Механика от античности до наших дней

VIII. ПОНЯТИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ В ОЦЕНКЕ ЭЙНШТЕЙНА

После Лагранжа, в течение всего XIX столетия, шло совершенствование аналитического аппарата механики, но система ее основных понятий и законов оставалась неизменной. Развитие кинематики, оформившейся под влиянием запросов техники в самостоятельную дисциплину, и создание векторного исчисления, т. е. векторной алгебры и векторного анализа, дали возможность отчетливее формулировать и компактнее излагать основы механики. Во второй половине XIX в. анализ основ механики, которым физики занялись главным образом под влиянием затруднений, с которыми они сталкивались в попытках ввести в русло механических представлений электродинамику, привел к уточнению представлений об инерциальных системах отсчета и о методах измерения времени. По-прежнему загадочной была природа силы тяготения, необъяснимым был факт совпадения инертной массы и тяжелой массы, но ньютоновы законы движения оставались непоколебленными. Непоколебленными оставались и представления о пространстве и о безоговорочной справедливости для реального пространства геометрии Евклида, и о времени, течение которого никак не могло зависеть от физических процессов, происходящих в рассматриваемой системе тел, что давало возможность, не задумываясь, оперировать «наивным» понятием одновременности. Можно сказать, что на рубеже XIX и XX в. еще сохранилось представление о ньютоновых законах движения как об окончательном решении коренных вопросов бытия. «В начале (если таковое было) бог создал ньютоновы законы движения вместе с необходимыми массами и силами. Этим все и исчерпывается; остальное должно получиться дедуктивным путем, в результате разработки надлежащих математических методов»[33].

По мнению Эйнштейна, XIX век дал достаточно оснований для такого взгляда на ньютоновы законы движения. Особенно поразительными были успехи теорий, в которых применялись уравнения в частных производных. Первым классическим примером применения дифференциальных уравнений в частных производных была ньютонова теория распространения звука. Далее Эйлер написал дифференциальные уравнения гидродинамики. Но это были теории распространения деформаций в непрерывной среде. Для XIX в., по мнению Эйнштейна, характерно систематическое и детальное исследование движения дискретных тел, причем механика дискретных тел оказалась основой всей физики в целом.

Когда Эйнштейн познакомился с основами классической физики, наибольшее впечатление на него произвели не столько структура механики Ньютона и методы решения механических задач, сколько применение механики к собственно физическим и физико-химическим задачам. Эйнштейн перечисляет результаты механических концепций в физике: оптику как механику квазиупругого эфира, кинетическую теорию газов и атомистическую химию (которая, впрочем, в механическом естествознании XIX в. стояла особняком).

Эйнштейн писал о себе и о своих сотоварищах студенческих лет: «На студента наибольшее впечатление производило не столько построение самого аппарата механики и решение сложных задач, сколько достижения механики в областях, на первый взгляд совсем с ней не связанных: механическая теория света, которая рассматривала свет как волновое движение квазитвердого упругого эфира, и прежде всего кинетическая теория газов. Здесь следует упомянуть независимость теплоемкости одноатомных газов от атомного веса, вывод уравнения состояния газа и его связь с теплоемкостью, а главное, численную зависимость между вязкостью, теплопроводностью и диффузией газов, которая давала и абсолютные размеры атома. Эти результаты служили одновременно подтверждением механики как основы физики и подтверждением атомной гипотезы, которая тогда уже твердо укрепилась в химии.

Однако в химии играли роль только отношения атомных масс, а не их абсолютные величины, поэтому там атомную теорию можно было рассматривать скорее как наглядную аналогию, а не как познание действительного строения материи»^{200}.

Классическая механика может служить основой термодинамики. Правда, для этого необходимо взять статистическую совокупность молекул, движения которых подчиняются соотношениям классической механики. Но факт остается фактом: за статистическими закономерностями термодинамики стоят непреложные законы движения и соударения тел, установленные механикой Ньютона. Поэтому классическая термодинамика считалась — да и действительно была — свидетельством универсального характера механики Ньютона. Эйнштейн пишет, что «глубочайший интерес вызывало и то, что статистическая теория классической механики была в состоянии вывести основные законы термодинамики; по существу это было сделано уже Больцманом»^{201}.

Классическую механику Ньютона считали основой и электродинамики. Это было вполне естественным результатом универсального понимания классической механики. Сознательной тенденцией Максвелла и Герца было механическое обоснование электродинамики. В то же время объективная историческая тенденция, пробивавшая себе дорогу в классической электродинамике, состояла в отрицании классической механики как основы физических представлений.

«Нельзя поэтому удивляться, — пишет Эйнштейн, — что физики прошлого века видели в классической механике незыблемое основание для всей физики и даже для всего естествознания; они неустанно пытались обосновать на механике и максвелловскую теорию электромагнетизма, медленно пробивавшую себе дорогу. Максвелл и Герц и своем сознательном мышлении также считали механику надежной основой физики, хотя в исторической перспективе следует признать, что именно они и подорвали доверие к механике как основе основ всего физического мышления»^{202}.

Сознательную ревизию классической механики Эйнштейн увидел в книге Маха «История механики». Здесь необходимо строго разграничить: 1) мысль о невозможности построить здание науки на фундаменте классической механики; 2) так называемый принцип Маха, согласно которому силы инерции зависят от взаимодействия масс, и 3) философские взгляды Маха.

В части отказа от догматического и универсального понимания классической механики Эйнштейн прочел в «Истории механики» больше того, что в ней содержалось. Мах оспаривал идею абсолютно ускоренного движения в том виде, в каком эта идея была высказана в «Началах» Ньютона. Знаменитый пример с вращающимся ведром казался Маху неубедительным. Но замечания Маха не содержали, хотя бы в неявной форме, мысли о других, неклассических закономерностях механики и не приводили к мысли о немеханических исходных закономерностях природы.

В своей критике ньютоновой механики Эйнштейн исходил из принципиально иных критериев, чем Мах. Для Эйнштейна первым критерием всякой физической теории служило ее соответствие данным опыта, под которым Эйнштейн понимал познание объективных процессов в природе. Физическая теория должна соответствовать опыту. Но это еще непосредственно не гарантирует правильности теории; данным опыта могут соответствовать различные концепции, причем очень часто существующую концепцию можно привести в соответствие с опытом с помощью дополнительных гипотез. Действительно, концепция, объясняющая непротиворечивым образом ряд экспериментальных результатов, еще не имеет гарантированной единственности, она может быть заменена иной, иногда более общей концепцией, объясняющей более широкий круг фактов.

Речь здесь идет, однако, не о расширении, уточнении и обобщении теории в связи с переходом к иному, более широкому кругу явлений. «Относительно «области применимости» теорий мне можно здесь не говорить ничего, поскольку мы рассматриваем только такие теории, предметом которых является вся совокупность физических явлений»^{203}. Таким образом, первый эйнштейновский критерий допускает лишь альтернативную оценку: данная теория либо соответствует всей совокупности известных физических явлений, либо не соответствует ей. Разумеется, такое соответствие не гарантировано на будущее, поскольку объем эмпирических физических знаний непрерывно растет. Именно поэтому критерий соответствия фактам (Эйнштейн называет его критерием внешнего оправдания) всегда сохраняет свое значение при оценке научной теории.

Второй критерий Эйнштейн назвал критерием внутреннего совершенства. Речь идет о следующем.

Каждая теория может быть охарактеризована — подчас интуитивно, подчас сравнительно строгим образом — степенью ее логической стройности. Эйнштейн формулирует этот критерий с большой осторожностью, указывая на его неточность.

«Во втором критерии речь идет не об отношении к опытному материалу, а о предпосылках самой теории, о том, что можно было бы кратко, хотя и не вполне ясно, назвать «естественностью» или «логической простотой» предпосылок (основных понятий и основных соотношений между ними). Этот критерий, точная формулировка которого представляет большие трудности, всегда играл большую роль при выборе между теориями и при их оценке»^{204}.

Нельзя свести этот критерий к определению числа независимых допущений, из которых исходит теория. Эйнштейн говорит о несопоставимости логического качества одной теории с логическим качеством конкурирующей с ней иной теории. Кроме числа независимых предпосылок здесь существенна их сила, т. е. возможность однозначным образом определить вытекающие из них утверждения, исключив иные.

«Речь идет здесь не просто о каком-то перечислении логически независимых предпосылок (если таковое вообще возможно однозначным образом), а о своего рода взвешивании и сравнении несоизмеримых качеств. Далее, из двух теорий с одинаково «простыми» основными положениями следует предпочесть ту, которая сильнее ограничивает возможные a priori качества систем (т. е. содержит наиболее определенные утверждения)».

К естественности (логической простоте) теории и ее определенности присоединяется еще одна составляющая внутреннего совершенства. Теория совершеннее, если она выбрана с максимальной принудительностью, с наименьшим произволом. «К внутреннему совершенству теории я причисляю также и следующее: теория представляется нам более ценной тогда, когда она является логически произвольным образом выбранной среди приблизительно равноценных и аналогично построенных теорий»^{205}.

Эйнштейн не претендовал на точность сформулированных им критериев: «Недостаточную определенность моих утверждений в двух последних абзацах я не буду оправдывать недостатком отведенного мне в печати места; я прямо признаю, что так сразу я не могу, а может быть и вообще не в состоянии, заменить эти наметки точными определениями. Однако я считаю, что более точная формулировка возможна. Во всяком случае мы видим, что между «авгурами» большею частью наблюдается полное согласие в суждении о «внутреннем совершенстве» теорий и в особенности о степени их «внешнего оправдания»»^{206}.

С указанными критериями Эйнштейн подошел прежде всего к вопросу: может ли классическая механика быть основой физики в целом? «Внешнее оправдание» для этого становится сомнительным в оптике. Прежде всего механическая картина эфира противоречила фактам. История учения об эфире завершилась окончательной дискредитацией механических моделей эфира. Решающим аргументом, поколебавшим традиционную оценку механики как основы физики, была электродинамика Максвелла и подтвердившие ее опыты Герца.

Механическая интерпретация электродинамики Максвелла становилась все более затруднительной по мере того как процессы, в которых не участвовали весомые массы, оказывались объектами электродинамики. Вместе с тем такая интерпретация становилась все менее плодотворной. «Так почти незаметно взгляд на механику как на основу физики был оставлен; это произошло потому, что приспособление механики к опытным фактам оказалось безнадежным. С тех пор существуют две системы элементарных понятий: с одной стороны, взаимодействующие на расстоянии материальные точки, а с другой стороны — непрерывное поле. Это состояние физики, в котором отсутствует единая ее основа, является как бы переходным; при всей его неудовлетворенности оно далеко еще не преодолено»^{207}.

Однако основное содержание характеристики ньютоновой механики в «Автобиографии» Эйнштейна связано с критерием «внутреннего совершенства». Здесь мишенью критики служат основные понятия «Математических начал натуральной философии». Ведь критерий «внутреннего совершенства» относится к исходным положениям теории, и в данном случае не может быть выделен частный случай — движение по инерции. Вспомнив, что говорил Эйнштейн о критерии «внутреннего совершенства», мы понимаем, почему этот критерий применяется к основам учения о движении в общем случае, т. е. к учению об ускоренном движении.

Ньютон относит ускоренное движение к абсолютно пустому пространству и видит доказательство абсолютного характера ускоренного движения в появлении сил инерции. Напомним читателю строки «Начал», излагающие эту концепцию.

«Проявления, которыми различаются абсолютное и относительное движение, состоят в силах стремления удалиться от оси вращательного движения, ибо в чисто относительном вращательном движении эти силы равны нулю, в истинном же и абсолютном они больше или меньше, сообразно количеству движения»^{208}.

«Если на длинной нити подвесить сосуд и, вращая его, закрутить нить, пока она не станет совсем жесткой, затем наполнить сосуд водой и, удержав сперва вместе с водой в покое, пустить, то под действием появляющейся силы сосуд начнет вращаться, и это вращение будет поддерживаться достаточно долго раскручиванием нити. Сперва поверхность воды будет оставаться плоской, как было до движения сосуда. Затем сосуд силою, постепенно действующей на воду, заставит и ее участвовать в своем вращении. По мере возрастания вращения вода будет постепенно отступать от середины сосуда и возвышаться по краям его, принимая впалую форму поверхности (я сам это пробовал делать); при усиливающемся движении она все более и более будет подниматься по краям, пока не станет обращаться в одинаковое время с сосудом и придет по отношению к сосуду в относительный покой. Этот подъем воды указывает на стремление ее частиц удалиться от оси вращения, и по этому стремлению обнаруживается и измеряется истинное и абсолютное вращательное движение воды, которое, как видно, во всем совершенно противоположно относительному движению. Вначале, когда относительное движение воды в сосуде было наибольшее, оно совершенно не вызывало стремления удалиться от оси — вода не стремилась к окружности и не повышалась у стенок сосуда, а ее поверхность оставалась плоской, и истинное вращательное ее движение уменьшалось, повышение ее у стенок сосуда обнаруживало ее стремление удалиться от оси, и это стремление показало ее постепенно возрастающее истинное вращательное движение, и когда оно стало наибольшим, то вода установилась в покое относительно сосуда.

Таким образом, это стремление не зависит от движения воды относительно окружающего тела, следовательно, по таким движениям нельзя определить истинное вращательное движение тела. Истинное круговое движение какого-либо тела может быть лишь одно, в полном соответствии с силою стремления его от оси, относительных же движений в зависимости от того, к чему они относятся, тело может иметь бесчисленное множество; но независимо от этих отношений эти движения совершенно не сопровождаются истинными проявлениями, если только это тело не обладает кроме этих относительных и сказанным единственным истинным движением»^{209}.

Появление сил инерции означает, что основа классической механики — принцип, согласно которому ускорения зависят от взаимодействия тел, — нарушена.

Назвав инерцию силой, мы сохранили связь ускорения тела (вызванного ускорением системы и доказывающего абсолютный характер ускорения системы) с «силой», но последняя перестала выражать взаимодействие тел.

Мах, объявив взаимодействие масс причиной сил инерции, хотел спасти основу классической механики — зависимость ускорений от такого взаимодействия. По существу он выступил против ньютонова абсолютного пространства с классических позиций. Эйнштейн первоначально считал принцип Маха существенным элементом общей теории относительности. Впоследствии он изменил эту оценку. В «Автобиографии» он пишет:

«По мнению Маха, в действительно рациональной теории инертность должна, подобно другим ньютоновским силам, происходить от взаимодействия масс. Это мнение я долгое время считал в принципе правильным. Оно неявным образом предполагает, однако, что теория, на которой все основано, должна принадлежать тому же общему типу, как ньютонова механика: основными понятиями в ней должны служить массы и взаимодействия между ними. Между тем нетрудно видеть, что такая попытка решения не вяжется с духом теории поля»^{210}.

Приведенные строки имеют первостепенное историческое значение. Характеристика принципа Маха связана с исторической трактовкой классической механики.

Во всех своих работах по общей теории относительности Эйнштейн критиковал теорию Ньютона с позиций иной теории, также исходящей из картины масс, движущихся в пространстве и взаимодействующих друг с другом. В своей «Автобиографии» он подходит к оценке ньютоновой механики с иной, более радикальной позиции.

Далее Эйнштейн указывает на другие существенные дефекты классической механики как основы физики с точки зрения «внутреннего совершенства» механики. Среди них существование независимых один от другого: 1) закона движения и 2) выражения для силы или же для потенциальной энергии. Закон движения в классической механике независим от законов поля. Он вместе с тем бессодержателен, если не заданы силы. Но выражение для силы выбирается с широким произволом, который особенно усугубляется требованием, чтобы силы зависели от положения тел, но не зависели от их скоростей. Это требование не вытекает сколько-нибудь однозначным образом из основ классической механики и отнюдь не является очевидным. Общность, однозначная связь с наименьшим числом исходных принципов, отсутствие произвола — эти критерии «внутреннего совершенства» заставляют отказать ньютоновой механике во внутренней простоте и естественности.

Произвольной для классической механики является и потенциальная функция 1/r, определяющая действие сил тяготения и сил электрического притяжения и отталкивания к точечной массе или точечному заряду, создающим соответствующие силовые поля. Эйнштейн связывает этот дефект классической механики с идеей дальнодействия. Потенциальная функция 1/r является центрально-симметричным решением инвариантного по отношению к вращениям дифференциального уравнения Δφ = 0. Потенциальная функция не будет произвольной, если она вытекает из некоторого закона, указывающего ее распределение в пространстве. Но такой закон не может быть исходным принципом ньютоновой механики. Он появился в качестве описания реальных процессов в физической среде под влиянием фактов и был направлен против дальнодействия.

Перечисленные дефекты классической механики, как и другие, указанные дальше в «Автобиографии» Эйнштейна, нарушают ее «внутреннее совершенство». Если для специальной теории относительности первостепенное значение имел другой критерий («внешнее оправдание»), то при дальнейшем расширении этой теории — переходе к общей теории относительности — важнейшую роль играл критерий «внутреннего совершенства» — простоты, естественности и однозначности. Для нас существенно выяснить действительный смысл этого критерия. Вглядевшись в него, можно отметить некоторую аналогию между собственно научным методом Эйнштейна и его историко-научным методом, сформулированным в «Автобиографии».

Если самым общим образом определить собственно научный метод Эйнштейна, то его можно назвать методом инвариантов. Теория относительности была великим торжеством этого метода, и дальнейшее развитие этой теории показало очень отчетливо роль инвариантно-аналитических представлений в ее внутренней структуре. Эйнштейн стремился выразить объективные закономерности природы с помощью величин, инвариантных по отношению к координатным преобразованиям.

Та же тенденция, обращенная в прошлое, лежит в основе оценки, данной Эйнштейном ньютоновой механике.

Простота теории — критерий ее истинности. Что собственно означает слово «простота»? Нетрудно видеть, что у Эйнштейна здесь нет ничего от старых критериев «простоты», с которой действует природа. Речь идет о том, что картина мира в своем развитии лишается антропоморфных представлений и выражает объективную действительность все более объективными методами, не зависящими, в частности, от методов измерения, инвариантными по отношению к выбору методов измерения и систем отсчета. К этому же сводится требование «естественности» и уже явным образом — требование об исключении произвола при получении выводов из исходных посылок.

Изложенная выше оценка классической механики, принадлежащая величайшему физику нашего столетия, данная с позиций современной науки, характеризует роль и значение классической механики как всеобщей физической теории. При этом остается в стороне вопрос о ее практической применимости. Теория, которая не в состоянии охватить вполне удовлетворительным образом все факты, может быть превосходным приближением к действительности в более узких пределах.

В таких пределах она может оставаться основой для понимания и расчета явлений и процессов. Не нужно доказывать, что это в полной мере относится к классической механике: достаточно сослаться на тот факт, что в течение столетий она фактически была основой всей физики. Создание теории относительности не отменило классическую механику, а показало, что ее применимость ограничена условием, чтобы скорости рассматриваемых тел были малы по сравнению со скоростью света. Появление квантовой механики показало, что классическая механика неприменима в микромире при изучении элементарных частиц современной физики. Но классическая механика остается превосходным приближением в огромной области явлений, более того, область ее применения продолжает расширяться.

Продолжается совершенствование аналитического аппарата классической механики, и она, сохраняя свои основы, продолжает обогащаться новыми методами и представлениями. Оказались несостоятельными стремления сделать классическую механику универсальной основой наук о природе, но соответствующее ограничение ее применимости позволило гораздо точнее, чем раньше, определить ту область, где она является надежной основой. И эта область охватывает огромное число технических процессов и явлений природы.

В заключение приведем следующие слова Эйнштейна о классической механике Ньютона: «Ньютон, прости меня! В твое время ты нашел тот единственный путь, который был пределом возможного для человека величайшего ума и творческой силы… Пусть никто не думает, что великое создание Ньютона может быть ниспровергнуто теорией относительности или какой-нибудь другой теорией. Ясные и широкие идеи Ньютона навечно сохранят свое значение фундамента, на котором построены наши современные физические представления»^{211}.