Кудрявцев Степанович - Курс истории физики

• Название: Курс истории физики
• Автор: Кудрявцев Степанович
• Издательство: Просвещение
• Жанр: Физика
• Год: 1982

Курс истории физики предназначен для студентов педагогических институтов. В нём изложена история мировой физики от древности до наших дней. Книга состоит из трёх частей. В первой освещена история становления физической науки, заканчивающейся Ньютоном. Последняя, третья часть посвящена истории становления квантовой, релятивисткой и ядерной физики.

---

Все это были, конечно, весьма радикальные изменения в физических воззрениях, ведущие к дальнейшему отходу от привычных представлений, от «явного для нас» ко все более «неявному для нас», новому, непривычному. Но вместе с тем электродинамика и электронная теория оставляли неизменным основное представление классической физики о пространстве и времени. Геометрия оставалась евклидовой, время, как у Ньютона, текло повсюду равномерно, само по себе.

И хотя у Лармона, Лоренца, Пуанкаре время преобразовывалось при переходе от одной системы к другой, это преобразование носило чисто формальный характер и ни в малейшей степени не затрагивало основных представлений о пространстве и времени, которые оставались незыблемыми со времен Ньютона.

Как мы только что сказали, ньютоновские представления о пространстве и времени оставались в физике незыблемыми. Но это вовсе не значит, что наука не подвергала критике эти представления. Наоборот, в развитии математических и физических наук были моменты, когда наука сомневалась в истинности «вечных» положений и противопоставляла им новые, коренным образом отличающиеся от них положения. Так было в истории геометрии.

Система аксиом и теорем казалась логически такой совершенной и интуитивно такой очевидной, что сомневаться в ее истинности не приходило в голову. Ньютон положил ее в основу своей механики. Его фундаментальное понятие абсолютного, однородного, пустого пространства, являющегося вместилищем всех тел, было евклидовым пространством. Знаменитый немецкий философ Иммануил Кант считал аксиомы геометрии Евклида врожденными.

Но в системе Евклида был слабый пункт, так называемый пятый постулат, или аксиома о параллельных. Этот постулат уму математиков представлялся не столь уже очевидным, чтобы его можно было считать «врожденной» истиной. Математики древности и нового времени приложили немало усилий, чтобы «доказать» пятый постулат, но тщательный анализ «доказательства» показал, что вместо евклидового постулата пришлось принять новое, эквивалентное старому, допущение.

И вот казанский математик, гениальный русский ученый Николай Иванович Лобачевский (1792—1856) в 1826 г. пришел к смелому выводу, что взамен пятого постулата можно выдвинуть другой, противоположный ему, и тем не менее создать логически непротиворечивую геометрию, отличающуюся от евклидовой. Это была новая, неевклидова геометрия, столь же истинная, как и евклидова, хотя описывающая совершенно новое, неевклидово пространство.

Вопрос о том, какая же геометрия более соответствует действительности, как полагал Лобачевский, может быть решен только опытом. Это означало, что геометрические истины не являются врожденными, а приобретаются опытом, имеют только опытное происхождение. Это был очень важный шаг в развитии представлений о пространстве, в развитии самого научного мышления. Английский математик В.Клиффорд назвал Лобачевского «Коперником геометрии», а его научную деятельность оценил как подвиг.

Когда наступает время, научная идея рождается в нескольких головах. Современники Лобачевского — венгерский математик Янош Больяй (1802— 1860) и старший их современник, знаменитый математик К ф. Гаусс — пришли к аналогичным идеям. Гаусс, правда, ничего не публиковал по этому вопросу при жизни, опасаясь, как он выражался, «крика беотийцев», т. е. невежественных, но горластых людей, однако он высоко ценил работы Лобачевского и Больяй и писал, что сам пришел к таким же идеям.

Большую роль в развитии новых взглядов на пространство сыграл немецкий математик Бернгард Риман (1826—1866), который произнес в 1854 г., т. е. еще при жизни Лобачевского, Гаусса и Больяй, речь «О гипотезах, лежащих в основании геометрии». Риман здесь со всей четкостью подчеркивает, что «предположения геометрии не выводятся из общих свойств протяженных величин и что, напротив, те свойства, которые выделяют пространство из других, мыслимых трижды протяженных величин, могут быть почерпнуты не иначе, как из опыта».

Риман рассматривает пространство n измерений и определяет длину элемента линии в этом пространстве выражением:

В случае, если все g(ik) = 0 для i +k, пространство будет плоским, или n -мерным евклидовым пространством. В других случаях пространство будет искривленным и кривизна его определяется коэффициентами g(ik). Если кривизна положительна, то пространство называют римановым сферическим пространством, если отрицательна, то пространство будет псевдосферическим пространством Лобачевского.

Итак, к середине XIX столетия математическая мысль пришла от обычного трехмерного евклидового плоского пространства к многомерному искривленному пространству. Наступила очередь критики ньютоновской концепции пространства и времени физиками. Наиболее резкой критике основные понятия механики Ньютона подверглись со стороны австрийского физика и философа Эрнста Маха (1838— 1916).

Мах был профессором в Праге, когда в 1883 г. появилась его «Механика», носящая подзаголовок «Истоико-критический очерк ее развития». Критикуя концепцию абсолютного времени Ньютона, Мах замечает, что ньютоновское абсолютное время «не может быть измерено никаким движением и поэтому не имеет никакого ни практического, ни научного значения». «...Время, — говорит Мах, — есть абстракция, к которой мы приходим через посредство изменения вещей: .. наши представления о времени получаются вследствие взаимной зависимости вещей».

Время у Ньютона отделено от мира, оно существует независимо от вещей, у Маха оно неразрывно связано с вещами. «В наших представлениях времени находит свое выражение самая глубокая и самая общая связь вещей», — пишет Мах. Но эта совершенно правильная мысль у Маха искажается его субъективной идеалистической философией. Оказывается, что к представлению времени мы приходим, как пишет Мах, «через посредство связи содержания поля наших воспоминаний с содержанием поля наших восприятий».

И здесь Мах идет назад от Ньютона, у которого время (и пространство) объективно, существует независимо от нас, от наших восприятий и воспоминаний. У Маха идеалистическая философия вступает в противоречие с его материалистическими естественнонаучными представлениями. «Мах и Авенариус совмещают в своей философии основные идеалистические посылки и отдельные материалистические выводы»,( Ленин В И Материализм и эмпириокритицизм. — Поли. собр. соч., т. 18, с. 59. ) — пишет Ленин, показывая эклектичность философии Маха. И далее: «... Мах забывает свою собственную теорию и, начиная говорить о различных вопросах физики, рассуждает попросту, без идеалистических выкрутас, т. е. материалистически».( Ленин В И Материализм и эмпириокритицизм. — Поли. собр. соч., т. 18, с. 59. ) физик Мах идет дальше Ньютона, рассматривая пространство и время в тесной связи с реальными вещами и процессами, и он идет назад от Ньютона, когда сводит дело к субъективным переживаниям и ощущениям.

Приводя высказывания Ньютона об абсолютном и относительном пространстве, абсолютном и относительном движении, Мах пишет: «Об абсолютном пространстве и абсолютном движении никто ничего сказать не может; это чисто абстрактные вещи, которые на опыте обнаружены быть не могут. Все наши основные принципы механики представляют собой... данные опыта об относительных положениях и движениях тел». Понимая, что механика имеет дело с относительными движениями, Мах в своей книге не уделяет никакого внимания принципу относительности и проходит мимо принципа относительности Галилея. Он говорит, что относительные «движения в мировой системе, и с точки зрения учения Птолемея, и с точки зрения учения Коперника, одни и те же. Оба ученья также одинаково правильны, но последнее только проще и практичнее». Когда позже эту мысль высказывали некоторые ревностные релятивисты, то они забывали упомянуть, что она была высказана задолго до возникновения теории относительности человеком, весьма скептически отзывавшимся об этой теории, — Эрнстом Махом.

Мах, выбрасывая абсолютное пространство и абсолютное движение, по-новому смотрит на закон инерции. «Отношение земных тел к земле может быть сведено к их отношению к отдаленным небесным телам. Если бы мы стали утверждать, что мы о движущихся телах знаем больше, чем это данное в опыте отношение их к небесным телам, мы поступили бы нечестно. Поэтому если мы говорим, что тело сохраняет свое направление и скорость в пространстве, то в этом заключается только краткое указание на то, что принимается во внимание весь мир».

Эйнштейн позже писал, что «Мах ясно понимал слабые стороны классической механики и был недалек от того, чтобы прийти к общей теории относительности». Но Мах не пришел ни к общей, ни к специальной теории относительности. Он не сумел связать механику с идеями поля, с фактом конечной скорости распространения взаимодействия.