Размышления о природе вещей и идей

© Валентин Иванов, 2021

ISBN 978-5-0055-3339-5

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Предисловие

Человек, который более полувека занимается научной работой, рано или поздно начинает задумываться об истоках и эволюции идей и принципов (постулатов), положенных в основу существовавших и существующих наук о природе материи и духа. Порою кажется, что в поисках и озарениях, связанных с изучением законов природы, ничуть не меньше мистики, чем в актах творчества, имеющих отношение к созданию гениальной музыки, живописи, поэзии и прозы, хотя люди, далёкие от науки, нередко полагают, что труд учёного подобен скрупулёзной и скучной работе бухгалтера, которому крайне важно, чтобы дебет сходился с кредитом в бесконечных столбцах цифр.

Попытки представить себе целостную картину мира приводят к формированию мировоззрения. Эти попытки автор отобразил в цикле научно-популярных статей, которые были написаны в разное время. в силу этого, в некоторых статьях возможны повторения описания отдельных идей. Тематика статей весьма разнообразна: история естествознания («Плечи гагинтов», «От непрерывного к дискретному миру», современная картина природы («Размышления о вечном», «Круги на воде», «Ландшафт Вселенной», «Приподнимем занавес за краешек…») или общефилософские («Просто – не получится», «Зрение мира», «Человек»). Многие статьи неоднократно перерабатывались. Некоторые публиковались ранее в сетевом альманахе «Лебедь» (www.lebed.com), другие публикуются впервые.

Автор у старого здания Петербургского университета, 2003 г.

Публицистическая и научно-популярная деятельность автора начинается со статьи «Человек», которая имеет необычную историю. Дело в том, что во времена Советского Союза автору не удалось опубликовать ни строчки, помимо собственно научных статей. Когда он появлялся в редакциях, серьёзный человек в пиджаке с галстуком или дама в роговых очках, вперяли в него суровый взгляд и спрашивали: «Вы кто?». Узнав, что посетитель не член Союза писателей, они возмущённо разводили руками: «Что же вы здесь делаете?». С началом перестройки автор послал свой рассказ другу, перебравшемуся на жительство на Аляску. Тот, под впечатлением прочитанного, спросил, можно ли это опубликовать. Получил разрешение, и через день (!) рассказ был опубликован в газете «Новое русское слово».

Валентин Иванов, 23 августа 2021 г.

Плечи гигантов

«If I have seen further it is by standing on the shoulders of Giants».

(Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов)

Исаак Ньютон, 1676.

Полотно истории рождения физических идей соткано усилиями тысяч талантливых исследователей самых разных стран и народов. Полное его описание составит многие десятки томов, но именно по этой причине чтение этого полотна не профессионалами очень скоро превратится в скучное и утомительное занятие. В то же время, знание общей структуры этого полотна совершенно необходимо современному человеку, ибо такое знание предопределяет мировоззрение каждого из нас. Настоящая работа ставит своей целью дать широкому читателю представление о краеугольных камнях истории познания природы, которые разделяют полотно истории на самостоятельные этапы. Каждый из таких этапов носит отдельное название, определяется своей методологией познания и ассоциируется с именами конкретных гениев-учёных. Возможно, кому-то такое приписывание рождения принципиально новых идей одному человеку покажется несправедливым, но точное и подробное описание всех предшественников каждой идеи непременно порождает многословие и скуку при чтении.

Из всего полотна истории мы выделим лишь четыре главных страницы. Первую из них мы ассоциируем с именем Аристотеля, родом из фракийского города Стагир, прозванного по месту происхождения Стагиритом (384 – 322 г. до н.э.). Аристотель, по-видимому, был первым учёным энциклопедических познаний в науках эллинского периода: философии, медицине, политике, логике, риторике, физике, ботанике, теологии, этике и пр. Ученик великого греческого философа Платона, воспитатель Александра Македонского, основатель Ликея и философской школы перипатетиков, именно он заложил основы современных естественных наук, создал понятийный аппарат философии и физики. Научный авторитет Аристотеля был непререкаемым в течение более чем полутора тысячелетий. Он ввёл понятия философских категорий: пространства, времени, материи, пустоты, бесконечности и движения. Оставил после себя восьмитомный труд под названием «Физика», в котором отделил бытовавший в то время термин «Натуральная философия» от собственно изучения свойств природы, дав названием ему «физика» и определив физиком исследователя природных явлений. С именем Аристотеля ассоциируют также термин «Метафизика» (дословный перевод «после физики»), хотя сам автор этого слова не употреблял, а слово ввёл издатель его трудов Андроник Родосский, озаглавив этим термином 14 философских книг, изданных после цикла «Физика».

Аристотель Стагирит (384 – 322 гг. до н.э.)

С Аристотеля начинается систематическое построение науки логики. Он разработал теорию мышления и его формы, понятия суждения и умозаключения. Метод же познания, развиваемый большинством философов того времени, можно назвать созерцательным или умозрительным. В соответствии с этим методом, наблюдение явлений природы, получение первичных ощущений, накопление фактов является низшей ступенью познания. Главная задача исследователя заключается в том, чтобы путём строгих логических рассуждений построить цепочку внутренне непротиворечивых силлогизмов, заключительная часть которых и содержит новое знание о предмете. Сам же опыт (эксперимент) не позволяет получить истинного знания о сущности изучаемого объекта, поскольку опыт предполагает создание искусственных условий для изучения, в то время как сущность объекта раскрывается во всей полноте только при естественном, ненасильственном ходе явления природы, ибо высшие формы достоверного знания созерцаются умом непосредственно.

Рассуждения Аристотеля о природе пространства и времени прездставляют значительный интерес и в наше время, поскольку именно он дал первые точные формулировки этих фундаментальных физических и философских категорий. Смысл и содержание этих категорий со времён Аристотеля неоднократно подвергались полному пересмотру вплоть до ХХ века. Этот проницательный учёный впервые сформулировал, что главной задачей физики является изучение свойств движения, причём он различал три основных вида движения: простейший – перемещение тела в пространстве с одного места на другое, изменение качества предмета (превращение) и количественные изменения его свойств (прибыль-убыль). Главная же задача физика заключается в поиске причин появления или прекращения движения. Объект, инициирующий движение Аристотель называет двигателем, а изучаемое тело – движимое. Передача свойств движения от двигателя к движимому телу осуществляется непосредственным контактом двигателя с движимым или через промежуточные тела, контактирующие между ними. В таком случае возникает парадокс: каким образом движется камень в свободном полёте, брошенный рукой, когда контакта камня с рукой уже нет. Этот парадокс Аристотель блестяще разрешает, объясняя, что камень движется в воздухе, частицы которого пришли в движение в момент начала броска. Сместившийся в полёте камень создаёт позади себя область разрежения, в которую устремляются частицы окружающего воздуха и, тем самым, толкают камень, побуждая его продолжать движение. Главной количественной характеристикой двигателя является сила, которая и определяет скорость движения. То, что мы называем теперь уравнениями движения в эпоху Аристотеля сводилось к пропорциям, поскольку складывать, вычитать, умножать, делить и сравнивать можно было только величины одного сорта. В этом смысле, уравнение движения в теории Аристотеля можно было записать как F1/F2 = v1/v2, где значками Fi и vi обозначены сравниваемые силы и скорости. Поскольку числа у эллинов были только натуральными (целыми), и отсчёт начинался с единицы, числа в указанных пропорциях могли быть только кратными. В современной записи уравнение движения имело бы вид F ≈ v, где коэффициентом пропорции должно служить неизменное свойство (атрибут) движущегося объекта. До введения понятия массы должны было пройти более двух тысячелетий.

Рассматривая возможность вечного движения, Аристотель вводит классификацию видов движения. Он сразу же отвергает возможность вечного движения по прямой. Поскольку размеры Вселенной ограничены размерами внешней небесной сферы, на которой закреплены неподвижные звёзды, тело, движущееся по прямой, должно где-то остановиться, чтобы повернуть назад. Совершенным движением Аристотель считает движение по кругу. Именно поэтому вечны и совершенны движения планет по небесным сферам, в центре которых находится планета Земля. Этот центр и является неподвижным центром Вселенной.

Время по Аристотелю – это число движения. Поскольку есть число, должен быть и субъект, способный подсчитывать подобные числа. Таким субъектом по его мнению является душа, поэтому без души нет времени.

Ключевым моментом в теории движения было нахождение причины движения – перводвигателя. В каждом частном наблюдении таким перводвигателем могло быть живое существо – лошадь, тянущая телегу, или человек, бросивший камень. Во Вселенной всегда есть движущиеся части, поэтому видимое прекращение движения конкретного объекта означает лишь переход движения в скрытой от взора форме к началу движения другой части Вселенной. Истинным же перводвигателем является Бог, поэтому конечная задача исследователя природы состоит в поиске доказательств существование Бога. Именно признание Бога в качестве перводвигателя Вселенной с момента утверждения христианства в Европе объясняет, почему труды Аристотеля признавались иерархами церкви основами всех наук.

Новая страница истории естествознания открывается в XVI веке с появлением на исторической сцене великого итальянского физика, механика, астронома, философа и математика Галилео ди Винченцо Бонайути де Галилея (1564—1642), родившегося в городе Пизе. С молодых лет он заработал среди преподавателей репутацию неукротимого спорщика. Уже тогда он считал себя вправе иметь собственное мнение по всем научным вопросам, не считаясь с традиционными авторитетами. С точки зрения познания природы, принципиально новым было то, что именно Галилей в основу метода получения новых достоверных знаний поставил эксперимент, поэтому его с полным основанием можно считать первым в истории физиком-экспериментатором. До сих пор ходит легенда, что свой закон, гласящий, что все тела падают с одинаковым ускорением, он открыл, бросая различные предметы с высоты знаменитой наклонной пизанской башни. Никаких документальных подтверждений подобных экспериментов историки не обнаружили, помимо неопубликованного трактата Галилея «О движении», в котором он описывает мысленный эксперимент с лёгким и тяжёлым шарами, связанными верёвкой. В этом эксперименте Галилей опровергал мнение Арисотеля, что скорость падения тела пропорциональна его массе. С точки зрения методической, такой эксперимент несовершенен тем, что в законе о свободном падении он не подтверждает ключевое слово «все», ибо тела могут отличаються не только массой, но и размерами, формой, а также веществом, из которого они состоят. Ограниченность этого, как, впрочем, и всех других законов природы, состоит в том, что при его формулировке не учитывается целый ряд факторов, которые при одних условиях эксперимента можно считать малозначительными, зато при иных условиях они существенно искажают формулировку. К числу таких факторов можно отнести, например, сопротивление среды, в которой падает тело или высоту, с которой оно начинает падать.

Провозвестник новой физики Альберт Эйнштейн (1879 – 1956)

Гораздо более убедительными являются эксперименты Галилея со скатыванием или скольжением тел по наклонной плоскости, которые позволили ввести в физику понятия коэффициентов трения скольжения и качения. Ещё более значительными стали эксперименты по наблюдению движения небесных тел с помощью сконструированного своими руками телескопа, которые произвели настоящий фурор в научном мире, открыв лунные горы и кратеры, пятна на Солнце, спутники Юпитера, фазы Венеры, вращение Солнца вокруг собственной оси и многие другие эффекты.

Важно отметить, что Галилей сделал немало и чисто теоретических открытий, главным из которых является формулировка принципа относительности движения, получившего имя учёного. Согласно этому принципу, в природе существует особое, выделенное, совершенное движение, которое не требует никаких причин для его поддержания. В отличие от кругового движения по Аристотелю, совершенным считается равномерное и прямолинейное движение, которое впоследствие было названо инерциальным. Любые измерения, сделанные в инерциальных системах, показывают их полную идентичность, независимо от скорости движения любой из этих систем относительно другой инерциальной системы.

В своём трактате «Письма к Инголи» Галилей приравнивает звёзды к Солнцу, указывает на колоссальное расстояние до них. Он пишет: «Если какая-либо точка мира может быть названа его центром, то это центр обращений небесных тел; а в нём, как известно всякому, кто разбирается в этих вопросах, находится Солнце, а не Земля». Он заявил также, что планеты и Луна, подобно Земле, притягивают находящиеся на них тела. В современной терминологии, Галилей провозгласил однородность пространства (отсутствие центра мира) и равноправие инерциальных систем отсчёта Следует отметить важный анти-аристотелевский момент: аргументация Галилея неявно предполагает, что результаты земных опытов можно переносить на небесные тела, то есть законы на Земле и на небе одни и те же. Последней книгой Галилея стали «Беседы и математические доказательства двух новых наук», где излагаются основы кинематики и сопротивления материалов. Фактически содержание книги представляет собой разгром аристотелевой динамики; взамен Галилей выдвигает свои принципы движения, проверенные на опыте. Потомки с полным основанием говорят, что научная революция в физике начинается с Галилея. Он считается одним из основателей механицизма. Этот научный подход рассматривает Вселенную как гигантский механизм, а сложные природные процессы – как комбинации простейших причин, главная из которых – механическое движение.

В своих трудах Аристотель утверждал:

– Скорость падения пропорциональна весу тела.

– Движение происходит, пока действует «побудительная причина» (сила), и в отсутствие силы прекращается.

Находясь в Падуанском университете, Галилей изучал инерцию и свободное падение тел. В частности, он заметил, что ускорение свободного падения не зависит от веса тела, таким образом опровергнув первое утверждение Аристотеля. В своей последней книге Галилей сформулировал правильные законы падения: скорость нарастает пропорционально времени, а путь – пропорционально квадрату времени. Галилей доказал, что указанное, а также любое брошенное под углом к горизонту тело летит по параболе. В истории науки это первая решённая задача динамики. В заключение исследования Галилей доказал, что максимальная дальность полёта брошенного тела достигается для угла броска 45°(ранее это предположение высказал Тарталья, который, однако, не смог его строго обосновать). На основе своей модели Галилей составил первые артиллерийские таблицы.

Опыт Галилей рассматривал не как простое наблюдение, а как осмысленный и продуманный вопрос, заданный природе. Он допускал и мысленные эксперименты, если их результаты не вызывают сомнений. При этом он ясно представлял, что сам по себе опыт не даёт достоверного знания, и полученный от природы ответ должен подвергнуться анализу, результат которого может привести к переделке исходной модели или даже к замене её на другую. Таким образом, эффективный путь познания, по мнению Галилея, состоит в сочетании синтетического (в его терминологии, композитивный метод) и аналитического (резолютивный метод), чувственного и абстрактного. Эта позиция, поддержанная Декартом, с этого момента утвердилась в науке. Тем самым наука получила свой метод, собственный критерий истины и светский характер.

Хотя Галилей и описал некоторые виды движения с неравномерной скоростью, принято считать, что в законах механики он строго обосновал раздел, называемый кинематикой. Что же касается причин движения под воздействием силы, он рассмотрел лишь простейшие движения, в которых на тело действует постоянная по величине сила. Создание динамики движения под действием произвольных по величине и направлению сил принаждежит другому великому физику, математику, механику и астроному – Исааку Ньютону (1642—1727), которого считают основателем классической физики. Несмотря на открытия Галилея, естествознание и философию в Кембридже, где учился Ньютон, по-прежнему преподавали по Аристотелю. Научной опорой и вдохновителями творчества Ньютона в наибольшей степени были физики: Галилей, Декарт и Кеплер. Ньютон завершил их труды, объединив в универсальную систему мира.

В ноябре 1665 года он н получил прямой метод флюксий – которыми он называл производные от функций [дифференциальное исчисление]; в январе следующего года получил теорию цветов, а в мае приступил к обратному методу флюксий [интегральное исчисление]. Надо отметить, что Ньютон не только достаточно полно разработал анализ, но и сделал попытку строго обосновать его принципы. Если Лейбниц склонялся к идее актуальных бесконечно малых, то Ньютон предложил (в «Началах») общую теорию предельных переходов. Все последователи Ньютона уже использовали созданные им мощные методы математического анализа. Крупнейшими непосредственными продолжателями дела Ньютона стали Д’Аламбер, Эйлер, Лаплас, Клеро и Лагранж.

Эти работы вошли в главный труд Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии», но самым значительным его открытием в эти годы стали закон всемирного тяготения и три закона механики. Как по физическому, так и по математическому уровню труд Ньютона качественно превосходит работы всех его предшественников. В нём отсутствует аристотелева или декартова метафизика, с её туманными рассуждениями и неясно сформулированными, часто надуманными «первопричинами» природных явлений. Ньютон, например, не провозглашает, что в природе действует закон тяготения, он строго доказывает этот факт, исходя из наблюдаемой картины движения планет и их спутников. Метод Ньютона – создание модели явления, «не измышляя гипотез», а потом уже, если данных достаточно, поиск его причин. Такой подход, начало которому было положено Галилеем, означал конец старой физики. Качественное описание природы уступило место количественному – значительную часть книги занимают расчёты, чертежи и таблицы.

Основатель классической физики Исаак Ньютон (1642 – 1727)

Слабым местом теории тяготения Ньютона, по мнению многих учёных того времени, было отсутствие объяснения природы этой силы. Ньютон изложил только математический аппарат, оставив открытыми вопросы о причине тяготения и его материальном носителе. Для научной общественности, воспитанной на философии Декарта, это был непривычный и вызывающий подход, и лишь триумфальный успех небесной механики в XVIII веке заставил физиков временно примириться с ньютоновской теорией. Физические основы тяготения прояснились только спустя более чем два века, с появлением Общей теории относительности.

В 3-ю книгу «Начал» Ньютон поместил ряд методических правил, направленных против картезианцев; первый из них – вариант «бритвы Оккама»:

Правило I. Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений… природа ничего не делает напрасно, и было бы напрасным совершать многим то, что может быть сделано меньшим. Природа проста и не роскошествует излишними причинами вещей…

Правило IV. В опытной физике предложения, выведенные из совершающихся явлений с помощью наведения [индукции], несмотря на возможность противных им предположений, должны быть почитаемы за верные или в точности, или приближённо, пока не обнаружатся такие явления, которыми они ещё более уточняются или же окажутся подверженными исключениям.

Грандиозные открытия были сделаны Ньютоном и в оптике. Первое из них состояло в получении спектра белого света при прохождении его через треугольную призму. На основании этого опыта Ньютон сделал вывод о том, что белый свет состоит из смеси основных цветов, в качестве которых достаточно выбрать три – например, красный, синий и зелёный. В трёхтомном сочинении «Оптика» в первом томе он излагает основы геометрической оптики и дисперсии света, во втором волновую природу света, объясняющую природу интерференции, в третьем – корпускулярную теорию, объясняющую эффекты дифракции и поляризации света.

Ньютон окончательно похоронил укоренившееся с античных времён представление, что законы движения земных и небесных тел совершенно различны. В его модели мира вся Вселенная подчинена единым законам, допускающим математическую формулировку.

Аксиоматика Ньютона состояла из трёх законов, которые сам он сформулировал в следующем виде.

– Закон инерции: Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

– Изменение количества движения пропорционально приложенной силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

– Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе, взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.

Именно Ньютон впервые ввёл в физику чётко определённые понятия силы, массы и количества движения. Масса у него является мерой инерции и, одновременно, гравитационных свойств материального тела. Объединение второго закона механики и закона всемирного тяготения позволяет вывести три закона движения небесных тел, полученные Кеплером, который получил эти закономерности, анализируя астрономические таблицы своего учителя Тихо Браге, но не смог дать объяснения причин, по которым небесные тела движутся таким, а не иным образом. У Кеплера планеты двигают сонмы ангелов, сменяя друг друга, по эллиптическим орбитам, назначенным Богом.. У Ньютона причиной движения небесных тел по своим орбитам является закон всемирного тяготения. Необходимости в иных двигателях у него нет. Другое дело, что законы эти и все остальные предопределены Богом. Открывая эти законы, исследователь познаёт божьи замыслы.

Начиная с Ньютона, естествознание развивается, твёрдо уверенное в том, что мир познаваем, потому что природа устроена по простым математическим принципам. Эта уверенность стала философской базой для грандиозного прогресса науки и технологии.

Вся история естествознания вплоть до начала ХХ века развивалась, в основном, эволюционным путём, в котором предыдущие фундаментальные идеи и понятия не отвергались целиком, а лишь уточнялись и совершенствовались. Именно так формировались и уточнялись представления о свойствах пространства и времени от Евклида и Аристотеля до Декарта и Ньютона. К началу ХХ века у естествоиспытателей сложилось впечатление, что фундаментальные законы природы в целом определены, и потомкам остаётся лишь уточнять описания отдельных, частных явлений природы. Джеймсом Клерком Максвеллом были написаны общие уравнения теории электромагнитных явлений, из которых следовало, что свет – это электромагнитные волны, распространяющиеся с огромной скоростью порядка трёхсот тысяч километров в секунду. Эта скорость входила в систему уравнений Максвелла в качестве константы, поэтому разработка прецизионных приборов, использующих электромагнитные явления, требовала знания скорости света с весьма высокой точностью. К этому времени опытами Вебера и Герца было установлено, что в пространстве распространяются с той же скоростью не только световые волны, но электромагнитные волны с частотами, недоступными для наблюдения их зрительными приборами. С демонстрацией этих волн в 1900 году русским инженером и физиком А. С. Поповым они получили название радиоволн.