ЛЕКЦИЯ № 2 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ НАУКИ (ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ) 1. Возникновение зачатков научных знаний

ЛЕКЦИЯ № 2
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ НАУКИ (ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ)
1. Возникновение зачатков научных знаний
«От Мифа к Логосу» - известная формула генезиса философии и науки. От
фантазий, вымыслов, чувственных образов - к мышлению в понятиях, логике; от
сверхъестественного к естественному - таков общий путь развития знаний человечества в
окружающем мире. Магию и религию, мифы различных народов, с одной стороны, астрологию, алхимию и т.п., - с другой, можно считать побочными продуктами
(эпифеноменами) вечного стремления человека к познанию истины.
Несомненно, что первые знания люди получили на основе практического опыта по
строительству домов, храмов, пирамид, в связи с развитием ирригационного земледелия,
мореплавания и других видов деятельности. С появлением письменности возникла
возможность накапливать знания и передавать их последующим поколениям. Считается,
что первыми, кто специально стал заниматься накоплением и передачей знания, были
жрецы. Поэтому религиозные храмы в прямом и переносном смысле можно с полным
правом называть храмами науки.
Из истории известно, что уже где-то в III тыс. до н.э. были изобретены гончарный
круг, колёсный экипаж, найден способ обжигания кирпичей. Позднее были открыты
методы выплавки и обработки металлов, изобретены вёсельные и парусные суда, плуг,
весы, отвес, уровень угломер, циркуль, клещи. Во II тыс. до н. э. появились кузнечные
мехи, рычаги, клин, домкрат, блоки, сифон, водяные часы.
Уже в древнем Египте, Вавилоне, Китае были развиты астрономические и
математические знания. Так, вавилоняне могли приблизительно извлекать квадратные
корни, решать квадратные уравнения. Наблюдения за планетами позволили им вычислить
период, равный 223 лунным месяцам, в течение которого происходило в среднем 41
солнечное и 29 лунных затмений.
В Древнем Египте, как известно, жизнь во многом подчинялась разливам Нила,
предсказание которых часто имело решающее значение для судеб древних египтян.
Именно древние египтяне ввели солнечный календарь, раньше всех определили
продолжительность года, составившую 365,25 дней, установили значение числа пи,
формулу объёма усечённой пирамиды с квадратным основанием, научились вычислять
площади треугольника, прямоугольника, трапеции и круга.
Китайцы, в свою очередь, изобрели порох и крашение тканей (позже компас и
бумагу). Но эти и другие практические знания древних народов были весьма
немногочисленны, хаотичны, применимы лишь для частных случаев. Поэтому их с
полным правом можно назвать лишь первоначальным сырьём для будущей науки.
2. Античная наука
Колыбелью, лоном возникновения науки в нынешнем понимании этого термина,
послужила античная философия.
Хотя теория как форма знания и появилась задолго до возникновения науки в
современном понимании, но для античности между теорией и наукой можно поставить
знак тождества. Иное дело, что наукой (epistemē) считались тогда не только математика и
философия, география и медицина, но и астрология, и алхимия, и магия. Быть
математиком и быть философом для Платона или физиком и биологом для Аристотеля одно и то же.
Первым философом и ученым античности считается Фалес Милетский (ок.
640/625 - ок. 547/545 до н. э.), который входил также в когорту семи мудрецов. Ему
приписывается знаменитое изречение: «Познай самого себя». Фалес измерил высоту
египетских пирамид по их тени, в 585 г. до н. э. предсказал солнечное затмение. По
Фалесу, природа, как живая, так и неживая, обладает движущим началом, которое
называется такими именами, как душа и Бог. Изначальный элемент - вода. Вода есть
начало всего, утверждал философ. Из нее возникли земля - как бы осадок этого
первоначального элемента, воздух и огонь. Земля покоится на воде, плавая в Океане,
словно корабль. Начало развития астрономии и геометрии также связывают Фалесом.
Томпсон даже пишет: «Лишь один атом кислорода отделяет Фалеса от представлений
современной физики, ибо сейчас мы считаем, что все вещества происходят из водорода»1.
По нашему мнению, это недоразумение.
Другой философ – Гераклит (ок. 520 - ок. 460) высказал идею о всеобщей
изменчивости сущего.
Демокрит (460-370) и его единомышленники субстанциальную основу мира
полагали в атомах и пустоте, признавая тем самым существование небытия. Атомисты
(«атомос» по-гречески означает «неделимый») исходили из того, что подлинное бытие
должно быть вечным. Атомы мыслились ими абсолютно непроницаемыми, плотными,
неделимыми, неизменными, но постоянно находящимися в движении. Носясь в пустоте,
соединяясь между собой, атомы образуют более сложные тела, причем вопроса о причине
движения атомов эти философы не ставили, считая, что движение присуще им
изначально, от природы. По мнению Демокрита, число атомов бесконечно, бесконечно и
число их форм: есть атомы шаровидные, пирамидальные, крючковатые и т.д. Сцепляясь
между собой, атомы образуют бесчисленные миры; душа человека тоже состоит из
особых (шарообразных) атомов, а из еще более совершенных, так сказать, более «легких»,
«воздушных» атомов состоят боги. Согласно Демокриту, атомы различаются лишь по
форме, по величине, по порядку расположения. Поэтому такие, например, качества вещей,
как вкус, цвет, запах и т.п., которые мы воспринимаем с помощью чувств, не принадлежат
атомам, следовательно и вещам, из которых они состоят. Через две с лишним тысячи лет
эта проблема вновь обсуждалась европейскими философами как проблема первичных и
вторичных качеств.
Если наука есть вид рационального, теоретического познания, то античная
философия как раз была таковой. Конечно, не следует забывать, что она так же не была
свободна от элементов мифологии, но мифологии, фантазий и даже мистики. Но античная
философия была нацелена на общие принципы мироздания, её орудиями были общие
понятия и операции с ними. Отсюда ясно, почему именно в античной Греции возникла
логика как наука и первая форма научно-теоретического знания - геометрия Евклида (III в.
Томпсон
М.
Философия
науки.
–
М.:
http://www.gumer.info/bogoslov_Buks/Philos/tomp_filn/index.php
1
ФАИР-ПРЕСС,
2003.
до н. э.). Свобода мышления не связанная прочными религиозными догмами,
демократическое устройство античного полиса также способствовали генезису науки.
Недаром видный физик ХХ века Гейзенберг утверждал, что тому, кто не знает греческой
натурфилософии, нечего делать в современной атомной физике. Это, разумеется,
преувеличение, но само высказывание симптоматично. В античной Греции впервые
возникли такие формы познавательной деятельности, как систематическое
доказательство, рациональное обоснование, логическая дедукция, идеализация.
Аристотель (384-322 гг. до н.э.), как известно, в течение 20 лет учился у Платона.
Не удивительно, что своим философским учением Аристотель обязан именно Платону.
Но, как это нередко бывает в науке, ученик вносит ряд новых идей и оказывается
критически настроенным к своему учителю. Так, Аристотель подверг пересмотру
платоновское учение об идеях, внес коррективы в платоновскую концепцию науки,
поставив на первое место не математику, а физику. Если Платон был убежден, что
достоверное знание можно получить только о неподвижном и неизменном бытии (таковы
у Платона идеи и числа), то Аристотель утверждал, что и относительно вещей
изменчивых и движущихся тоже может быть создана наука, и притом вполне достоверная:
таковой он считал физику. Аристотель как раз и создал систематическую науку о природе
- физику; он первый попытался научно определить центральное понятие физики движение.
Аристотель был одним из первых систематизаторов научного знания.
Сохранившиеся труды Аристотеля (только небольшая часть из всего написанного) можно
разделить на семь направлений: 1) трактаты по логике и диалектике, объединенные
общим названием Органон (Категории, Аналитики); 2) физические трактаты (Физика, О
небе); 3) биологические трактаты (История животных, О возникновении животных); 4)
философские (Метафизика); 5) сочинения по этике (Никомахова этика, Эвдемова этика);
6) социально-политические и исторические сочинения (Политика, Афинская политика); 7)
работы по искусству, поэзии и риторике (Риторика, Поэтика). Как только было изобретено
и освоено книгопечатание, среди первых печатных изданий были и труды Аристотеля.
Аристотель свёл весь накопленный материал в единое целое, которое почти в течение
двух тыс. лет было каркасом науки во всём западном и восточном мире. Аристотель,
борясь с пифагорейской и платоновской мистикой, пытался основать физические знания
на наблюдении и даже на эксперименте. Уже тогда Аристотель, например, под движением
понимал любое количественное и качественное изменение. Обыденное наблюдение
показывало, что все движения в естественном состоянии бывают или прямолинейными
(падение камня) или круговыми (движение звезд), которые также вращаются вокруг
Земли, будучи прикрепленными к небесным сферам. Интересно, что Аристотель пытался
на примерах показать неподвижность Земли. Если бы Земля вращалась, утверждал он, то
камень, подброшенный вверх, падал бы не в том месте, откуда он подброшен. Почему всё
же подброшенное тело падает вниз? Ответ Аристотеля весьма замысловат с нынешней
точки зрения. Раз тело может двигаться только в результате приложенной к нему силы, то
Аристотель «придумывает замысловатую теорию, согласно которой брошенное тело
непрерывно подталкивается, как парус на ветру, воздухом, стремящимся занять место,
освобождаемое в своём движении брошенным телом»2.
Если же движущиеся тело всегда находится под воздействием какой-то силы, то в
пустоте оно должно было бы, думает Аристотель, приобрести бесконечную скорость, т. е.
стать вездесущим, что противоречит обычным представлениям. Поэтому Аристотель
2
Льоцци М. История физики. - М.: Мир, 1970. – С. 10. (464 с.)
отрицал наличие пустоты. Аристотель также полагал, что тяжёлые тела падают быстрее,
чем лёгкие, что тоже было видно из наблюдений. А постепенное увеличение скорости
падающего тела он объяснял увеличением веса тела по мере приближения к своему
«естественному месту». «Естественным местом» для тяжёлых тел является Земля и её
центр, а для лёгких небо, так как лёгкие тела (дым, огонь и т.п.) поднимаются вверх.
В трудах Аристотеля есть правильные мысли о распространении звука в воздухе,
объяснение эха как явления отражения, аналогичное (но ошибочное) объяснение радуги,
попытка экспериментального определения веса воздуха, размышления о распространении
света и т.д. Это говорит о том, что физика Аристотеля «была основана на наблюдениях и
частично на опытах. Чего не хватало Аристотелевой физике – это аналитической
обработки, критичности и осторожности при обобщениях»3. И все же греческая физика
была созерцательной, умозрительной, спекулятивной областью знания, что радикально
отличает ее от современной науки.
Какие же ещё недостатки можно отметить в аристотелевской и во всей
древнегреческой науке? «Прежде всего, она описывала мир как замкнутый и относительно
небольшой по размерам Космос, в центре которого находится Земля. Математика
считалась наукой об идеальных формах, применительно к природе область её применений
ограничивалась расчётами движения небесных тел в «надлунном мире», поскольку он
понимался как мир идеальных движений и сфер. В «подлунном мире», в познании земных
явлений, по Аристотелю, возможно только не математические, качественные теории.
Очень важно так же то, что античным учёным была чужда идея точного контролируемого
эксперимента: их учения опирались на опыт, на эмпирию, но это было обычное
наблюдение вещей и событий в их естественной среде с помощью обычных человеческих
органов чувств. Вероятно, Аристотель сильно удивился бы, если бы попал в современную
научную лабораторию...»4.
Физика Аристотеля была, если можно так выразиться, «целевой». У всех вещей и
природы как таковой есть цель, к которой стремится сущность любой вещи. «С позиции
Аристотеля, - отмечает Томпсон, - сущность желудя заключается в его превращении в
дуб. Рост желудя вызван усилиями реализовать эту возможность. С позиции современной
науки желудь превращается в дуб в том и только в том случае, если он попадает в нужную
среду обитания и растет на основе заложенного в нём генетического кода, который
обусловливает этот процесс. Таким образом, Аристотель говорит: «Если вы хотите это
понять, смотрите, куда оно направляется», тогда как современная наука утверждает:
«Если
вы
хотите
это
понять,
смотрите,
откуда
оно
пришло
и куда ему определено идти». Подобное освобождение от постоянной оглядки на
конечную цель во многом способствовало развитию науки, сосредоточению ее внимания
на причинности вещей, отходу от расплывчатости тезисов о сущностях и возможностях.
Наука также стала отходить от субъективных и религиозных взглядов на мир. Это не
означало, что ученые вообще не исповедовали никакой религии. Бэкон и другие (включая
Ньютона) склонялись к признанию двух божественных книг: одной была Библия —
истина, поведанная людям, другой — природа. Но механическая причинность привела к
3
Льоцци М. История физики. - М.: Мир, 1970. – С. 11.
Философия. (Отв. ред. В.Д. Губин, Т.Ю.Сидорина, В.П.Филатов). - М.: ТОН-Остожье,
2000. – С. 305.
4
устранению
влияния
религии
и
личности
на
научный
метод.
Это означало, что наука могла исследовать мир методично, рационально и
беспристрастно»5.
В дальнейшем центр научных исследований переместился в Александрию. К 48
году до н. э. библиотека Александрийского музея насчитывала 700 тыс. томов. С этим
научным центром древности связано имя Архимеда (ок. 287 - 212 г. до н.э.), который
родился в Сиракузах. В Египте он сконструировал мосты и дамбы для регулировки
разливов Нила. Его гениальным изобретением был подъёмный винт. Винт использовался
как для подъёма воды (до 4 м), так и для осушения низменных местностей. Архимед
сконструировал планетарий, ввёл в физику понятие центра тяжести, удельного веса;
описал закон рычага, нашёл основной закон гидростатики. Архимеду принадлежит
известное изречение: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю». Оно связано как раз с
изобретенными им рычагом и воротом. Эти механизмы разрабатывались Архимедом для
военных целей, как и катапульты, а также устройства для вытягивания судов из воды.
Легенда гласит, что ему было поручено выяснить, сделана ли корона тирана Сиракуз из
чистого золота или в него подмешено серебро: «Архимед применил следующий метод:
он опустил в сосуд, наполненный водой, золотой свиток того же веса, что и корона, а
потом собрал и взвесил вылившуюся воду. Потом он повторил такой же опыт со слитком
серебра того же веса и нашёл, что воды вылилось больше (потому что при одинаковом
весе объём серебра превышает объём золота). Повторив опыт с короной вместо слитков,
Архимед получил результат, лежащий где-то по середине между результатами двух
предыдущих опытов, откуда и заключил, что корона сделана не из чистого золота»6.
Существует также легенда, что он с помощью системы зеркал, отражающих солнечные
лучи, сжег римский флот, осаждавший Александрию. Француз Бюффон проверил этот
опыт в 1747 г. и подтвердил действенность Архимедова приспособления: при помощи
системы из 168 плоских подвижных зеркал, фокусирующих солнечный свет в одной
точке, он зажег сухие дрова и расплавил свинец на расстоянии 150 футов.
Ещё
одним знаменитым учёным-механиком древности был Герон, который преподавал в
Александрии где-то между 150 г. до н.э. и 250 г. н.э. Известны труды Герона по
пневматике, им описана первая действующая паровая машина - отдалённый предок
современных реактивных турбин. Известно также устройство, которое обеспечивало
автоматическое открывание дверей храма при разжигании огня на жертвеннике. До нас
полностью дошёл труд Герона «Механика» в арабском переводе, где автор описывает
простые механизмы (ворот, рычаг, блок, клин, винт), зубчатые передачи и другие, более
сложные механизмы.
Следует заметить, что почти все эти изобретения были использованы для
механических фокусов и конструирования игрушек для развлечений во
время
празднеств и создания «магических» эффектов во время богослужений.
Необходимо упомянуть и Птолемея Клавдия (ок. 90 — ок. 160) - великого
древнегреческого астронома, астролога, математика, физика и географа. На основе работ
ранних греческих астрономов он создал научный труд Великое математическое
построение астрономии в 13 книгах, который арабскими математиками был назван
Альмагестом. В этом труде Птолемей обосновал геоцентрическую систему мира, которая
была опровергнута только в 1543 г. Николаем Коперником.
Томпсон
М.
Философия
науки.
–
М.:
http://www.gumer.info/bogoslov_Buks/Philos/tomp_filn/index.php
5
6
Там же. – С. 15.
ФАИР-ПРЕСС,
2003.
Другие фундаментальные работы Птолемея – «Оптика», «География» и
астрологический труд «Четверокнижие», принесший ему славу мага и астролога.
В космологии Птолемея Александрийского вокруг неподвижной Земли по
круговым орбитам - эпициклам - движутся планеты, а центры эпициклов скользят по
большим несущим кругам - деферентам. Самая дальняя сфера считалась
местопребыванием Бога. Каждая сфера воздействует на земные события (этот тезис,
кстати, пробудил интерес к астрологии). Все пребывающее на сферах выше Луны
считалось идеальным и неизменным, а все ниже этой сферы несовершенным и постоянно
подверженным стороннему влиянию и переменам.
3. Наука в Средние века
Известный исследователь Пиама Гайденко пишет: «Средневековая наука опиралась
на теории, созданные еще в античности: геометрию Евклида, астрономическую систему
Птолемея и физику Аристотеля. Характерной особенностью античной науки было
стремление строить теорию, не прибегая к понятию актуальной бесконечности. Это
понятие, парадоксальность которого была вскрыта еще Зеноном (V в. до н.э.), не работает
ни в физике Аристотеля, ни в математике Евклида или Архимеда, ни в астрономии
Птолемея. Как подчеркивает историк науки, большой знаток античной математики Д.Д.
Мордухай-Болтовской, греческие математики “актуальной бесконечности не признавали”.
Аристотель как в физике, так и в космологии допускает только потенциальную
бесконечность (бесконечную делимость) величин, т.е. их непрерывность, но не допускает
актуальной бесконечности (“бесконечно большого тела”). Космос в представлении как
Аристотеля и Евдокса, так и Птолемея, - очень большое, но конечное тело»7.
Вот как описывает средневековое общество известный французский историк Ле
Гофф: «Представление о небесной иерархии сковывало волю людей, мешало им касаться
здания земного общества, не расшатывая одновременно общество небесное. Оно
зажимало смертных в ячеях ангелической сети и взваливало на их плечи вдобавок к грузу
земных забот тяжелое бремя ангелической иерархии серафимов, херувимов и престолов,
господств, сил и властей, начал, архангелов и ангелов. Человек корчился в когтях дьявола,
запутывался среди трепыхания и биения миллионов крыл на земле и на небе, и это
превращало его жизнь в кошмар. Ведь реальностью для него было не только
представление о том, что небесный мир столь же реален, как и земной, но и том, что оба
они составляют единое целое – нечто запутанное, заманивающее людей в тенета
сверхъестественной жизни»8.
7
Гайденко История новоевропейской философии в ее связи с наукой - М.:
Университетская книга, 2000. http://www.gumer.info/bogoslov_Buks/Philos/Gaiden/intro.php
Ле Гофф Ж. Цивилизация средневекового Запада. – М.: Прогресс-Академия 1992. – С.
155.
8
В средневековую эпоху меняется отношение людей к природе: «Во-первых, она
перестает быть важнейшим предметом познания, как это было в античности (за
исключением некоторых учений, например софистов, Сократа и др.); основное внимание
теперь сосредоточивается на познании Бога и человеческой души. Эта ситуация несколько
меняется только в период позднего Средневековья — в XIV в. Во-вторых, если даже и
возникает интерес к природным явлениям, то они выступают главным образом в качестве
символов, указывающих на другую, высшую реальность и отсылающих к ней; а это —
реальность религиозно-нравственная. Ни одно явление, ни одна природная вещь не
открывают здесь сами себя, каждая указывает на потусторонний эмпирической данности
смысл, каждая есть некий символ (и урок). Мир дан средневековому человеку не только
во благо, но и в поучение. Символизм и аллегоризм средневекового мышления,
воспитанный в первую очередь на Священном Писании и его толкованиях, был в высшей
степени изощренным и разработанным до тонкостей. Понятно, что такого рода
символическое истолкование природы мало способствовало ее научному познанию, и
только в эпоху позднего Средневековья усиливается интерес к природе как таковой, что и
дает толчок развитию таких наук, как астрономия, физика, биология»9.
В христианской традиции существует три источника знания: опыт, разум и
Откровение.
Фундаментом средневековой науки были религия и авторитеты. В Библии,
например, говорится: «И создал Бог два светила великие: светило большее, для
управления днем, и светило меньшее, для управления ночью, и звезды; и поставил их Бог
на тверди небесной, чтобы светить на землю. И птицы да полетят по тверди небесной»
(Быт. 1:16-17,20). А чтобы не было сомнений, что небо понималось как твердый купол,
крыша, приведем еще одно библейкое изречение: «Ты ли с Ним распростер небеса,
твердые, как литое зеркало?» (Иов 37:18).
И.Т. Касавин отмечает: «…заниматься теологией в Средние века особенно
престижно, это сфера высокой интеллектуальной культуры, публичные споры теологов
опираются на легальный характер библейского текста и связь церкви с государством.
Подобный же статус имеет и юриспруденция в силу связи римского и канонического
права. Источники, цели и методы познавательной деятельности по поводу Бога или его
наместника на Земле - государства - по природе высоки. И напротив, естествоиспытатели
не пользуются особым уважением в образованном сообществе. Врач и фармацевт по
своему статусу все еще мало отличаются от алхимика, цирюльника, палача и изготовителя
косметики и ядов; астроном сходни обманщику-астрологу; математик подобен мистикукаббалисту. Чтобы законно существовать, естествознание должно быть освящено
высокими теологическими целями, поступить на службу делу познания Бога и
сотворенного им мира. И одновременно оповседневливание теологических целей
нуждается в обращении к природным источникам и рациональным методам познания наблюдению, опыту и математическому доказательству, призванным раскрыть
божественный порядок природы и тем самым внести свой вклад в доказательство бытия
Бога»10.
Философия. Учебник для вузов / Под общ. ред.
http://www.gumer.info/bogoslov_Buks/Philos/Mironov/index.php
9
В.
В.
Миронова
Касавин И.Т. Междисциплинарное исследование: к понятию и типологии // Вопросы
философии. 20.05.2010 г. (Интернет- ресурс).
10
а) Наука на Востоке
В эпоху раннего Средневековья страны Востока вплоть до ХII в по своему развитию
стояли выше стран Европы. В XI в. там уже были известны почти все произведения
Галена, Гиппократа, Евклида, Архимеда, Птолемея и других авторов, не говоря уже об
Аристотеле и Платоне. Известный историк философии В.В. Соколов пишет: «Людям
науки в ближневосточных странах VIII – XII вв. оказывалось очень большое уважение.
Нередко на них смотрели как на моральный образец, поскольку бескорыстное занятие
науками считалось лучшим путём к нравственному очищению человека. Сами же науки, в
особенности естественные, тесно связанные с повседневной жизнью, наиболее полно
освободились от воздействия мусульманской религиозности. Они культивировались во
многих кружках учёных»11.
После александрийского периода именно арабские учёные сделали заметный шаг
вперёд, прежде всего в математике и астрономии. Достаточно упомянуть имя аль- (Ал)
Хорезми (787-850), который впервые обосновал алгебру как самостоятельную науку,
точнее, отрасль математики.
Арабские ученые при этом использовали индийские цифры, которые европейцы
назвали «арабскими». Интересно отметить, что по-латыни аль-Хорезми означает
алгоритм, который тогда понимался как система десятичной позиционной арифметики.
Интересно отметить, что великий поэт Омар Хайям (1040-1123) был также
крупным математиком. Например, у него изложено решение алгебраических уравнений до
третьей степени включительно.
Арабский астроном аль-Баттани (ок. 850-929) производил более точные по
сравнению с Птолемеем астрономические наблюдения. Он составил таблицы
тригонометрических функций, ввёл понятие «синус».
Заметим, что подобно грекам арабские математики не использовали собственно
алгебраических обозначений (символов) и все уравнения, математические преобразования
записывали словами.
Восточный астроном аль-Наизири (ум. в 922 г.) написал целый трактат об
атмосферных явлениях, а его современник аль-Рази (865-925) ввёл в употребление
гидростатические весы для определения удельного веса. Знаменитый среднеазиатский
учёный аль-Бируни (973-1048/50), в частности, определил длину окружности Земли,
высказал предположение об обращении её вокруг Солнца. Восточные алхимики открыли
новые элементы (ртуть, серу). Пионерский трактат по оптике был написан Альхазеном
(Ал-Хайтаном) (965-1020/39).
Нельзя не упомянуть великого Авиценну или Ибн-Сину (980-1037), таджика по
происхождению, современника Бируни, фундаментальный труд которого «Канон
врачебной науки» был наставлением средневековых врачей на Востоке и на Западе в
течение нескольких веков. В свою очередь энциклопедический труд Авиценны «Книга
исцеления» имеет четыре раздела, посвященных проблемам логики, физики,
11
Соколов В.В. Средневековая философия. - М.: Высш. шк., 1979. - С. 206. (448 с.)
математических наук (геометрия, арифметика, музыка и астрономия) и метафизики
(философии).
Недаром Авиценну называли «вторым учителем» после Аристотеля.
Внук хана Тимура – Улугбек (1394-1449), который сорок лет правил Самаркандом,
построил обсерваторию. Этот учёный на троне составил, в частности, каталог более 1000
звезд, указав их положение. Он также проводил подготовительную работу необходимую
для создания телескопа.
Обратим внимание, что вклад в науку на Востоке внесли не только арабы, но и все
другие народы, входившие в состав Арабского халифата: таджики, персы, турки, узбеки,
азербайджанцы, евреи.
Однако, начиная с XII века происходит постепенный упадок восточной науки и
центр её перемещается в Европу.
б) Наука в средневековой Европе
«В период крестовых походов европейцы, соприкоснувшись с более высокой
культурой Востока, переняли очень многое: более совершенные способы обработки земли
и приемы ремесла, технические изобретения (например, ветряные мельницы), новые
полезные растения (гречиху, рис, цитрусовые, тростниковый сахар, абрикосы), шелк,
стекло и т.д., не говоря уже об утонченной роскоши повседневной жизни, правилах
гигиены, традициях эротической поэзии, умении воевать и даже кодексе рыцарской
чести»12.
Из мусульманской Испании быстро распространяется интерес к математике,
астрономии, химии, медицине. Уже в 1158 году в Болонье появился университет. Другие
авторы называют 1119 г. В 1215/1150 г. университет был основан в Париже, в Падуе
(1222 г.), Оксфорде (1229 г.), Кембридже (1209), Риме и др. городах Европы.
Основными факультетами средневекового университета были теологический,
юридический, медицинский и философский, причем одновременно с ними (порой
включаясь в последние два, или наоборот) существовали факультеты «свободных
искусств» и естественнонаучных дисциплин в целом. Между факультетами существовала
субординация: обучение, как правило, начиналось с тривиума «свободных искусств» и
заканчивалось юриспруденцией, медициной или теологией. Тривиум раннего
Средневековья (грамматика, риторика и диалектика) изначально и почти исключительно
был направлен на обслуживание именно этих наук. В дополнивший его позднее квадриум
вошли арифметика, геометрия, астрономия и музыка, с которыми соседствовали
философия и античная литература.
В средневековье всё знание подразделялось на сверхъестественное, данное в
религиозных книгах, и знание полученное с помощью человеческого разума. Причем
первое полагалось первостепенным. Познание же природы должно служить познанию ее
творца, то есть - Бога. Теоцентризм средневековья четко отличается от космоцентризма
античности. В средние века наблюдается проникновение научных знаний в практику,
ярким примером чего служило занятие алхимией. «Существовало четыре направления
алхимии: поиски эликсира жизни, дающего вечную молодость; философского камня,
Философия науки и техники. (Под ред. В.В.Ильина). М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.
Баумана, 2003. – С. 98. (220 с.)
12
способного обращать вещества в золото; вечного двигателя и фарфора. Удалось открыть
способ изготовления только последнего, да и то случайно»13.
Огромный вклад в развитие математики внес Леонардо Пизанский (Фабоначчи)
(1180-1240).
Знаменитой фигурой средневековой науки был Р. Бэкон (1214 – 1292). Он считал
математику «вратами и ключом» всех наук, мечтал о математическом естествознании.
Огромное место Бэкон отводил опыту, считая, что без него ничего нельзя понять в
достаточной мере. В примечаниях к книге Томпсона сказано, что именно Роджеру Бэкону
принадлежат знаменитые слова: «Знание – сила!»!?
«Опытная наука, - писал он, - владычица умозрительных наук»14. Бэкона по праву
считают прародителем экспериментального метода в естествознании. В работах по оптике
он подошел к идее увеличительного стекла, очков и подзорной трубы. Достоверно
известно, что первые очки появились в Италии в конце ХIII в. Интересно отметить, что
Бэкон считал скорость света конечной. Говорят, что ученый знал секрет пороха, предлагал
использовать в военном деле газы, вносящие «заразу» в неприятельские войска. Были у
него прозорливые идеи создания автомобилей, самолетов, подводных и надводных
кораблей. Вместе с тем Бэкон, отдавая дань времени, искал «философский камень», верил
в астрологию, духов и т.п.
Уже в XI веке появляется первый магнитный прибор – морской компас.
Современник Бэкона П. Перегрино (Пьер да Марикур) пишет пионерский трактат по
магнетизму, где «показывает, как найти северный и южный полюс, как установить
отталкивание одноимённых полюсов и притяжение разноимённых и как намагнитить
железо соприкосновением. Наконец… он описывает явление магнитной индукции и опыт
со сломанным магнитом в том же виде, как его и сейчас повторяют на уроках физики»15.
Всё это вместе с техническими достижениями постепенно подготовляло научную
революцию XVI-XVII вв., связанную с именами Коперника, Кеплера, Галилея и Ньютона.
4. Наука в эпоху Возрождения
В эпоху Возрождения для многих учёных природа представлялась таинственной
книгой, написанной на шифрованном языке. Но магические мировоззренческие
конструкции уже содержали в себе новый зародыш, ибо ставили целью господство
человека над природой посредством познания ее «тайных сил». Под оболочкой
астрологических и алхимических фантазий накапливались зёрна истинных знаний,
рациональных методов исследования природы.
Таким образом, эпоха Возрождения мировоззренчески подготовила рождение
феномена науки, естествознания в современном значении этих терминов. Она дала миру
великих титанов культуры. Достаточно вспомнить творчество Леонардо да Винчи (1452
– 1519), который был не только гениальным художником («Тайная вечеря», «Джоконда» и
др.), но не менее гениальным изобретателем. Вот лишь некоторые его технические
13
Там же. С. 96-97.
14
Антология мировой философии. М., 1969. – С. 875.
15
Льоцци М. История физики. – С. 39 .
достижения: «приспособления для преобразования и передачи движения, например,
стальные цепные передачи, и сейчас применяемые в велосипедах…, различного вида
сцепления (конические, спиральные, ступенчатые); роликовые опоры для уменьшения
трения; двойное соединение, называемое теперь «кардановым» и применяемое в
автомобилях… подвеска осей на расположенных вокруг неё подвижных колёсах для
уменьшения трения при вращении (это приспособление, вновь изобретённое Атвудом в
конце XVIII века, привело к современным шариковым и роликовым подшипникам) …
многочисленные ткацкие машины (например, стригальная, сучильная, чесальная);
механический ткацкий станок и прядильная машина для шерсти»16 и многое другое.
Говорят даже, что Леонардо построил первую модель летательного аппарата, описал
проект парашюта.
Большую роль в познании он отводил опыту и математике. «По моему мнению, писал Леонардо, - пусты и полны заблуждений те науки, которые не порождены опытом»,
поэтому надо сначала «произвести… опыт, а затем посредством рассуждения доказать,
почему данный опыт вынужден протекать именно так»17.
О роли математики сказано более определённо: «Пусть тот, кто не математик, не
читает меня. Никакой достоверности нет в науках там, где нельзя приложить ни одной из
математических наук»18.
Позже его великий соотечественник Галилей органично соединит эксперимент с
математической обработкой.
Развитие медицины в эпоху Возрождения стимулировало изучение анатомии и
физиологии. «Колумбом человеческого тела» называют нидерландца Андрея Везалия
(1514-1564). Основателями физиологии можно назвать англичанина Гарвея (1578-1657) и
открывших законы кровообращения испанца Сервета и итальянца Чезальпино.
В XVI веке продолжалось изучение магнетизма и электричества. Англичанин У.
Гильберт (1544 -1603) установил, что Земля, по сути, есть большой магнит. Этим
наносился серьёзный удар религиозному представлению, противопоставляющему земной
и небесный миры. Гильберта иногда даже называют отцом науки об электричестве,
поскольку он установил электрические свойства не только натёртого янтаря, что было
известно уже Фалесу, но и многих других веществ и тел (алмаз, сапфир, стекло, сера и
др.). Заметим только, что до подлинной теории электричества и магнетизма было ещё
далеко.
5. Новое и новейшее время
а) Классическая механика
16
Льоцци М. История физики. – С. 43-44 .
17
Леонардо да Винчи. Суждения о науке и искусстве. СПб., 1998. – С. 132, 128.
Там же. С. 127-128.
18
Появление этой первой естественнонаучной физической теории, очевидно, было бы
невозможно без переворота во взглядах на строение мироздания, который произвёл Н.
Коперник (1473 – 1543).
«Коперник указывает семь постулатов (он называет их также и аксиомами),
которые он выдвинул с целью “найти какое-нибудь более рациональное сочетание кругов,
которым можно было бы объяснить все видимые неравномерности” - имеются в виду
видимые неравномерности движения небесных тел, объяснение которых всегда
доставляло много трудностей астрономам. Для их объяснения древние астрономы, в
частности Калипп и Евдокс, ввели эксцентрические круги и эпициклы, а Птолемей ввел
также круги, называемые эквантами. Вот эти постулаты Коперника.
“ Первое требование. Не существует одного центра для всех небесных орбит или сфер.
Второе требование. Центр Земли не является центром мира, но только центром тяготения
и центром лунной орбиты.
Третье требование . Все сферы движутся вокруг Солнца, расположенного как бы в
середине всего, так что около Солнца находится центр мира.
Четвертое требование. Отношение, которое расстояние между Солнцем и Землей имеет
к высоте небесной тверди, меньше отношения радиуса Земли к ее расстоянию от Солнца,
так что по сравнению с высотой тверди оно будет даже неощутимым.
Пятое требование. Все движения, замечающиеся у небесной тверди, принадлежат не ей
самой, но Земле. Именно Земля с ближайшими к ней стихиями вся вращается в суточном
движении вокруг неизменных своих полюсов, причем твердь и самое высшее небо
остаются все время неподвижными.
Шестое требовани. Все замечаемые нами у Солнца движения не свойственны ему, но
принадлежат Земле и нашей сфере, вместе с которой мы вращаемся вокруг Солнца, как и
всякая другая планета; таким образом, Земля имеет несколько движений.
Седьмое требование. Кажущиеся прямые и попятные движения планет принадлежат не
им, но Земле. Таким образом, одно это ее движение достаточно для объяснения большого
числа видимых в небе неравномерностей”»19.
И далее Гайденко пишет: «Обратим внимание на содержание четвертого постулата
Коперника. Он гласит, что отношение радиуса земной орбиты к радиусу Вселенной
меньше, чем отношение радиуса Земли к радиусу земной орбиты. Коперник, таким
образом, исходит из положения, что не только радиус Земли можно принять за исчезающе
малую величину по сравнению с размерами Вселенной, но что такой исчезающе малой
величиной является также и земная орбита (“несущий Землю Великий круг”, как он ее
называет). Почему понадобилось Копернику вводить это новое допущение? Дело в том,
что, помещая центр мира не в центре Земли, а “около Солнца”, Коперник тем самым
оказывается перед целым рядом трудностей в объяснении видимых явлений, которые в
свое время и послужили для Птолемея и других астрономов аргументом в пользу
допущения, что Земля находится в центре мира. Трудности эти можно преодолеть только
путем введения другого допущения, а именно, что расстояние от земли до центра мира
(т.е. радиус земной орбиты) в свою очередь можно принять за исчезающе малое, т.е. как
бы за точку. Ученик и последователь Коперника Ретик поэтому подчеркивает, что
19
Цит. по: Гайденко История новоевропейской философии в ее связи с наукой - М.:
Университетская книга, 2000. http://www.gumer.info/bogoslov_Buks/Philos/Gaiden/intro.php
принятие радиуса “Великого круга” равным нулю снимает те трудности, которые
возникают для гелиоцентрической системы, “сдвигающей центр мира” от Земли к Солнцу.
“Всякий горизонт на Земле, - пишет Ретик в своем предисловии к работе Коперника, разделяет звездную сферу на равные части, как большой круг Вселенной, и равномерность
вращений сфер определяется по отношению к неподвижным звездам; таким образом,
вполне ясно, что звездная сфера в высшей степени подобна бесконечному, так как по
сравнению с ней становится ничтожным даже Великий круг, а все… наблюдаются не
иначе, как если бы Земля находилась в середине Вселенной”. Как видим, принятие земной
орбиты за величину исчезающе малую по сравнению с величиной универсума, т.е.
звездной сферы (Коперник рассматривает небесный свод как крайний предел,
объемлющую границу универсума), необходимо для того, чтобы все феномены
наблюдались так, как если бы Земля была центром мира»20.
Мы уже говорили, что физика Аристотеля принципиально различала подлунный и
надлунный миры. В центр космоса она помещала неподвижную Землю (геоцентризм),
вокруг которой по круговым орбитам двигалось Солнце и планеты. Александрийский
астроном Птолемей (II в.) сумел математически описать замысловатые с этой точки
зрения движения планет и других небесных тел вокруг Земли, в частности, введя так
называемые эпициклы. Эпицикл – это движение планеты по окружности, центр которой
сам движется по окружности. Птолемеевское описание было достаточно сложным, но
давало возможность предсказывать движение небесных светил и лунных затмений. К
аристотелевским аргументам против движения Земли Птолемей добавил свои. Например,
утверждал он, если Земля совершает за сутки один оборот вокруг своей оси, то её
поверхность должна двигаться с огромной скоростью. Эта скорость должна порождать на
Земле ураганные ветры, пылевые бури и т.п., а поскольку мы этого постоянно не
наблюдаем, то такого движения Земли не существует.
К тому же представления о движении Земли противоречили и религиозным догмам.
Знаменитый реформатор церкви М. Лютер (1483 -1546), возражая Копернику, приводил
курьёзный «аргумент». В Библии, мол, сказано, что Иисус Навин приказал остановиться
Солнцу, а не Земле!
Разумеется, сейчас подобные аргументы могут вызвать лишь снисходительную
улыбку, но тогда они были серьёзной мировоззренческой преградой на пути к новым
гелиоцентрическим представлениям.
Коперник «убрал» Землю из центра мироздания и поместил туда неподвижное
Солнце (гелиоцентризм), вокруг которого вращается Земля и планеты. Наша планета
перестала быть центром Вселенной, а предстала как одно из небесных тел, так сказать,
равной среди равных. Заметим, что Солнце в системе Коперника не находилось точно в
центре земной орбиты, а было несколько смещено, так что точкой, вокруг которого
происходило вращение планет было пустое пространство в центре орбиты нашей планеты.
Коренному пересмотру подвергся вопрос о причине и характере движения небесных тел.
Если в античности (в частности в аристотелевской физике) источником движения
Вселенной был так называемый «перводвигатель», в средневековой схоластике – Бог, то
20
Цит. по: Гайденко История новоевропейской философии в ее связи с наукой - М.:
Университетская книга, 2000. http://www.gumer.info/bogoslov_Buks/Philos/Gaiden/intro.php
Коперник объясняет движение небесных тел их сферической формой, то есть их
собственной природой.
И ещё одно замечание. Некоторые учёные считают, что коперникианская система
мира была не такой уж простой по сравнению с системой Птолемея, поскольку обе
требовали введения эпициклов.
С именем Галилея (1564-1642) связано становление механики как науки,
экспериментально-математического естествознания как такового. Проще говоря, с
Галилея физика стала переходить на теоретический уровень познания природы. В ХХ веке
Эйнштейн назвал Галилея «отцом современной физики».
Здесь не место говорить о многочисленных научных достижениях и открытиях
Галилея. Мы остановимся лишь на принципиально важных для последующего развития
физики феноменах.
«Как известно, Святой престол в 1616 году объявил, что «истина откровения»,
содержащаяся в Библии, говорит о вращении Солнца вокруг Земли, но Галилей, решив
избежать конфликта с церковью, пошел на компромисс с папой Урбаном VIII, заявив, что
система Коперника есть лишь средство, упрощающее астрологические расчеты. Это был
вполне оправданный шаг, поскольку ни Галилей, ни кто-либо другой не могли привести
убедительного доказательства в пользу своих гипотез»21.
Чтобы обосновать новый взгляд на строение мироздания и возразить сторонникам
неподвижности Земли, учёный выдвигает два принципа: принцип инерции и принцип
относительности. Принцип инерции выводится из следующего простого примера. Из
опыта известно, что «наклон плоскости по отношению к горизонту является причиной
ускоренного движения тела, движущегося вниз, и замедленного движения тела,
движущегося вверх; если же тело движется по неограниченной горизонтальной
плоскости, то, не имея причины ускоряться или замедляться, оно совершает равномерное
движение»22.
В этом идеализированном мысленном эксперименте Галилей показывает, что
движение может осуществляться и без приложенных к телу сил; если отвлечься от силы
трения и сопротивления воздуха, то его вообще можно представить вечным. Можно
сказать, что Галилей физически обосновал известный философский постулат о
«самодвижении материи». Некоторые авторы даже считают, что последний как раз и
послужил мотивом, своеобразным толчком, побудившим учёного сформулировать
принцип инерции.
Всевозможные
возражения против вращения Земли (например, дальность
стрельбы на запад такая же, как и на восток, летящие птицы не отстают от находящийся
под ними Земли и др.) полностью снимаются Галилеем с помощью открытого им
принципа относительности. Вот как сам Галилей пространно его описывает: «Уединитесь
с кем-либо из друзей в просторное помещение, под палубой какого-нибудь корабля,
запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми;
пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нём маленькими
рыбками; подвесьте, далее, наверху ведёрко, из которого вода будет капать капля за
каплей в другой сосуд с узким горлышком, подставленный снизу. Пока корабль стоит
неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же
скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать
Томпсон
М.
Философия
науки.
–
М.:
http://www.gumer.info/bogoslov_Buks/Philos/tomp_filn/index.php
21
22
Льоцци М. История физики. - С. 75.
ФАИР-ПРЕСС,
2003.
безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд,
и вам, бросая другу какой-нибудь предмет, не придётся бросать его с большей силой в
одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете
прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом
направлении. Прилежно наблюдайте всё это, хотя у нас не возникает никакого сомнения
в том, что, пока корабль стоит неподвижно, всё должно происходить именно так.
Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение
будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не
обнаружите, ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить,
движется ли корабль или стоит неподвижно… И причина согласованности всех этих
явлений в том, что движение корабля обще всем находящимся в нём предметам, так же
как и воздуху; поэтому-то я и сказал, что вы должны находиться под палубой...»23.
В современном звучании принцип относительности Галилея можно
сформулировать так: в системе отсчёта, движущейся прямолинейно и равномерно, все
механические процессы протекают так же, как и в покоящейся системе. Правда, следует
заметить, что в таком варианте принцип относительности к круговому движению Земли
неприменим. Поэтому последнее нельзя считать строго инерциальным, что, очевидно,
понимал и Галилей. Говоря современным языком, он, по своей вероятности, исходил из
того, что в этом случае центробежное ускорение всё же ничтожно мало по сравнению с
ускорением силы тяжести Земли. Однако сейчас мы хорошо знаем, «что из-за вращения
Земли запускать космические ракеты и спутники в направлении на восток легче, так что
экспериментально это вращение можно выявить»24.
Переход от законов движения, выраженных в одной системе отсчёта к
другой, которые находятся по отношению друг к другу в инерциальном движении,
осуществляется с помощью преобразований Галилея (рис.1). Предположим, система (х1
у1) скользит, движется по оси Х. системы (х у) со скоростью V.
23
Цит. по: Льоцци М. История физики. - С. 75.
Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины мира. - М., 1985. – С. 1617.
24
Тогда координаты, например, точки А при переходе от неподвижной системы (х у)
к движущейся будут преобразованы так, как показано на рис. 1. Следовательно, из
принципа относительности вытекает, что механические законы будут неизменны
(инвариантны) относительно преобразований Галилея. То есть, законы будут иметь один и
тот же вид в покоящихся и движущихся равномерно и прямолинейно (инерциально)
системах.
Большое значение имел открытый Галилеем закон свободного падения тел,
согласно которому все тела должны падать с одинаковой скоростью, если не учитывать
сопротивление среды (воздуха и т.п.). Представим себе два шара А и В, один лёгкий, а
другой тяжёлый (рис. 2). Будем исходить из точки зрения аристотелевской физики и
считать,
что тяжёлый шар А
упадёт быстрее шара В. Теперь давайте мысленно соединим два шара в единое тело,
систему (АВ). Тогда (АВ) должна падать быстрее, чем каждый шар отдельно, например,
шар А. Но ведь можно рассуждать иначе. Поскольку в нашей системе, в связке (АВ)
лёгкий шар В падает медленнее шара А, то он должен тормозить ее падение.
Следовательно «связка» должна упасть медленнее, чем, допустим, тот же шар А, если бы
он падал один. Получили явное противоречие. Отсюда делается вывод: наше
первоначальное предположение, что тяжёлое тело падает быстрее лёгкого, неверно.
Чтобы избежать противоречия, надо скорость падения всех тел считать одной и той же,
что и требовалось доказать!
Говоря о методе Галилея, следует подчеркнуть, что он не просто ввёл эксперимент в
науку (экспериментом пользовались и до него), а стал использовать, так сказать, чистые
эксперименты, эксперименты, очищенные от возмущающих причин – идеализированные.
Затем на основе опыта с идеализированными объектами он строит рабочую гипотезу,
математически обрабатывая следствия из неё, и вновь обращается к опыту, чтобы
проверить эти следствия. Кроме того, считают некоторые исследователи, Галилей
разрабатывал общие представления о принципах строения мироздания, научную картину
мира на теоретическом уровне.
Вы, наверное, обратили внимание, что преобразования Галилея мы представили в
системе координат движущихся по отношению друг к другу.
Система координат была введена не Галилеем, а Р. Декартом (1596 -1650), который
так же уточнил принцип инерции, заменив круговое движение, которое Галилей, следуя
Аристотелю, считал «совершенным», на прямолинейное. Кстати, по причине такой
предвзятости Галилей не придавал должного значения законам Кеплера (1571-1630):
Первый: орбита, то есть траектория движения, планет представляет собой эллипс, в одном
из фокусов которого находится Солнце. Второй: радиус-вектор планеты за одинаковые
промежутки времени описывает равные площади. Третий: квадрат периода обращения
планеты вокруг Солнца пропорционален кубу среднего расстояния от нее до
Солнца. Эти законы открыли Ньютону путь к закону всемирного тяготения.
Великий И. Ньютон (1643-1727) упорядочил и обобщил все достижения в области
механики и распространил её законы на всю Вселенную.
Есть факты, говорящие о желании отцов-основателей США создать конституцию
страны на основе и по образу ньютонианской физики и космологии.
Напомним его три знаменитых закона. Первый закон механики гласит: «Всякое
тело продолжает удерживаться в своём состоянии покоя или равномерного
прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами
изменить это состояние». Этот закон называют законом инерции.
Второй закон можно сформулировать так: «Изменение количества движения
пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той же
прямой, по которой эта сила действует». Говоря проще, произведение массы тела на его
ускорение равно действующей на тело результирующей силе: F= ma, где m – масса, a –
ускорение.
Третий закон: «Действию всегда есть равное и противоположно направленное
противодействие, иначе, взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и
направлены в противоположные стороны». Наконец, всем известный закон всемирного
тяготения.
Сам Ньютон природу сил тяготения объяснить не мог, считая бессмысленным
действие на расстоянии без помощи посредника. Говорят, что таким посредником он
считал Бога.
Ньютон исходил из признания абсолютного пространства и абсолютного времени.
Это означает, что пространство и время есть некие самостоятельно существующие
сущности, не зависящие не только друг от друга, но и от движущихся в них тел.
Пространство понималось как вместилище тел, как своеобразный ящик без стенок, а
время как некое течение, как «река-время», в воды которой «брошены» все события. Если
их оттуда можно было бы изъять, то время все равно продолжало бы «течь». Понятие
«абсолютное пространство» и «абсолютное время» просуществовали в физике до начала
ХХ века.
Ньютон считал абсолютное пространство неподвижным. Поэтому с ним можно
было связать и абсолютную систему отсчёта, которая должна была покоиться
относительно абсолютного пространства. Тогда по отношению к абсолютной системе
отсчёта можно было бы установить абсолютное движение любого тела, даже если оно
движется равномерно и прямолинейно, что противоречит принципу инерции. Понятие
абсолютного времени также позволяет установить для всего универсума единую систему
отсчёта, относительно которой все события были бы упорядочены во времени.
При постулировании абсолютного времени для всей Вселенной интуитивно ясным
казалось и понятие абсолютной одновременности, каких-либо событий, разделенных
пусть даже очень большим расстоянием. Ведь время всюду одно, а скорость любого
сигнала, либо тела могла быть бесконечно большой, то есть мгновенной, поскольку
законы механики Ньютона никаких ограничений для скорости не предусматривали. В
самом деле, взгляните ещё раз на закон всемирного тяготения. В нём отсутствует понятие
скорости взаимодействия между двумя телами (массами).
То есть, говоря современным языком, в классической механике постулировался
принцип дальнодействия. В общем плане его можно сформулировать так: дальнодействие
– это такая связь между телами, когда по изменению свойств или состояния движения
одного тела можно сделать вывод об изменении тех же характеристик другого тела без
указания на промежуточный механизм, который осуществлял бы взаимодействие между
этими телами. С критикой ньютоновской теории тяготения выступили Гюйгенс (16291697) и Лейбниц (1646-1716), отстаивая концепцию близкодействия. Лейбниц, в
частности, считал, что тяготение возможно лишь посредством соприкосновения двух
разделенных тел с другими промежуточными телами.
б). Электромагнитная теория
Обратимся к другим явлениям природы, которые давно привлекали внимание
физиков: электричество, магнетизм, поведение света. Интуитивно должно было казаться
ясным, что их природа отличается от механических законов движения тела. Однако,
долгое время эти феномены всё же пытались свести к их механическим аналогам. Без
сомнения, свою роль здесь сыграл авторитет Ньютона и казавшаяся универсальность
открытых им законов. Ньютон, как известно, полагал, что свет состоит из частиц,
(корпускул), то есть он придерживался корпускулярной концепции света (хотя иногда
допускал и его волновые свойства). Главной причиной, по которой он выступал против
волновой теории, было то, что, свет, мол, распространяется прямолинейно и не огибает
предметы, в результате чего освещённые предметы отбрасывают резкие тени.
Преломление же света (дифракцию) Ньютон объяснял результатом действия притяжения
вещества на световые корпускулы: лучи света, проходя рядом с краями тел, испытывают
притяжения и потому изгибаются. Из концепции Ньютона следовало, что свет должен
быстрее двигаться в более плотной среде, что, как было показано экспериментально,
неверно. Позже Т. Юнгом (1773-1829) было установлено, что свет обладает свойством
интерференции (наложения одних световых лучей на другие, в результате чего могут
получаться тёмные полосы). Интерференцию света следует считать одним из
доказательств его волновой природы. Но если свет есть волна, разновидность волн, то
тогда должен существовать их носитель, ибо волны могут распространяться лишь в
какой-то среде (например, звуковые волны распространяются в воздухе). Такой средой
стали считать гипотетический эфир, который заполняет собой всё мировое пространство и
является настолько тонким и прозрачным, что, наподобие тумана, совершенно не мешает
движущимся в нём телам. Таким образом, представление об эфире заменяло собой
абсолютное пространство. Появилась заманчивая идея измерить скорость движения тел,
например, Земли по отношению к неподвижному эфиру при помощи движущихся в нём
световых волн. Тогда можно было бы установить состояния абсолютного движения и
абсолютного покоя. К этим попыткам мы ещё вернёмся, а сейчас укажем, что волновая
теория света наводила на мысль о его конечной скорости распространения от одной точки
эфира к другой, что противоречило принципу дальнодействия. Кроме того, О. Френель
(1788-1827), чтобы объяснить явления поляризации света, вынужден был признать
световые волны не продольными, а поперечными. Тогда эфир должен представлять собой
плотную среду, ибо поперечные волны возможны только в ней. Хотя Френель и сохранил
представление об эфире, придумав хитроумную теорию частичного увлечения эфира
движущимися телами и т.п., но она была слишком искусственна и противоречива, хотя и
объясняла почти все известные тогда экспериментальные факты.
Вернёмся к исследованиям магнетизма и электричества. Свойства магнита были
известны давно. Мы знаем, что одноимённые полюса магнитов отталкиваются, а
разноимённые притягиваются. Сила же взаимодействия полюсов обратно
пропорциональна квадрату расстояний между ними. Но ведь так же ведут себя
электрические заряды по закону Кулона. То есть, должна быть какая-то связь между
магнитными и электрическими явлениями. Но лишь в 1820 году датский физик Эрстед
показал, что магнитная стрелка отклоняется, если её поместить вблизи провода, по
которому течёт электрический ток. Естественно возник вопрос: а нельзя ли наоборот,
превратить магнитные силы в электрические? М.Фарадей в 1831 году установил закон,
согласно которому при некоторых движениях проводников в магнитном поле в них
возникает электрический ток (электромагнитная индукция).
Б.Я. Пахомов верно отмечает: «Принципиально новым было здесь не только то, что
процесс каким-то образом передавался через физический вакуум, которому приходилось
теперь приписывать свойства особой среды. Новым по сравнению с картиной мира
классической физики было и то, что представления о постоянном воздействии одного тела
на другое (как это было в случае тяготения или взаимодействия электрически заряженных
тел) замещались представлениями о передачи импульсов или волн в момент изменения
состояния одного из тел»25.
Итак, для Фарадея, пространство вокруг магнита и вокруг электрического заряда
уже не есть пустое пространство, оно есть магнитное и электрическое поле. Стройную
математическую теорию электромагнитного поля дал Максвелл (1831-1879). Из этой
теории следовало, что электрическое поле может создаваться двумя путями:
электрическими зарядами и переменным магнитным полем. Магнитное поле не имеет
источников (нет магнитных зарядов), оно создаётся электрическими токами и переменным
электрическим полем. Законы Максвелла говорят о том, что не существует переменного
магнитного поля без электрического и наоборот. Поэтому вводится новая сущность, новая
физическая реальность – электромагнитное поле, которое принципиально отличается от
идеализаций классической механики (вроде материальной точки). Поле нельзя объяснить
с помощью механических представлений. Из электромагнитной теории следовало, что
должно существовать явление электромагнитного излучения, которое распространяется со
скоростью 300 тыс. км/с. Другой вывод: «...электрический и магнитный векторы
перпендикулярны направлению распространения волны и перпендикулярны друг другу….
Поскольку было известно, что свет распространяется как раз со скоростью 300тыс. км/с,
вычисленной для электромагнитного излучения, и имелись достаточно исчерпывающие
сведения о поляризации света, которые заставляли думать, что световая энергия обладает
некими «поперечными» свойствами, то Максвелл приходит к заключению: свет является
видом электромагнитного излучения»26.
Справедливости ради заметим, что понятие эфира у Максвелла сохраняется в виде
бесконечно упругой лёгкой среды, в которой свет распространяется примерно так, как
звук в воздухе, а электрическое и магнитные поля есть всего лишь местное нарушение
состояния эфира.
Великого физика XIX тоже интересовал вопрос о движении Земли через эфир, но
он считал, что этот эффект очень мал и его трудно экспериментально определить. Амер.
физик А. Майкельсон всё же решился провести эксперимент подобного типа и определить
абсолютную скорость Земли (1881 г.). Идея эксперимента состояла в том, что луч света
пускался вдоль направления движения Земли (30 км/с) и поперёк этого направления.
Предполагалось, что в первом случае скорость света должна быть большей. Но скорость
света оказалась одинаковой во всех направлениях. Это было проинтерпретировано так,
что эфир движется вместе с Землёй. С другой стороны, известный факт аберрации света
вроде бы говорил в пользу неподвижного эфира. Аберрация (искажение, отклонение), в
25
Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины мира. - М., 1985. –
С. 95.
26
Китайгородский А.И. Физика для всех: Электроны. - М.: Наука, 1982. – С. 157.
частности, проявляется в том, что изменяется видимое положение звезд на небесной
сфере, вызванное конечной скоростью распространения света и движением наблюдателя
вместе с Землёй вокруг Солнца. Эти два вывода резко противоречили друг другу, что
привело в конечном итоге к созданию А.Эйнштейном теории относительности.
Ещё одной трудностью было то, что уравнения Максвелла не подчинялись
принципу относительности и преобразованиям Галилея и были неприменимы к телам,
которые движутся по отношению к эфиру. Г. Лоренц (1853-1928) уточнил и преобразовал
уравнения Максвелла таким образом, что они становились неизменными
(инвариантными) не при галилеевских преобразованиях, а при тех, которые стали
называться лоренцовыми (см. ниже). При этих преобразованиях, например, при переходе
от одной системы к другой, движущейся прямолинейно и равномерно, изменяется
значение времени, а при галилеевских преобразованиях такого изменения, как мы видели,
не происходит. Таким образом, замечает М. Льоцци: «Уравнения Максвелла оставались
инвариантными при преобразованиях Лоренца, но зато при этом оказывались
неинвариантными уравнения классической механики. Так что в целом теория Лоренца не
устраняла расхождения между классической механикой и уравнениями Максвелла»27.
в). Специальная теория относительности
Итак, ещё раз укажем, что электродинамика «не подчинялась» принципу
относительности, в ней не соблюдались преобразования Галилея, (уравнения Максвелла
не были инвариантными относительно этих преобразований). В уравнения
электродинамики скорость распространения электромагнитных волн (300 тыс. км/с)
входит как неизменная величина. Возникал вопрос: относительно чего должна измеряться
эта скорость? Большинство физиков того времени думали, что она должна измеряться
относительно неподвижного эфира. Но тогда, как мы уже говорили, эфир должен быть
выделенной системой отсчёта, по отношению к которой можно установить абсолютное
движение любого тела, даже если оно движется прямолинейно и равномерно. А это как
раз и противоречит принципу относительности (см. выше).
Пожертвовать принципом относительности, по-видимому, невозможно, ибо без
него нельзя сформулировать никаких законов. Следовательно, надо было его сохранить и
сформулировать такие преобразования, которые «выполнялись» бы не только в механике,
но и в электродинамике.
Эйнштейн в знаменитой работе «К электродинамике движущихся тел» писал:
«Известно, что электродинамика Максвелла в современном её виде приводит в
применении к движущимся телам к асимметрии… Вспомним, например,
электродинамическое взаимодействие между магнитом и проводником с током.
Наблюдаемое явление зависит здесь только от относительного движения проводника и
магнита, в то время, как, согласно обычному представлению, два случая, в которых
движется либо одно, либо другое из этих тел, должны быть строго разграничены. В самом
деле, если движется магнит, а проводник покоится, то вокруг магнита возникает
электрическое поле, обладающее некоторым количеством энергии, которое в тех местах,
где находятся части проводника, порождает ток. Если же магнит находится в покое, а
движется проводник, то вокруг магнита не возникает никакого электрического поля; зато
в проводнике возникает электродвижущая сила, но которая – при предполагаемой
тождественности относительно движения в обоих интересующих нас случаях, - вызывает
27
Льоцци М. История физики. – С. 321.
электрические токи той же величины и того же направления, что и электрическое поле в
первом случае»28.
Говоря другими словами, Эйнштейн заметил, что сила тока в этом случае зависит
от относительного движения магнита и проводника, а не от их абсолютного движения в
эфире.
Однако, по мнению Эйнштейна, теория Максвелла даёт совершенно различные
физические объяснения возникновению индукционного тока в случае, когда проводник
покоится в эфире, а магнит движется, и в случае, когда движется проводник, а магнит
покоится.
Далее великий физик, следуя своей тонкой интуиции, делает вывод о том, что
нельзя различным образом объяснять одно и то же явление (возникновение тока), что
«никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя», поэтому без
этого понятия можно обойтись, как и без представлений об эфире, по отношению к
которому движение Земли обнаружено не было. Всё можно объяснить относительностью
состояний движения различных систем. Например, то же самое электрическое поле
создаётся движущимся магнитом, а для наблюдателя, покоящегося относительно магнита,
электрическое поле исчезает.
В основу своей теории Эйнштейн положил два принципа. Первый формулируется
так: «для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики,
справедливы те же самые электродинамические и оптические законы»29.
Говоря проще, законы механики и электродинамики совершенно одинаковы во
всех инерциальных системах. Справедливости ради, заметим, что принцип
относительности чуть раньше Эйнштейна был предложен фран. учёным А. Пуанкаре:
«Законы физических явлений будут одинаковыми как для покоящегося наблюдателя, так
и для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного поступательного движения,
так что мы не имеем никаких средств, чтобы различать, находимся ли мы в таком
движении или нет»30.
Обратим внимание, что Пуанкаре всё же говорит о наблюдателе, который не имеет
возможности обнаружить прямолинейное движение по отношению к эфиру. У Эйнштейна
же сформулирован физический принцип, которому подчинены законы природы.
Преобразования, которые оставляли неизменными (инвариантными) уравнения Максвелла
при переходе от одной системы отсчёта к другой, были тоже известны до Эйнштейна. Они
называются преобразованиями Лоренца и были им получены, так сказать, методом
математической подгонки. Физическим смыслом их наполнил Эйнштейн.
Дело в том, что Лоренц, Фитцджеральд и другие физики пытались сохранить
механистические представления о пространстве и времени, в частности, гипотезу эфира,
которую они старались «спасти» и как-то объяснить отрицательный результат опыта
Майкельсона-Морли.
Так, они предположили, что при движении сквозь эфир тела, состоящего из
заряжённых частиц, происходит такое изменение взаимодействий последних, что тела
сокращаются в размерах. Поэтому, мол, в опыте Майкельсона невозможно определить
Цит. по: Дубровский В.Н., Смородинский Я.А., Сурков Е.Л. Релятивистский мир. М.:
Наука, 1984. – С. 25.
28
29
Эйнштейн А. Собр. науч. трудов. - Т. 1. - М., 1965. - С. 7.
30
Гоффман Б. Корни теории относительности. – С. 146.
разницу в скорости света вдоль и поперёк движения Земли. Конечно, это выглядело
искусственным выходом из создавшегося положения.
Решение Эйнштейна было принципиально иное: отказ от понятия эфира, от
представлений об абсолютном покое, абсолютном времени.
Второй принцип, из которого исходил Эйнштейн, создавая специальную теорию
относительности – это постоянство скорости света в вакууме. Скорость света должна быть
одной и той же для любого наблюдателя, в любой инерциальной системе отсчёта и не
превышать скорости светового луча в вакууме. Из этого следовало, что скорость света не
может быть зависима от скорости источника, из которого свет распространяется. Кстати,
С (скорость света) не может зависеть и от скорости приёмника света. Последнее
обстоятельство выглядит вполне уместным, если считать свет волновым процессом,
волнами, которые, будучи испущены источником, потом от него не зависят. Но если
представлять свет потоком частиц, подчиняющихся законам механики Ньютона, то
принцип постоянства скорости света выглядит парадоксально. Например, нам хорошо
известно, что звук медленнее распространяется против ветра и быстрее с попутным его
движением, что камень, брошенный с быстро идущего поезда, обладает большей
разрушительной силой, так как его скорость складывается со скоростью поезда. Теперь
представим, что машинист зажёг фары на движущемся поезде. Казалось бы, что скорость
света в этом случае должна складываться со скоростью поезда и составлять C + V (C –
скорость света, V – скорость поезда) по отношению к рельсам. Однако, второй принцип,
постулат СТО (специальная теория относительности) утверждает, что С – const и не
может превышать скорости света в вакууме.
Классическая физика, как известно, исходила из понятий абсолютного времени и
пространства. То есть, интуитивно допускалось, что время везде, во всей Вселенной одно
и то же, что промежутки времени (интервалы) между какими-то двумя событиями для
любых наблюдателей всегда будут равны, вне зависимости от того, движутся они или
покоятся. Критикуя понятие абсолютного времени, Эйнштейн проанализировал, прежде
всего, понятие одновременности. В классической физике два события считались
одновременными, если часы, расположенные рядом с ними, показывали одинаковое время
или эта одновременность могла быть установлена путём переноса часов из одной точки
(событие А) в другую (событие Б). Причём допускалось, что перенос может быть
осуществлён мгновенно, так как никаких ограничений для скорости распространения
сигналов в классической механике не было. Поэтому якобы нет проблемы установить
абсолютную одновременность, каких-либо двух пространственно разделённых событий.
Кроме того, совсем не очевидно, что перенос часов не влияет на их ход. Эйнштейн в связи
с этим писал: «…в классической физике всегда предполагалось, что часы и в движении, и
в покое имеют одинаковый ритм, что масштабы и в движении, и в покое имеют
одинаковую длину. Если скорость света одинакова во всех системах координат, если
теория относительности справедлива, то мы должны пожертвовать этим положением»31.
Понятие одновременности теряет своё абсолютное значение и становится
относительным. «Согласно теории относительности, - отмечает Гоффман, - не существует
такого универсального понятия, как «сейчас», которое присуще ньютоновой теории с её
абсолютным временем»32.
31
32
Эйнштейн А. Собр. науч. трудов. - Т. 4. - М., 1967. – С. 474-475.
Гоффман Б. Корни теории относительности. – С. 158.
Другими словами, в каждой системе существует своё собственное время, свой, так
сказать, ритм событий и нет таких часов во Вселенной, которые бы показывали общее,
универсальное время.
Из относительности одновременности следуют необычные, парадоксальные, с
точки зрения Ньютоновской физики, выводы такие, как замедление времени в
движущихся системах по отношению к покоящимся и сокращение длины тела вдоль
направления движения.
Итак, СТО показала органическую связь между пространством и временем. Если в
классической механике при переходе от одной системы координат к другой меняются
только пространственные координаты, то в СТО вместе с ними меняются и координаты
времени. Эйнштейн по этому поводу отмечал, что в классической физике «не замечалось,
что истинным элементом пространственно-временной локализации является событие,
определённое четырьмя числами x1 , x2 , x3 , t. Представление о чём-либо происходящем
есть всегда представление о четырёхмерном континууме… Физической реальностью
обладает не точка пространства и не момент времени, когда что-либо произошло, а
только само событие…. Законы природы примут наиболее удовлетворительный, с точки
зрения логики, вид, будучи выражены как законы в четырёхмерном пространственновременном континууме»33.
То есть, в СТО нет, так сказать, «чистого» пространства самого по себе и «чистого»
времени, а есть их единство. «Кирпичиком» этого единства, его «строительным
материалом» является событие, «расстояния» между которыми в СТО называются
интервалами. Характерным является то, что интервал уже не зависит от выбора системы
отсчёта. В этом смысле его следует считать уже не относительным, а абсолютным.
г). Общая теория относительности (ОТО)
Галилей, как известно, пришёл к выводу, что все тела падают с одинаковым
ускорением, если пренебречь силами негравитационного происхождения (сопротивлением
воздуха и т. п.). Всем физикам (и не только им) это давно было знакомо, и никто из них в
этом факте не видел ничего загадочного. Никто, кроме Эйнштейна, который писал по
этому поводу следующее: «Наконец-то я понял всю глубину и значение этого закона
(падения тел), который можно сформулировать и как закон равенства инертной и
гравитационной масс. То, что он есть – поразительно, и я полагаю, что именно в нём
кроется ключ к более глубокому пониманию инерции и тяготения»34.
33
Эйнштейн А. Собр. науч. трудов. - Т.2. – С. 25.
34
Цит. по: Гоффман Б. Корни теории относительности. – С. 204.
Дело в том, что в классической физике существовали два различных понятия
массы. Гравитационная масса фигурировала в законе всемирного тяготения Ньютона, где
она определялась через притяжение тела к другим массивным телам. Сравнивать
гравитационные массы разных тел можно путём их взвешивания (через притяжение к
Земле). Понятие массы во втором законе механики Ньютона иной природы. Инертная
масса, как уже было сказано раньше, есть мера сопротивления ускорению под действием
приложенных к телу сил. Ускорение свободно падающих тел прямо пропорционально
гравитационной (или тяжёлой) массе и обратно пропорционально инертной массе, что
тоже было давно известно. Но в механике Ньютона факт такой пропорциональности не
был осмыслен. У Эйнштейна же он приобрёл принципиальное значение, о чём речь будет
ниже. А сейчас отметим ещё по крайней мере два обстоятельства, которые привели к
созданию ОТО.
Уже специальная теория относительности вступала в противоречие с
Ньютоновской теорией тяготения, в которой предполагалось, что тела притягиваются друг
к другу с мгновенной скоростью (принцип дальнодействия). Например, стоит чуть
сдвинуть одно тело, как сила притяжения должна измениться тотчас же. В СТО же
скорость передачи взаимодействий ограничена скоростью света (принцип
близкодействия).
Другое, может быть даже главное обстоятельство, заключалось в том, что
нарушалась гармония мира природы, которую так тонко чувствовал физический гений
Эйнштейна. В самом деле, почему относительным должен быть только один вид
движения, только инерциальное движение? Все движения должны быть относительны и
инерциальные и неинерциальные (ускоренные).
Так был сформулирован общий принцип относительности: законы физики должны
быть таковы по природе, чтобы быть применимыми к произвольно движущимся системам
отсчёта. «Законы физических явлений сохраняют свою форму для произвольного
наблюдателя, так что уравнения физики должны оставаться инвариантными не только при
лоренцовых, но и при произвольных преобразованиях»35.
Возьмём, например, вращение на карусели. Это движение уже не будет
инерциальным. Находясь на ней, мы будем испытывать центробежную силу. Допустим,
что карусель вращается по отношению к массам далёких галактик. А теперь вообразим,
что эти галактики вращаются вокруг неподвижной карусели! Законы физики тогда
должны быть одинаковы для обоих случаев. Теперь возьмём гравитацию, силы
притяжения. Возможно ли их чем-то «компенсировать», «выключить», как выключают
свет, «заменить» на другие? То есть, можно ли представить гравитацию как
относительное явление.
Таков, по всей вероятности, ход мысли Эйнштейна. Закон падения тел, открытый
Галилеем, как раз и послужил подсказкой, давшей возможность «выразить» гравитацию
через инерцию и наоборот. Это позволило совершенно по-новому истолковать природу
сил тяготения.
Фундаментальный вывод: гравитация «ответственна» за геометрию пространства,
её (гравитации) природа носит геометрический характер, а не силовой, как в классической
механике Ньютона. Другими словами, гравитация проявляется в геометрии пространства.
Можно даже сказать, что гравитация и есть кривизна пространства (т.е. отличие его от
евклидова пространства). С другой стороны, геометрические свойства пространства и
времени зависят от распределения в них вещества, тел. Гравитация определяет вид
траектории движения этих тел. Амер. физик Уилер метко подметил, что согласно ОТО,
вещество говорит пространству, как тому искривляться, а пространство говорит веществу,
как тому двигаться.
35
Льоцци М. История физики. - С. 328.
Поэтому гравитацию не следует понимать как причину кривизны пространствавремени. Последнее означало бы, что пространство есть нечто отличное и зависимое от
гравитации. В ОТО же пространство рассматривается в виде аспекта гравитационного
поля. С другой стороны, нельзя кривизну пространства понимать как фактор,
обуславливающий гравитацию.
д). Квантовые концепции
Квантовая механика рассматривает свойства вещества на более глубоком,
фундаментальном уровне, чем классическая физика. Уровень этот – микроскопический,
связанный с движением атомов, молекул, элементарных частиц. К микрообъектам
относятся атомные ядра, элементарные частицы, атомы, молекулы.
В классической физике все физические величины являются непрерывными. Как
известно, в классической механике для задания состояния системы достаточно задать
значение всех ее обобщенных координат и скоростей в некоторый момент времени.
Причем начальное состояние системы строго однозначно определяет ее последующие
состояния. Именно на этом основано представление о движении тел по траекториям. А
если начальное состояние системы не определяет однозначно все последующие
состояния, то в классической механике задача считается нерешенной или неправильно
поставленной.
Таким образом, в основе классической механики лежат однозначные, жестко
детерминированные связи и закономерности. Здесь нет места объективной вероятности,
случайности. Вероятность применялась только для оценок ошибок наблюдения.
Классическая механика и электродинамика, несмотря на все свои успехи, не могли
объяснить ряд элементарных фактов:
- почему магнит утрачивает свои свойства при нагревании?;
- почему алмаз является очень твердым телом?;
- почему электропроводность полупроводника растет с увеличением температуры?;
- почему атомы стабильны? Почему мы не продавливаем, например, пол?
К концу ХIХ в. физика разделилась на два больших раздела: физику материи и
физику излучения. Материя и излучение казались двумя совершенно независимыми
сущностями, ибо материя может существовать без излучения, а излучение может
проникать через пустое пространство, лишенное материи (вещества).
Проблема состояла в том, чтобы найти механизм, благодаря которому материя
(вещество) способна излучать и поглощать излучение. А уравнения Максвелла оказались
неприменимыми к излучению, испускаемому и поглощаемому мельчайшими частицами
материи.
Еще в ХIХ в. Кирхгоф установил свой знаменитый закон: излучательная
способность тела пропорциональна его поглощающий способности, или, другими
словами, тело, чем больше поглощает излучение, тем больше оно способно испускать его.
Тогда непонятно, почему, например, кусок железа при обычной температуре не излучает
света? Если в нем содержатся частицы, будь то электроны или какие-то иные частицы,
колеблющиеся с определенной частотой, то почему быстрые колебания, соответствующие
видимому излучению, не проявляются до тех пор, пока не достигнута определенная
температура? Между тем тот же кусок железа поглощает падающее на него световое
излучение даже в холодном состоянии.
Теория давала результат, согласно которому интенсивность излучения должна
возрастать с увеличением частоты, что противоречило опыту.
Кроме этого было также установлено, что взаимодействие света с веществом
имело одним из своих следствий выбивание электронов из металла. Процесс
осуществлялся так, как если бы свет представлял собой поток частиц, а не волны
электромагнитного поля, согласно теории Максвелла. В 1902 г. было установлено, что
скорость испускаемых электронов зависит не от интенсивности падающего света (его, так
сказать, энерговооруженности), а лишь от его частоты, возрастая с ее увеличением. С
ростом же интенсивности падающего света увеличивается лишь количество испускаемых
электронов.
Позже опыты Резерфорда и его сотрудников показали, что атом состоит из
массивного ядра, занимающего лишь малую часть объема атома, и легкой, но более
протяженной электронной оболочки. Возникла мысль, что атом можно рассматривать
наподобие миниатюрной солнечной системы. Но согласно электромагнитной теории,
заряд, на который действует магнитное поле или притяжение атомного ядра, должен
испускать электромагнитные волны в процессе своего движения и в конце концов упасть
на ядро, потеряв свою энергию. Однако в действительности атомы очень стабильны.
Таким образом, теоретически атом не мог быть устойчивым. Далее. Согласно
теории, атом должен излучать самые различные волны, а на деле он излучал лишь тогда,
когда его переводили в «возбужденное» состояние, и притом излучал волны строго
определенной длины, характерный спектр, по которому можно было узнавать атомы
различных элементов таблицы Менделеева.
Первым шагом на пути построения новой, квантовой физики явилась гипотеза М.
Планка (1900 г.), согласно которой атомы излучают свет дискретными порциями,
квантами. Энергия одного кванта ε = ħν, где ν – частота излучения, ħ - постоянная
Планка (1,05 ·10  Дж·с). В 1905 г., изучая явление фотоэлектрического эффекта (т.е.
выбивание светом электронов из металла), Эйнштейн применил к его объяснению
квантовую теорию, распространив ее и на само излучение. Он предположил, что квант
энергии ħν, будучи излучен, не рассеивается, а сохраняет свою индивидуальность,
локализованную в пространстве. Этим сгустком энергии в 1923 году дали название
фотонов.
Эйнштейн писал: «Пучок фотонов падает на металлическую пластинку.
Взаимодействие между излучением и веществом состоит здесь из очень многих
элементарных процессов, в которых фотон ударяется об атом и выбивает из него
электрон. Эти элементарные процессы подобны друг другу, и вырванный электрон будет
во всех случаях иметь одинаковую энергию. Нам становится понятно, что увеличение
интенсивности света на нашем новом языке означает увеличение числа падающих
фотонов. В этом случае из металлической пластинки было бы вырвано большее число
электронов, но энергия каждого отдельного фотона не изменилась бы»36.
36
Цит. по: Льоцци М. История физики. - С. 355-356.
Частицы света, фотоны, не все одинаковы по величине, как частицы электричества,
электроны, а обладают разной энергией: ε = ħν.
В 1913 г. была предложена модель атома водорода, где классические
представления соединены с квантовыми постулатами: существуют стационарные орбиты,
находясь на которых электрон не излучает (вопреки законам электродинамики). Атом
излучает только тогда, когда электрон перескакивает с одной стационарной орбиты на
другую, причем частота излучения связана с разностью энергий двух соответствующих
орбит и постоянной Планка: ε2 - ε1 = ħ ν.
Наконец, в 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу, согласно которой
микрообъект обладает свойствами не только корпускулы, но и волны.
По словам ученика Н. Бора Д. Уилера, который, кстати, придумал термин «черная
дыра», Бор говорил следующее: «Если вы думаете, что понимаете квантовую физику, то
это только показывает, что вы ничего про неё не знаете».
Кстати, Эйнштейн до конца жизни не признавал современную интерпретацию
квантовых явлений.