[вернуться к содержанию сайта]
Из чего состоит окружающий мир? Таков первый предмет размышления учёных древности. Земля, вода, воздух, огонь – эта четвёрка стихий присутствует в качестве составных элементов во многих тогдашних “моделях” мира. Столь же основополагающее начало, которое вносится в эти стихии,– движение. Землетрясения меняют облик гор, вода низвергается с небес или мирно течёт в реках, дуют ветры, вздымая пыль и раскачивая кроны деревьев, пламя очага рвётся ввысь, постоянно меняя свои очертания.
Нет неподвижности в стихиях. Нет состояния вечного покоя ни на земле, ни в небесах. Перемещаются люди, повозки, животные, летит копьё охотника, вращается амфора в руках гончара, ударяет таран о крепостную стену, со звоном бьют дротики о щиты неприятельского войска, летят в облаках пыли сверкающие колесницы. А высоко над этим беспокойным и неразумным миром величественно водят хоровод Солнце и планеты, плавно перемещаясь среди мириад неподвижных звёзд.
Движение... Механическое перемещение, как сказали бы мы сегодня. Мир есть стихии плюс их движение. Такое утверждение, пожалуй, можно назвать первым физическим постулатом. Вслед за формулировкой – а её вне всякого сомнения можно назвать величайшим достижением человеческого знания – неизбежно должно следовать её развитие, конкретизация. Из чего состоят сами стихии, какие существуют виды их движения?
Стихии – непрерывны. Каждая из них сплошь заполняет Вселенную в пределах отведённой ей области.
Нет, стихии состоят из отдельных невидимых и вообще неощутимых порознь частичек, уже более неделимых на ещё более мелкие,– атомов. В промежутках между атомами нет ничего – там пустота.
Две эти полярно противоположные точки зрения возникают в близкие исторически периоды времени – примерно в середине первого тысячелетия до нашей эры.
Непрерывен воздух, непрерывна вода, непрерывен огонь, непрерывно, наконец, движение светил – разве мало свидетельств поставляет природа умозрению в пользу непрерывности стихий и их движения? А есть ли хотя бы одно природное свидетельство в пользу умозрительного атомизма, дискретности строения стихий и их движения? Нет. И не будет до девятнадцатого века, когда появятся непреложные экспериментальные доказательства существования атомов вещества, и двадцатого века, когда появятся столь же неоспоримые доказательства существования “атомов”, квантов движения.
Двадцать пять веков отделяют гениальную догадку древнегреческих философов Левкиппа и Демокрита об атомах от её экспериментального подтверждения! Рождались и гибли народы и могущественные империи, возникали и исчезали в пепле пожаров и пыли разрушения целые пласты человеческого знания, но где-то в этом пепле тлел все эти бесчисленные годы огонёк атомизма.
Все вещи в мире рождаются, живут и гибнут как результат движений и бесчисленно разнообразных сочетаний ограниченного числа типов разнородных атомов. Эти сочетания во всём их многообразии возможны благодаря свободе перемещений атомов. Она обусловливается существованием свободного пространства между атомами – пустоты.
Что можно сказать о самих атомах? Они более неделимы, следовательно, взаимно непроницаемы. Их несколько родов, возможно, столько же, каково число стихий. Каково общее число атомов в мире? Может быть, как песчинок на дне морском – бесконечно; а может быть, и не бесконечно, как считает древнегреческий мыслитель Эпикур.
Как же из сочетаний этих атомов образуются все вещи в окружающем мире? Вот он, кардинальный вопрос всей физики! Он требует для ответа уже конкретных представлений о взаимодействии частиц. Идея непрерывности стихий тоже сталкивается с этим вопросом, но в значительно ослабленном виде – на уровне движения стихий в целом, где можно обойтись более неопределённым ответом. (Например: огонь испаряет воду, превращая её в воздух.)
Первое представление о взаимодействии атомов тоже рождается из повседневного опыта. Атомы “слипаются” в тела во взаимных столкновениях при их движении в пустоте. От силы сцепления атомов зависит, какая получится стихия: самое тесное сцепление даёт землю, самое непрочное – огонь. Как же происходит сцепление атомов? Они что – с зазубринками, клейкие или с “ручками”?
Мы требуем слишком многого от древних атомистов! Умозрительный подход не может снисходить до таких малосущественных деталей. В те времена важен, да и возможен только подход в целом: взаимодействие и сочетание атомов в тела происходит при столкновениях атомов. Можно ещё добавить к ударам тяготение: более тяжёлые атомы стремятся к центрам их скоплений, а более лёгкие располагаются по краям.
Не очень понятно? Так это же сетования сегодняшнего ума, который, как правило, удовлетворяется не общими расплывчатыми представлениями, а лишь конкретными деталями. Учёных античности такие мелочи не занимали. Вселенная есть тела и пространство. Атомы и пустота суть причины движений и вообще существования стихий и тел.
Мало? Очень много! Как говорил Гегель, “естествознание в атомистике впервые чувствует себя освобожденным от необходимости указать основание существования мира”. Теперь не нужно апеллировать к божественным силам, недоступным пониманию смертных. Впервые мир объясняется из себя самого.
Этот пока ещё наивный материализм чрезвычайно важен. В своей многовековой истории физике предстоит пережить и преодолеть немало кризисов. Мысль учёных в поисках выхода из глубочайших тупиков будет не раз пасовать и сбиваться на дорогу идеалистических воззрений. Но физика в целом отныне становится и впредь уже пребудет на материалистическом пути, сколь он ни был порою нелёгким.
Материализм античной науки означает первую важнейшую победу её над религией. Вот какими вдохновенными строками характеризует научный подвиг греческого философа-материалиста Эпикура его последователь Лукреции Кар в своей поэме “О природе вещей”:
В те времена, как у всех на глазах безобразно влачилась
Жизнь людей на земле под религии тягостным гнётом,
С областей неба главу являвшей, взирая оттуда
Ликом ужасным своим на смертных, поверженных долу,
Эллин впервые один осмелился смертные взоры
Против неё обратить и осмелился выступить против.
И ни молва о богах, ни молньи, ни рокотом грозным
Небо его запугать не могли, но, напротив, сильнее
Духа решимость его побуждали к тому, чтобы крепких
Врат природы затвор он первым сломать устремился.
Силою духа живой одержал он победу, и вышел
Он далеко за пределы ограды огненной мира,
По бесконечным пройдя своей мыслью и духом пространствам.
Как победитель, он нам сообщает оттуда, что может
Происходить, что не может, какая конечная сила
Каждой вещи дана и какой ей предел установлен.
Так в свою очередь днесь религия нашей пятою
Попрана, нас же самих победа возносит до неба.
И далее в своей поэме Лукреций рисует обширную картину мира в материалистической греческой философии. Мы заимствуем из неё ещё строки, непосредственно относящиеся к теме нашего повествования:
Если ж пространства иль места, что мы пустотой называем,
Не было б вовсе, тела не могли бы нигде находиться
И не могли б никуда и двигаться также различно...
Также и времени нет самого по себе, но предметы
Сами ведут к ощущенью того, что в веках совершилось,
Что происходит теперь, и что воспоследует позже.
И неизбежно признать, что никем ощущаться не может
Время само по себе, вне движения тел и покоя...
Знай же: идёт от начал всеобщее это блужданье;
Первоначала вещей сначала движутся сами,
Следом за ними тела из малейшего их сочетанья,
Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным,
Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться
Сами к движенью затем, понуждая тела покрупнее...
Эти предвидения древней науки не перестают поражать нас. Одной силой ума постичь изначально чувственный, “экспериментальный” характер таких величайших абстракций познания, как понятия пространства и времени! А ведь уже в восемнадцатом веке немецкий философ Иммануил Кант учил, что эти понятия самоочевидны, заложены в нас от природы, а вовсе не являются результатом опыта человеческой деятельности. Впрочем, стоит ли удивляться? Наука даёт нам множество примеров того, какими зигзагами, кругами взбирается человеческий разум на гору знания, какое “возвратно-поступательное” движение он совершает.
Итак, всё сущее – это атомы и пустота. Но повседневный опыт свидетельствует ещё об одном круге подлежащих объяснению явлений. Тела падают на Землю, потёртый янтарь притягивает кусочки ткани, магнитный железняк притягивает к себе железные предметы. Конечно, явления электрического и магнитного притяжения не так уж повседневны в жизни древнего человека. Но они всё же известны учёным и наталкивают их на размышления. Как же осуществляется притяжение одних тел другими? Через пустоту? Для мыслителей-материалистов такое представление непереносимо. Мысль о чём-то передающемся от одного тела к другому “без ничего”, без какого бы то ни было материального носителя вызывает и у нас сильное внутреннее сопротивление. Без сомнения, столь же велико было это сопротивление у многих мыслителей древности.
Тогда-то и появилось представление о некоей промежуточной среде, заполняющей пространство между телами. Автора этого представления назвать нельзя, оно высказывалось многими античными учёными и даже ещё до них. Эта среда впоследствии получила название эфира. Все взаимодействия между частицами должны передаваться через посредство этой среды. Вам должен понравиться следующий “набросок” картины мирового устройства, созданный по крайней мере тридцать веков назад безымянными творцами древнеиндийского учения ньяи-вайшешики: “Мир состоит из мельчайших разнородных частиц воды, земли, воздуха и огня, заключённых в эфире, времени и пространстве”!
Представление об эфире просуществовало в физике вплоть до начала нашего века. Оно прожило бурную историю, пережило поздний расцвет в прошлом веке и было погребено лишь теорией относительности. Эта история, будучи, в сущности, историей развития физических представлений о взаимодействии тел, чрезвычайно драматична и поучительна. Мы посвятим ей не одну страницу книги.
Так выглядит строение стихий в наиболее “прогрессивных” античных моделях. Как же объясняется движение тел? Точка зрения эпикурейской школы, которую мы привели в цитированном отрывке из поэмы Лукреция, конечно, не была в те времена общепринятой. Замечательное предвидение, что движение атомов может сообщаться более крупным телам, получило своё экспериментальное подтверждение только в девятнадцатом веке и было названо броуновским движением. Вместо него на многие века возобладало другое представление, принадлежащее Аристотелю.
В отличие от атомистов Аристотель считал, что стихии (или, как он их называл, субстанции) непрерывны. К четвёрке стихий земных Аристотель добавил пятую – небесную субстанцию. Никакой пустоты не существует, всё пространство непрерывно заполнено материей. Но материя сама по себе неощутима, она лишь возможность, потенция вещей. Чтобы она стала действительностью, наблюдаемой и ощущаемой, в неё необходимо внести активное начало – форму. Внесение формы в материю и есть движение.
Что же, мысль, несмотря на её неправильность, чрезвычайно интересная и глубокая. Важнейший её аспект сохраняется и в современной философии в качестве проблемы взаимоотношения формы и содержания. Вместе с тем мысль Аристотеля выглядит безупречно логичной. Стихии, субстанции непрерывны, неразложимы на составные элементы и в этом смысле бесформенны. Бесформенное, в свою очередь, неощутимо. С другой стороны, все наблюдаемые предметы в мире имеют каждый свою форму; причём они не обязательно изменяют её, форма может и сохраняться. Но придать форму вещам из аморфной массы так, как, например, гончар формует сосуд из бесформенной глины, это требует определенных операций, движений. Наглядное механическое движение гончарного станка, рук каменщиков, складывающих дом из аморфного строительного материала, рождает в учении Аристотеля абстрактное понятие движения вообще как придания формы дотоле бесформенной материи.
Но, будучи созданы из материи, вещи не всегда остаются в покое. Взгляд Аристотеля видит отчётливую разницу между двумя обширными классами движений. Движения одного из этих классов совершаются как бы самопроизвольно: движутся светила по небосводу, камень падает вниз, пламя рвётся вверх. Аристотель называет такие движения естественными, как бы изначально присущими самим этим телам. Другой класс образуют движения принудительные: например, лошадь тащит повозку по дороге, гончар вращает круг, на котором формует сосуд.
Затем Аристотель делает следующий шаг. Он вводит центр мира. Естественное движение отдельных частей Земли – к ним относятся и камни, и огонь – направлено к центру мира или от него. Вот почему центром мира является сама Земля. Далее, лёгким именуется то, что стремится двигаться вверх, а тяжёлым – то, что стремится двигаться вниз без какого-либо внешнего вмешательства. Поэтому огонь лёгок, а камень тяжёл, огонь стремится к периферии, а камень – к центру мира. Причём камень должен падать тем быстрее, чем он тяжелее.
Почему же в таком случае Солнце и планеты не падают подобно камню на Землю в своем стремлении к центру мира? А они состоят не из земной, но из особой невесомой небесной субстанции, “плены” (прозрачная, разреженнее воздуха, она, по существу, есть аристотелев эфир!). Для них естественное движение – это вращение вокруг центра мира, то есть Земли. Все естественные движения тел абсолютны, тела движутся не относительно друг друга, а лишь относительно единого центра мира.
Падение камня происходит по прямой, но с непостоянной скоростью. Вращение светил вокруг Земли кажется равномерным, но происходит не по прямой линии. Отсюда Аристотель заключает, что движение по прямой с постоянной скоростью не является естественным движением. Чтобы такое движение совершала, скажем, повозка, лошадь должна всё время напрягаться и тянуть за постромки. Стоит отсоединить лошадь от повозки, как повозка спустя непродолжительное время останавливается. Естественное движение же без вмешательства извне должно совершаться вечно.
Итак, у Аристотеля впервые появляется отчётливое представление о силе как причине, нарушающей естественное движение тел. Но он ещё ничего не знает ни об инерции, ни о трении. Это знание придёт лишь много веков спустя. Пока оно появится, науке предстоит ещё избавиться от тяжкого груза представлений о центре мира и о том, что этот центр располагается на уникальной планете – Земле. (Вот где учёные мужи христианства ухватились за физику Аристотеля! Стремление церкви “научно обосновать” догматы христианской веры, как мы видим, имеет довольно длинную историю: вера верой, а подкрепить её наукой, особенно среди еретиков-инакомыслящих, никогда не мешает.)
Физику Аристотеля с большим основанием можно было бы назвать геометрией. Все тела (или даже субстанции) в ней различались скорее не по материальному содержанию, а по характеру своих естественных движений и по тем местам, которые они стремились занимать в пространстве. Разумеется, такое воззрение было шагом назад по сравнению с представлениями атомистов, объяснявших строение и движение материи исходя из неё самой, без выдумывания естественных движений к некоему центру мира. (Пройдёт более двадцати веков, и на очередном витке восходящей спирали человеческого знания наука снова придёт к геометризации физики, но уже на неизмеримо более высоком уровне – в общей теории относительности Эйнштейна.)
Физика Аристотеля далеко не безоговорочно принималась его учёными коллегами в античном мире или даже после её канонизации христианской церковью учёными средневековья. Ещё Лукреций Кар в своей поэме позволил себе крайне непочтительно отозваться об аргументации Аристотеля против существования пустоты. В четырнадцатом веке крупнейший французский философ Никола Оресм подверг сомнению абсолютный характер движения тел в аристотелевой физике. Он говорил: “Я полагаю, что локальное движение можно обнаружить только в том случае, когда одно тело изменяет своё положение относительно другого... Точно так же, как человеку, сидящему в движущейся лодке, представляется, что деревья перемещаются мимо него”.
Признание относительности движения тел непосредственно вело к изгнанию центра мира из физики. Оставалось изгнать его из космологии. Эта задача выпала на долю Коперника в шестнадцатом веке. Достаточно было отказаться от представления о центральной роли Земли: даже будучи перемещён на Солнце, центр мира уже переставал иметь абсолютное значение для всех земных движений, сохраняя его на какое-то время лишь для движений планет. А там и телескоп Галилея обнаружил пятна на небесной субстанции – страшно даже подумать: совершеннейшей из всего сущего!
Так наступал закат естественных абсолютных движений, они приобретали в умах учёных всё более относительный характер. Но полное торжество относительности, релятивизма движений наступило лишь в начале нашего века. К нему вёл ещё длительный и сложный процесс развития физических представлений. На этом пути должны были произойти и возрождение эфира, и торжество его, и поучительная смерть.
Гук умер в 1703 году, а в 1704 году Ньютон выпустил в свет свою “Оптику”, в которой он систематизировал оптические явления, открытые им самим, его предшественниками и современниками, привёл объяснения открытым явлениям, а в заключение книги поставил более тридцати “Вопросов”. Эти “Вопросы” касались нерешённых к тому времени задач оптики, в том числе и гипотез о сущности света. Многие мысли Ньютона, высказываемые в “Вопросах”, отличаются поразительной прозорливостью, правильность их смогла подтвердить только физика двадцатого века!
Что же убеждало Ньютона в корпускулярном строении света? В первую очередь, конечно, то, что он считал преломляемость изначальным свойством световых лучей, никоим образом не зависящим от того вещества, сквозь которое они проходят. Но раз так, то расщепление луча белого света на цветные лучи при его прохождении через призму можно объяснить только тем, что в составе белого луча находятся частицы-корпускулы разных цветов, а призма только сортирует их по разным направлениям. При этом, чем меньше скорость корпускул, тем сильнее они отклоняются от своего первоначального направления полёта. Исходя из порядка расположения цветных полосок на экране за призмой, на которую падал белый свет, Ньютон заключил, что наименьшей скоростью обладают фиолетовые, а наибольшей – красные корпускулы.
Далее, свет в пустоте распространяется по прямым линиям и равномерно. Для Ньютона и вообще в механике той поры такое распространение является вполне естественным движением корпускул. Распространение же волн по прямым линиям, скажем, плоских волн на поверхности воды, наблюдается в действительности лишь в редких случаях и потому вовсе не очевидно. Подобно мячам, бросаемым на стенку, свет отражается под таким же углом, под каким падает, от твёрдых гладких (зеркальных) поверхностей.
Если “правильно” подобрать силы, которые действуют со стороны прозрачной среды на поток таких мячей, то можно объяснить и законы преломления света. Разумеется, такое объяснение вовсе не правильно. Так, приходится предполагать, например, что при переходе из воздуха в воду световые корпускулы должны распространяться в более плотной, т. е. в более сопротивляющейся, среде – воде – с большей скоростью, чем в воздухе, в противном случае луч света будет отклоняться не к вертикали (перпендикуляру к границе раздела воздуха и воды), как это наблюдается на самом деле, а от неё. Натяжка? Конечно, но пока это можно ещё отнести на счет “особых свойств” света и оставить потомкам разбираться в этих “особенностях”.
Просто удивительно, сколько аргументов било в глаза Ньютону, свидетельствуя в пользу волнового объяснения света, сколько верных доводов приводилось современниками Ньютона в её защиту! Явление дифракции в принципе было известно Ньютону, но его можно было пытаться объяснить с позиций корпускулярной теории, придумав, например, некие слабые силы, действующие на частицы света по краям освещаемого предмета и тем самым расширяющие изображение предмета.
Пытаясь ответить на “любезное приглашение” Гука объяснить интерференционные цвета тонких плёнок, Ньютон ставит свой опыт и открывает знаменитые интерференционные кольца. Промерив расстояния между кольцами одного и того же цвета, Ньютон получает не что иное как длину волны лучей отдельных цветов! Сама периодичность чередования колец должна наводить на мысль о волнах. И, действительно, наводит Ньютона на эту мысль “При падении луча света на тонкую пленку или пластинку какого-нибудь прозрачного тела волны, возбужденные прохождением света через первую поверхность, обгоняют лучи один за другим. Когда луч дойдёт до второй поверхности, то волны заставят его там отразиться или преломиться соответственно тому, какая часть волны обгоняет луч, сгущённая или разреженная”.
Поразительно правильное объяснение интерференции с помощью волн, “связанных” с лучами! Что же дальше? Какой материальный процесс Ньютон свяжет с волной? А никакой. Опять это несносное “гипотез не измышляю”: “Доктрина, использовавшаяся мной при объяснении цветов и преломления, включает лишь определённые свойства света и не содержит гипотез, объясняющих эти свойства... ибо гипотезы полезны только для объяснения свойств вещей, а не для определения их”.
Может быть, представление о корпускулах света в большей степени импонировало Ньютону, будучи связано в единое целое с его корпускулярным объяснением и прочих явлений природы? Возможно, это так, но, отвечая на упрёк Гука в том, что он приписывает свету телесные свойства, что поэтому ему не избежать трудностей с объяснением того, почему эти корпускулы не сталкиваются при сложении световых пучков (т. е. почему свет не рассеивается на свете), Ньютон пишет: “Это верно, что из моей теории я заключаю о телесности света, но делаю это безо всякой решительной настойчивости... Я знал, что утверждаемые мною свойства света могут быть объяснены не только этой, но и многими другими механическими гипотезами”.
Дата установки: 19.11.2012
[вернуться к содержанию сайта]
