Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Глава 2 Наука в Афинах

В V веке до н. э. город-государство Афины, разбив Персидскую империю, стал центром греческой культуры и науки. Этот полис с населением от силы 300 ооо человек породил изумительно богатую культуру, влияние которой до сих пор сильно ощущается в жизни западных стран. Скульптура и архитектура процветали. Мастера трагедии Эсхил, Софокл и Еврипид создали драму. Фукидид основал критическую историографию. Сократ (469–399 ДО н. э.) бродил по улицам Афин и веселил или злил людей своими необычными вопросами.

Афины были центром новых идей, касающихся природы. Считается, что Анаксагор (около 500–428 до н. э.) перенес натуральную философию из Малой Азии в Афины. Возможно, первый ученый в современном значении этого слова, Анаксагор был рожден в городе Клазомен, он пожертвовал своим большим состоянием и посвятил жизнь науке. На вопрос, для чего рождаются люди, он отвечал, что для того, чтобы «изучать Солнце, Луну и небеса». Примерно в 40 лет Анаксагор прибыл в Афины. Здесь среди его друзей был политик Перикл, а автор трагедий Еврипид стал одним из его учеников.

Анаксагор придерживался тех же взглядов, что Анаксимен из Милета, считая, что Земля плавает в воздухе. Но это не мешало ему проводить важнейшие наблюдения небесных объектов. Он полагал, что источником лунного света служит Солнце, и правильно истолковывал лунные и солнечные затмения. Анаксагор считал, что можно объяснить небесные явления, если предположить, что небесные тела состоят из того же вещества, что и земные объекты. Поэтому он рассматривал Солнце как горячую светящуюся массу или же как горящий камень, а Луну с ее равнинами и оврагами считал похожей на Землю. Большое впечатление на Анаксагора произвел метеорный дождь, который он объяснял «землетрясением», произошедшим на некоем небесном теле. Большинству людей не были понятны такие идеи, ибо звезды и планеты обычно считались богами. Анаксагора обвинили в нечестивости. Перикл помог ему бежать из Афин в город Лампсак в Ионии. Там Анаксагор основал школу и до конца жизни пользовался большим уважением.

Другим знаменитым мыслителем того времени был Эмпедокл (около 494-34 до н. э.). В основном мы помним об этом человеке из Агригента (Южная Сицилия) благодаря теории четырех элементов. Огонь, воздух, вода и земля сохраняли свою роль в науке на протяжении двух тысячелетий. Эмпедокл первым сделал шаг к пониманию важности физических сил. В своих философских поэмах он использовал аллегорические имена Любви (филия) и Ненависти (нейкос) для противостоящих сил, поддерживающих равновесие в природных явлениях. В переводе на наш прозаический язык это были силы притяжения и отталкивания.

Древние идеи о том, почему элементы ведут себя определенным образом, образуя все окружающие нас предметы, фактически были качественной, описательной физикой. Но учение об атомах, впервые сформулированное примерно в это же время, не включало силы в свой теоретический арсенал. Чтобы объяснить формирование разных структур в мире, авторы этого учения пошли по другому пути.

Одна из важнейших древних систем мышления — атомная теория — родилась в Малой Азии, в недрах ионийской натуральной философии (то есть естествознания). Основная идея этой теории звучала так: «В мире нет ничего кроме атомов и пустоты». Левкипп из Милета считается автором учения об атоме. Учение было развито Демокритом (около 460–370 до н. э.), родившимся в городе Абдер (Фракия), но долгое время жившим в Афинах.

Согласно теории атомов, основным элементом, который так усердно искали философы Малой Азии, была не какая-то всеобъемлющая материя, а крохотное неделимое и очень твердое тело — атом (от греч. «неделимый»). Каждый отдельный атом не обладает никакими свойствами. У него нет цвета, запаха, вкуса; но, собравшись вместе, атомы могут сформировать любое вещество. Левкипп предполагал, что космические тела, количество которых неограничено, рождаются, когда атомы из бесконечности падают в некоторую пустоту и, встречаясь друг с другом, образуют вихрь. И наша Земля тоже сформировалась в центре такого вихря.

Атомная теория кажется нам очень знакомой, и мы склонны рассматривать древних сторонников атомизма как соратников по духу современных ученых. Но важнее внешнего сходства то, что древние атомисты понимали — данный нам в ощущениях «макро»-мир можно объяснить при помощи невидимых атомов из «микро»-мира. Их способ перехода от видимого в невидимому очень похож на то, что происходит в современной науке (даже при том, что в деталях их рассуждения нередко были ошибочными). Хорошим примером объяснения атомистами видимых явлений служат их рассуждения о белье, вывешенном на дворе для просушки. Мокрое белье сохнет на солнце, но мы не видим сырость, покидающую белье, потому что она расщепляется на мельчайшие части, рассуждали атомисты.

Основной элемент атомной теории заключался в утверждении, что крупные тела образуются совершенно случайно из атомов, летящих сквозь пустоту. Этот процесс не имеет определенной цели и не управляется кем-либо. Бесконечное пространство и бесконечное время гарантируют, что рано или поздно атомы смогут собраться и сформировать целые миры, одним из которых является и наш мир. Это значит, что и люди состоят из атомов, и даже наша душа, отлетающая после смерти, тоже состоит из них. На основе этих материалистических идей Эпикур (341–270 до н. э.) с острова Самос создал теорию о мире и жизни, привлекшую многих последователей. Его страстный римский поклонник Лукреций (около 98–55 до н. э.) позже создал большую поэму De Regum Natura (О природе вещей), где описал эпикуреизм. Поэтическим языком в ней подробно рассказано о том, как были придуманы атомы для объяснения природных явлений и рождения человеческих чувств. В то же время поэма отражает энтузиазм, с которым некоторые люди воспринимают рациональное представление о природе, — показан путь рассеяния страха перед сверхъестественным.

Представления атомистов о мире отличались от взглядов Платона и Аристотеля, которые мы обсудим ниже. Для атомистов случайные столкновения атомов были единственным «законом природы». Как и Анаксагор, атомисты лишили небесные тела их божественной природы. Однако нужно сказать, что их успехи в астрономии оказались не столь впечатляющими. Например, Демокрит все еще верил, что Земля плоская, а Эпикур вообще не интересовался объяснением небесных явлений. Хоть это и удивительно, но важнейший шаг в превращении астрономии в точную науку сделал Платон, который верил в божественную природу небесных тел. А дело вот в чем: он считал, что регулярные движения небесных светил управляются высшим разумом и поэтому подаются рациональному объяснению.

Великий мыслитель Платон (427–347 до н. э.) родился в богатой афинской семье. В юности он мечтал о карьере политика и стал последователем Сократа. Но после казни Сократа Платон отказался от своих планов и уехал за границу на десять лет. Он жил в Египте и в Италии, где познакомился с мировоззрением Пифагора.

После возвращения в Афины Платон основал общину талантливых учеников. Они собирались за пределами Афин, в священной роще, названной в честь мифического героя Академа. В этом тихом месте Платон вместе с учениками рассуждал о философии и науке. Здесь и родилась в 387 году до нашей эры Академия Платона, знаменитый центр образования, действовавший на протяжении девяти веков, пока император Юстиниан не закрыл его в 529 году н. э. Группа Платона обладала большим влиянием. Среди его учеников были философ и ученый Аристотель, а также математики Евдокс, Каллипп и Теэтет.

Особое значение философ Платон придавал не наблюдениям, а обдумыванию и рассуждениям в попытках объяснить неполную и неясную картину нашего мира. Для него истинной реальностью был мир идей. Это могло быть отражением взглядов пифагорейцев на реальность чисел (тоже весьма абстрактная концепция). Ясно, что эти два взгляда на мир отличались от материальной основы реальности, которая была у ионийцев и атомистов.

Достижения Платона в изучении природы проявились в астрономии. В диалоге «Государство» он представил образовательную программу, пригодную для философов его идеального города-государства. Цель этого учебного плана состояла в том, чтобы облегчить человеческому разуму путь к достижению объективного знания о неизменном мире идей. В диалогах Платона Сократ говорил о математике (арифметике, геометрии) как о способе изучения неизменной истины. Другим способом была астрономия, хотя в современном смысле это что-то далекое от нас.

Собеседник Сократа Главкон определенно признает астрономию полезной для сельского хозяйства и мореплавателей. Однако Сократ резко осуждает эту точку зрения как непригодную для философов. Затем Главкон с надеждой заявляет, что все астрономические явления заставляют душу взирать вверх, вдаль от вещей низменных. Но Сократ вновь не соглашается. Для него «вверх» означает «в направлении материального неба», а не в направлении царства идей, и выражено это такими словами: «Глядит ли кто, разинув рот, вверх или же, прищурившись, вниз, когда пытается с помощью ощущений что-либо распознать, все равно, утверждаю я, он никогда этого не постигнет, поскольку ни один из органов чувств не воспринимает знания, и душа человека при этом смотрит не вверх, а вниз, хотя бы он даже лежал лицом вверх на земле или плыл по морю на спине».

Главкон вынужден признать, что был неправ. Но он недоумевает: «Каким же способом, отличным от нынешнего, нужно изучать астрономию для наших целей?» Сократ допускает, что «вон те узоры на небе» более прекрасны и совершены, чем все, что мы видим, но все же они уступают вещам истинным с их перемещениями друг относительно друга, происходящими с подлинной быстротой или медлительностью, согласно истинному числу и во всевозможных истинных формах, по причинам, скрытым в них самих. Это постигается разумом и рассудком, но не зрением.

И Сократ продолжает объяснять свою мысль:

«Значит, небесным узором надо пользоваться как пособием для изучения подлинного бытия, подобно тому как если бы нам подвернулись чертежи Дедала или какого-нибудь иного мастера или художника, отлично и старательно вычерченные. Кто сведущ в геометрии, тот, взглянув на них, нашел бы прекрасным их выполнение, но было бы смешно их всерьез рассматривать как источник истинного познания равенства, удвоения или каких-либо иных отношений» (Платон. Государство, кн. 7).

Сократ и Платон считали, что регулярные движения небесных тел лишь приблизительно отражают законы идеального мира движений, подобно тому как вычерченные рукой геометрические фигуры лишь приблизительно согласуются с математическими законами, которым они подчиняются. Однако простое созерцание или даже внимательные наблюдения не приводят к настоящим знаниям по геометрии — это должно быть подтверждено вычислениями, в которых визуальное восприятие или измерение точного рисунка не может быть частью доказательства. Например, можно сделать много рисунков в разном масштабе для приближения к доказательству теоремы Пифагора, но нельзя быть уверенным в результате без строгих геометрических рассуждений (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Теорема Пифагора. Площадь квадрата, построенного на гипотенузе прямоугольного треугольника, равна сумме площадей квадратов, построенных на катетах. Вы можете попробовать проверить эту древнюю теорему, для этого существует много способов.

Истинные космические движения живут в мире идей, таких как «истинная скорость» и «истинный период», и проявляются в наблюдаемых движениях небесных тел только как искаженное отражение в зеркале чувств. Наблюдая эти искаженные явления, вы не можете получить правильные знания, и «значит, мы будем изучать астрономию так же, как геометрию, с применением общих положений, а то, что на небе, оставим в стороне, если мы действительно хотим освоить астрономию». Современная астрономия, изучая удивительные открытия, сделанные путем наблюдений, вряд ли согласится с утверждениями Сократа. Возможно, Платон такие взгляды понимал не буквально. На самом деле, в своей более поздней космологической работе «Тимей» Платон благодарит наше зрение за то, что оно сделало доступным нашим чувствам небесные движения: «Это я считаю главным благом, полученным от зрения».

Необычная программа по астрономии, обрисованная Платоном, служит ясным напоминанием того, сколь долгий путь с той поры прошло наше представление о науке. Мы склоняемся к мысли, что законы природы не возникали независимо от природных явлений, даже если кто-то мог сформулировать их, используя точный язык математики. В любом случае, мы неспособны представить, что можно было открыть эти законы без наблюдений. Искажающие факторы и ненадежные наблюдения могут повлиять на точность окончательного результата, но это не смертельно. Платон стремился к непоколебимым знаниям о мире, используя метод чистого размышления. Мы же счастливы, получая приблизительные знания, извлекаемые при помощи наблюдений и опытов. Наш опыт, которого не было у древних людей, показывает, что это плодотворный путь для постепенного накопления знаний о законах природы, путь приближения к истине.

Говорят, что Платон давал своим ученикам задание определить, какого типа простые и равномерные движения могут объяснить видимые перемещения звезд и планет. Это задание вдохновило Евдокса на формулирование его знаменитой теории гомоцентрических сфер (обсудим это в следующей главе). Идея Евдокса подтолкнула и других людей к созданию моделей движения планет, что имело огромное значение для развития науки. Более важным, чем взгляды самого Плутона на правильные научные исследования, было то, что вокруг себя он собрал много талантливых учеников, которых стимулировала уникальная интеллектуальная атмосфера Академии Платона. Отношения между ними и другими важными фигурами древней науки приведены на рис. 2.2 и художественно изображены (с элементами фантазии) на рис. 2.3.

Рис. 2.2. Древние философы и ученые, расположенные на шкале времени. Города, где они жили, указаны сверху крупными буквами. Часто мы не знаем точных дат их жизни.

Самым известным среди учеников Платона стал Аристотель (384–322 до н. э.). Он родился в городе Стагира в Македонии. Аристотель посещал лекции Платона два десятилетия, вплоть до смерти учителя. Затем он переехал сначала в Малую Азию, а позже — в Пеллу, столицу Македонии, где семь лет служил воспитателем королевского сына, в будущем — Александра Великого. Примерно в 50 лет Аристотель вернулся в Афины и основал там свою школу. У него была привычка гулять с учениками, обучая их и дискутируя с ними (отсюда и название — «школа прогуливающихся», перипатетиков). Интересно, что не так давно археологи нашли место в Афинах, где располагался знаменитый Лицей — школа Аристотеля.

Аристотель написал множество книг, но ни одна из них полностью не сохранилась. Все, что осталось, это «наброски лекций» и конспекты, но и они были потеряны на двести лет, пока их не нашли в погребе потомков одного из его учеников. Наша связь с прошлым очень слаба!

Аристотель был универсальным гением, мечтавшим создать систему знаний обо всем на свете. Он занимался многими вещами, в том числе разделил науку на отрасли, изучил природу научных знаний и стал основоположником логики. Как основатель зоологии, он был ревностным наблюдателем поведения животных и описал примерно 500 различных видов. В физике он был первым, создавшим теорию динамики, которая пыталась объяснить движение различных предметов вокруг нас. Его физика имела космологический масштаб. Она была тесно связана с его представлениями о Вселенной, которые оказывали огромное влияние на европейскую научную мысль вплоть до Средних веков.

Вселенная Аристотеля имела конечный размер, фактически это была конечная сфера, вне которой не имелось ничего, даже пустоты. Аристотель выдвигал несколько аргументов в пользу конечности против бесконечности. Например, он утверждал, что «каждое вращающееся тело обязательно конечно». Если бесконечное тело вращается, его огромная часть должна пройти за конечное время бесконечное расстояние, а это невозможно, утверждал Аристотель. И делал вывод, что, поскольку суточное вращение неба является космологическим свойством Вселенной, то она должна быть конечной. А тот факт, что тела стремятся упасть в точку, расположенную в центре Земли, приводил Аристотеля к мысли о сферичности Земли, и ему казалось, что в таком случае эта точка должна быть центром Вселенной. Аристотель утверждал, что только конечная Вселенная может иметь центр.

Аристотель соглашался с Эмпедоклом, что «здесь» мы имеем четыре элемента, одним из них является твердый материал, из которого состоит Земля. Основной мыслью динамики Аристотеля было утверждение, что движение тел определяется их стремлением к своему «естественному месту». Естественное положение элемента земля и есть центр Вселенной, и отсюда естественное движение «вниз». Огонь является противоположным земле, и его естественное движение — «вверх». Также вода и воздух стремятся разместиться на разных уровнях, и вода ниже, чем воздух.

Однако физика небесных объектов, по Аристотелю, не такова. Во-первых, небесные тела состоят из особого элемента — эфира. Он был предложен раньше как очень разреженная среда, заполняющая вакуум, но Аристотель поднял эфир на небеса и придал ему статус пятого элемента. Эфир вечен, поэтому звезды и планеты, состоящие из эфира, никогда не разрушатся. Во-вторых, Вселенная как целое неизменна и вечна, и это отражается в регулярных круговых движениях небесных тел. Круговые движения особенные: тело всегда возвращается в свое первоначальное положение, поэтому здесь видимые изменения или движения, как ни странно, свидетельствуют о постоянстве. В подлунном мире изменений естественными движениями являются «вверх» и «вниз», но на небе естественное движение круговое.

Динамика Аристотеля была основана на наблюдениях земной среды, которая может дать обманчивую картину того, чем управляется и поддерживается движение. Трение и сопротивление воздуха серьезно затрудняют построение правильной теории движения, но Аристотель не учитывал эти факторы. И хотя его идеи были ошибочными, они дали важный импульс средневековым мыслителям для построения теории движения.

Аристотель утверждал, что мы можем понять явление только в том случае, если знаем его причину. Это звучит вполне привычно, но Аристотель предполагал особую, окончательную причину, цель (telos). Это как если бы некая сила из будущего влияла на сегодняшнее событие. Мы знаем окончательную причину, когда можем сказать, почему происходит данное явление. Например, камень падает вниз потому, что его целью является его естественное место в центре Вселенной. Аристотель был специалистом в биологии, а там, на первый взгляд, окончательные или теологические мотивы кажутся естественным путем объяснения. Так почему же этого нельзя делать в любой другой области? Аристотель не знал других категорий причин, и окончательная причина была наиболее существенной для понимания природных явлений.

Современная наука считает другие причины важными для объяснения физических явлений, а окончательная причина перестала быть основной. Обусловленность заменила собой окончательность. Современная наука начинает свои объяснения с прошлого, с определенного начального состояния, и следует по цепи причин и следствий в попытке понять, что же произойдет в будущем. Когда мы задаем вопрос, почему что-то случилось, мы имеем в виду: какие условия и законы природы привели к этому явлению? Мы не задаем вопрос об их цели.

Поэтому неудивительно, что в этой первой теории динамики движение падения к центру Вселенной (Земли) было настолько важным. Теперь мы понимаем, что это явление (падение камня), которое кажется таким важным, есть лишь частное проявление универсального закона гравитации. И это случается вблизи любого небесного тела. Аристотель знал только один такой пример, нашу Землю.

Аристотель, «мозг Академии Платона», был уверен, что только он может получить надежные знания о мире. Вопреки тому, что говорил его учитель Платон, Аристотель подчеркивал важность наблюдений (рис. 2.3). Детально наблюдая природные явления, ученый может интуитивно прийти к фундаментальным понятиям науки, абсолютной истине. Из таких начальных истин, представляющих собой наивысший уровень знаний, можно путем логической индукции вывести другие истинные положения о мире, и это будут научные знания, основанные на строгих принципах.

Как для Аристотеля, так и для Платона истинные знания должны быть действительно верны и окончательны, что-то вроде математической истины. Однако вековой опыт показывает, что такие очень строгие требования делают невозможным применение науки. Вероятно, наука является приближением к истине, и в таком случае это делается путем «неполных истин» и временных допущений. Накопление научных знаний гораздо более сложный процесс, чем это мог представить Аристотель, и его надежность ограничена и временна. Тем не менее если взять точку зрения Аристотеля на науку, то можно увидеть проблеск двух основных процессов, являющихся основным инструментом любой современной науки: индукция, или открытие основных законов на основе наблюдений, и дедукция, или построение логических последовательностей, например для предсказания того, что произойдет в результате опыта.

Рис. 2.3. Фреска Рафаэля, изображающая философа Платона со своим самым знаменитым учеником Аристотелем во время дискуссии в Афинской Академии. Платон указывает пальцем вверх, на небо, а подход Аристотеля более приземлен. Гипатия (жившая несколькими веками позже), одетая в белое платье, стоит внизу слева, одна, повернувшись к зрителям, в окружении мужчин.