1.1: Вступ

Уявіть, що ви не читаєте цей підручник. Уявіть замість цього, що ви лежите на спині в якомусь м'якому траві в теплу літню ніч, далеко від міських вогнів, дивлячись у величезне темне нічне небо. Продовжуючи дивитися на зірки, ви, швидше за все, помітите, що протягом годин всі вони повільно рухаються - в унісон - в одному напрямку. З Північної півкулі ви завжди побачите сузір'я Canis Major поблизу Оріона, або сузір'я Небесного Ведмедя, оточене його сімома мисливцями, але всі вони, здається, обертаються навколо Полярної зірки, Північної зірки. Однак, якщо ви неймовірно сприйнятливі, ви можете помітити, що не всі точки світла в нічному небі рухаються разом. Деякі з них йдуть своїм шляхом, блукаючи по небу з зірками в якості фону. Стародавні греки називали їх asteres planetai, що означає блукаючі зірки, звідки ми отримуємо слово планета. Якби ви ретельно відстежували шлях планети протягом декількох ночей, ви б зрозуміли, що - хоча її рух відрізняється від руху зірок - це далеко не випадковий. Вона йде певним шляхом по нічному небу. Дійсно, хоча різні планети йдуть різними шляхами, ви можете почати помічати схожість між рухами всіх планет, коли вони блукають по небі. Спостерігаючи з Землі, всі вони, здається, рухаються у східному напрямку, а їхні шляхи приблизно знаходяться на одній площині.

Але чому? Яке пояснення ми могли б дати, чому стежки планет відрізняються від стежок зірок? Чому планети, здається, поводяться дуже схожими між собою? Які найкращі наукові теорії ми маємо пояснити рух планет?

Спробуємо знайоме пояснення. Ці планети насправді нічим не відрізняються від Землі: це великі масивні об'єкти, які обертаються навколо набагато більш масивного об'єкта в центрі нашої Сонячної системи — Сонця. Ісаак Ньютон показав у своєму законі всесвітнього тяжіння, що та сама сила, яка тягне яблуко до землі і яка спричиняє параболічні шляхи снарядів, також змушує планети та супутники брати точні шляхи, які вони роблять через простір. Швидкість планет і сила тяжіння утримують такі планети, як Земля і Марс, на орбіті навколо Сонця. Отже, з точки зору Землі планети, здається, блукають по нічному небу, оскільки вони йдуть своїми власними еліптичними стежками навколо нашого сусіднього Сонця. Тим часом сузір'я і положення зірок залишаються відносно фіксованими, оскільки вони так далеко від Сонячної системи, і вони обертаються разом за рахунок обертання Землі на її осі. Це відповідь, яку ви отримали б, якби змогли повернутися до 1800 року і попросити члена наукової спільноти Королівського товариства в Лондоні, Англія, щоб дати вам свої найкращі, узгоджені наукові теорії про рух планет.

Але що, якби ми подорожували ще далі назад у часі, скажімо, 500 років? Які прийняті теорії використовував би астроном з Паризького університету в 1500 році, щоб пояснити блукання планет? Пізньо-середньовічний астроном пояснив би рух планет, посилаючись на Аристотельську натурфілософію. Цей набір теорій враховував рух об'єктів, враховуючи рухи, природні для різних елементів. У той час вважалося, що Всесвіт складається з двох абсолютно різних областей — земної і небесної. Вважалося, що все в земному регіоні складається з певної комбінації чотирьох земних елементів - землі, води, повітря та вогню. Елементи земля і вода вважалися важкими, тоді як елементи повітря і вогонь вважалися легкими.

Вважалося, що кожен з чотирьох елементів має природне положення, до якого він схильний. Для важких елементів природне положення є центром Всесвіту, що пояснювало, чому все, що складається з елементів землі та води, має тенденцію падати. Ось чому, мовляв би, коли ви скидаєте скелю, вона йде прямо вниз. Це також припускає, що земна глобус, який є переважно поєднанням елементів землі та води, обов'язково повинен знаходитися в центрі Всесвіту. У небесному регіоні, навпаки, все, включаючи планети і зірки, вважалося виконаним з зовсім іншого елемента - ефіру. Природна тенденція ефіру полягає в обертанні круговим шляхом навколо центру Всесвіту. Планети, перебуваючи між нерухомою сферою Землі і повільно обертаються зірками, природно йдуть своїми круговими стежками по нічному небу, враховуючи їх явне «блукання» перед далекими зірками.

Втомившись від усіх цих гіпотетичних подорожей у часі, скажімо, ви здійснили фактичну подорож до обсерваторій Мауна-Кеа на Гаваях, США, і - після розслабляючого дня на пляжі - попросили сучасного астронома пояснити рух планет, використовуючи найкращі, узгоджені наукові теорії. Астроном не дасть вам аристотелівсько-середньовічної відповіді, а також не дасть вам ньютонівської відповіді, з якою ви можете бути знайомі з базових класів фізики чи астрономії. Прийнята думка сьогодні полягає в тому, що шляхи планет, як і Земля, найкраще пояснюються теорією загальної відносності Альберта Ейнштейна, а не законом Ньютона про всесвітнє тяжіння. Сьогодні еліптичні шляхи планет навколо Сонця не приймаються через силу, яка називається гравітацією, а скоріше через те, що маса нашого Сонця згинає саму тканину простору-часу. Уявіть собі область простору-часу без будь-яких матеріальних об'єктів. Такий регіон був би повністю рівнинним. Це означає, що в такому просторі світлові промені рухалися б по прямих лініях, а геометрія, яку ми вивчили в середній школі, евклідова геометрія, буде триматися точно.

Тепер давайте додамо зірку до цієї області простору. Відповідно до загальної теорії відносності, ця зірка буде кривити простор-час навколо себе, впливаючи на рух всіх інших матеріальних процесів в її околицях, включаючи світлові промені. Простір більше не буде точно описуватися геометрією Евкліда, а скоріше геометрією, розробленою німецьким математиком Германом Мінковським і включеною Ейнштейном у свою теорію. Ця геометрія розглядає час як четвертий вимір, перпендикулярний знайомим трьом вимірам довжини, ширини та ширини, саме тому ми говоримо про простір- час. Навіть фізики не можуть уявити все це. Вони можуть представляти ситуацію за допомогою математичних рівнянь і робити прогнози, вирішуючи їх. Вони розуміють ці математичні моделі, використовуючи аналогії, які передбачають меншу кількість вимірів. Як приклад такої аналогії уявімо натягнуту простирадло з розміщеним посередині баскетболом. Баскетбол зробить занурення в простирадло. Двовимірна простирадло являє собою чотиривимірний простор-час. Занурення в простирадло в третьому вимірі, вироблене кулькою, являє собою кривизну чотиривимірного простору-часу, виробленого об'єктом з масою, як зірка. Тепер давайте катаємо тенісний м'яч поперек простирадла. Оскільки тканина простирадла вигнута баскетболом, тенісний м'яч не буде рухатися по прямій лінії, а скоріше матиме вигнуту траєкторію вздовж простирадла. Це буде здаватися, ніби тенісний м'яч приваблює баскетбол, в той час як насправді це просто слідом за кривизною простирадла. Відповідно до загальної теорії відносності, щось подібне відбувається, коли область простору-часу викривлена масивним об'єктом, таким як зірка, а тенісний м'яч є чимось на зразок планети, що рухається по вигнутій траєкторії через простір біля зірки.

Те ж саме стосується будь-якого об'єкта з масою. Причина, по якій Місяць або космічний корабель продовжує обертатися навколо Землі, полягає в тому, що Земля, як масивний об'єкт, згинає простор-час навколо себе, щоб захопити Місяць у своєрідному зануренні в простору-час. Точно так само Сонце, значно більш масивний об'єкт, згинає більшу область простору-часу, ніж Земля, і захоплює Землю, планети і багато інших небесних об'єктів у своєму великому зануренні в космос. Ступінь кривизни простору-часу навколо об'єкта залежить як від маси об'єкта, так і від того, наскільки ця маса стискається в невелику область простору. Якщо який-небудь об'єкт стиснути в межах його радіуса Шварцшильда, названого на честь німецького фізика Карла Шварцшильда, кривизна простору стане настільки великою, що навіть світлові промені не зможуть уникнути його. Вона стане чорною дірою. Радіус Шварцшильда Землі становить 8,7 міліметра. Якби Земля якось стиснулася до цього крихітного радіуса, вона перетворилася б в чорну діру. Хоча у фільмі «Зоряний шлях» 2009 року зловмисні інопланетяни знищили планету Вулкан таким чином, астрофізики не знають жодного природного процесу, який би розчавив планету до такої щільності. Єдиний відомий природний процес, який може розчавити об'єкт до його радіуса Шварцшильда, - це крах масивної зірки, яка вичерпала своє ядерне паливо, і саме так астрофізики припускають, що утворюються чорні діри.

Це означає, що уявне тяжіння між двома матеріальними об'єктами - це не що інше, як інерційний рух у вигнутому просторі. Відповідно до загальної теорії відносності, немає сили тяжіння; всі матеріальні об'єкти викривляють простір навколо них більшою чи меншою мірою, і ця кривизна впливає на рух інших матеріальних об'єктів, які трапляються поблизу, так само, як і рух тенісного м'яча на підвішеній простирадлі. Зауважимо, що фізики досі використовують слово «гравітація» як ярлик для «руху в криволінійному простору-часі». І все ж, строго кажучи, загалом відносність, що здається гравітаційне тяжіння між матеріальними об'єктами, розуміється як просто рух у просторово-часі, який не є плоским, а викривленим матеріальними об'єктами. Отже, еліптична орбіта планети пов'язана не з гравітацією, а через поєднання власного імпульсу цієї планети та форми простору-часу, зігнутого масою Сонця.

​

Коротше кажучи, найкращі астрономічні теорії різних історичних періодів пояснювали рух планет дуже по-різному. Але наукові спільноти в будь-який з цих періодів не просто домовилися про астрономію! Окрім астрономічних та фізичних теорій, наукові спільноти кожного з цих періодів також прийняли різноманітні теорії про різні природні, соціальні, формальні та штучні об'єкти. Розглянуті разом, ці окремі теорії з будь-якого історичного моменту можуть бути показані складають складний, переплетений гобелен теорій, що становить найкращий доступний опис світу історичної спільноти. Візьмемо, наприклад, теорії, які ми приймаємо сьогодні. Якби ми запитали вченого, які теорії найкраще описують світ, вони, ймовірно, згадали б кілька теорій з природничих наук, таких як загальна теорія відносності, квантова фізика, космологія великого вибуху, сучасна хімія, сучасний еволюційний синтез в біології тощо. згадати деякі теорії з соціальних наук, такі як психологія, економіка або соціологія. Крім того, вони, ймовірно, згадають кілька теорій, які стосуються формальної науки, включаючи математику та логіку. Ось знімок деяких теорій, прийнятих в ці дні:

Ця блокувальна головоломка представляє багато з найкращих доступних описів світу цієї спільноти - їх прийняті теорії. Разом ми називаємо цей повний набір прийнятих спільнотою теорій своєю мозаїкою.

Мозаїки змінюються з часом, оскільки наукові спільноти приймають нові теорії та відкидають старі. ^{Ось короткий знімок типової ньютонівської мозаїки середини 18 століття:}

Крім усього іншого, ця мозаїка включала в себе ньютонівську фізику з її трьома законами механіки і закон гравітації, хімічну теорію флогістона і навіть богослов'я, вивчення Бога і його творів.

Нарешті, ось деякі теорії аристотелівсько-середньовічної мозаїки:

Зверніть увагу на наявність Аристотельської натурфілософії з її теорією чотирьох земних і одного небесного елемента, теології, і, що цікаво, астрології, вивчення небесних впливів на земні справи.

Мозаїки і зміни в них є центральним напрямком цього підручника. Для будь-якої точки історії мозаїка спільноти демонструє свою найкращу спробу зрозуміти реальність, у всьому її динамічності та складності. Цей прагнення до розуміння реальності є людським, а це означає, що індивіди - у їхньому соціальному та інституційному контексті - є важливими частинами історії про те, як виникають певні теорії та як ці теорії змінюються. Наприклад, щоб краще зрозуміти теорії руху планет, які ми намалювали раніше, ми могли б простежити історію таких установ, як Королівське товариство в Англії, Паризький університет або обсерваторії Мауна-Кеа в США, або окремих слідчих в будь-якій з цих установ. Звичайно, можна оцінити історію науки, наблизившись до неї таким чином! Але інший вид вдячності за науку можна отримати, зробивши крок назад і побачивши ці астрономічні теорії як одну грань загального набору найкращих теорій, прийнятих науковим співтовариством того часу. Зосередження уваги на мозаїці загальних наукових спільнот дозволяє нам отримати «загальну картину» того, як наукове знання - написання великого - змінювалося з часом, не обов'язково виключаючи або жертвуючи конкретними даними про те, хто виробляв ці знання, де і під чим конкретні обставини.

Розглядаючи науку з цієї широкої історичної точки зору, проливає світло на деякі багаторічні питання філософії науки. Філософія науки ставить питання, які намагаються з'ясувати, що саме таке наука, чим вона відрізняється від інших людських починань і як вона працює. Ми скористаємося нагодою, щоб займатися наступними ключовими питаннями філософії науки в першій половині цього підручника, весь час спираючись на багату історію науки:

• Абсолютні Знання: Чи є щось, що ми можемо знати з абсолютною впевненістю? Тобто, чи є в мозаїці якісь теорії, які ніколи не будуть замінені, які встановлені поза всякими розумними сумнівами? (Глава 2)
• Науковий метод: Як вчені оцінюють конкуруючі теорії? Які критерії вони використовують для оцінки теорій? (Глава 3)
• Закони наукових змін: який механізм наукових змін? Як змінюються мозаїки та їх елементи з часом? Чи є закономірність цих змін? (Глава 4)
• Науковий прогрес: чи стають наші теорії кращими описами реальності? Чи існує таке поняття, як науковий прогрес? (Глава 5)
• Наука та ненаука: Яка різниця між наукою та ненаукою? Що відрізняє наукові теорії від ненаукових теорій і наукових змін від ненаукових змін? (Глава 6)

Наша культура насичена науковими претензіями і технологічними результатами наукових досліджень. Ми звикли чути про наукові відкриття в популярних ЗМІ. Кар'єра все частіше вимагає рівня наукової грамотності, і ви навіть можете займатися кар'єрою практикуючого вченого. Це все, щоб сказати, що ми постійно говоримо про «науку». Але чи справді ми знайшли час, щоб подумати про те, що таке наука, як приймаються та відхиляються наукові теорії та ступінь впевненості, яку ми можемо мати щодо наукових тверджень? Займатися вищезгаданими питаннями в перших розділах — це можливість зробити саме це — поглянути на науку з нового погляду, свіжими очима.

Зробивши це, ми простежимо генеалогію нашого сучасного наукового світогляду, вивчивши мозаїки чотирьох ключових історичних моментів та вирішимо два ключові історичні питання:

Яким був зміст мозаїки в кожен з цих чотирьох моментів?

Як змінюються ці мозаїки з часом?

Тобто, які теорії ця спільнота насправді вважала найкращими доступними у кожній науковій галузі/дисципліні (астрономія, фізика, біологія тощо) у будь-який даний історичний період і що призвело до можливої заміни цих теорій? У розділі 7 ми зануримося в прекрасну систематичність аристотелівсько-середньовічного світогляду, проливаючи світло на теорії, які складали їх космологію, фізику та інформували їх медичні практики. У розділі 8 ми звернемося до менш відомого і недооціненого світогляду в історії науки — декартовому світогляду. Ми звернемося до ньютонівського світогляду в главі 9, з акцентом на те, як його мозаїка в кінцевому підсумку замінила декартове світогляд в Європі і представляла собою остаточний зсув від аристотелівсько-середньовічного світогляду. Нарешті, в главі 10 ми розглянемо, як прийняття ключового набору нових теорій призвело до переходу від ньютонівського до сучасного наукового світогляду, повернувши нас до сьогодення.

З більшим розумінням історії та філософії науки під нашими поясами, ми об'єднаємо їх обох у нашій заключній главі 11. Тут ми обговоримо метафізику науки і те, як мозаїки формують метафізичні припущення і, відповідно, світогляди. Крім того, глава 11 дасть можливість розглянути обмеження вступного підручника настільки широкою темою, але ми зробимо це, направивши вас на захоплюючі шляхи подальших досліджень.