Михаил Терентьев - История эфира

• Название: История эфира
• Автор: Михаил Терентьев
• Издательство: Фазис
• Жанр: Физика
• Год: 1999
• ISBN: 5-7036-0054-5

… В этой книге рассказывается об истории эфира и о том, как он выглядит в представлении современного физика-теоретика… Дело в том, что нет никаких шансов как следует понять фундаментальные свойства материи…, не разобравшись в свойствах физического вакуума или эфира.

… Необходимость понимания, откуда происходят и в чем состоят основные принципы физики, как трудно они "достались", как трудно в них что-либо изменить, — это столь же неотъемлемый элемент культуры, как и знакомство с наиболее важными фактами в живописи, литературе, истории.

… Я надеюсь, что даже при отсутствии специальной подготовки читатель сможет разделить с автором глубокое чувство благоговения перед красотой фундаментальных законов природы и отдаст должное творческому гению конкретных, замечательных людей, благодаря которым мы многое сейчас понимаем.

Из Предисловия

---

Вера в преобразующую роль нарождающейся науки видна из любопытного высказывания члена Общества Дж. Гленийлла: «Несомненно, что развитие науки необычайно увеличит возможности человечества. Нам станут доступными Южные моря. Может быть, Луна станет столь же доступной, как Америка. Для наших потомков купить пару крыльев будет столь же естественно, как для нас пару башмаков. Станет возможным разговаривать с человеком, находящимся в Индии как будто он стоит рядом в комнате, превращать пустыни в плодородные земли и, наконец, восстанавливать волосы». В одном из писем в 1669 году Г. Ольденбург, секретарь Королевского Общества, который вел научную переписку и в отсутствие периодики выполнял роль «человека-журнала» (ранее аналогичную деятельность во Франции с еще большим размахом осуществлял М.Мерсенн (1588-1648)), так характеризует текущие задали: «Наше общество сейчас занято исследованиями и пониманием Природы и Законов Движения более углубленно, чем когда-либо прежде. ... Поскольку Природа не будет понята, пока не понято движение, тщательное исследование последнего является обязанностью философов».

Несмотря на то, что Ньютон работал в одиночестве, он не отставал и не забегал вперед. С конца 60-х годов он занимается живыми проблемами, решает задачи, которые «актуальны» в том смысле, что интересуют многих. Поэтому его публикации воспринимаются сразу и сразу же вызывают горячую полемику. Тем большее удивление сейчас вызывает стремление Ньютона десятилетиями скрывать свои результаты. Объяснение этому, по-видимому, нужно искать в глубокой религиозности Ньютона, которая, в частности, формировала у него надличное отношение к человеческой деятельности. Бог Ньютона был суровым и аскетичным. Человек живет в вечности, и труд его — для потомков; с этим чувством Ньютон входит в жизнь и покидает ее. «Не надо сохранять архивов, над рукописями трястись», — эти слова поэта, были бы для Ньютона совершенно чужды. Он тщательно, до последней строчки, хранит все, что им сделано. Кроме всего прочего, именно религиозность, как ни странно, облегчила для него выработку правильных концепций в натуральной философии.

Рассказывая об эфире, следует различать взгляды самого Ньютона и картину Природы, вытекающую из его «Начал», которая в наших глазах собственно и связывается с «ньютонианством». Ньютон пришел к написанию «Начал» после многолетних размышлений об общей задаче движения, которые отражены в мемуарах, представленных им в Королевское Общество. При этом он несколько раз изменял свою позицию. «Начала» являются отражением этапа, когда он признал свое поражение в попытках понять механизмы, которыми действует Природа, и стал на путь математического описания фактов, тщательно избегая вопросов «почему?». Он оценивал в тот момент такой способ действий как единственно разумный. В разделе «Начал» под названием «О правилах исследования Природы» он высказывается в том смысле, что если из опыта нечто следует, то это правильно, это нужно принять и дальше анализировать следствия. В конце книги он говорит: «Довольно того, что тяготение на самом деле существует и действует согласно изложенным законам и вполне достаточно для объяснения всех движений небесных тел и моря». А в «Поучении» (разд. 2) он выражает свою позицию в такой форме: «Под словом «притяжение» я разумею здесь вообще какое бы то ни было стремление тел к взаимному сближению, происходит ли это стремление от действия самих тел, которые или стараются приблизится друг к другу, или приводят друг друга в движение посредством испускания ими эфира, или это стремление вызывается эфиром, или воздухом, или вообще какой-либо средою, материальной или нематериальной, заставляющей погруженные в нее тела приводить друг друга в движение. В этом же смысле я употребляю слово «импульс», исследуя в этом сочинении не виды сил и физические свойства их, а лишь их величины и математические отношения между ними». В таком же контексте он добавляет во втором издании «Начал» в «Общем поучении» свою знаменитую фразу: «... Гипотез... не измышляю».

С картезианской точки зрения без правдоподобных гипотез о механизме явлений нет физики. Поэтому вполне логична реакция на «Начала» в журнале французской Академии: «Было бы хорошо, если бы он [Ньютон] дал нам физику, столь же блестящую как его математика». Поэтому стремление исследовать «виды сил и физические свойства их» продолжалось как до, так и после выхода «Начал», причем сам Ньютон большую часть жизни участвовал в этом процессе. Окончательное признание факта, что некоторые существенные вещи в природе принципиально нельзя выразить в терминах повседневного опыта, произойдет еще нескоро, а до тех пор каждый переворот в физике будет связываться с новой формальной математикой, с новыми абстракциями и ощущением дискомфорта при попытках наглядной интерпретации фактов.

Итак, в какой-то момент взгляды Ньютона оказались в гармонии с Природой, и он написал гениальное сочинение, в котором практически все верно. В определенном смысле это достигнуто дорогой ценой. Без философии, без интерпретации причин, лежащих в основе явлений, физика развиваться не может. Чрезвычайная осторожность, проявленная им при написании «Начал», сослужила плохую службу физике в Англии, которая почти сто лет после смерти Ньютона находилась в состоянии, близком к импотенции. Отношение к «Началам» и их создателю у англичан было похоже на религиозное поклонение, они следовали духу этого сочинения, считая, что ясный и прямой путь в науке указан в нем раз и навсегда.

В то же время путь самого Ньютона к строгим математическим концепциям «Начал» не был прямым. Чрезвычайно интересно и поучительно попытаться его проследить.

В 1661 году Ньютон начинает заносить в большую записную книгу, подаренную отчимом, свои соображения обо всем прочитанном. В книге десятки страниц посвящены религии, философии, математике, физике. Поначалу все идет вперемежку с заметками о денежных тратах и пр. В 1664 году под общим заглавием «Вопросы, относящиеся к различным философиям» начинаются систематические записи по проблемам механики. Здесь конспекты книг Декарта, Гоббса, Дигби, Мора — людей, порвавших с аристотелевскими традициями и пытавшихся дать новую систематическую картину природы. Здесь выписки из книги Чарльтона об атомистической философии Эпикура и Гассенди. Эпиграф к этим заметкам Ньютон заимствует у Чарльтона: «Лучше быть другом Истины, чем другом Платона и Аристотеля».

Таким образом, уже в 1664 году Ньютон не скован традициями, принятыми в системе университетского образования, но еще должен сделав выбор между картезианством и атомизмом. Ньютон склоняется к атомизму, хотя в «Вопросах» еще нет резкой и саркастической критики Декарта, которая появится позже. Однако он выдвигает возражения против декартовой теории распространения света. (По Декарту, свет мгновенно передается за счет давления тонких частиц на столб эфира между глазом и светящимся телом. Этот столб действует, как палка, которую толкают с одного конца, в то время как другим она упирается в человеческий глаз.) Он возражает также против вихревой теории притяжения и представляет себе гравитацию как следствие «эфирного душа», иначе говоря, результатом увлечения тел потоком эфирных частиц, летящих к центру Солнца, Земли и любого большого гравитирующего объекта. (Эта идея не была новой и встречалась, в частности, у К. Дигби.) Ньютон постепенно склоняется к вере в атомы и видит их, в духе Г. Мора, как мистические тела, одновременно и точки, и частицы материи, неделимые и малые настолько, насколько вещи могут быть малы. Важно, что «Вопросы» — это не только компиляция. В них предвосхищены многие черты последующего пути Ньютона. В них уже содержится идея о простых цветах и сложной структуре белого цвета, размышления об эфире, обеспечивающей невидимые механизмы многих явлений. «Эфир заполняет все механистические философии также плотно, как он заполняет всю вселенную согласно этим философиям», — отмечает Р. Вестфаль в современном профессиональном исследовании «Силы в Ньютоновской физике» (1971). У Ньютона в середине 60-х годов эфир — причина сцепления тел и причина гравитации; позже, в 70-е годы, среди других функций эфир будет объяснять механику оптических явлений.

Эфир Ньютона и эфиры Декарта, Гассенди, Гоббса, Бойля и других философов XVII века отличаются деталями, которые не столь существенны в приложениях. Например, идея протяженной материи, как мы видели, не мешала Декарту вводить частицы, движение которых моделирует непрерывную эфирную среду. В практическом плане эфир прекрасно выдерживал как философскую непрерывность, так и атомизм.

Около 1665 года Ньютон предпринял конкретное исследование законов движения и столкновения тел, изложив результаты в той же записной книжке (статья «Об отражениях»). В этот момент молодой Ньютон очень близок к Декарту в понимании природы движения и формулирует правильные принципы, почти поднимаясь на уровень, предшествующий написанию «Начал». Через несколько лет, не сумев преодолеть практические и концептуальные проблемы, он сделает шаг назад, а вскоре надолго оставит занятия механикой. Но в 1665 году, размышляя о прямолинейном движении тел, Ньютон вводит понятие силы как внешней причины изменения движения при столкновениях. Он измеряет силу F в единицах изменения импульса тела Δmv, фактически рассматривая не силу, а импульс силы Ft, что совершенно естественно в задачах о столкновениях. Таким образом, Ньютон использует «Второй закон Ньютона» в виде Δmv = Ft. (В такой форме этот закон для отдельных задач столкновения использовался Р. Декартом и Х. Гюйгенсом, но они, так же как Ньютон в 1665 году, не осознавали его универсальный характер, не имели ясности в интерпретации понятий массы и силы.) Он формулирует также «Первый закон Ньютона» (который содержится у Декарта) в виде двух аксиом.