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

---

Некоторые из приведенных утверждений кажутся странными, если воспринимать их как общие законы природы. Но на самом деле они совершенно правильны, если видеть в них прямолинейную констатацию наблюдаемых свойств отдельных веществ и некоторых типов движения тел в средах. То, что говорит Аристотель, является настоящей наукой «физикой», но в зачаточной, описательной стадии. Трудности начинаются дальше. Для того, чтобы приведенные высказывания не оставались простой инвентаризацией фактов, — а такое состояние дел ученого не может удовлетворить — необходимо внести для их интерпретации определенный умозрительный элемент. Таким образом, не существует принципиальной разницы в методологии Аристотеля, Платона и Демокрита, когда речь идет о выяснении причин явлений, все дело лишь в мере допустимой абстракции, какую каждый из них способен себе разрешить. К сожалению, нет простых и вечных критериев того, где кончается «наука» и начинается «ненаука». Но в каждую историческую эпоху имеются свои допустимые и понятные серьезному исследователю границы, за которыми умозрение превращается в патологию.

Пытаясь проанализировать сформулированные законы движения наблюдаемых тел, Аристотель, следуя логике научного исследования, стремится придать им широкий и универсальный характер. При этом он с неизбежностью приходит к выводу о невозможности пустоты в природе. Рассмотрим подробнее его аргументы.

Он не соглашается с высказываниями, что пустота необходима для того, чтобы дать место любому перемещению и увеличению. По Демокриту, как мы знаем, наполненное не может воспринять что-либо: если было бы такое возможно, то «было бы сколько угодно тел в одном месте, а также малое тело воспримет самое большое». Но Аристотель видит в примере вихревых движений сплошных тел иллюстрацию того, как тела могут прекрасно уступать друг другу место при отсутствии какого-либо протяжения между ними.

К этому Аристотель добавляет теоретические соображения в пользу отсутствия пустоты.

1. Ни один предмет не может двигаться, если есть пустота. В пустоте нет ни «верха», ни «низа», иначе говоря, в ней все направления эквивалентны. Поэтому «естественные» движения «к месту» невозможны, так как тело в пустоте не может знать, где его место.

2. Насильственные движения также невозможны, так как они требуют силы, а силу нельзя передать через пустоту. (Подчеркнем, что Аристотель не знает движения по инерции. Но стоит только сказать вместе с ним, что скорость тела (не ускорение!) пропорциональна силе, то пустота действительно ведет к неразрешимым противоречиям.)

Аристотель приводит еще ряд аргументов, которые, правда, уже не имеют такого решающего характера. Он говорит: «... должно быть видно при движении тел, какова пустота. Сейчас внутри мира нигде ее не видно». Далее он утверждает, что в пустоте все тела должны были бы иметь равную скорость, что не наблюдается в природе. Смысл этого высказывания в том, что если все-таки допустить «естественные» движения в пустоте, то все тела будут двигаться одинаково, т. е. окажутся несущественны их различия в тяжести. Аристотель замечает также, что «... всякое движение стоит в известном числовом отношении со всяким другим движением (скажем, в среде А движение происходит в два раза медленней, чем в В, если В в два раза плотней, чем А), а пустота с наполненным ни в каком числовом отношении не находится».

И наконец, существование пустоты противоречит мыслимому механизму движения, поскольку единственный способ для Аристотеля понять, скажем, причину перемещения камня после того, как он выпущен из пращи, состоит в следующем. Частицы воздуха, вытесненные и приведенные в движение камнем в момент, когда еще действует усилие пращи, устремляются в освобождаемое камнем место и толкают его вперед. При дальнейшем движении камень вытесняет новые порции воздуха, которые снова подталкивают его сзади и т. д.

Стремление материи, по Аристотелю, тут же заполнить образующиеся при любых движениях свободные участки пространства, было сформулировано как «боязнь пустоты» в природе. И наука жила с этим вплоть до XVII века!

Глава 2 Возникновение научной концепции эфира. Р. Декарт, И, Ньютон

Каждый народ тем более гражданственен и образован, чем лучше в нем философствуют, поэтому нет для государства большего блага, чем иметь истинных философов.

Р. Декарт

Пропустим два тысячелетия, оставив в промежутке всю историю Римской Империи и Средневековье. После расцвета и распада Древней Греции естественные науки практически не развивались, так же как не развивалось и производство. Возник особый тип средневекового схоластического мышления, который сейчас очень трудно понять. На его формирование несомненно повлиял характер ремесленного труда: использование веками одних и тех же приемов, методы обучения, состоящие в следовании образцам, традиция сохранять секреты ремесла. Для схоластики тоже характерны эти черты. Само знание хранилось, как секрет, и раскрывалось, как посвящение в тайну. Методы изучения наук — это следование правилам: «так надо» — «так не надо», «да» — «нет». Вопрос «почему?» не возникал. Требовалось запоминать рецептуру науки до мельчайших деталей, чтобы иметь возможность действовать точно по сценарию, практически уже не думая. Знание должно было учить, как обходиться без мышления. Уточнять знание означало двигаться все время в рамках все более детализированных предписаний: «так!» — не так!».

При схоластическом строе мышления оказались возможны высочайшие достижения в искусстве. Средневековье оставило такие образцы. И это не случайно, так как в системе схоластики каждый объект воспринимается как нечто загадочное, уникальное, возникает ощущение глубокой связи между объектом и самим исследователем. Но, к сожалению, в естественных науках такое мироощущение совершенно не годится. Лишь в XVI-XVII веках начинает создаваться, а точнее, возрождаться естественнонаучный метод изучения природы.

Научные революции всегда определяются тем, какие личности действуют в данный момент на исторической сцене. Но личности реализуются под влиянием обстоятельств. Напомним, что XVI-XVII века — время географических открытий, кругосветных путешествий, первых шагов в освоении Америки, время создания мануфактур, национальных государств. В это время изобретена подзорная труба, выполнены замечательные астрономические наблюдения, произошли серьезные изменения в представлениях людей об окружающем мире.

В науке XVII век — это героическое время Кеплера, Галилея, Торичелли, Паскаля, Ферма, Гюйгенса, Лейбница (можно было бы продолжить этот блестящий список). Но, пожалуй, два человека — Декарт и Ньютон — в наибольшей степени ответственны за глубокую революцию в научном сознании, произошедшую в XVII веке. О них, в основном, и пойдет наш рассказ. Проблема вакуума в этот период была связана с описанием движения тел в пространстве, то есть была частью механики. Выделенная роль Ньютона в этом вопросе не вызывает сомнений, но, может быть, нужно объяснить, почему именно Декарту здесь оказывается «предпочтение» по сравнению с другими, во многих отношениях ничуть не менее замечательными людьми. В особенности требует пояснений, почему сравнительно мало места в дальнейшем будет отведено Галилею.

Дело в том, что мы пытаемся пройти определенный путь к XX веку, не оставляя по дороге существенных пробелов в развитии идей. Возможно, есть и другой путь. Наука в большой степени коллективный процесс, и, за небольшим исключением, мысли, высказываемые одним исследователем, в какой-то форме находят отражение и у ряда других. На каждом пути есть свои вершины, но существуют такие, которые нельзя обойти, какую бы дорогу не выбирать. Выбор действующих лиц будет достаточен для выполнения нашей программы, и он не будет казаться странным, если вкратце рассказать о том, как люди думали на рубеже XVI-XVII веков и каковы, в частности, были представления Галилея о природе движения.

Галилей осуществил серию замечательных опытов и установил законы свободного падения, доказав, что тела падают с постоянным ускорением, одинаковым для всех тел. (В механике Аристотеля ускорение падения пропорционально весу тела.) В современных обозначениях он установил формулу, которую проходят в школе:

h = ½ ∙ gt2 + vt,

где h — пройденный путь, t — время движения, v — начальная скорость, g — ускорение свободного падения. Сам Галилей формулами не пользовался, но это момент второстепенный. Важно, что он не считал свободное падение движением, которое осуществляется под действием какой-то внешней силы. Для него это проявление естественного внутреннего стремления тел к центру в чисто аристотелевском духе. При этом он рассматривал свободное падение как выделенный класс движений, а не частный случай общего явления — ускоренного движения тел под действием силы (в данном случае силы тяжести). Указанное обстоятельство, к сожалению, не отмечается в школьных учебниках.