Особенности американского мышления. Закат физики в западной цивилизации
Очевидно, что западная цивилизация находится не в лучшем своем состоянии. Безжалостное стремление к доминированию империи США, управляемой военно-промышленным комплексом, нездоровая экономика, эрозия общественных ценностей, перерастающая в безумие… Мы даже не представляем, к чему это может привести в будущем. Исторический ракурс показывает, что причины тут кроются в традиции поверхностного мышления. Это наблюдается и в фундаментальных науках, на которых основано развитие цивилизации.
Оглавление
- Предисловие: Почему Европа и Америка – два разных мира
- Часть I:. Страна без культуры
- Часть II:. Подъем и кризис европейской научной традиции
* * *
Приведённый ознакомительный фрагмент книги Особенности американского мышления. Закат физики в западной цивилизации предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.
Купить и скачать полную версию книги в форматах FB2, ePub, MOBI, TXT, HTML, RTF и других
Часть II:
Подъем и кризис европейской научной традиции
Высшей задачей физика является, следовательно, поиск тех наиболее общих элементарных законов, из которых картина мира может быть получена путем чистой дедукции.
4. Основы: Открытия натурфилософов
Вскоре после того, как генуэзский мореплаватель Христофор Колумб высадился в Америке в 1492 году, Николай Коперник отправился из своего родного города Торна в Болонью на севере Италии, чтобы изучать право. Хотя уже в 1500 году его пригласили в Рим для чтения лекций по астрономии, он изучал медицину в Падуе и рассматривался современниками прежде всего как известный врач. Во всей Европе царил дух оптимизма, были основаны многочисленные университеты. После того как его богатый дядя сделал возможным его обучение, Коперник смог продолжить свои астрономические идеи с 1512 года в надежном положении каноника Фрауенбурга, которые он окончательно опубликовал в 1543 году по настоянию математика Ретикуса. Хотя Коперник считается основателем гелиоцентрической картины мира, названной в его честь, он основывал свою идею на рукописи Аристарха Самосского из Греции, которая по праву считается колыбелью натурфилософии.
Естественные науки — это размышления о мире в духе греков54.
По сравнению с Коперником, Иоганн Кеплер, родившийся в 1571 году, рос в скромных условиях. Только благодаря тому, что в то время в Вюртемберге признавалась ценность образования, Кеплер смог бесплатно посещать школу, монастырскую гимназию в Маульбронне и, наконец, изучать математику в Тюбингене под руководством Михаэля Маэстлина. Кеплер признал, что планетарные орбиты являются эллипсами, и тем самым решительно улучшил модель Коперника, которая в противном случае не имела бы шансов на успех. Уже в юном возрасте долговязый одиночка был движим неутолимым любопытством. Если вы сегодня посмотрите на высокие окна монастыря Маульбронн в Вюртемберге, то сможете представить, как Кеплер размышлял там о траектории солнечных лучей.
Заниматься астрономией — значит читать мысли Бога.
Сегодня церкви считаются антиподами науки. Тем не менее в то время они были центрами интеллектуальной элиты. Особенно монастыри, где могли процветать такие гении, как Кеплер. Позже он работал в Граце и Праге, в разгар реформаторских войн. Упорство, с которым он реализовывал свои идеи в таких неблагоприятных условиях, вызывает глубочайшее уважение. Только на разработку его третьего планетарного закона ушло десять лет. В течение этого времени пережил множество ошибок в расчетах и разочарований и только после смог достичь прорыва.
Одинокий воин
Исааку Ньютону потребовалось не меньше времени, чтобы разработать свой закон сил. Первые мысли об этом появились у него в уединении загородного поместья, когда в Европе свирепствовала чума. Ньютон тоже один из тех гениальных личностей, которыми двигала неутолимая жажда знаний.
Зерно невидимо в земле, а только из него вырастает огромное дерево. Так же незаметна мысль, а только из мысли вырастают величайшие события жизни человеческой.
Вероятно, он был особенно очарован простотой квадратичного закона расстояния, из которого в качестве математического следствия вытекали орбиты Кеплера, что впоследствии привело его к естественному философскому озарению: «Истина обнаруживается, если вообще обнаруживается, в простоте, а не в многообразии и путанице вещей».
В природе стремления к знанию заложены простота и экономичность основных гипотез55.
Конечно, Галилео Галилей, который, возможно, ближе всех подошел к практическому «американскому» образу мышления, также сыграл значительную роль в распространении нового мировоззрения. Хотя в возрасте 30 лет он уже был преподавателем математики в Пизе, у него также был талант и к ремеслам. Он решительно усовершенствовал изобретенный незадолго до этого телескоп, который даже оказался экономически полезным. Дож Венеции мог использовать его, чтобы первым заметить торговые суда, появляющиеся на горизонте, и первым продать товары.
Однако более важными для мирового прогресса были легендарные наблюдения Галилея за фазами Венеры и лунами Юпитера в 1610 году, которые подтвердили теории Коперника. Благодаря этому, а также своим экспериментам по механике, Галилей считается основателем эмпирического метода. Только с помощью этого метода можно было отделить зерна от плевел среди философских размышлений о законах природы. Это должно было привести к триумфу естественных наук в последующие века.
В то время как в Вирджинии на восточном побережье нынешних США были основаны первые колонии, Галилей писал свои дерзкие труды, в которых пропагандировал новое мировоззрение, высмеивая Папу Римского, что привело к ожесточенным конфликтам с инквизицией. Позже на латыни, языке науки того времени, распространилась и вскоре стала известна во всей Европе «Естественная философия принципа математики» Исаака Ньютона, написанная в 1687 году.
Наряду с Англией, Германией и Италией, Франция в это время играла важную роль в научных исследованиях56. Шарль Огюстен де Кулон признал, что структура закона тяготения Ньютона также применима к электрическим зарядам (которые, кстати, уже были открыты Фалесом Милетским), что представляет собой захватывающую параллель двух самых важных фундаментальных сил в физике, происхождение которых до сих пор не понято.
Например, никто не знает, почему заряд целого числа кратен заряду электрона57.
Неутолимая жажда знаний
У истоков современного естествознания стояли астрономические наблюдения за ночным небом — чистая форма человеческого любопытства. До конца XIX века астрономия58 практиковалась в основном в Европе. Там открытие Урана и Нептуна завершило наблюдения за Солнечной системой, а о существовании галактик уже подозревал Иммануил Кант. Все это было выражением исследовательского духа, который хочет понять мир без мысли о применении или даже выгоде.
Две вещи наполняют разум… благоговением, чем чаще… мысль занята ими: звездное небо надо мной и нравственный закон внутри меня.
Влиятельным представителем этого образа мышления был Александр фон Гумбольдт, пионер целостного взгляда на окружающую среду, чья главная работа «Космос» была направлена на изображение «природы как целого, движимого и одушевленного внутренними силами». Настоящий эрудит, он внес свой вклад в физику, геологию, минералогию, ботанику, зоологию, климатологию, океанографию, астрономию и химию. С 1799 по 1804 годы он предпринял экспедицию в Центральную и Южную Америку, которая сделала его ведущим научным авторитетом, «современным Аристотелем».
После новаторской работы Ньютона, который остался без фактического преемника в Англии, Лейбниц, Гельмгольц, Эйлер и Лагранж углубили математические основы механики, что послужило основой для дальнейшего развития физики. В конце XVIII века были основаны США, как уже упоминалось, при решающем участии Бенджамина Франклина, который, кстати, писал сатирические сочинения, как Галилей.
Томас Джефферсон, третий президент США, пригласил Гумбольдта, вернувшегося в Европу в 1804 году, на обед в Вашингтоне. Государственный деятель был впечатлен знаниями Гумбольдта59, но особенно оценил его информацию о Южной Америке и соответствующий картографический материал, который был полезен для него самого. Президенты США и сегодня испытывают трудности с европейскими картами…
Поиск элементарных законов природы
Важное открытие волновой природы света принадлежит трем разносторонним личностям: голландцу Христиану Гюйгенсу (1629—1695), Томасу Янгу (1773—1829) и Августу Френелю (1788—1827). Однако открытие второй фундаментальной силы природы — электромагнетизма — получило свое полное развитие лишь в XIX веке. Наряду с Кулоном в авангарде были французские теоретики, особенно Андре-Мари Ампер, которого также вдохновляло его невероятное любопытство. В 1787 году, в возрасте двенадцати лет, вундеркинд Андре-Мари уже проработал все 20 томов «Энциклопедии» Дидро и д'Аламбера, одного из главных трудов эпохи Просвещения, в котором были сосредоточены практически все знания того времени.
Однако связь между электричеством и магнетизмом была открыта только в 1820 году, благодаря легендарному наблюдению Ханса Кристиана Орстедта60 за отклонением магнитной иглы под действием электрического тока. Сенсационные новости из Копенгагена распространялись как лесной пожар. Ампер впервые смог описать это явление в теоретической форме, а упомянутый выше Майкл Фарадей раскрыл более глубокую систематику связи в нескольких экспериментах, которые он тщательно документировал.
После предварительной работы Вильгельма Вебера61, который вместе с Карлом Фридрихом Гауссом построил первый телеграф в Геттингене, шотландец Джеймс Клерк Максвелл наконец сформулировал теорию электродинамики, которая выявила обширную симметрию электрического и магнитного поля. Это было огромное достижение абстракции, которое позже, в математических разработках, таких как дифференциальная геометрия, стало еще более очевидным. Следует также упомянуть ирландца Уильяма Романа Гамильтона, который в 1843 году изобрел четырехмерное обобщение комплексных чисел (кватернионы), с помощью которого Максвелл сформулировал свою теорию. Однако то, что в те времена называлось передовыми математическими исследованиями, всегда имело конкретную связь с физикой.
Уравнения Максвелла, как и, пожалуй, немногие другие вещи, вызывают восхищение тем, как разнообразные природные явления описываются простейшими математическими структурами. Венцом достижений стало доказательство электромагнитных волн Генрихом Герцем в Карлсруэ в 1886 году. Существование этих волн следует непосредственно из уравнений, а их скорость соответствует скорости света. Таким образом, электромагнетизм был объединен с оптикой, и последние сомнения в волновой природе света были устранены.
В начале (если оно было) Бог создал законы движения Ньютона вместе с необходимыми массами и силами. Это все; остальное вытекает из формирования подходящих математических методов путем дедукции. То, чего достиг XIX век на этой основе, должно было вызвать восхищение каждого восприимчивого человека62.
Размышления об объяснениях
Что интересно и почти забыто с сегодняшней точки зрения, так это то, что физики XIX века отнюдь не были удовлетворены новой теорией электродинамики. Несмотря на формальную аналогию законов Ньютона и Кулона, между этими теориями существовал глубокий разрыв. Максвелл, а также многие другие (например, ирландский физик Джеймс Мак-Куллах), пытались понять электромагнитные явления из уравнений механики сплошной среды упругого тела, называемого эфиром. Здесь можно было бы углубиться в историю теорий эфира63 и проанализировать, когда и почему от них отказались. Причина не в несовместимости их с теорией относительности Эйнштейна, как принято считать64. В любом случае в традициях европейских физиков было естественно искать фундаментальные объяснения, в данном случае — связь с механикой Ньютона. Так, британский авторитет в области физики лорд Кельвин всю жизнь критиковал электродинамику, утверждая, что она не является теорией, которая действительно объясняет явления.
…Я не могу постичь электромагнитную теорию света. Я хочу понять свет настолько полно, насколько это возможно, не вводя вещей, которые я понимаю еще меньше65.
Один только термин «эфир» вызывает зевоту у большинства современных физиков, находящихся под влиянием американской культуры. Это не только свидетельствует об историческом невежестве, но и доказывает, насколько сегодня исследователи отказались от глубокого понимания природы. Конечно, в этом нельзя винить Америку, где в то время почти не занимались теоретической физикой. Но здесь проблема была «решена» с помощью аргумента, что теория была успешной и хорошо работала. Бескомпромиссный поиск фундаментальных законов природы, с другой стороны, остается европейской традицией, которая впоследствии шаг за шагом исчезала.
То, что это соображение относится не к национальности, а к образу мышления, показывает американский физик Джошуа Уиллард Гиббс (1839—1903), который внес решающий вклад в термодинамику. С тех пор как сэр Фрэнсис Бэкон (1561—1626) понял, что тепло связано с движением частиц, основы кинетической теории газов разрабатывали Роберт Майер (1812—1878), Джеймс Прескотт Джоуль (1818—1889), Рудольф Клаузиус (1822—1888), Густав Кирхгоф (1824—1887) и вышеупомянутый лорд Кельвин (1824—1907). Гиббс, который недолго учился в Европе, вернулся на должность профессора в Йельском университете в 1871 году и в последующие годы разработал универсально обоснованные результаты, которые являются одними из самых важных инструментов современной термодинамики. Гиббс считался одиночкой, чья работа в то время имела мало практического значения. Примечательно, что ему пришлось обосновывать свою диссертацию в Йельском университете по абстрактной математической проблеме, имеющей применение в технологии зубчатых колес66.
Два тысячелетия — одна парадигма
Вся термодинамика немыслима без атомистики, которая является одним из самых важных открытий человечества. Идея неделимых строительных блоков природы восходит к греческим философам Левкиппу и Демокриту, которые опередили свое время как ученые. В ходе многовековой детальной работы идея была выработана в модель, которая сегодня кажется нам настолько очевидной, что мы даже не осознаем ее естественных философских следствий. Джон Дальтон (1766—1844) и Амедео Авогадро (1776—1856) должны быть упомянуты здесь как пионеры, как, например, первооткрыватели периодической таблицы Дмитрий Менделеев (1834—1907) и Лотар Мейер (1830—1895). Но последовательная формулировка атомной физики, особенно квантовой механики, появилась только в XX веке.
Ни одна вещь не возникает случайно, все имеет причину и необходимость.
Причиной научного прогресса стал метод ratio et experientia67, установленный с конца XVII века, который привел к беспрецедентному триумфу техники во второй половине XIX века68. Хотя механизация с помощью парового двигателя уже привела к первой промышленной революции, открытия в области света и электричества были реализованы гораздо позже. Развитие электротехники вновь привело к фундаментальным открытиям благодаря новым экспериментам (стоит вспомнить электрон, открытый Дж. Дж. Томсоном в Кембридже в 1897 году).
В истории физики часто можно наблюдать такую коэволюцию теории и технологии, которые взаимно помогают друг другу прийти к новым открытиям. После теоретических прорывов в середине XIX века наступил с небольшим опозданием расцвет соответствующих технологий. Этот этап вскоре достиг Америки, которая в то время оправлялась от последствий Гражданской войны (1861—1865). В это же время в Америку эмигрировали таланты со всего мира.
Электрические антиподы
После того как Вернер фон Сименс открыл динамо-электрический принцип и разработал генератор в 1866 году, произошла вторая, «электрическая» промышленная революция. В последующий период в Америке работали два великих пионера электротехники, которые, как никто другой, продемонстрировали европейско-американские различия в мышлении: Томас Алва Эдисон и Никола Тесла.
Эдисон, родившийся в Милане, штат Огайо, в 1847 году, является квинтэссенцией американского изобретателя. Всемирно известный благодаря открытию лампочки, он был настолько хорошо знаком со всеми технологиями того времени, что разработал революционные инновации в области электротехники, производства электроэнергии, распределения энергии, телекоммуникаций, а также средств передачи звука и изображения. Обладая безошибочным чутьем, Эдисон распознавал практическую применимость и реализовывал ее технически. Однако в то же время он еще был успешным предпринимателем, обладающим талантом коммерческого использования изобретений. Его вклад в электроснабжение Нью-Йорка ознаменовал начало электрификации всего промышленно развитого мира.
То, что нельзя продать, я не хочу изобретать.
Не будет лишним сказать, что успех Америки был основан на таких людях, как Эдисон. В 1997 году газета New York Times написала, что самым важным вкладом Эдисона были не сами его изобретения, а изобретение «индустрии изобретений». Эдисон был ни много ни мало отцом современных исследований и разработок. Его биограф69 Пол Израэль подчеркивал способность Эдисона мыслить аналогиями и учиться на неудачах. Однако количество идей, содержащихся в его записных книжках, было почти непостижимо для простого смертного.
Никола Тесла был совсем другим. Он родился в 1856 году в пограничном сербско-хорватском регионе в семье православных священников, и всю жизнь его сопровождали поражения, болезни, трудности и экономические неудачи. Конечно, Тесле было бы легче получить постоянную должность на всю жизнь в одном из европейских университетов. Хотя его гениальность, вероятно, проявилась рано — например, Тесла знал восемь языков, — в 1877 году он по неизвестным причинам бросил учебу в университете Граца, где изучал машиностроение. Сначала он работал помощником учителя и техником на телеграфе, а в 1884 году попал в Нью-Йорк в числе многих нуждающихся иммигрантов. Из таких историй жизни можно понять, что эта страна открыла для способных людей без формальной квалификации возможности, которые они не могли получить нигде в другом месте.
Эксцентричный гений
Тесла нашел работу в компании Эдисона, но уволился через шесть месяцев из-за слишком низкой зарплаты и занялся собственным бизнесом. Несмотря на свои легендарные изобретения в области электротехники, в отличие от Эдисона, он так и не добился экономической независимости благодаря своим разработкам. С возрастом его идеи становились все более эксцентричными: так диктовал характер, ставя его на грань гениальности и безумия.
В то время как Эдисон заработал много денег на своих изобретениях, Тесла вложил в свои идеи то немногое, что у него было. Хотя он добился славы, в последние годы жизни ему приходилось полагаться на богатых покровителей. Он превзошел своего соперника Эдисона только в одном, хотя и технологически решающем аспекте: его система передачи энергии с помощью переменного тока выиграла приз в 100 тысяч долларов от операторов Ниагарских электростанций в 1893 году и одержала победу во всем мире над технологией постоянного тока Эдисона. Вокруг способностей Теслы и его личности существует множество мифов. Предположительно, решающая идея переменного тока пришла к нему в 1881 году в парке Будапешта, когда он декламировал из «Фауста» Гете. В чисто интеллектуальном плане он, несомненно, превосходил Эдисона70. Вероятно, не совсем уж без зависти к экономическому успеху Эдисона, он писал о нем:71
Поначалу я был почти печальным свидетелем его поступков, поскольку лишь немного теории и расчетов могли бы избавить его от 90 процентов работы. Но он испытывал настоящее презрение к книжному образованию и математическим знаниям и полностью полагался на свой изобретательский инстинкт и практический американский подход.
Рассвет новой эры
Таким образом, конец XIX века привел к взрыву технологий, которые должны были стать основой зарождающейся мировой державы — США. Там также развивалась активная исследовательская деятельность, которая, однако, в отличие от Европы, в основном ограничивалась практическим применением и изобретениями. В сочетании с американским оптимизмом это даже привело к мнению, что основные законы природы уже исследованы. Все, что было необходимо для золотого будущего, — это разработка технологий на их основе. Представителем этой точки зрения был Альберт Абрахам Майкельсон, родители которого эмигрировали в США, когда ему было два года; позже он стал профессором Чикагского университета и прославился своим точным измерением скорости света72. Однако он грубо ошибся в оценке состояния физики в целом в 1894 году:
Кажется вероятным, что большинство основных основополагающих принципов твердо установлены […] Будущие истины физики, вероятно, следует искать в шестом знаке после запятой73.
Через некоторое время — в Европе — была открыта радиоактивность. Это изобретение впоследствии потрясло классическую физику. В начале 1896 года француз Анри Беккерель с удивлением обнаружил, что фотографические пластины в темном ящике почернели от кусочков смолы (содержащей уран), которые он хранил внутри. Вместе с Марией Кюри и ее мужем Пьером, с которым он разделил Нобелевскую премию в 1903 году, он впоследствии более тщательно исследовал это вещество. Кюри удалось выделить высокоактивный элемент радий, за что она также получила Нобелевскую премию по химии в 1911 году. Почти одновременно с открытием радиоактивности Вильгельм Конрад Рентген в конце 1895 года в Вюрцбурге впервые произвел лучи, названные в его честь. Легендарная фотография, на которой видны кости рентгеновской руки его жены, сразу же облетела весь мир.
Показательно, как к этим открытиям отнеслись в Америке: в Бостоне в 1920 году был подан патент на педоскоп, с помощью которого в обувных магазинах можно было проверять прилегание пальцев ног с помощью лучей. По медицинским показаниям, в частности, детям рекомендовали оптимизировать посадку обуви таким образом. Еще более опасным, чем рентгеновские лучи, было применение радия для циферблатов часов, которые светились ночью. Многочисленные рабочие, которые брали зубную щетку в рот и загрязняли себя, позже умерли от рака. Даже в качестве антибактериальной зубной пасты поначалу рекламировались радиоактивные чудо-вещества. Конечно, в этих трагических событиях виновато не только «американское» мышление в науке. И наоборот, можно утверждать, что в Западной Европе зачастую слишком много оговорок по поводу новых технологий. Но это характерно для того, как новые открытия рассматриваются и используются практически и экономически в США, иногда без достаточного обдумывания.
Бум изобретений
Наука изобретает, технология применяет, человек подчиняется!
Уже в XIX веке в США процветал дух изобретательства. Это способствовало многочисленным техническим разработкам. Сэмюэль Морзе, например, разработал телеграф (независимо от Гаусса и Вебера) и изобрел алфавит, названный в его честь, как практическое дополнение. Подход в Новом Свете отличался динамизмом, который во многих отношениях превосходил европейский. Возможно, лучшим примером того, как американская беспечность превосходила глубокую европейскую науку, является авиация.
Хотя в летных экспериментах Отто Лилиенталя уже была проделана важная предварительная работа, первый полностью управляемый полет на самолете74 был реализован братьями Райт в 1903 году75. И это несмотря на то, что за несколько лет до этого светило физики лорд Кельвин утверждал, что тело с плотностью, превышающей плотность воздуха, никогда не сможет взлететь. Братья Райт, вероятно, никогда не слышали о Кельвине, и это было хорошо. Подобным образом французский математик Анри Пуанкаре «доказал», что радиосвязь с Америкой невозможна из-за кривизны Земли. Вскоре после этого ее реализовал Гульельмо Маркони из Болоньи, который в этом отношении, безусловно, обладал «американским» предпринимательским духом76. Тем не менее тогда США все еще безнадежно отставали в плане фундаментальных исследований в области физики.
5. Перетряска: Как возникли революции Эйнштейна
Альберт Эйнштейн, родившийся в 1879 году, как никто другой, олицетворяет европейскую научную культуру. Будучи по методам работы одиночкой, он исследовал всю область теоретической физики и даже первым поставил важные эксперименты77. Совершенно не интересуясь технологиями и их применением, он сосредоточился на фундаментальных вопросах природы и, благодаря своему особому таланту, проник в суть дела глубже, чем большинство других. Своей сильной стороной он считал интуицию — в гораздо большей степени, чем умение вычислять. Он практически «изобрел» мысленный эксперимент и следовал традиции выведения естественных законов из элементарных принципов.
Я доверяю интуиции.
Во время его работы в США практически не было теоретических исследований, но в Европе были вполне определенные технологические приложения. Например, отец Эйнштейна Херрманн руководил в Мюнхене компанией по установке электрического уличного освещения — высокотехнологичным предприятием того времени. Альберт, с другой стороны, был больше увлечен абстракцией. Мальчик-интроверт, которого с ранних лет очаровывала магнитная игла компаса, в возрасте двенадцати лет нашел доказательство теоремы Пифагора. Однако в гимназии, где царила прусская дисциплина, он не чувствовал себя как дома. Когда его родители переехали в Верхнюю Италию, он бросил школу в возрасте 15 лет и позже получил «Абитур»78 в Ааргау, Швейцария. Примерно в это время он уже размышлял о том, что произойдет, если он будет двигаться со скоростью света вместе со световой волной.
Думать важнее, чем рассчитывать
В своих автобиографических мемуарах «Мое мировоззрение» Эйнштейн сообщает, что эти соображения уже легли в основу специальной теории относительности, которую он сформулировал в 1905 году, будучи клерком патентного бюро в Берне. Это интересно, потому что теория относительности часто ассоциируется со сложной математикой, которую Эйнштейн, конечно, еще не освоил в том юном возрасте. Хотя, вопреки легенде, в студенческие годы у него были отличные оценки. Позже также стало очевидно, что математические способности Эйнштейна хотя и были на высоком профессиональном уровне, не могли конкурировать, например, с математическими способностями Давида Гильберта или Эли Картана. Своим мастерством в дифференциальной геометрии, которое ему понадобилось для формулировки общей теории относительности, он также был обязан в первую очередь своему другу Марселю Гроссману. Интуиция Эйнштейна, с другой стороны, была непревзойденной в открытии фундаментальных, абстрактных принципов, составляющих самое ядро естественного закона. Он часто использовал свои мысленные эксперименты, которые не могли быть осуществлены из-за технических трудностей (некоторые были реализованы спустя десятилетия), но привели к решающим открытиям.
Предчувствие, многолетний поиск в темноте с его напряженной тоской, чередованием уверенности и усталости и окончательным прорывом к истине, которую знают только те, кто пережил ее сам.
Специальная теория относительности, изложенная в эссе 1905 года «Об электродинамике движущихся тел» (Zur Elektrodynamik bewegter Körper), нанесла удар по идеальному миру классической физики. Понятия пространства и времени, лежащие в основе всех теоретических рассуждений со времен Ньютона, вдруг оказались странным образом переплетенными. Это проявляется в так называемом замедлении времени, которое было экспериментально подтверждено: движущиеся часы идут медленнее. Также частью теории была формула E=mc2, о которой в то время никто не знал, что она предскажет взрывы ядерного оружия. Решающая идея, которую Эйнштейн развил в своей работе 1905 года, не имела никакого отношения к расчетам: он признал, что согласно уравнениям Максвелла, волна, то есть свет, распространяется в пустом пространстве без какой-либо связи с источником излучения. Поэтому скорость света должна быть независимой от движения такого источника или наблюдателя. Все уравнения вытекают из этого единственного принципа.
У меня нет особых талантов, я просто ужасно любопытен.
Общая теория относительности, которую Эйнштейн завершил десять лет спустя, также была основана на простом мысленном эксперименте, так называемом принципе эквивалентности. Согласно этому, нет разницы, воспринимает ли человек в комнате на Земле ее притяжение или его толкают к земле с соответствующей силой, поскольку он находится в ускоренной системе в невесомом пространстве, например, в ракете во время фазы движения. Поскольку инерция материи перед лицом ускорения отвечает за последнюю силу, а гравитация — за первую, этот принцип также называют равенством инерционной и тяжелой массы.
Упрямые натурфилософы
Удивительно, что современная физика, несмотря на все культовое почитание Эйнштейна, так мало ориентирована на метод работы, с которым он был успешен. Сегодня десятки тысяч физиков занимаются чрезмерными расчетами, которые Эйнштейн не смог бы выполнить, но за более чем сто лет не было открыто ни одного принципа, сравнимого по важности с принципом эквивалентности Эйнштейна.
Эйнштейн также отличался замкнутым стилем работы; он часто настаивал на своих идеях в абсолютно самоуверенной, а иногда и упрямой манере. В своей собственной самоуничижительной скромности он сказал об этом так:
Я не подхожу для работы в тандеме или команде… Такая изоляция иногда бывает горькой… но я чувствую компенсацию за нее, поскольку она позволяет мне быть независимым от обычаев, мнений и предрассудков других людей и не стремиться ставить мир своей души на такие шаткие основания79.
Важным пионером общей теории относительности был венский физик и философ Эрнст Мах, которого Эйнштейн высоко ценил и который заслуживает особого упоминания здесь. Мах — прототип европейского натурфилософа80, который ищет конечные причины законов с неподкупной логикой, не делая особых расчетов. В своей главной работе «Историческая механика» (Die Mechanik historisch-kritisch dargestellt), вышедшей в 1883 году, Мах указал на слабое место в теории тяготения Ньютона, которое оставалось скрытым от физиков почти двести лет81.
Мыслитель из Вены бросает вызов Ньютону
Мы совершенно не в состоянии измерить изменения в вещах и времени. Время — это скорее абстракция, к которой мы приходим через изменение вещей82.
Мах атаковал концепцию абсолютного пространства и времени, введенную Ньютоном. Ньютон хотел доказать существование абсолютного пространства с помощью мысленного эксперимента. Он представил себе ведро, наполненное водой, в котором поверхность воды естественно гладкая до тех пор, пока ведро находится в состоянии покоя. Но если вращать ведро вокруг вертикальной оси, то вращательное движение ведра медленно передается воде через трение. При вращении вода под действием возникающей центробежной силы поднимается по стенкам ковша, так что образуется изогнутая поверхность. И наоборот, из этой кривизны можно сделать вывод, что ведро вращается, даже если смотреть на него изолированно. Ньютон утверждал, что это доказывает, что не ускоренное, абсолютное пространство не вращается, и естественно предположил, что это верно независимо от распределения масс во Вселенной. Мах глубокомысленно возразил:
Никто не может сказать, как пройдет эксперимент, если стенки сосуда станут толще и массивнее, наконец, толщиной в несколько миль…
Он намекнул, что вода, возможно, больше не будет подниматься по стенам, если вся Вселенная будет вращаться вокруг «ведра». Тогда удаленные массы в космосе будут определять, что считать покоем. Тогда инерция массы, сопротивляющейся ускорению, будет, по его мнению, относиться ко всей Вселенной.
Предположив эквивалентность ускорения и гравитационного эффекта (тем самым предвосхитив принцип эквивалентности Эйнштейна), Мах тем самым развил гениальную идею о том, что сила гравитации зависит от всех других масс во Вселенной, которая стала известна как «принцип Маха». Хотя проблема в основном не решена и сегодня, принцип Маха влачит теневое существование в современной теоретической физике; от большинства «современных» американских теоретиков вы услышите, что это философская чепуха из Старой Европы.
Трагедия незаконченной мысли Маха заключалась в том, что первые космологические наблюдения, которые позволили бы вычислительно проверить его идею, появились только через 15 лет после его смерти, примерно в 1930 году. Они предполагают, что гравитация берет свое начало во всех массах во Вселенной. Ведь гравитационная постоянная G, которая количественно определяет мощь этой силы, необъяснимым образом связана с этими данными83. Причина, по которой я подробно излагаю идею Эрнста Маха, заключается в общем натурфилософском значении таких природных констант, как G. Эта гравитационная постоянная или скорость света c являются загадочными посланиями природы, которые физикам пока не удалось расшифровать.
Чем меньше констант, тем лучше
В тех редких случаях, когда удавалось решить загадку природной константы, это каждый раз было революционным прогрессом. Например, центральная идея электродинамики Максвелла может быть обобщена в формуле ε0μ0 =1/c2, которая была подтверждена Герцем. Это раскрывает скорость света c как скорость электромагнитных волн, которая определяется электрическими и магнитными постоянными ε0 и μ0. Таким образом, приведенное выше уравнение уменьшает число независимых природных констант на единицу, что является упрощением в методологическом смысле.
Поэтому в европейской традиции изучение естественных констант — это подход к физике, который подчеркивает простоту фундаментальных законо84. Каждое необъяснимое открытие обычно порождает новую природную константу и тем самым усугубляет проблему. Поэтому очевидно, что каждая естественная константа физики представляет собой проблему, которую еще предстоит решить. Эйнштейн также был убежден в этом и выразил это следующим образом:
Я не могу придумать разумную физическую теорию, использующую произвольное число, которое по воле прихоти Творца могло быть выбрано иначе.
То, что эти и другие замечательные высказывания задокументированы, стало возможным благодаря Илзе Розенталь-Шнайдер, студентке философского факультета, которая познакомилась с Эйнштейном в Берлине примерно в 1920 году. В 1938 году она также была вынуждена эмигрировать и впоследствии преподавала в Австралии, откуда в послевоенный период переписывалась с Эйнштейном.
Как упоминалось выше, космологические наблюдения даже предполагают, что принцип Маха может быть использован для вычисления гравитационной постоянной. Это совпадение было замечено в 1980-х годах в США некоторыми исследователями, которые, как оказалось, ничего не знали ни об Эйнштейне, ни о Махе. Они основали теоретическую моду (так называемую космическую инфляцию), которая производит серию дальнейших произвольных чисел вместо того, чтобы дать основные объяснения. Нетрудно предсказать, что бы подумал об этом Эйнштейн.
Одна из особенностей, отличающая Эйнштейна от современных теоретиков, — его компетентность практически во всех областях теоретической физики. Это позволило ему инициировать вторую научную революцию XX века, квантовую механику, в дополнение к специальной и общей теории относительности, которая считается его главной работой.
Открытие Планка, которое Эйнштейн
воплотил в жизнь
Важную подготовительную работу проделал Макс Планк, родившийся в 1858 году, который с 1885 года занимал должность профессора в Киле. Вклад Планка также освещает важное взаимодействие между технологиями и фундаментальными исследованиями. Ведь измерения так называемого излучения черного тела, которое Планк пытался объяснить на рубеже веков, также проводились для усовершенствования лампочки, изобретенной Эдисоном. Однако теоретика Планка не интересовало получение света, он хотел вывести точный закон, указывающий на излучение света при определенной температуре. Благодаря своим математическим способностям, он наконец смог угадать формулу и позже обосновать ее теоретически85. В нем появилась странная величина, которая позже стала известна как постоянная Планка, также являющаяся фундаментальной природной константой. Планк, однако, почти бесхитростно называл его «вспомогательной величиной» h.
Люди ошибочно жалуются, что у нашего поколения нет философов. Философы теперь только на другом факультете, они называются Эйнштейн и Планк.
Эйнштейн понял, что h, очевидно, имеет отношение к световому излучению, и применил эту идею в эксперименте по фотоэлектрическому эффекту. В этом эксперименте падающий свет выбивал электроны из металлов, но результаты казались нелогичными: ниже определенной частоты отсечки света электроны оставались в металле, независимо от интенсивности облучения.
В смелом порыве мысли Эйнштейн предположил, что энергия в световой волне в основном возникает порциями размером E=hf (f обозначает частоту). И эта гипотеза блестяще подтвердилась, хотя Макс Планк, как никто другой, долгое время относился к ней скептически. Эти световые кванты дали название позднейшей квантовой механике и, по сути, до сих пор относятся к самым загадочным явлениям природы, для которых нет априорного объяснения. В европейской традиции натурфилософии следовало бы спросить: мыслима ли вообще физика без этой постоянной h, и если нет, то почему? Несмотря на необъяснимость, этот квант h тем не менее продолжил свое триумфальное шествие по теоретической физике. Даже в термодинамике h играет важную роль, например, в парадоксе смешивания, названном в честь вышеупомянутого Уильяма Джошуа Гиббса.
Пятьдесят лет размышлений не приблизили меня к решению вопроса «Что такое кванты света?»
Непревзойденная интуиция из Копенгагена
Датчанин Нильс Бор (1885—1962) также был одним из величайших мыслителей в физике начала XX века, и его способности также были скорее интуитивно-вопросительными, чем вычислительными. Например, он первым признал, что радиоактивность, открытая в 1896 году, является явлением атомного ядра, а не атомной оболочки, состоящей из электронов. Бор также был первым, кто понял86, что химические свойства элемента определяются числом протонов в ядре. Сегодня эти факты кажутся настолько очевидными, что легко забыть, каким интеллектуальным достижением было их открытие. Это также соответствовало его интуитивному подходу к реализации идеи, которую уже в XIX веке сформулировали японский физик Хантаро Нагаока и Вильгельм Вебер: атом может быть маленькой солнечной системой! Идея о том, что электроны вращаются вокруг атомного ядра, как планеты вокруг нашей родной звезды, невероятно увлекла исследователей того времени.
Конец ознакомительного фрагмента.
Оглавление
- Предисловие: Почему Европа и Америка – два разных мира
- Часть I:. Страна без культуры
- Часть II:. Подъем и кризис европейской научной традиции
* * *
Приведённый ознакомительный фрагмент книги Особенности американского мышления. Закат физики в западной цивилизации предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.
Купить и скачать полную версию книги в форматах FB2, ePub, MOBI, TXT, HTML, RTF и других
Примечания
61
Максвелл часто ссылался на Вебера, который разработал свою собственную теорию; стоит упомянуть и исследования Андре Коха Торре де Ассиса.
64
Уравнения относительности даже следуют из эфирного подхода, см. C. F. Frank, Proc. Phys. Soc. A 62 (1949), p. 131.
70
Утверждается, что Нобелевский комитет хотел отметить заслуги Эдисона и Теслы, но Тесла отказался разделить премию со своим соперником, поэтому оба ушли с пустыми руками.
74
Для этого необходимо регулировать три различных вращательных движения, которые также называются крен, тангаж, рысканье.
75
По этому поводу существует исторический спор, однако достоверных свидетельств в пользу противоположной точки зрения не хватает.
77
Например, в 1915 году был проведен эксперимент Эйнштейна — де Хааса, в котором измерялся угловой момент электронов.
80
Этому не противоречит тот факт, что Мах, будучи позитивистом, отличал себя от спекулятивной или «мета» — физики. Он даже сомневался в существовании атомов. До открытия волновой природы материи критика наивной картины частиц была вполне обоснованной.
83
Приблизительно, c2 /G=Mu /Ru, где Ru и Mu обозначают видимый размер и массу Вселенной. Эрвин Шредингер уже указывал на это в статье 1925 года. Как и многие неанглоязычные издания того времени, сегодня он совершенно неизвестен.
