Китайская физика. Опережала ли традиционная наука Запад?

Последовательное изложение истории развития физики в Китае не входит в нашу задачу, для этого существуют достаточно подробные изложения, написанные историками науки. То краткое перечисление китайских открытий, которые мы приводим ниже, предназначено подчеркнуть то общее, что им присуще, то есть специфическое, по-китайски прагматичное решение конкретных задач, которое было характерно до появления научной физики. Также приведем список этнических китайцев, лауреатов Нобелевской премии по физике и других видных китайских физиков, внесших значительный вклад в современную физику, что призвано продемонстрировать, сколь успешно китайские ученые стали усваивать столь поздно пришедшую к ним «западную физику».

Донаучный период

Китайский термин «у-ли» (законы вещей), который можно попытаться соотнести к греческому термину «физика», впервые встречается в ханьском трактате «Хуайнань-цзы»: «Ян-суй добывает огонь от солнца, магнит притягивает железо, краб, попав в клей, портит его, а подсолнечник поворачивается за солнцем. Отчего это происходит – будь хоть мудрецом, не объяснить! Ощущений глаз и ушей недостаточно для определения «у-ли», усилий сердца и мысли недостаточно для установления истины». Следовательно, в древности понятие «у-ли» включало в себя явления, относящиеся к оптике, магнетизму и биологии. Этот термин подразумевал объяснение сути простых явлений, и его нельзя полностью отождествлять с физикой. В 90-е годы 19 века в китайский язык из японских переводных учебников пришло слово «у-ли-сюэ», которым обозначают физику сегодня. Историю китайской физики в общем можно разделить на три этапа:

1. Самостоятельное развитие с древних времён до конца эпохи Мин (17 в.);

2. Знакомство с научной физикой с 1840 года;

3. Развитие современной физики с 1950 года.

Будем называть китайскую «протофизику», то есть «у-ли» – традиционной физикой, по аналогии с устоявшимся термином «традиционная наука Китая». Традиционная физика зародилась в древние времена, процесс её развития насчитывает несколько тысяч лет. Важнейшей её чертой была эмпиричность, то есть физические знания брали начало в опытах и технических методах. Большинство сведений, которые мы можем отнести к физической науке извлекаются из трактатов по изготовлении пилюль бессмертия, травников, описаний ремесленных приёмов, философских опусов типа «Мо-цзин», «Ле-цзы», «Внешних комментариев к «Канону песен» Ханя» и т. д.

Рассмотрим некоторые разделы традиционной физики, которые можно сопоставить с разделами научной физики.

Механика. Китайцы издревле интересовались искусством изобретения механизмов, но определенное теоретическое осмысление механического движения произошло у них только благодаря деятельности моистов («мо-цзя») в 3–4 вв. до н. э., то есть практически синхронно с греками. Правда, моистские штудии, в отличие от механики Архимеда, были лишены всякой математики, и в дальнейшем их влияние на развитие традиционной китайской науки было ничтожным. В «Мо-цзин» изложено немало знаний по механике. Например, там обсуждаются основные принципы механического действия рычага, блока и наклонной плоскости, приводятся верные определения тела в состоянии свободного падения, поступательного движения, вращательного движения, качения. Кроме того, в трактате были сформулированы понятия времени и пространства, обсуждалось соответствие времени и пространства процессу движения.

Пространство («юй») – это «совокупность различных местоположений». Отдельное местоположение не является пространством. Также и пространство не является неким местоположением, общим для всех вещей, поскольку пространство бесконечно, а любое местоположение – ограничено.

Длительность («цзю») – это «совокупность различных времен», то есть следующих друг за другом периодов времени, которые подразделяются на прошлое, настоящее и будущее. Сам по себе один период времени не является длительностью, поскольку длительность – это продолжительность существования чего-нибудь.

Специфика китайской формулировки в том, что в отличие от Ньютона, мыслившего пространство и время (длительность) абсолютными, моисты полагали их относительными, когда речь шла о движении. Движущееся тело как бы самим движением длит время и формирует вокруг себя пространство. На это не требуется затрат энергии, и движение будет бесконечным. Но если есть противодействующая сила, связанная с «преградой», то движение будет тормозиться. Получается, что пространство само по себе является пустым, то есть не имеет того, что могло бы сдерживать движение. Это китайский вариант первого закона Ньютона. До второго закона они не дошли, хотя понятие силы ввели. Сила определялась так: «Сила – причина ускорения всех форм», а ускорение – это «увеличение быстроты на один ли» или «уменьшение опоздания на один ли». Рассматривались сила инерции, сила трения качения, вводилось понятие равнодействующей силы. Был у них и свой вариант закона Гука в форме приложения к стрельбе из лука: «каркас лука при добавлении одного даня растягивается на один чи, двух даней – на два чи, трёх даней – на три чи», (меры длины: чи и ли, мера веса – дань, меры, различные для разных эпох). Уже в эпоху Хань формулируется механический принцип относительности: «Земля вечно пребывает в движении, но люди того не осознают. К примеру, человек, находящийся в лодке, недвижен и в то время, как плывёт лодка, не осознаёт её движения» – это типичный школьный пример, используемый и поныне. В эпоху Пяти династий астрономы обнаружили, как изменяется скорость движения планет: «Планеты двигаются быстрее, когда они близко расположены к Солнцу, и медленнее, когда они далеко отстоят от Солнца».

Гидравлика. Закон Архимеда китайцы не обнаружили, хотя свою теорию плавания тел построили, используя рыночную аналогию – подобно тому, как на рынке за одну меру некоего товара берут пять мер другого товара, то часть плавучего тела, находящаяся в воде, обеспечивает баланс всему телу, «обмениваясь по фиксированному курсу» с водой. Делались качественные замечания о распределения скорости в течении воды – «центральный поток неизменно быстрее бокового», «радиальные скорости течения увеличиваются по мере приближения к центру водоворота». Для водосбора и орошения с эпохи Хань использовался сифон – «дракон, перелетающий через гору» («го-шань-лун»). Китайские ученые много дискутировали относительно явлений, обусловленных атмосферным давлением, но механизма его действия не нашли.

Оптика. Оптика не имела больших достижений, ни телескопа, ни микроскопа у них не было, даже зеркала долго делали из бронзы (выплавка стекла была в зачаточном состоянии). Бронзовые зеркала появились очень давно (2800–2000 до н. э.). Изобретение вогнутого зеркала для получения огня относится к эпохе Чжоу. В «Мо-цзин» приведен компендиум знаний эпохи Сражающихся царств (Чжань-го). Эти знания записаны в следующем порядке и сводятся к восьми пунктам: 1) определение тени и разъяснение причин её формирования; 2) отношение между светом и тенью; 3) поступательный характер света и его доказательство посредством экспериментов с ящичком с небольшими отверстиями; 4) особенности светового отражения; 5) определение размера тени в зависимости от взаимного расположения предмета и источника света; 6) получение изображения с помощью плоской линзы; 7) получение изображения с помощью вогнутой линзы; 8) получение изображения с помощью выпуклой линзы. Таким образом, элементы геометрической оптики были известны очень давно, но не получили дальнейшего развития. Хрусталь и хрустальные линзы неоднократно обнаруживаются при раскопках. В эпоху Хань китайцы также овладели знаниями об изготовлении линз из льда и методах добычи огня с их помощью. В трактате «Всеобъемлющее искусство Хуайнани» сказано: «Следует вырезать круг из льда и обратить его к солнцу, и трава, что будет в его тени, загорится» – линзы из льда и способ получения огня с их помощью получили широкое распространение. В эпохи Хань торговцы и посланники преподносили императорам «зажигательные жемчужины», то есть хрустальные выпуклые линзы, использовавшиеся специально для получения огня, но их использовали еще и как увеличительные линзы при изготовлении миниатюр и распознавания мелких иероглифов.

Акустика. Этот раздел традиционной физики был наиболее продвинут, поскольку нумерология постоянно к нему апеллировала, да и музыка всегда занимала центральное место в культуре Китая. В трактате «Записки об исследовании ремёсел» сказано, что звук рождается за счёт колебаний предметов: «От величины колебания зависит чистота звука». Древние китайцы имели представление о соотношениях между физическими характеристиками струны или трубы и высотой звука, который они издают. Шумовые помехи определялись как «возмущение» или «нарушение порядка звучания». Китайцы умели регулировать для мембранных инструментов способность к звучанию посредством регулирования размеров мембраны, длины акустического резонатора и натяжения мембраны. Относительно инструментов, издающих звук за счёт колебаний дощечек или пластин, было обнаружено, что их звук зависел от длины и толщины дощечки или пластины: «Чем тоньше пластина, тем тише издаваемый звук». Известно было явление резонанса и методы его устранения. Китайский музыкальный ряд отличался сложным равномерно темперированным двенадцати ступенчатым строем, но понимание его строения требует погружения в дебри нумерологии, чего мы делать не будем. Заметим, однако, что в традиционном китайском написании слова «музыка» и «красота» обозначаются одним и тем же иероглифом, отличаясь только в произношении.

Магнетизм. Первое упоминание о магнетите (магнитном железняке) и его способности притягивать железо встречается у авторов в 6–3 вв. до н. э. С магнетитом, представляющим собой сложный оксид железа, китайцы познакомились, используя его в качестве руды для выплавки железа. Поэтому магнетит («цы-ши», буквально «любящий камень») считался «матерью» железа. Соответственно, свойство притяжения объяснялось наличием в нем «материнской любви», то есть в точности так же, как и древними греками, которые тоже оперировали в своих объяснениях любовными мотивами, но без привлечения родственных чувств. Для китайцев родственность была очень важна и вводя резонансный «отклик» между подобными вещами (универсальная конструкция в китайской науке) они допускали действие на расстоянии без видимого посредника. Правда, далее они ввели представление о некой пневме («ци»), проникающей всюду и осуществляющей таинственную связь с вещами в согласии с их «откликами». Китайские ученые иногда утверждают, что это предвидение магнитного поля, введенного спустя 1500 лет Фарадеем. Не зная природы магнетизма китайцы тем не менее широко его применяли. С ранних времен китайские аптеки каждый вид порошка, при толчении которого используется железная ступка, подвергали обработке магнетитом, чтобы удалить могущую попасть в него железную пыль. Магнетит также использовался в традиционной китайской медицине при хирургических процедурах извлечение частиц железа из глаза. Но самое знаменитое применение магнетита, которое Китай подарил миру, – это, конечно, компас. О способности ориентации магнетита по направлению север – юг стало известно с эпохи Сражающихся царств. Древнейший китайский компас, который вырезался из магнетита, назывался «ведающий югом» («сы-нань»). Первые упоминания о нем относятся к 4 в. до н. э., но столь древние компасы не сохранились. Как мы уже упоминали в 4-той главе, самый древний компас (магнитная ложка на блюде), хранящийся в музее, изготовлен всего тысячу лет назад в эпоху Сун.

Подводя итог беглого обзора традиционной физики Китая, мы видим, что все её даже выдающиеся достижения были получены без предшествующего теоретического анализа, использования математических формул, а только путем внимательного наблюдения за работой многочисленных прикладных устройств, создаваемых путем проб и ошибок огромным числом ремесленников и купцов Поднебесной. Ученые-конфуцианцы мало интересовались «у-ли-сюэ» и интерпретировали её результаты только как демонстрацию общих идей учения о музыкально-числовой структуре космоса, взаимозависимости инь-ян, резонансе родственных структур и прочих премудростях нумерологии. Этот подход был эффективен для первоначального развития простых технологий, но со временем достиг предела своих возможностей, требовалось более глубокое проникновение в природу мира – стала необходимой наука, а её первый рычаг, пользуясь которым её только и можно было создать, – научная механика – так и не возникла в Китае.

Современная физика

С середины прошлого века китайские имена стали упоминаться в связи с оригинальными физическими исследованиями. Большинство авторов физических работ были либо эмигрантами, либо их натурализованными потомками. Возникло странное сочетание «китайский американский физик», которое стало массовым, поскольку большинство таких ученых либо обучались в США, либо родились там, либо отказались от гражданства КНР. Со временем Китай обзавелся своими университетами, выпускающими физиков, и занял лидирующие позиции в сфере образования – его университеты считаются одними из лучших в Азии. Но даже сегодня китайские студенты составляют до трети от общего числа иностранных студентов в американских вузах, а этнические китайцы – до половины всех сотрудников в американских лабораториях; на долю людей с китайскими фамилиями приходится до 10 % регистрируемых в США патентов. Китайские студенты обучались и обучаются и в других университетах Запада. Большой вклад в этот процесс усвоения Китаем современной физики внес СССР, даже первый китайский доктор физико-математических наук (1959 год), академик Китайской академии наук, президент Научно-технического университета Китая (1988–1993) Гу Чао-хао (1926–2012) окончил механико-математический факультет МГУ. Этнических китайцев среди нобелевских лауреатов шестеро (четверо – уроженцы Китая), все добились успеха, работая на Западе.

Физики Китая – лауреаты Нобелевской премии по физике

Более показателен список китайских физиков, не получивших столь высокую награду, но занимающих видное место в мировой физической табели о рангах – упомянем только часть имен.

Эти списки далеко не исчерпывают все заметные фигуры в физической науке Китая. Видно, что современная физика успешно укоренилась на почве Поднебесной. Китай, кроме общепризнанного центра мирового производства («мастерской мира»), стремительно становится новым научно-техническим центром, вкладывая огромные средства в развитие технических направлений. В 2020 году Китай занял второе после США место по расходам на НИОКР, превышающим 582,8 млрд. долларов, и стал мировым лидером по количеству патентных заявок. Доля КНР в мировых расходах на НИОКР увеличилась с 4,9 % в 2000 году до 24,8 % в 2020 году. Это больше совокупных трат идущих следом Японии, Германии, Южной Кореи, Франции и Великобритании.

Таким образом, ни особенности китайского менталитета, ни очень позднее подключение к основам современной физики не смогут стать препятствием для стремительного прогресса Китая в области физической науки.