Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

Геннадий Горелик, 2013

Современная наука родилась сравнительно недавно – всего четыре века назад, в эпоху Великой научной революции. Причины этой революции и отсутствие ее неевропейских аналогов до сих пор не имели признанного объяснения. А радикальность происшедшего ясна уже из того, что расширение и углубление научных знаний ускорились раз в сто. Эта книга рассказывает о возникновении новых понятий науки, начиная с изобретения современной физики в XVII веке и до нынешних стараний понять квантовую гравитацию и рождение Вселенной. Речь идет о поворотных моментах в жизни науки и о драматических судьбах ее героев, среди которых – Г. Галилей, И. Ньютон, Дж. Максвелл, М. Планк, А. Эйнштейн, Н. Бор, А. Фридман, Ж. Леметр, М. Бронштейн, Л. Ландау, Г. Гамов, А. Сахаров и др. Издание 2-е, исправленное и дополненное.

Глава 4. Загадка рождения современной физики

Вопрос Нидэма

Наука, как получение знаний о природе, не имеет даты и места рождения. Тысячи лет жила она, соединенная с техникой и другими формами народной мудрости, в самых разных культурах. Говоря о физике, однако, нечто очень важное произошло в 17-ом веке. Тогда родилась, можно сказать, новая — современная — наука и стала развиваться раз в сто быстрее.

Мало кто сомневается в том, что основатель современной физики — Галилей, хоть он и опирался на законы Архимеда, вдохновлялся открытием Коперника, поддерживался Кеплером, и лишь Ньютон развил его идеи до полного триумфа.

Историки спорят, однако, о вопросе Джозефа Нидэма, знаменитого китаеведа:

Почему современная наука, с ее математизацией гипотез о природе и с ее ролью в создании передовой техники, возникла лишь на Западе во времена Галилея? Почему современная наука не развилась в Китайской цивилизации? Ведь в Китае до 15-го века знания о природе применялись к практическим нуждам человека намного эффективней, чем на Западе?

Эйнштейн, отвечая на сходный вопрос, обострил его:

Развитие западной науки основано на двух великих достижениях. Греки изобрели формально-логическую систему (в геометрии Евклида), а в эпоху Возрождения открыли возможность находить причинные связи, проводя систематические опыты. Меня не удивляет, что китайские мудрецы не сделали этих шагов. Изумляет, что эти открытия были сделаны вообще.

“Чудом науки” Эйнштейн восторгался не раз, но отказался искать ответ, который не проверишь. Чудеса новой физики основаны на опытной проверке ее гипотез. История же состоялась единожды, она не воспроизводима, и гипотезы о ее причинных связях опытами не проверить.

Подобный довод не обескураживает размышляющих об истории науки, в которой драма идей переплетается с судьбами людей. Главное событие в развитии науки — рождение идеи, дело сугубо человеческое, и потому история физики — наука гуманитарная, хоть в ней и говорят о физических измерениях и математических соотношениях.

В гуманитарных делах также возможна определенность, как, например, в правосудии, решающий орган которого — коллегия присяжных, то есть обычные, не искушенные в юриспруденции граждане. Присяжным дано право выслушать доводы и, опираясь на свой здравый смысл, согласиться с предложенным им утверждением или его отвергнуть. Подобную роль может взять на себя вдумчивый читатель.

Вопрос Нидэма прежде всего следует расширить в пространстве и во времени, чтобы говорить не об одном лишь уникальном событии — рождении современной физики. Само слово “физика” появилось в 4-ом веке до нашей эры у Аристотеля, а век спустя Архимед открыл первые физические законы, полностью сохранившие смысл доныне, — законы равновесия и плавания. В последующие две тысячи лет физика изменилась так мало, что в своих книгах Галилей опровергал Аристотеля и восхищался Архимедом. Исследования же самого Галилея, подхваченные другими, к концу 17-го века оформились в новую физику.

Новую науку стали развивать Декарт во Франции, Гюйгенс в Голландии, Ньютон в Англии, Лейбниц в Германии, Ломоносов в России, но за пределы Европы Галилеева наука почему-то не проникала, хотя в 16-ом веке Китай, Индия и мир Ислама не уступали Европе по уровню развития. В Европе освоили производство бумаги, пришедшее из Китая и ставшее предпосылкой книгопечатания, приняли десятичную систему счисления, принесенную из Индии, у арабов позаимствовали “алгебру” и пр. Сами древние греки, создав трудами Архимеда отличную физику, успокоились почему-то на достигнутом, хотя их цивилизация жила еще веков пять. Но особенно интересен пример России, где, при отсутствии собственной научно-технической традиции, европейская наука легко пустила корни и дала плоды мирового уровня — геометрию Лобачевского и периодический закон Менделеева.

Учитывая все это, расширим вопрос Нидэма во времени и пространстве:

Что мешало греко-римским и средневековым ученым сделать следующий важный шаг после Архимеда, и почему уже после открытий Галилея ученые восточных цивилизаций так долго, вплоть до 20-го века, не включались в развитие современной науки?

Или, иными словами:

Чем Европа 16-го века помогла Галилею изобрести современную физику, а другим европейцам (и только европейцам) подхватить и мощно развивать ее после долгих веков застоя?

Историки пытались связать рождение новой науки то с запросами капитализма, то с Реформацией, якобы освятившей реальный земной опыт. Наперекор этому возникла идея о том, что главной силой Научной Революции стала “математизация природы”, а вовсе не опыты сами по себе. Пытались увидеть причину в сотрудничестве практиков и теоретиков. Чтобы проверить эти гипотезы, надо было сравнить Европу с другими цивилизациями. В таком сравнении Нидэм и пришел к своему вопросу, которому посвятил полжизни, установил массу интереснейших фактов в истории китайской цивилизации и науки, но полного ответа на свой вопрос так и не нашел.

Само разнообразие предлагавшихся объяснений свидетельствует об их неубедительности. Беря за основу некую черту исторической реальности, не учитывали другие факторы. Первый триумф новой физики — в небесной механике — не давал ничего для экономики. Необходимость соединить опыт с математикой Роджер Бэкон провозгласил еще в 13-ом веке, а по сути, без философских деклараций, их соединил уже Архимед, совмещавший три профессии: математик, инженер-изобретатель и физик. Среди основателей новой науки были и католики, и протестанты. И наконец, в Китае, без капитализма, теоретики успешно сотрудничали с “технарями”, а физика не возникла.

Ответ на вопрос Нидэма должен объяснить, чем характерно время рождения новой науки, что объединяло страны, в которых она легко прижилась, и какие силы способствовали ее рождению и развитию.

Первый же взгляд на культурное пространство новой науки обнаруживает, что пространство это было христианским. Христианство, однако, возникло за 16 веков до того и успело разделиться на три непримиримые конфессии. Да и каким образом религия могла бы пробудить физику после двухтысячелетней дремы?!

Физика современная — физика фундаментальная

Прежде всего выясним суть новой физики, отличие ее от предыдущей науки. Ведь опыты и математика Галилея не выходили за пределы возможностей Архимеда, которого Галилей не зря называл “божественнейшим”. В чем Галилей вышел за эти пределы, помогает увидеть Эйнштейн, изобразивший жизнь родной науки схемой:

Здесь аксиомы A — основы теории — “свободные изобретения человеческого духа, не выводимые логически из эмпирических данных”. Аксиомы эти изобретает интуиция, взлетающая (дугообразной стрелой), оттолкнувшись от почвы эмпирических данных Э. Из аксиом логически выводят конкретные утверждения У и приземляют их (пунктирными стрелками), сопоставляя с данными наблюдений Э.

Аксиомы изобретают гораздо реже, чем применяют уже известные для объяснения новых явлений, но поразительные успехи современной физики обязаны именно праву изобретать новые — “нелогичные” — понятия. Это право, впервые реализованное Галилеем, предполагает веру в то, что:

Природа основана на глубинных, не очевидных, законах, которые Человек, тем не менее, способен постичь, изобретая понятия и проверяя теории, на них основанные, в опытах.

Назовем это предположение постулатом фундаментальной науки, поскольку оно означает веру в то, что природа — стройное мироздание, стоящее на некоем невидимом — “подземном” — фундаменте, доступном, тем не менее, познанию. Невооруженный глаз видит лишь “надземные” этажи, но чтобы понять целостный архитектурный план, физики начинают с фундамента, очам не видного. Они задают Природе вопросы в виде измерительных опытов. Измерения дают четкие ответы, позволяя подтвердить или опровергнуть математически выраженную теорию. Потому и необходим комплект из двух инструментов — опыта и математики. Но требуется и нечто большее — то, что Эйнштейн назвал “отважнейшими измышлениями, способными связать эмпирические данные”.

Главное, фундаментальные понятия вовсе не обязаны быть очевидными — эти “свободные изобретения человеческого духа” оправдываются или отвергаются в процессе познания. “Понятия нельзя вывести из опыта логически безупречным образом”, “не согрешив против логики, обычно никуда и не придешь”, — писал Эйнштейн, подразумевая логику предыдущей теории. Но, совершая первый шаг — первый взлет интуиции, другой логики физик еще и не имеет.

Плодотворность неочевидных идей в познании Вселенной обнаружил Коперник, получив убедительные следствия из абсурдной для того времени идеи о движении Земли вокруг Солнца. Успех Коперника помог Галилею изобрести метод познания, следуя которому физик волен изобретать сколь угодно неочевидные — “воображаемые” — понятия, отталкиваясь от наблюдений, если затем сумеет завершить творческий взлет интуиции надежным приземлением.

Именно таким образом Галилей открыл закон свободного падения — первый фундаментальный закон, согласно которому в пустоте движение любого тела не зависит от того, из чего оно состоит. Неочевидное и “нелогичное” понятие, которое ему понадобилось, — “пустота”, точнее — “движение в пустоте”. И понятие это он ввел вопреки величайшему тогда авторитету Аристотеля, доказавшего логически, как считалось, что пустота, то есть ничто, реально не существует. Галилей не воспринимал пустоту органами чувств, не проводил опытов в пустоте. Он мог лишь сопоставить эксперименты с движениями в воде и в воздухе, и это стало взлетной полосой для его изобретательного разума. Так он пришел к понятию “невидимой” пустоты, что помогло ему открыть закон инерции, принцип относительности и, наконец, закон свободного падения. Тем самым он показал, как работает изобретенный им метод.

На схеме Эйнштейна проявилось ключевое отличие физики Галилея-Эйнштейна, или современной науки, от науки Архимеда — стрела изобретательной интуиции, взлетающая вверх. Все физические понятия Архимеда наглядны: форма тела, плотность вещества и плотность жидкости. И этого хватило для создания теории плавания — малыми шагами, последовательно. Подобным же образом Птолемей составил геоцентрическую теорию планетных движений. Не любую теорию, однако, можно создать, ограничиваясь лишь наглядными понятиями и малыми шагами.

Коперник совершил идейный взлет, решив исследовать, как выглядят планетные движения, если на них смотреть с “солнечной точки зрения”. А взлет Кеплера — предположение о том, что траектории планет описываются не разными комбинациями круговых циклов и эпициклов, а неким единым образом. И Коперник, и Кеплер, фактически принимая постулат фундаментальной науки, изучали по сути лишь один объект — Солнечную систему. Они опирались лишь на астрономические, “пассивные”, наблюдения, а главным их теоретическим инструментом была математика. Поэтому их можно назвать фундаментальными астро-математиками.

Галилей применил изобретательную свободу познания в мире явлений земных, где возможны активные систематические опыты. Он верил в то, что оба мира — подлунный и надлунный — подвластны единым законам. Обнаружив в земных явлениях, с помощью своих опытов, фундаментальность закона инерции и принципа относительности он счел их действующими универсально во всей Вселенной и решил парадокс Коперника: почему люди не замечают огромную скорость движения Земли вокруг Солнца. А чтобы понять фундаментальность открытого им закона свободного падения, понадобился Ньютон, разглядевший в этом земном законе всеобщий закон всемирного тяготения.

Поэтому и можно назвать Галилея первым современным физиком (и астрофизиком). Можно также фундаментальную физику переднего края назвать Галилеевой, а Архимедовой назвать всю остальную физику, где к понятиям наглядно-очевидным добавляются фундаментальные понятия, уже проверенные и ставшие привычными. По примеру “пустоты” Галилея изобретались следующие фундаментальные понятия: всемирное тяготение, электромагнитное поле, кванты энергии, фотоны, пространство-время и пр.

Метод Галилея стал главным двигателем современной науки, давая новые понятия и законы природы. Начинал же Галилей с веры в фундаментальную закономерность природы и в способность человека к познанию.

Источник веры в фундаментальную закономерность

Размышляя о научном познании, Эйнштейн заметил: “Невозможно построить дом или мост без использования лесов, не являющихся частью самой конструкции”. Какие же леса помогали строителям новой науки?

Современник Галилея, Кеплер, как писал Эйнштейн, «жил в эпоху, когда общая закономерность природы вовсе не была признанной. Как же сильно он верил в такую закономерность, если десятилетия терпеливо трудился, чтобы эмпирически исследовать планетное движение и сформулировать его математические законы!»

Все основатели новой науки разделяли такую веру в фундаментальные законы природы и в свою способность открыть их. Вера и знание на самом деле всегда сотрудничают в науке: вера определяет начало и энергию исследования, а знание — его итог. В чем же источник такой веры?

Неожиданную подсказку обнаружил историк-марксист (и, разумеется, атеист) Э. Цильзель, исследуя происхождение выражения “закон природы”. Он обнаружил, что выражение это возникло лишь в 17-ом веке как “метафора библейского происхождения”. А до того слово “закон” имело лишь юридический и богословский смысл.

Действительно, Галилей в своих книгах о физике, говоря по сути о законах природы, использовал слова “соотношение” или “принцип”. Слово “закон” появилось лишь в его теологических письмах, где он объяснил, что:

И Библия и Природа исходят от Бога. Библия продиктована Им и убеждает в истинах, необходимых для спасения, на языке, доступном даже людям необразованным. Природа же, никогда не нарушая законов, установленных для нее Богом, вовсе не заботится о том, доступны ли человеческому восприятию ее скрытые причины. Чтобы мы сами могли их познавать, Бог наделил нас органами чувств, разумом, языком.

Галилей тут фактически изложил постулат фундаментальной науки: нерушимые законы управляют скрытыми причинами в Природе, а человек способен их понять.

К концу 17-го века Галилеевы “законы, установленные Богом для природы”, превратились просто в “законы природы” — благодаря Декарту и Ньютону, глубоко верующим и очень авторитетным людям науки. Выражение “закон природы” вошло в общий язык верующих и неверующих, а к 20-му веку забылось и то, что оно существовало не всегда, и его библейское происхождение.

Не так важна родословная самого выражения, как роль библейского мировосприятия в мышлении основателей новой науки. Историки не сомневаются, что все основатели новой науки были верующими. Коперник имел духовное звание, Галилей и Кеплер в юности хотели стать священниками (первому не разрешил отец, второму — власти университета, в котором тот учился за казенный счет), а Ньютон о Библии написал больше, чем о физике. В своих научных исследованиях они, по выражению Кеплера, видели служение Богу. А в религии мыслили так же свободно, как и в науке, воспринимая церковные каноны столь же критично как и научные. Основателей новой науки можно объединить конфессией “Библейский Теизм”, поскольку к Библии они относились столь же серьезно, как к Природе, вырабатывая собственное понимание Библейского текста. Ньютон, например, на основании своих библейских исследований отверг догмат Троицы, а Галилей утверждал:

Когда мы узнаем нечто о природных явлениях, опираясь на опыт и надежные доказательства, это знание не следует подвергать сомнению на основе фраз из Библии, которые кажутся имеющими иной смысл. Особенно это относится к явлениям, о которых там лишь несколько слов. Ведь в Библии не упомянуты даже все планеты.

Но что же тогда в Библии могло быть столь важным для творцов современной физики — людей мощного разума, опирающихся на опыт?

Физика для верующих и неверующих

Атеисты были и в древности. Сама Библия засвидетельствовала это: «Сказал безумец в сердце своем: 'нет Бога'». Здесь слово «безумец» (в других переводах, «глупец»), конечно, отражает восприятие верующего автора и дожившую до нашего времени проблему взаимоНЕпонимания теистов и атеистов. Но «в сердце своем» значит «в глубине души», а не просто для какого-то внешнего эффекта. Значит, уже в библейские времена были атеисты, давшие себе труд в глубине своей души обдумать вопрос о (не)бытии Божьем.

Конец ознакомительного фрагмента.