Физика - моя профессия

Немного истории Глава 6

…где рассказывается, как познание природы методом словесного жонглирования заменилось экспериментом.

Читатель узнает также, что великолепные успехи науки придали излишнюю самоуверенность физикам XIX века: они думали, что нам осталось лишь пожинать плоды их трудов.

Человеческии зародыш повторяет в своем развитии весь тот путь, который за сотни миллионов лет проделала эволюция, преобразовавшая лягушку в царя природы. Напрашивается заманчивая мысль сопоставить эволюцию идей от древних греков до нашего времени с развитием взглядов на мир у современного ребенка.

Но тут же приходится отказаться от такого намерения. Среди древнегреческих мудрецов мы находим Аристотеля и Демокрита. Простые, ясные рассуждения Демокрита близки по духу нашим современникам. Что же касается Аристотеля, то доверие к внутреннему смыслу слова, на котором построены его рассуждения, в известной степени свойственно и наивному мышлению ребенка. Сегодня «Физика» Аристотеля не более, чем забавное чтение. А вот взгляды на устройство вселенной Демокрита с небольшой переделкой годятся для популярного изложения основ науки и сейчас.

Но аристотелева смесь наивности и мистики пришлась полностью ко двору христианства. Напротив, учение об атомах Демокрита явно вело к безбожию. Поэтому в конце XIII века Аристотель провозглашается предшественником Христа в объяснении природы. Вплоть до XVII века выступления против Аристотеля рассматривались как посягательства на учение отцов церкви. До нас дошло решение парламента Парижа от 24 августа 1624 года, в котором под страхом смертной казни запрещено «придерживаться, а тем более преподавать истины, которые находятся в противоречии с учением Аристотеля».

С негодованием отвергавшиеся безбожные мысли Демокрита, вероятно, пропали бы для потомства, если бы римский поэт Тит Лукреций Кар не выбрал бы их в качестве предмета для большой поэмы «О природе вещей». Прочитайте, если вы этого еще не сделали, эту великолепную книгу. Искреннее восхищение поэта простотой и ясностью атомной теории, укладывающей в стройную систему самые различные наблюдения над миром, передается читателю, несмотря на наивность поэмы.

Желая получить представление о строе мыслей ученого древних и средних веков, мы должны обратиться к Аристотелю.

С трудом вчитываясь в туманные нагромождения слов, мы найдем в конце концов, в чем заключается принцип объяснения явлений природы по Аристотелю. В то время как атомисты древности, так же как и современные физики, предполагали, что природу надо объяснять количественными категориями: пространственным протяжением, геометрической формой, движением тел и телец, – Аристотель «объяснял» природу, приписывая каждому свойству мистического носителя. Это и есть как раз путь объяснения на уровне психологии пятилетнего ребенка. Почему сладко? Потому что много сладости. Почему тепло? Потому что много теплоты, и т. д. Объяснить можно все, что угодно, никаких трудностей не возникнет.

Как понять, что тела падают на Землю? Очень просто: тела падают под действием присущей им тяжести. Чем больше в теле тяжести, тем быстрее оно падает. Аристотелю чуждо представление, что Земля действует на падающий камень. Поведение тела определено его «природой», его внутренними свойствами.

Возможность «запросто» объяснить все на свете иногда приводит в восхищение: словесная эквилибристика доведена до совершенства. В то время как атомисты принимали в качестве аксиомы (как это делает и современная физика), что частицы материи находятся в вечном движении, аристотелевская физика исходила из того, что каждое движение должно иметь двигатель. Двигатель должен находиться либо внутри тела, либо рядом с ним в непосредственном контакте. Действие на расстоянии считалось совершенно невозможным. Вы хотели бы согласиться с исходными позициями, но как справиться с объяснением самых простых вещей? Скажем, движение брошенного камня. Внутри камня двигателя нет, давящего или тянущего тела тоже нет. Положение вроде бы тяжелое. Но Аристотеля оно не смущает. Желаете объяснения? Пожалуйста: в момент броска рука приводит в движение не только камень, но и окружающую камень среду. Ну, а дальше? Спокойно! Окружающей среде – той ее части, которая пришла в движение, – рука передает еще особое качество – виртус мовенс. Этот виртус мовенс есть способность передавать движение другим телам. Видите, как просто!

Теперь дело пошло без задержки. Камень передвинулся в соседнее место за счет этого самого виртуса, придя в соседнее место, сдвинул новый участок среды и передал ему еще немного виртуса. И так далее. Но ведь камень в конце концов упадет на Землю? Ну, за чем дело стало; ясно, что при каждой следующей передаче количество виртуса становится все меньше и меньше.

А что за среда, о которой идет речь? Вероятно, это воздух. А если воздуха нет? Все равно есть среда. Дело в том, что Аристотель с жаром отвергает возможность пустоты. Ему невыносимы однаково и атомы Демокрита и его понятие вакуума.

Доводы, отвергающие пустоту, весьма темпераментны, а о логике доказательства можно судить по такому «рассуждению»: пустота есть место без помещенных в это место тел. Но это утверждение так же логически бессмысленно, как напиток, которого нельзя выпить, или чувство, которого нельзя почувствовать.

Больше примеров приводить не будем. Думается, вполне достаточно, чтобы составить представление о характере научных рассуждений аристотелева плана.

Приходилось мне читать рукописи современников, написанные в духе Аристотеля. Когда неграмотный человек берется писать о науке, у него выходит что-то в этом роде.

Игра словами от древних веков до нашего времени всегда используется религией и бесконечно чужда научному познанию. Конечно, не случайно францисканские и доминиканские монахи – наиболее нетерпимые из христиан – взяли науку Аристотеля на вооружение. Синтез туманных аристотелевых фраз с догматами религии был с успехом проделан несколькими теологами, среди которых особо выдающуюся роль сыграл Фома Аквинский.

За две сотни лет церковь совершила для себя весьма полезное дело. Но потом она проиграла на этом. Современная христианская философия идет от Фомы Аквинского. Корни ее тесно переплетены с аристотелевским учением о природе. Как только на сцену вышло экспериментальное естествознание, стало уже невозможно защищать науку Аристотеля. Пришлось религии разводиться с Аристотелем. При этом не обошлось без идеологических потерь.

Новый период в науке начался в XVI веке. Он знаменуется открытием Коперника и трудами Пьера Гассенди, возродившего атомную теорию Демокрита.

На смену схоластическим рассуждениям о природе приходит наблюдение и опытное исследование. Становится ясным, что слова служат для обозначения явлений и сами по себе не способны объяснять природу. Эту смену вех отчетливо ощущает историк, перелистывающий труды великого итальянца Галилео Галилея, родоначальника экспериментальной физики. История не считает доказанным, что Галилей ставил эксперименты для проверки своих утверждений, но важно то, что он указал те опыты, которые могли бы быть для этого использованы.

Характерную для современного естествознания постановку вопроса – прежде чем объяснять явление, надо его описать, – мы находим у Галилея.

Вполне сознательно оставляет он в стороне вопрос о том, почему происходит то или иное движение. Его занимает вопрос: как оно происходит? Речь идет не о том, чтобы объяснить, а о том, чтобы описать движение. Это ограничение, которое Галилей накладывает на себя, носит временный характер. Ему ясно, что вопрос о причинах движения сможет быть поставлен лишь после того, когда факты будут исчерпывающим образом описаны.

Что касается игры в слова, то понимание тщеты этого приема как способа объяснения для Галилея вполне очевидно. Вот замечательный отрывок из знаменитых диалогов между Сальвиати (говорящего устами Галилея) и Симпличио (то есть простака, представителя аристотелевской школы). Выводя своего противника на свежую воду, Сальвиати спрашивает:

– Так какова же причина, что тела стремятся к Земле?

– Каждый знает, что причина в Тяжести тел, – отвечает Симпличио.

– Вы ошибаетесь, синьор Симпличио. Надо было сказать: каждый знает, что причина эта называется Тяжестью.

И далее Сальвиати поясняет, что, давши это название явлению, мы ни на йоту не продвинулись в его понимании. И заключение – не играйте словами.

Итак, замок слов, построенный Аристотелем, разрушен.

На его месте начинает строиться здание науки, и прежде всего механики. Наступает 1687 год, выходит в свет творение гениального английского физика Исаака Ньютона «Математические начала натурфилософии». В работе изложены основные законы, которым подчиняется движение любых тел.

Любых? Будущее покажет необходимость оговорки. Но в течение следующих 200 лет накапливается множество доказательств исключительной точности законов Ньютона. Не только нет мыслей об ограниченной справедливости механики Ньютона, но, напротив, приобретается уверенность в божественной справедливости этих законов природы.

Вслед за открытием законов механики шествуют замечательные математические исследования, которые используются тут же для решения задач механики. Новые задачи в механике, в свою очередь, диктуют задания математике. Проходит совсем немного времени, и исследователи готовы ответить на вопрос, как будет двигаться тело. Для этого нужно знать только лишь начальные условия: где было тело в заданное время и какова была его скорость в этот момент. Дальнейшая судьба тела в руках ученых – законы Ньютона, облеченные в форму дифференциальных уравнений^ решат ее. Законы скажут, по какой кривой – эллипсу, параболе или другому пути – будет двигаться тело. Если вас интересует значение скорости движения, то, пожалуйста, скажите, в какой момент времени или в какой точке траектории вы желаете знать скорость движения, и уравнения Ньютона дадут ответ и на это так же, как и на любой другой вопрос о движении интересующей вас материальной частицы.

Правда, есть небольшое «но». Чтобы составить прогноз будущего, надо располагать сведениями о силовом поле, в котором находится тело. Но великий Ньютон установил не только законы движения тел. Он предоставил в наше распоряжение знаменитую формулу поля тяготения – изящную и простую, позволяющую вычислить силы взаимодействия между двумя телами, если только известны их массы и взаимное расстояние.

Поэтому первым приложением всего богатства механических и математических идей является, конечно, движение небесных светил. И успехи в объяснении поведения планет стали так замечательны, что трудно быть пессимистом и сомневаться в универсальной справедливости творения Ньютона. Триумфальным аккордом является, разумеется, расчет Урбена Леверье. История этого расчета изложена во всех научно-популярных книжках. Но пример слишком хорош, и у автора теплится надежда, что значительная часть читателей познакомится с Леверье впервые как раз на этих страницах. Итак, идет 1845 год. К этому времени рассчитаны движения всех планет. Превосходно совпадают вычисления и астрономические наблюдения. Все планеты в наперед рассчитанные мгновения находятся именно в тех точках неба, которые предписаны расчетом. Все планеты?.. Нет, не все. Капризничает Уран: эта далекая планета не слушается законов Ньютона.

Но этого не может быть! Уверенность в незыблемой справедливости законов настолько сильна, она получила уже такое множество подтверждений, что сомневаться в законах Ньютона – значит сомневаться в науке. Как же понять поведение Урана?

Видимо, рассуждает Леверье, существует еще одна до сих пор не замеченная планета. Ее силы притяжения не вошли в уравнения. На соседях, далеких от невидимки, это влияние не сказалось. Но если допустить, что неизвестная планета живет где-то по соседству с Ураном, то можно понять, почему Уран не ложится на вычисленную ему орбиту.

Тогда можно поставить обратную задачу. Надо вычислить, насколько отклоняется Уран от того пути, который ему предписывают дифференциальные уравнения. В каких-то точках Уран отходит от вычисленной траектории влево, в других – вправо. В каких-то местах траектория больше всего отклоняется от вычисленной, а в иных местах вычисление и опыт различаются немного. Но ведь по закономерностям этих отклонений мы можем выяснить, как движется неизвестная планета. Когда она близко от Урана, она действует сильнее, когда далеко – слабее. Вот такой точный расчет и произвел Леверье. Он нашел траекторию невидимой планеты и указал, в какие моменты и в каких точках неба надо ее искать. В сентябре 1846 года новая планета была обнаружена в предписанном ей месте. Семья планет пополнилась Нептуном.

Дух захватывает, когда описываешь этот великолепный пример научного предвидения. Я представляю себе чувство восторга, которое охватило естествоиспытателей – современников Леверье, когда на весь мир прозвучала новость: планета Леверье найдена. Что же касается самого автора этой работы… здесь мое воображение бессильно.

Нетрудно понять безоговорочную веру в справедливость законов механики Ньютона после такого успеха.

Но механика – лишь небольшая часть науки. Не рано ли гордиться успехами естествознания? Сколько еще существует явлений другого порядка – оптических, электрических, магнитных и прочее. И все равно законы механики превыше всего!

Так рассуждало подавляющее большинство естествоиспытателей. Разные явления отличаются друг от друга лишь видом силового поля. Уже Ньютон дал совсем неплохую классификацию сил. Кроме тяготения, он выделял магнитные, электрические, оптические, химические и когезионные силы. Задача сводилась лишь к тому, чтобы знать законы соответствующих силовых полей. Если они известны, то дальше законы Ньютона по-прежнему позволят определить судьбу тела совершенно так же, как они могут предсказать поведение планеты под действием тяготения.

Ну, а природа сил?

Как ни странно, этот вопрос мало кого волновал.

Некоторую роль в отсутствии такого интереса, вероятно, играло взаимоотношение науки с религией. И правда, вопрос этот, оставленный без ответа, всегда позволяет при желании включить в схему господа бога. Некоторые механики (Мопертюи) даже пытались доказывать существование бога, аргументируя математической выразительностью основных принципов механики. Другие заявляли, что гипотеза о существовании бога ничего не прибавляет к науке и нисколько не продвигает нас в понимании природы сил (Лаплас).

Но были и такие исследователи, которые желали навести порядок в царстве сил и свести их к одной причине.

Думать о природе сил – это значит размышлять о строении материи. Мир Демокрита, состоящий из частиц и пустоты, находил многих приверженцев. Ньютоновская механика позволила заменить наивные крючочки, связывающие атомы, силами тяготения, действующими на расстоянии. Атом стал фигурировать в сочинениях того времени как шаровидное тело. Представлялось, что взаимодействия этих невидимых шариков как-то объясняют свойства веществ.

Но в начале XVII века великий Декарт предложил другую теорию мироздания. В основе всего лежит невидимый, всепроникающий эфир. Пустоты в мире нет, все заполнено этим носителем или носителями, так как обсуждалась возможность, что каждое явление имеет свой эфир: электрическое – электрический, оптическое – световой и т. д.

Гипотеза эфира объясняла действие тел на расстоянии. И тяготение и электричество действуют самым превосходным образом в вакууме, без всякой среды. В это трудно поверить, и в особенности трудно, если, как это было доказано в XIX веке, электромагнитные действия распространяются не мгновенно: одно тело чувствовало приближение другого не сразу, а с запозданием. Ясно, что действие распространялось в чем-то, и этим «чем-то» должен быть материальный носитель.

В учении об электромагнитных полях, развитом Фарадеем, была спокойная уверенность в существовании эфира. Хотя эфир никак не участвовал в формулах, управляющих поведением электрических, магнитных и световых полей, обойтись без него казалось невозможным, и исследователи не сомневались в его реальности.

Что же такое эфир? Возможно, это своеобразная жидкость, находящаяся в вихревом движении; может быть, это спокойная жидкость, в которой пульсируют более плотные шары. Для объяснения световых явлений оказалось нужным предположить, что эфир обладает свойствами твердого тела – в нем могут распространяться сдвиговые волны (сдвиг – исключительное свойство твердого тела).

Хотя и не было создано красивой универсальной модели эфира, которая объясняла бы все физические явления, хотя не было никакой ясности во взаимоотношении эфира с атомами и молекулами, уверенность в существовании общего механизма была достаточно бесспорной.

В конце XIX века появились замечательные исследования Клаузиуса, Больцмана и Гиббса. Оказалось, что, применяя законы механики и теории вероятности к поведению больших скопищ молекул (в основном молекул газа), можно превосходно объяснять физические свойства тел. Эти работы опять укрепляли уверенность в том, что мир покоится на трех китах – трех законах ньютоновской механики, которые управляют движением невидимых частиц с тем же успехом и с той же точностью, что и движением небесных тел.

Отсутствие в то время каких-либо надежд на изучение мира в субмикроскопическом масштабе отодвигало проблемы строения материи в сторону. В некоторой степени эти проблемы рассматривались как философские, метафизические, стоящие в стороне от естествознания.

Это особенно отчетливо видно из высказываний недальновидных философов вроде Маха или Оствальда, которые требовали, чтобы вопросы строения были изгнаны из физики. Видимо, отсутствие знаний об эфире, о молекулах, о природе сил не рассматривалось как нечто, чего физике недостает.

Картина мира была построена: тела и частицы движутся так, как велят законы Ньютона. Формулы сил, представляющие их через свойства взаимодействующих тел и расстояния между ними, известны. Остается подставить их в дифференциальные уравнения, и все задачи физики будут решены. Физика в основном законченная наука.

Собираясь писать эту главу, я стал листать старую энциклопедию Брокгауза и Ефрона. Том, в котором помещена статья «Теплота», вышел в свет не так уж давно, в 1891 году. Автор статьи добросовестно изложил законы термодинамики, способы измерения тепла и только несколько фраз сказал о природе тепла: «Мы уверены в том, что тепло связано с какими-то движениями частиц вещества». Вполне ясно из контекста, что автор не считает существенным природу движения, он не относит это к физике.

С такой позиции не раз выступали в конце XIX века физики-теоретики. Они заявляли о законченности физики как науки. История запомнила немало курьезов этого толка. Так, например, учитель Макса Планка не советовал ему заниматься физикой.

– Все уже сделано в этой науке, – наставлял Макса воспитатель, – займитесь чем-нибудь другим.

Не послушавшись совета, Планк через несколько лет выполнил свое знаменитое исследование о квантовом излучении, которое легло в основу современной физики.

Талантливый и умный физик лорд Кельвин сказал в одном из своих выступлений: «Теоретическая физика представляет собой стройное и законченное здание. На ясном небе физики имеются всего лишь два небольших облачка. Я думаю, что эти два частных вопроса будут скоро разрешены и физикам XX века уже нечего будет делать».

Вам интересно узнать, что это за два облачка? Надо отдать Кельвину должное в том, что он упомянул именно эти две неприятности (неприятности с точки зрения физиков конца XIX века). Одна из них – это постоянство скорости света, обнаруженное в опыте Майкельсона. Из этого облачка выросла теория относительности! Другая – кривая интенсивности излучения в зависимости от длины волны. Теория этого времени требовала, чтобы кривая лезла вверх с уменьшением длины волны, то есть при переходе в голубую сторону спектра. Но опыт привел к «голубой катастрофе» – кривая имела максимум, перевалив через который падала к волнам малой длины. Эта вторая неприятность привела к квантовой физике, когда Планк выяснил, в чем здесь дело. Так что Кельвин угадал неплохо.

Теперь, надеюсь, читателю будет ясна полная растерянность ведущих физиков того времени, когда начало XX века обрушило на их головы потрясающие открытия. Разочарование их было столь велико, что некоторые из них (Лоренц) выражали свое сожаление – зачем они дожили до этого времени.

Это хороший урок, и история науки запомнит, как небезопасно самомнение века, выражающего претензию на окончательное познание истины.

Посмотрим теперь, что же произошло в XX столетии.