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

---

Когда Декарт говорит о материальных телах и элементарных частицах материи, в его представлении это не имеющие резких границ сгущения, погруженные в более разреженную материальную субстанцию. Параграф 20 называется: «О невозможности существования атомов или мельчайших неделимых частиц». Частица делима, так как она имеет протяженность, — вот главный пункт его аргументации в этом месте. Трудно удержаться, чтобы не привести еще одно соображение: «... если бы Бог и сделал частицу столь малой, что невозможно было бы разделить ее на что-то сотворенное Богом, то самого Себя он не мог бы лишить власти разделить ее, ибо совершенно невозможно, чтобы Он умалил свое всемогущество».

Интересно, что под всеми высказанными положениями (исключая, может быть, последний аргумент) подписался бы физик XX века, если заменить субстанцию понятием «поле». Но, заметим, что на метафизическом уровне Декарт не вкладывал в понятие субстанции конкретного содержания, так что его картина в самых общих чертах просто правильна. Когда же он переходит к описанию природы в терминах частиц трех сортов, участвующих в вихревых движениях, он понимает, что строит модель, которая в буквальном смысле не может быть истинной. Существует распространенная точка зрения, что главное в системе Декарта это как раз его модель. В конструктивном плане, с точки зрения физика, именно модель может представлять предмет обсуждения, но с точки зрения философской, — идея непрерывности, протяженности наиболее существенна в декартовой картине природы.

Важнейшим элементом этой картины является концепция движения материи. Сам факт движения конкретного тела, по Декарту, относителен, так как определяется наличием и движением окружающих тел. (К сожалению, Декарт не анализирует порознь равномерные и ускоренные движения.)

Итак, есть вечное движение материи в беспредельном мире, заполненном непрерывной субстанцией. «Бог — первопричина движения. Он сохраняет в мире одинаковое его количество». Многие понятия у Декарта точно не определены, что, кстати, характерно для всей доньютоновской физики. Это обстоятельство является одновременно и следствием, и причиной того, что люди, занимаясь физикой, как правило, не писали формулы. Знаменитое пророческое высказывание Галилея о том, что «Книга Природы написана на языке математики», оценить по достоинству можно только теперь, но в XVII веке систематическое изложение физики с использованием математических терминов только начиналось. Декарт, в частности, делая общие утверждения, употребляет некоторые термины в разных смыслах в зависимости от контекста. Например, в приведенной выше цитате, не ясно, что имеется в виду под словами «количество движения»: это может быть и полный импульс, и кинетическая энергия. С точностью до такой неопределенности, Декарт представляет наш мир как огромную машину, однажды запущенную творцом и работающую в согласии с определенными законами, в частности, с сохранением полного «количества движения». Важно, что он говорит о движении, как о естественном состоянии тел, не требующем объяснений. Лишь изменения в движении вызываются действием причин.

В этом месте, по-видимому, стоит рассеять недоумение, которое вправе выразить читатель. Не видно разницы между Декартом и античными авторами. То же стремление решать глобальные проблемы устройства мироздания, оставляя на втором плане «мелочи», которые на самом деле и составляют содержание физики. Тот же метод декретирования основных принципов. Тот же стиль аргументации: это так, «ибо совершенно невозможно представить, чтобы было иначе». Но на самом деле «извинением» для Декарта могут служить несколько обстоятельств. Во-первых, возвращение к независимому и «вольному» способу размышлений к середине XVII века — это огромный освобождающий шаг после Средневековья. Кроме того, этот шаг сделан на другом фоне, — по сравнению с античностью накоплено значительно больше конкретных фактов о природе. (Напомним, что уже написаны труды Коперника, Кеплера, Галилея.) Во-вторых, Декарт общими рассуждениями не ограничивается. Он строит весьма конкретную модель мира, основанную на принципе близкодействия, то есть передачи усилий через непосредственное соприкосновение. В этой модели вихревое движение частиц в эфире должно объяснить эволюцию Вселенной, устройство Солнечной системы и, в конечном счете, все многообразие явлений на Земле. Модель является первым примером космологии, основанной на идее непрерывной эволюции. Важно, что модель строится на основе нескольких фундаментальных законов элементарных столкновений. Декарт не знал количественной связи между силой и ускорением (то, что выражается вторым законом Ньютона), но содержание первого и третьего законов Ньютона было ему известно.

Декарт говорит: «Но сколь велики частицы, на которые материя разделена, сколь быстро они движутся и какие дуги описывают, мы не смогли подобным же образом (т. е. строго, исходя из аксиом. — М.В.Т.) установить. Вот почему мы вольны предположить любые способы, лишь бы вытекающее из них вполне согласовывалось с опытом». И далее: «Хотя я и не желал бы, чтобы думали, будто составляющие этот мир тела когда-либо образованы описанным способом..., однако, я вынужден и далее придерживаться этой гипотезы для объяснения всего сущего на Земле». Возможность произвола в выборе модели Декарт объясняет следующим образом: «Едва ли можно вообразить расположение материи, исходя из которого нельзя было бы доказать, что согласно этим законам (см. ниже) данное расположение должно постоянно изменяться, пока не составится мир, совершенно подобный нашему. Ибо на основании этих законов материя принимает все формы, к каким она способна. ... Я особенно это подчеркиваю для того, чтобы стало ясно, что говоря о предположениях, я не делаю, однако, ни одного такого, ложность которого — хотя бы и явная — могла бы дать повод усомниться в истинности выводимых из него заключений».

Так или иначе, Декарт делает следующую гипотезу. Есть три типа частиц: наиболее грубые, крупные и медленные (частицы земли, из которых устроены также все планеты), наиболее тонкие, образующие Солнце и звезды (частицы огня) и, наконец, частицы воздуха — тонкие и быстрые частицы, среди которых движутся частицы земли. Все это, как уже говорилось, погружено в непрерывную среду, совсем тонкую непрерывную материю, свойства которой не конкретизируются. Движение всех частиц — круговое, так как это единственный тип движения в непрерывной среде, где нет стока. Примером являются вихри, в частности, водовороты. Декарт считал возможным на таком пути объяснить закон притяжения, поскольку в водоворотах действительно происходит стягивание к центру наиболее крупных частиц, плавающих в жидкости.

Декарт надеялся, опираясь на три «самоочевидных» закона, чисто дедуктивным путем вывести наблюдаемые следствия из своей модели.

Это следующие законы.

1. «Всякая вещь пребывает в том состоянии, в каком она находится, пока ничто ее не изменит».

2. «Всякое движущееся тело стремится продолжать свое движение по прямой».

3. «Если движущееся тело встречает другое, сильнейшее тело, оно ничего не теряет в своем движении, если же оно встречает слабейшее, которое может подвинуть, оно теряет столько, сколько тому сообщает».

Первые два закона правильны и являются, как уже говорилось, большим шагом в понимании природы движения. Третий закон неверен. Сейчас трудно понять, почему простые наблюдения не открыли Декарту содержащихся в нем противоречий. И тем не менее важно, что Декартом был впервые поставлен вопрос о поиске небольшого числа простых, точных, фундаментальных закономерностей, с помощью которых с нужной степенью приближения может быть описана сложная картина реальных движений. Но ему самому полностью осуществить эту программу не удалось.

Здесь не имеет смысла подробно останавливаться на декартовой картине вихрей, так как она грубо неверна. Странно, но Декарт, по-видимому, не знал даже законов Кеплера. Есть глубокое изречение, что «знание принципов освобождает от знания многих фактов». Пример Декарта демонстрирует, что, как и любое слишком общее утверждение, это далеко не всегда справедливо. Описывая притяжение в картине вихрей, никак нельзя понять, почему траектории планет являются эллипсами (первый закон Кеплера), почему сила притяжения направлена к центру, в случае планетарной системы — к Солнцу, а не к некоторой точке на оси вихря (притяжение к центру следует из второго закона Кеплера). Третий закон Кеплера утверждает, что квадраты периодов обращения планет относятся также, как кубы больших полуосей эллиптических траекторий. Но Декарт (совершенно так же, как Аристотель) не допускал возможности простых, универсальных закономерностей на феноменологическом уровне, то есть в реальных, конкретных процессах. Вихрь представлялся ему сложным коллективным движением, тождественно не воспроизводимым от случая к случаю. Позже было много попыток увязать вихри с законами Кеплера, такая деятельность прекратилась только к середине следующего, XVIII века.