Краткая история науки

Глава 3 Атомы и пустота

Около 454 года до нашей эры греческий историк Геродот (примерно 485–425 гг, до н. э.) посетил Египет. И точно так же, как мы, он был поражен пирамидами и гигантскими – 60 футов в высоту (около 20 метров) – статуями в Фивах, расположенных выше по Нилу. Он не мог поверить, насколько древним все это казалось, но слава Египта давно прошла, и страна была завоевана персами. Сам Геродот жил в намного более молодом и энергичном обществе, находившемся на подъеме, и веком позже греки под руководством Александра Македонского (356–323 до н. э.) сами захватили Египет.

Во времена Геродота люди, думавшие и писавшие на греческом, контролировали растущую область на востоке Средиземноморья. Они записали поэмы Гомера, слепого поэта, о том, как греки одержали победу над троянцами, построив гигантскую лошадь и спрятавшись внутри[3], и о фантастическом возвращении домой одного из военных вождей. Одиссея, бывшего одним из лидеров во время Троянской войны.

Греки были торговцами, кораблестроителями и мыслителями.

Одним из первых титанов мысли этого народа стал Фалес (625–545 до н. э.), купец, астроном и математик из города Милета, расположенного на берегах современной Турции. Ни одна из его научных работ не дошла до нас сама по себе, но более поздние авторы часто цитировали Фалеса, да еще и излагали истории по поводу того, каким он был человеком.

Одна байка упоминала, что Фалес оказался настолько погружен в созерцание неба, что забыл посмотреть под ноги и свалился в колодец. В другой, наоборот, он преуспел благодаря уму: заранее увидел, что в этом году будет хороший урожай оливок, и задолго до начала сбора урожая арендовал все до единого прессы для изготовления оливкового масла, и заработал на этом впоследствии неплохие деньги. Фалес, похоже, не был ни рассеянным профессором – мы еще встретим подобных персонажей, – ни дельцом, зарабатывающим деньги на науке, а чем-то средним.

Говорили, что он посетил Египет и привез оттуда в Грецию математические трактаты. Это может быть просто байкой, как и упоминание о том, что он точно предсказал полное затмение солнца (у Фалеса не имелось достаточных знаний астрономии, чтобы это сделать). Более вероятно все же, что он пытался объяснить многие природные процессы, такие как удобрение полей после разлива Нила или землетрясения – последствия того, что вода внутри земной коры перегревается. Для Фалеса вода являлась основным элементом мироздания, и он рисовал Землю в виде диска, плавающего на поверхности громадного океана.

Это звучит смешно для нас, но дело в том, что Фалес в самом деле хотел объяснить различные явления естественными, а не сверхъестественными причинами. Египтяне, например, полагали, что Нил разливается исключительно по воле богов.

В отличие от Фалеса, другой уроженец Милета Анаксимандр (611–547 гг, до н. э.) верил, что огонь был важнейшей базовой субстанцией Вселенной. Эмпедокл (500–430 гг, до н. э.) с Сицилии пришел к идее, что существуют четыре элемента: воздух, земля, огонь и вода. Эта концепция знакома нам, поскольку она сделалась общепринятой почти на две тысячи лет, до завершения Средних веков.

Принятие ее в качестве стандарта вовсе не означало, что абсолютно все беспрекословно уверовали в схему из четырех элементов. В той же Греции и позже в Риме группа философов, известных как атомисты, считали, что мир на самом деле состоит из крохотных частичек, именуемых «атомами».

Самым известным из ранних атомистов был Демокрит, живший около 420 г, до н. э. Все, что мы знаем о его идеях, пришло из нескольких цитат, встречающихся в работах других авторов. Демокрит полагал: во Вселенной существует огромное количество атомов, они существовали всегда, атом не может быть разделен на составляющие или уничтожен. Хотя они слишком малы, чтобы мы могли их видеть, он верил, что атомы разных размеров и отличаются по форме, и это объясняет тот факт, что более крупные предметы, сделанные из атомов, имеют разный вкус, цвет и строение. Подобные предметы и существуют исключительно потому, что мы, люди, можем ощущать вкус, видеть их и воспринимать на ощупь, а на самом деле нет ничего, кроме «атомов» и «пустоты», то есть того, что мы называем материей и пространством.

Атомизм не был особенно популярен, как и идеи Демокрита и его последователей о том, что живые существа «эволюционировали» посредством проб и ошибок. Если верить одной забавной теории, то некогда было огромное количество различных частей растений и животных и они могли в принципе соединяться в комбинации любого рода. Хобот слона мог присоединиться к телу рыбы, лепесток розы к картофелине, и так далее. Так и происходило до тех пор, пока они все не скомбинировались так, как мы видим сейчас.

Идея в том, что если собачья нога случайно присоединится к кошке, то такое животное не выживет, так что не может быть кошек с собачьими ногами. Следовательно, через какой-то промежуток времени все собачьи ноги останутся только на собачьих туловищах и – слава богу – все человеческие ноги на человеческих же телах.

Другая версия древнегреческой эволюции выглядит более реалистичной, хотя чуточку неэстетичной: все живые существа постепенно возникли из древнего ила.

Поскольку атомизм не видел финальной цели или великого замысла в существовании Вселенной и вещи в его теориях просто случались вследствие удачи или необходимости, он мало кому нравился. Это довольно бесцветное зрелище, а греческие философы большей частью искали в теориях цель, истину и красоту.

Греки, жившие во времена Демокрита и прочих атомистов, могли слышать их доказательства вживую, мы же знаем о них исключительно из цитат и упоминаний в трудах философов более позднего времени. Один из атомистов, живший в римское время. Лукреций (100-55 гг, до н. э.) сочинил прекрасную научную поэму «De rerum natura» («О природе вещей»), где описал небеса, землю и все существующие на ней предметы и явления, включая эволюцию человеческого общества, в терминах атомизма.

Мы знаем имена и научные заслуги многих дюжин ученых и математиков Древней Греции за период почти в тысячу лет. Аристотель был одним из величайших, его взгляд на природу оказался настолько ярким, что доминировал долгое время и после его смерти (рассмотрим подробнее в главе 5). Но три человека, живших после Аристотеля, внесли особенно большой вклад в продолжающийся до сих пор процесс накопления знаний.

Эвклид (около 330–260 гг. до н. э.) был не первым, кто обратил внимание на геометрию (например, вавилоняне достигли в ней больших успехов), но именно он собрал вместе, создав нечто вроде учебника, базовые предположения, правила и процедуры этой науки. Геометрия – очень практичная часть математики, она имеет дело с пространством: точки, линии, поверхности, объемы. Эвклид зафиксировал геометрические постулаты вроде того, что параллельные прямые никогда не пересекаются, и что сумма углов треугольника всегда 180 градусов. Его великая книга «Начала», стала объектом изучения и восхищения для всей Европы.

Вы наверняка будете изучать геометрию Эвклида, и я надеюсь, что вас приведет в восторг ее ясная и скромная красота.

Второй из Большой тройки. Эратосфен (244–192 гг. до н. э.) определил размеры Земли очень простым, но хорошо продуманным образом, используя ту же геометрию. Он знал, что в летнее солнцестояние, самый длинный день в году, солнце в полдень стоит прямо над головой в городе Сиена. Так что он измерил угол подъема солнца в этот же день в Александрии (где он возглавлял знаменитейшую библиотеку античного мира), находившейся на расстоянии в 5000 стадиев к северу от Сиены (стадий – греческая мера длины, от 170 до 190 метров). Используя полученные данные и правила геометрии. Эратосфен вычислил, что Земля имеет в окружности 250 тысяч стадиев.

Насколько же близко он подошел к истине?

Предсказание Эратосфена насчет 25 тысяч миль не так далеко от реальных 24 901,55 миль (по экватору) – именно эту цифру называют современные ученые. Заметьте, что Эратосфен считал Землю круглой, так что идея о том, что Земля плоская и что с края ее можно свалиться, если доплыть туда на корабле, не всеми принималась на веру, хотя подобными байками пугали еще Колумба перед его отплытием в Атлантику.

Последний представитель Большой тройки тоже работал в Александрии, городе в Северном Египте, основал который Александр Македонский. Клавдий Птолемей (примерно 100–178 н. э.), подобно многим ученым древности, имел очень широкие интересы, он писал трактаты по музыке, геометрии, о природе и поведении света.

Но в трактате, принесшем ему славу, «Альмагесте» (название, данное арабами), собраны вместе и дополнены наблюдения множества греческих астрономов, представлены карты расположения звезд, расчеты движения планет, луны, солнца и попытки описания структуры Вселенной. Он считал, подобно многим современникам, что Земля находится в центре мира и что Солнце. Луна и прочие небесные тела вращаются вокруг нее. Птолемей был хорошим математиком, и он обнаружил, что с помощью нескольких поправок, внесенных в уравнения, он может рассчитать движения планет.

Достаточно трудно объяснить, что солнце вращается вокруг Земли, когда на самом деле все происходит наоборот. Книга Птолемея стала базовой для астрономов в исламских странах и для средневековой Европы. Это один из первых трактатов, переведенных на арабский, а затем снова – на латынь, чтобы могли читать и пользоваться все ученые.

Птолемея многие ценили наравне с Гиппократом. Аристотелем и Галеном, но последние три заслужили в нашей книге по отдельной главе.