Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Cтатьи / Наука сегодня
Начало сайта / Cтатьи / Наука сегодня

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Вода знакомая и загадочная

Загадки простой воды

Культура. Техника. Образование

Плеяда великих медиков

Луи де Бройль. Революция в физике

Ученые – популяризаторы науки

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Физические начала математики и идеология нетрадиционного (аксиоматического) построения физики

Борис РОТГАУЗ

Краткий экскурс в историю фундаментальной физики

Ключевой проблемой, с которой начинается физика (можно сказать – начинается естествознание), и которая до сих пор полностью не решена, является проблема движения, или в общем случае, – проблема изменения. Эта проблема не только физики, но других сторон человеческого бытия, т.к. она затрагивает широкий круг вопросов, включая философию, и даже религию. Понятие движение/изменение, кажущееся, на первый взгляд, очевидным, на самом деле таит в себе много неопределенного – воспринимаемого разными людьми и даже научными школами по-разному. В частности, нет единства в понимании того, является ли движение/изменения абсолютными или всегда только относительными; объективны ли изменения или зависят от способов наблюдения за ними, да и вообще, что такое наблюдение; имеются ли причины возникновения/существования движения или оно осуществляется естественным образом; дано ли нам –«простым смертным» – познать эти причины, и если да – то до какой степени, или Великий Создатель «разрешил» асимптотически приближаться лишь к тому – «как» происходит движение, оставив за собой право, знать – «почему» оно имеет место. А может быть даже и ему не дано это право и все определяет «Его величество случай». Можно констатировать лишь одно – Создатель не счел нужным посвятить нас в свои замыслы, но он наделил нас разумом с тем, чтобы мы были в состоянии последовательно раскрывать его планы, даже не будучи уверенными, в том, что нам удастся это сделать в полном объеме.

Вся история естествознания – это история попыток сформулировать логически непротиворечивые друг другу и экспериментально наблюдаемым явлениям ответы на выше сформулированные и другие аналогичные вопросы. На разных этапах этой истории ответы на указанные вопросы были диаметрально противоположны. Известно, что в ХХ веке произошли наиболее радикальные трансформации в представлениях о природе, в результате чего естествознание лишилось твердого материального фундамента, на котором оно находилось прежде. Это явилось следствием разработки двух теорий – теории относительности и квантовой механики. «Можно сказать, что современная атомная физика столкнула естествознание с материалистического пути, на котором оно стояло в XIX веке». Это авторитетное мнение выдающегося физика-теоретика, одного из создателей квантовой механики, Вернера Гейзенберга (1901...1976). Согласно современным представлениям основу нашего мира составляет не материя, а энергия. Некоторые считают, что это одно и тоже понятие, но тогда не оправдано присваивание им разных имен. «Фактически энергия это то, из чего созданы все элементарные частицы, все атомы, а потому и все вещи. Одновременно энергия является движущим началом... Энергия есть субстанция... Энергия может превращаться в движение, в теплоту, в свет и электрическое напряжение. Энергию можно считать первопричиной всех изменений в мире». Эта принадлежащая тому же В. Гейзенбергу попытка определить энергию как нечто всеобщее, более откровенно и доходчиво прокомментирована (в не связи с этой цитатой) в широко известных «Феймановских Лекциях по Физике», по которым обучаются студенты США и других стран. «Важно понимать, что физике сегодняшнего дня неизвестно, что такое энергия». Напомним, что обе теории созданы в первой половине ХХ века (точнее в первой четверти его – теории относительности созданы в 1905 и 1916 гг., а квантовая теория в основном была завершена к 1925 г.). Весь ХХ век прошел в попытках, в том числе и со стороны авторов этих теорий, создать фундаментальную единую теорию. Причина того, почему эти попытки окончились неудачно, заключается отнюдь не в отсутствии достаточной квалификации ученых. Такой квалификацией (и фантазией, весьма необходимой для занятия естественной наукой) ученые ХХ века обладали и, можно даже сказать, – в чрезмерных количествах. По этому поводу даже существует одна из наиболее популярных среди физиков шуток, в которых, как известно, содержится лишь доля шутки, а остальное... – правда: «Ни одна физическая теория не может быть правильной, если она не достаточно сумасшедшая». Причина неудач лежит гораздо глубже и вызвана чрезмерным консерватизмом традиционной физики, который заключается в желании сохранить идеологию аналитического описания явлений природы, принятую еще во времена Галилея и Ньютона при становлении физики как науки. Об этом подробнее говориться далее.

Вклад в дематериализацию физики внесли как теория относительности (специальная и общая), так и квантовая механика. Существование этих двух различных теорий, описывающих одну и ту же Природу, не может вызвать чувство удовлетворенности. И не только потому, что (по утверждению того же В. Гейзенберга)... «более точное исследование показало, что обе теории (квантовая и теория относительности) вступают в определенном пункте в конфликт, в результате чего и проистекают все дальнейшие трудности». Обе теории принципиально по-разному подходят к вопросам детерминизма (предсказуемости), причинности, степени объективности и полноты знаний. Известны следующие наиболее эмоциональные высказывания по этому поводу Альберта Эйнштейна (1879...1955). «Бог в кости не играет» и «Бог коварен, но не злонамерен». Претензии к квантовой теории высказывал не только Эйнштейн, стоявший у истоков этой теории. Например, Макс Планк (1858...1947), впервые предложивший идею квантов, тоже полностью не принял эту теорию, а один из авторов ее – Эрвин Шредингер (1887...1961) в итоге пришел к выводу, что она не является окончательной. Даже сам Поль Дирак, создатель релятивистской квантовой механики, заявил: «Очень может быть, что в новой квантовой механике будет присутствовать детерминизм, который имел в виду Эйнштейн... Вполне вероятно, что он окажется прав».

Одной из причин того, что физика периодически испытывает необходимость фундаментальных изменений, является феноменологический (основанный на феномене – опыте/явлении) подход к построению физики. При таком подходе, по мере появления новых экспериментальных данных приходится не просто уточнять существующие закономерности, а иногда приходится, и пересматривать философское обоснование физики. В тоже время, аксиоматически построенная наука подобных фундаментальных потрясений испытывать не может (естественно, что при условии неизменности аксиом). Примером может служить геометрия, делавшая, кстати, свои первые шаги как наука о наблюдаемых телах. Она строится как аксиоматическая наука, основанная на аксиомах – минимальном числе априори сформулированных исходных положениях. Но возможно ли аксиоматическое построение такой сугубо экспериментальной науки как физика? Ниже сделана попытка – показать, что это не только возможно, но и необходимо. Такое построение существенно упрощает физику, приводит к прогрессу в осмысливании понятия движения и его свойств, упомянутых в начале заметок, а тем самым, приводит и к решению выше упомянутых проблем физики. Не мало важно и то, что удается заново осмыслить материальное начало всего естествознания, включая и математику, и физику.

Следует отметить, что стремление вывести все действия природы из «ясных и отчетливых идей» или первичных принципов (первопричин) можно найти еще в «Principia philosophy» Декарта (1596...1650 гг.). Философский метод Декарта состоял в расчленении сложного восприятия на его составляющие до тех пор, пока эти составляющие не сведутся к простым ясным и отчетливым идеям. Важным моментом при этом было то, что Декарт не доверял никаким результатам и выводам предшественников, коллег, учителей, если эти выводы не были в достаточной мере ясными и интуитивно очевидными другим людям. Он писал: «Я заключил, что можно взять за общее правило следующее: всё, что мы представляем себе вполне ясно и отчетливо, – все истинно...». И другого критерия истины, которая должна быть «так тверда и верна, что самые сумасбродные предположения скептиков не могут ее поколебать», для Декарта не существует. Именно поэтому основной принцип своей философии он выразил словами: «Cogito ergo sum» («Мыслю, следовательно, существую»). Тем самым факт существования, в том числе и самого себя, связывается с возможностью осмысливание этого факта. Но развитие науки в то время – отсутствие необходимого объема опытных данных – не позволило ни Декарту, ни его последователям сформулировать достаточно ясные и достаточно отчетливые идеи и принципы и тем самым аксиоматически построить физику.

Прежде чем попытаться разрабатывать подходы к аксиоматическому построению физики, целесообразно хотя бы кратко проследить этапы развития традиционной (феноменологической) физики и, в частности, гносеологию основных применяемых в физике понятий. Это позволит лучше критически осмыслить эти понятия и предложить наиболее оптимальные формулировки аксиом физики. Часто отцом физики называют выдающегося ученого и философа древней Греции, автора сочинений «Физика», «Метафизика», основоположника формальной логики, учения о движении, об этике и человеке как общественном существе, о государстве и др. – Аристотеля (384...322 гг. до н.э.). Согласно ему физика это наука об основных закономерностях («первичных причинах»), принципах («первых началах») природы и ее «элементах». Его книга, называемая «Физикой» является скорее философским трактатом, чем книгой по естествознанию. Движение состоит в уничтожении и возникновении вещей, в их росте или изменении. Аристотель говорит о естественном движении как исходном понятии физики. Тела, занимающие места, отличные от естественных мест, получают импульсы, а оказавшиеся на своих естественных местах, – не получают. Каждому телу свойственно определенное место: легкие тела – наверху, тяжелые – внизу. Тела стремятся к своим местам и такое их движение – легких тел вверх, тяжелых – вниз не требует объяснения, т.к. оно является естественным. При этом Аристотель писал: «Я именую легким то, что всегда стремится двигаться наверх, и тяжелым то, что всегда стремится двигаться вниз при отсутствии какого-либо вмешательства». Другие движения, не относящиеся к естественным движениям, являются искусственными – насильственными и для объяснения, почему они имеют место, требуется указание причин, которые Аристотель называл силами. Вселенная Аристотеля была замкнута, ограничена снаружи небесной сферой и заполнена небесной субстанцией. В центре Вселенной находилась Земля. Движение звезд и небесных тел по небесному своду считалось естественным. Обратимся еще раз к Аристотелю: «...естественное движение Земли, так же как движение отдельных ее частей, направлены к центру Вселенной: вот почему сейчас Земля находится в центре... Легкие тела, подобные огню, движение которых противоположно движению тяжелых тел, стремятся к краю области, окружающей центр». Аристотель отрицал пустоту, или однородное пространство. Естественное движение по Аристотелю не может существовать, если все точки пространства равноправны. Для такого пространства «...никто не может сказать, почему тело, приведенное в движение, где-нибудь остановится, ибо – почему оно должно остановиться здесь, а не там?». Аналогично отрицанию понятия пустого пространства, в противоположность взглядам атомистов древней Греции (Демокрита, Эпикура и др.), Аристотель не признавал существование понятия времени, независимо от происходящих явлений. С его точки зрения время не существует без каких-либо изменений. Он писал: «Если бы «теперь» не было бы каждый раз другим, а оставалось тождественным и единым, времени не было бы». Принципиальными для нашего изложения в этих представлениях являются следующие два положения. Во-первых, допускались как естественные движения, не требующие указания причин их существования, так и искусственные (насильственные) движения, возникающие только при действии внешних сил. Во-вторых, все движения (как искусственные, так и естественные) совершались относительно другого конкретного тела. Для естественных движений – таковым была Земля, считавшаяся абсолютно неподвижной и определяемой понятия «вверх и вниз». Заметим, что представления Аристотеля о геоцентрической Вселенной принципиально отличались от первых идей гелиоцентрической системы мира Аристарха (IV...III вв. до н.э.). Для схоластов, приверженцев Аристотеля, положения этой физики считались вершиной человеческих знаний. В средние века это учение было канонизировано церковью, что, по мнению некоторых ученых, превратилось на длительном этапе в тормоз развитию физики и астрономии.

После того как физика Аристотеля стала известна в Европе, она начала подвергаться критике со стороны многих ученых. Член Парижской школы Никола Оресм, живший в четырнадцатом веке, оспаривал исключительность положения Земли. Он считал, что движения звезд и Земли относительны: возможно рассмотрение неподвижности звезд и движение Земли относительно них и наоборот – в любом случае эффект будет одинаков. Более того, некоторые ученые (например, Пьер Раме) вообще считали, что вся физика Аристотеля не научна. Заметим, что сам Аристотель к своим предшественникам относился тоже без должного почтения и подвергал беспристрастной критике не только их, но и своих учителей. Именно благодаря этому, мы осведомлены о многих ранних писателях Греции, чьи воззрения изложил Аристотель, чтобы опровергнуть их. Есть предположение, что изречение «Aims Plato, sedmagis amica verities» («Платон мне друг, но истина дороже») принадлежит Аристотелю. Платон (428 или 427 до н.э. – 348 или 347) говорил о своем лучшем и наиболее выдающемся ученике, что он ведет себя подобно молодому жеребцу, лягающему свою мать.

Многовековая критика идей Аристотеля вылилась в пересмотр проблемы движения и подготовила почву для создания принципиально новой и более рациональной физики. Коренным образом изменилась сама Вселенная. Н. Коперник (1473...1543 гг.) поместил Солнце в центр ее, отведя Земле более скромную роль одной из планет. Джордано Бруно (1548...1600 гг.) пошел дальше – разбил небесную сферу и, будучи сторонником бесконечного пространства, он сделал Вселенную неограниченной. Земля и Солнце оказались затерянными среди бесчисленного количества других планет и солнц. За такие «еретические взгляды» Джордано Бруно был сожжен инквизицией на костре. Гассенди (1592...1655 гг.) – Мольер и Сирано де Бержерак были его студентами – высказал предположения, восходящие к атомизму Демокрита и Лукреция, о том, что мир состоит из атомов и их комбинаций, находящихся в пустоте. Ни какие тела больше не стремятся занять «естественное» положение в пространстве, а двигаются по строгим объективным законам, не зависящим от бога, хотя первопричиной всех вещей мог быть бог. Взгляды Гассенди были не менее еретическими, чем взгляда Бруно, однако как человек он был более покладистым и ни кому не могло прийти в голову сжечь Гассенди на костре, поскольку он в юности имел много друзей, был скромным и регулярно посещал церковь.

Дальнейшее развитие физики было связано с тем, что В. Гильбертом (1540...1603 гг.) в его трактате «De magnete» было высказано предположение «...что, материя может взаимодействовать лишь путем соприкосновения». В частности, притяжение двух тел, плавающих в жидкости, есть результат действия этой жидкости. Эти идеи В. Гильберта: действие через контакт и объяснение притяжения действием жидкости, – являются фундаментальными идеями системы упомянутого выше Декарта, хотя сам он не признавал себя чем-нибудь обязанным своему предшественнику. Система философских и научных взглядов Декарта получила название картезианства, т.к. Декарт подписывал свои сочинения латинизированной формой своей фамилии – Картезиус. Картезианское мировоззрение имело широкое распространение, особенно во Франции, во второй половине ХVII в. и в первой половине ХVIII в. и именно там существовали горячие последователи этого учения. Можно сказать, что Парижская академия наук являлась в те времена оплотом картезианства. Дальнодействие – действие на расстоянии в пустоте – отвергалось философией Декарта и всей его физической теорией мироздания. Декарт никогда не допускал даже мысли о существовании пустоты. Известны его двусмысленные высказывания о том, что «вакуум существует только в голове Паскаля». Само мировое пространство считалось заполненным особым легким, подвижным веществом, образующим гигантские вихри. В центральной части каждого такого вихря сгущается светоносное вещество, образующее небесные светила. Так, солнечный вихрь увлекает в своем движении все планеты с их спутниками, а вихрь окружающий Землю, вовлекает в круговое движение вокруг Земли ее спутник Луну. Аналогичные явления имеют место и для других планет и их спутников. Эти вихревые потоки увлекают и приводят в движение все тела, попадающие в сферу вихря, причем в каждом вихре тело, находящееся ближе к центру, вращается вокруг него быстрее, чем более далекое. Именно этим Декарт объяснял тот факт, что период обращения планет вокруг Солнца тем короче, чем ближе планеты к Солнцу. Взаимодействие тел, в частности приведение их в состояние движения, может происходить только при непосредственном их соприкосновении. Такое соприкосновение может осуществляться и посредством промежуточной среды, роль которой у Декарта выполняли вихри. Таким образом, примитивная с современных позиций материалистическая точка зрения на взаимодействие тел выражена в мировоззрении Декарта наиболее четко по сравнению с его предшественниками. Но при этом эта теория не смогла достаточно внятно объяснить, почему траектории планет солнечной системы являются не круговыми, а эллиптическими и соответствующими законам И. Кеплера (1571...1630 гг.), ставшими известными в то время. Взгляды Кеплера существенно отличались от картезианской теории тяжести. Кеплером, по-видимому, впервые высказана мысль о тяжести как о взаимном притяжении между тяжелыми телами и Землей. Такие представления о взаимном притяжении тел было новым, и в дальнейшем явились основой, на которой была построена теория гравитации И. Ньютона (1642...1727 гг.). Между Кеплеровым притяжением и теорией Платона, принятой Коперником и Г. Галилеем (1564...1642 гг.), имелось очевидное различие. Последняя теория предполагала, что тела имеют естественную склонность соединяться, и источником этого является внутренний инстинкт тел. Он не зависел ни от чего внешнего и поэтому по силе инстинкт был постоянным. Кеплерова теория располагала источник притяжения вне тела и тем самым позволяла объяснить изменение тяжести с расстоянием.

Принципиально новая идеология построения физики, которая в определенной мере сохраняется до сих пор, связана с именами Г. Галилея и И. Ньютона. Первому принадлежит важнейший принцип, известный под названием принцип относительности Галилея, на котором основана вся современная физика и который был распространен А. Эйнштейном на все (не только механические) законы природы. В своей книге «Диалог о двух главнейших системах мира – птоломеевой и коперниковой» Галилей писал, приводя наблюдения в закрытой каюте корабля. «Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту или иную сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения, и ни по одному из них не сможете установить – движется ли корабль или стоит неподвижно...». Ни менее важна заслуга Галилея и в том, что он впервые показал, что тяжелые и легкие тела падают на землю по одним и тем же законам. Существует легенда, что для того чтобы люди сами могли убедиться в этом, Галилей в присутствии публики сбрасывал с наклонной Пизанской башни две сферы, массы которых существенно отличались друг от друга, и все могли наблюдать как эти сферы в процессе падения все время остаются рядом и падают на землю одновременно. Видимое в некоторых случаях различие в падении таких тел связано только с сопротивлением воздуха. Говорят, что когда скептически настроенные ученые – современники Галилея – увидели своими глазами, как в стеклянной трубке, из которой выкачан воздух, металлический шарик и пушинка падают совершенно одинаково, то не все из них поверили своим глазам. Предубеждения в справедливости указанного положения сохранялись, не смотря на приведенные в «Беседах» Галилея несложные логичные рассуждения о падении тяжелого камня, который можно представить как состоящий из двух частей – тяжелой и легкой. Именно этот экспериментальный факт – универсальность (одинаковость) ускорения свободного падения различных тел в гравитационном поле, а также принцип относительности стали краеугольными камнями в обосновании теории относительности Эйнштейна.

Далее, именно Галилеем почти через две тысячи лет после Аристотеля экспериментально доказано, что скорость падающего тела в пустоте пропорциональна не высоте падения, как думали ранее, а времени падения. На современном языке это означает, что остается постоянным ускорение падения, а не скорость. Но это имеет место только для тех случаев (именно они были доступны Галилею), при которых сила притяжения остается постоянной. Интересно, что все эти, в высшей степени, фундаментальные результаты были получены Галилеем на основе примитивных опытных данных (по сравнению с современной техникой физических экспериментов). Например, поскольку тела падали достаточно «быстро» с точки зрения способов замера времени, которыми располагал Галилей, то для «ослабления» гравитационного влияния Галилей наблюдал за шарами, катящимися по наклонным плоскостям. В те времена еще хронометров не существовало (чаще всего их заменял пульс), и Галилей измерял отрезки времени путем взвешивания воды вытекающей из большого сосуда с узким горлышком. Он установил, что шар, начавший движение по наклонной плоскости с какой-то высоты, подымится по другой наклонной плоскости на такую же высоту вне зависимости от угла наклона этой второй плоскости. В случае если вторая плоскость является горизонтальной, то шар будет катиться безостановочно, если на него не будут действовать силы трения. Другими словами, в случае отсутствия сил, действующих на тело, оно будет сохранять естественное движение как прямолинейное и равномерное. Это положение, принятое Ньютоном в качестве первого из трех его законов механики, и называемое законом инерции, было революцией в механике, поскольку со времен Аристотеля считалось, что тело неподверженное никакому влиянию сил должно, в конце концов, прийти к своему естественному состоянию – покою. Но какой смысл нужно вкладывать в понятие сила? Предоставим здесь слово Анри Пуанкаре (1854...1912 гг.) французскому математику, физику и философу, одному из создателей частной теории относительности и релятивистской динамики: «Что такое сила? Это отвечает Лагранж, причина, производящая или стремящаяся произвести движение тела. Это, скажет Кирхгоф, произведение массы на ускорение. Но тогда почему не сказать, что масса это частное от деления силы на ускорение. Что такое масса? Это отвечает Ньютон произведение объема на его плотность. Лучше сказать, возражают Томсон и Тэт, что плотность есть частное от деления массы на объем. Эти трудности непреодолимы, Определяя силу как причину движения, мы становимся на почву метафизики, и если бы таким определением пришлось удовлетвориться, то оно было бы абсолютно бесплодно. Чтобы определение могло быть к чему-нибудь пригодно, – оно должно научить нас измерению силы; к тому же этого условия и достаточно; нет никакой необходимости, чтобы определение учило нас тому, что такое сила сама по себе, или тому, есть ли она причина или следствие движения».

Весьма важным для последующего развития физики было и решение Галилеем задачи о движении снаряда (ядра). До этого относительно формы траектории ядра делались самые разные предположения. Так еще во второй половине XVI в. считали эту траекторию состоящей из прямолинейных отрезков и дуг окружности. Первые соображения об определении формы этой траектории путем сложения равномерного горизонтального и неравномерного вертикального движения ядра были высказаны Карданом (1501...1576 гг.). Но только Галилей показал, что тело, брошенное в пустоте под некоторым углом к горизонту, будет двигаться по параболе, представляющей собой горизонтальное движение с постоянной скоростью и вертикальное падение с постоянным ускорением. Использованная здесь идея сложения горизонтального и вертикального движений была развита Галилеем в общий закон независимости действия сил, согласно которому появление новой силы, не изменяет действие ранее приложенных сил. Обобщение именно этой задачи облегчило разработку Ньютоном закона всемирного тяготения, согласно которому все тела притягиваются друг к другу с силой обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Справедливости ради, необходимо сказать, что до опубликования Ньютоном этого закона, мысль о его существовании высказал в письме к Ньютону Р. Гук (1635...1703 гг.). Это послужило в дальнейшем предметом многолетних дискуссий о приоритете этого закона. Дальнейшие исследования творчества Ньютона, в том числе и анализ рукописей, опубликованных после его смерти, показал, что закон всемирного тяготения был известен Ньютону и до письма Гука. Если бросать ядро горизонтально с какой-нибудь высоты, то по мере увеличения начальной горизонтальной скорости бросания, ядро будет падать все дальше и дальше и при определенной скорости превратится, как сейчас говорят, в спутник Земли. Существует предание, что как-то раз, во время чумы 1665...1666 гг., молодой Ньютон в тиши своего садика в Вулсторпе вдруг обратил внимание на падающее яблоко и глубоко задумался. Если яблоко падает на землю, т.е. Земля притягивает его, то и Луна тоже должна притягиваться Землей, – падать на нее. Но «упасть» на Землю Луна не может, поскольку имеет определенную горизонтальную, точнее говоря – тангенциальную, скорость, как это имеет место в случае с ядром. Аналогичная ситуация справедлива и для пар Солнце – Земля (и других пар планет солнечной системы).

Можно сказать, что в основе механики Ньютона лежат обобщения на любые, том числе и космические тела, результатов Галилея, который не выходил за рамки земного. Такое обобщение не было тривиальным и требовало не дюжего ума и таланта, которым в полной мере обладал Ньютон. Тем самым Ньютон придал всеобщий характер этим законам и таким образом построил единую механику для небесных и земных тел. Но распространяя эти положения (в частности, закон инерции и свой второй закон о том, что сила пропорциональна ускорению) на любые тела, Ньютон вынужден был ввести в рассмотрение универсальное абсолютное пространство, которое по определению всегда и всюду одинаково и абсолютно неподвижно. Далее, Ньютон ввел и «абсолютное, истинное математическое время», которое «само по себе и по своей сущности, безотносительно к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью». Необходимо сказать, что время – это наиболее широко и часто используемое понятие не только в физике, но и в повседневной жизни. Вместе с тем, это и наименее осмысливаемое понятие. «Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит задуматься, – и вот я уже не знаю, что такое время». Эти слова, сказанные много веков назад Блаженным Августином (357...430), философом, много размышлявшим о восприятии времени, ни в чем не потеряли своей актуальности до сих пор и полностью могут быть отнесены и к понятию пространства. Кроме этого, Ньютону понадобилось различать понятия гравитационной массы, входящей в закон всемирного тяготения, и инерционной массы, являющейся коэффициентом пропорциональности между силой и ускорением. Численное равенство значений этих масс, полученных экспериментально Ньютоном, а ранее Галилеем, позволяло пользоваться единым понятием массы. В настоящее время равенство гравитационной и инерционной масс, экспериментально подтверждено с точностью – до 10–12, и оно лежит в основе общей теории относительности Эйнштейна. Согласно теории Ньютона притяжение тел осуществляется в пустом пространстве при любом удалении их и происходит мгновенно – вне времени, без непосредственного контакта тел – так называемое дальнодействие. Свойство притягиваться друг к другу, заключено в самих телах.

Теория гравитации Ньютона вызвала резкое неприятие ее, и суровое осуждение со стороны фактически всех ученых конца XVII – начала XVIII вв. Х. Гюйгенс (1629...1695 гг.) находил Ньютонов «принцип тяготения» нелепым и выражал свое удивление тем, как Ньютон мог потратить столько сил на трудные вычисления, основанные на таком принципе. Г. Лейбниц (1646...1716 гг.) выражал уверенность в том, что нельзя удовлетвориться «притягательным свойством, как это видимо, делает Г-н Ньютон». Лейбниц считал: «Тело естественным образом не может быть приведено в движение иначе, чем посредством другого тела, прикасающегося к нему и таким образом вынуждающего его к движению, и после этого оно продолжает свое движение до тех пор, пока соприкосновение с другим телом не воспрепятствует этому. Всякое другое воздействие на тело должно быть рассматриваемо как чудо или чистое воображение». К этим мнениям присоединились братья и И. Бернулли и Я. Бернулли (1667...1748; 1654...1705 гг.). Такое единодушное осуждение теории Ньютона объясняется, по-видимому, тем, что ранее аналогичные попытки уже были осуждены, и к тому времени господствовали совершенно другие взгляды. Фонте Нель (1657...1757 гг.) писал в «Похвальном слове Ньютону»: «Тяготение и Пустота, изгнанные Декартом из физики, казалось бы, навсегда, ведомые Ньютоном, вернулись туда, быть может, только в несколько ином виде, да еще с такой совершенно новой силой, на которую их считали способной». Представляет интерес, с какой резкостью Декарт нападал на Роберваля (1602...1675 гг.), вводившего еще до Ньютона всемирное тяготение (без явного выражения для закона его действия) в свою систему мира: «Нет ничего более абсурдного: ...автор предполагает, что некоторое свойство присуще каждой частице материи в мире и что, в силу этого свойства, частицы устремляются друг к другу и взаимно притягиваются; он предполагает также, что подобное свойство присуще всем земным частицам в их взаимоотношениях и что оно отнюдь не мешает первому. Чтобы это понять, надо – не только предположить, что каждая частица материи одушевлена, и даже то, что в ней имеется большое число различных душ, друг друга не стесняющих, но и то, что эти души материальных частичек одарены сознанием и что они воистину божественны, дабы они могли без всякого посредства знать, что происходит в весьма удаленных от них местах, и оказывать там свое действие».

Таким образом, можно констатировать, что после опубликования Ньютоном этих своих работ началась многовековая дискуссия о том, передаются ли взаимодействия между телами на расстоянии без посредства чего-нибудь (дальнодействие), или для передачи взаимодействия необходим какой-нибудь посредник, в частности, – среда, так что взаимодействие передается последовательно от одной точки среды к соседней точке (близкодействие). Интересно, что самого Ньютона трудно отнести к сторонникам одной из этих противоположных точек зрения, учитывая, что ему принадлежит следующее высказывание, содержащееся в его третьем письме к Бентли: «Нельзя представить себе, каким образом грубое неодушевленное вещество могло бы без посредства чего-либо постороннего, которое не материально, действовать на другое вещество иначе как при взаимном соприкосновении. А так должно было быть, если бы тяготение было, в смысле Эпикура, присуще материи. Вот почему я желал бы, чтобы вы не приписывали мне учение о тяжести, прирожденной материи. Допустить, что тяготение урожденно материи, присуще ей, так что одно тело должно действовать на расстоянии через пустоту на другое тело без посредства чего-либо постороннего, с помощью которого действие и сила от одного тела проводится к другому, есть для меня такая нелепость, что, полагаю, в нее не впадет ни один человек, способный к мышлению о философских вещах. Тяготение должно вызываться некоторым фактором, действующим согласно определенным законам». Здесь эту цитату обычно обрывают, хотя принципиально интересно ее следующее продолжение: «Каков этот фактор, материальный или не материальный, – я представляю размышлению моих читателей». Но если этот фактор не материальный, то читателю не остается другого выбора, как допустить божественное участие в тяготении, что отнюдь не украшает научную теорию.

Существует мнение, что концепцию о дальнодействии ввел в физику ученик Ньютона кембриджский математик Котс в предисловии ко второму изданию «Начал» Ньютона в 1713 г. Предполагают, что это предисловие Ньютон перед изданием не читал, во всяком случае, отсутствуют его высказывания о согласии или не согласии с этим предисловием. Но, так или иначе, не смотря на возражения многих ученых – к ним можно отнести и ученых следующих поколений, – таких как М. Фарадей (1791...1867 гг.), Д. Максвелл (1831...1879 гг.), В. Томсон (1824...1907 гг.), Э. Мах (1838...1916 гг.) и др. – эта концепция господствовала до XIX столетия. Концепцией дальнодействия описывались даже первые теории электрических взаимодействий. Конец этому господству положила теория электромагнитного поля Максвелла, основанная на концепции близкодействия. С тех пор, последняя концепция – в виде современной теории поля – можно сказать, доминирует, и по сей день. Вместе с тем, не потеряла своей актуальности и концепция дальнодействия, в рамках которой можно, как сейчас понятно, описать как теорию электромагнитных, так и теорию гравитационных взаимодействий. Эти теории, ничем не уступающие общепринятым теориям Максвелла и Эйнштейна, сейчас известны под названием теории прямого меж частичного взаимодействия. Согласно концепции прямого меж частичного взаимодействия из теории исключается понятие поля как таковое. Частицы взаимодействуют друг с другом непосредственно «на расстоянии». При этом пришлось ввести ряд до определений в формулировке принципа действия, суть которых сводилась к тому, что нужно было учесть не только парные взаимодействия между частицами, но и тройные, четверные и т.д. В настоящее время эта и многие другие подобные теории находятся в стадии развития. Более подробное обсуждение такого рода работ не входит в цели настоящей брошюры. Как будет развиваться противостояние двух противоположных концепций взаимодействия – дальнодействия и близкодействия, покажет будущее. Ниже сделана попытка, конспективно изложить идеи построения физики вообще без использования понятия взаимодействие, как его понимают сторонники обоих подходов – дальнодействия и близкодействия. Такой подход представляется перспективным, т.к. позволяет не только снять противоречия между этими концепциями, но и существенно упростить физику и наметить пути решения основной проблемы ее – создание единой Теории физики. Заметим, что принципиальным является уже сам факт упрощения физики, поскольку известно, что истина всегда проста. В частности, современный физик из Техаса Джон Уилер говорил, что, открыв окончательные физические законы, мы будем поражены тем, что они не были очевидны нам с самого начала.

 

Попытка философского осмысливания используемых понятий

Оглавление

 

Дата публикации:

24 декабря 2000 года

Электронная версия:

© НиТ. Cтатьи, 1997