (1750-1817): дещо раніше він висловив думку про воду як причину, що породжує гірські породи. Емпіричних свідоцтв як у того, так і в іншого було достатньо.

Але пізніше французький палеонтолог і зоолог Ж. Кюв'є (1769 – 1832), знову спираючись на дослідні дані, показав, що нині існуючих причин для пояснення будови земної кори недостатньо. Для доказу зв'язку між нині живущими і викопними організмами необхідно припустити неодноразові катастрофи в історії Землі, а вони не зводяться до нині діючих причин. У ході дискусій опоненти стали терпивіше ставитися один до одного. Оцінюючи процес становлення наукових знань у європейській науці, можна сказати, що це не тільки процес отримання нового знання, а й поступове формування того, що ми сьогодні називаємо плюралізмом мислення.

У 1832 р. з'явилася книга Ч. Лайєлля (1795-1875) «Основи геології», в якій була описана історія утворення земних пластів залежно від сил природи (а не внеприродних катастроф). Лайєлль пояснив багато чого, але він зміг примирити свою концепцію (уніформізм) з ідеєю незмінності органічного світу, бо залишки тварин організмів, знайдені в різних земних шарах, свідчили про зміну видів. Пропонувався висновок: в кожну епоху фауна вимирала і створювалася нова, відповідна зміненим зовнішнім умовам. Це було відступом від «неприродного джерела» творіння, але воно не могло задовольнити натуралістів, самого Лайєлля. Його друг Ч. Дарвін знайшов вихід, створивши вчення про природний добір, що обумовлює еволюцію видів. Вкрай обережний у своїх висновках, він протягом 20 років збирав матеріал для їх обґрунтування і мало не упустив пріоритет відкриття. Молодий мандрівник А. Уоллес (1823-1913) самостійно прийшов до еволюційних ідей в результаті спостереження за поширенням живого світу в Ост-Індії. Книга Ч. Дарвіна «Походження видів» вийшла в світ разом зі статтею Уоллеса, причому під натиском друзів Дарвіна, бо сам він не хотів публікувати свої результати, ознайомившись із текстом статті Уоллеса. Ч. Лайєлла в 12-му виданні «Основ геології» врахував результати, отримані Дарвіном.

Вчення про природний добір виявилося в центрі уваги дослідників природи, теологів, філософів, політиків, навіть письменників – сатириків, принісши душевний дискомфорт його автору, звиклому до тиші кабінету. Сам він був не цілком задоволений власним поясненням причин мінливості видів, що лежить в основі еволюції (вони носили «ворожильний характер»). Ці причини описав мовою експерименту і математики чеський монах і натураліст Г. Мендель (1822-1884). Почався новий етап розвитку біології.