Стивен Вайнберг - Объясняя мир. Истоки современной науки

• Название: Объясняя мир. Истоки современной науки
• Автор: Стивен Вайнберг
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-9614-4084-3

Книга одного из самых известных ученых современности, нобелевского лауреата по физике, доктора философии Стивена Вайнберга – захватывающая и энциклопедически полная история науки. Это фундаментальный труд о том, как рождались и развивались современные научные знания, двигаясь от простого коллекционирования фактов к точным методам познания окружающего мира. Один из самых известных мыслителей сегодняшнего дня проведет нас по интереснейшему пути – от древних греков до нашей эры, через развитие науки в арабском и европейском мире в Средние века, к научной революции XVI–XVII веков и далее к Ньютону, Эйнштейну, стандартной модели, гравитации и теории струн. Эта книга для всех, кому интересна история, современное состояние науки и те пути, по которым она будет развиваться в будущем.

---

Таким образом, самую близкую к Земле внутреннюю орбиту занимает Луна, поскольку время от времени она закрывает Солнце и другие планеты во время затмений. Также естественно было бы предположить, что дальше всего от Земли находятся те планеты, которые имеют самый длинный период обращения вокруг Земли, – Марс, Юпитер и Сатурн находились именно в таком порядке от Земли. Но Солнце, Венера и Меркурий, как казалось, совершают в среднем один оборот вокруг Земли за год, поэтому порядок их расположения стал спорным вопросом. Птолемей предполагал, что порядок должен быть следующим: Земля, Луна, Меркурий, Венера, Солнце, затем – Марс, Юпитер и Сатурн. По расчетам Птолемея, расстояния до Солнца, Луны и планет, выраженные в диаметрах Земли, оказываются намного меньше, чем на самом деле, при этом для Солнца и Луны они практически совпадают (возможно, не случайно) с результатами, полученными Аристархом, о которых мы говорили в главе 7.

Различные усложнения – эпицикл, эквант и эксцентр – принесли астрономии Птолемея дурную славу. Однако не надо думать, что Птолемей просто упрямо усложнял свою систему, чтобы ошибочно представить Землю как неподвижный центр Солнечной системы. Эти усложнения, вдобавок к единственному эпициклу для каждой планеты и Солнца, движущегося без эпициклов, не имеют отношения к тому, вращается ли Земля вокруг Солнца или Солнце вокруг Земли. Они были необходимы из-за фактов, которые не были поняты до Кеплера: орбиты не являются правильными окружностями, Солнце не находится в центре этих орбит, а скорости планет не являются постоянными. Те же самые усложнения коснулись и первоначальной теории Коперника, который предполагал, что орбиты Земли и планет являются окружностями, а скорости – постоянными. К счастью, получилось очень хорошее приближенное решение, и даже самая простая версия теории эпицикла с одним эпициклом для каждой планеты и отсутствием эпицикла для Солнца работает гораздо лучше, чем гомоцентрические сферы Евдокса, Каллиппа и Аристотеля. Если бы Птолемей добавил только эквант и эксцентр для Солнца и каждой планеты, то расхождения между теорией и наблюдениями стали бы столь малы, что их невозможно было бы заметить доступными для того времени средствами.

Но это не разрешало противоречий между теориями планетного движения Птолемея и Аристотеля. Теория Птолемея лучше согласовывалась с наблюдениями, но она нарушала принцип физики Аристотеля, гласивший, что все небесные движения должны совершаться по круговым орбитам, центр которых совпадает с центром Земли. В самом деле, подозрительное движение планет по петлям эпициклов трудно принять на веру даже тому, кто не знаком ни с какой другой теорией.

Полторы тысячи лет продолжались споры между защитниками Аристотеля, которых часто называли «физиками» или «философами» и сторонниками Птолемея, которых обычно считали «астрономами» или «математиками». Те, кто был на стороне Аристотеля, часто признавали, что модель Птолемея лучше соответствует наблюдаемым данным, но ссылались на то, что такие вещи могут интересовать только математиков, а не тех, кто на самом деле хочет познать природу. Эту точку зрения выражает высказывание Гемина Родосского, который жил примерно в 70 г. до н. э. Его слова три века спустя процитировал Александр Афродисийский, а до нас они дошли в изложении Симпликия в комментариях к «Физике» Аристотеля. В этом высказывании сосредоточена сущность спора между натурфилософами (это наименование часто переводят как «физики») и астрономами:

«Заботой физики является проникнуть в сущность вещества небес и небесных тел, их силу и природу их появления и исчезновения; с помощью Зевса можно обнаружить правду об их размерах, формах и местоположении. Астрономы не пытаются задаваться этими вопросами, они проникают в предопределенную природу явлений, происходящих в небесах, показывая, что небеса в самом деле являются упорядоченным космосом, а также обсуждают формы, размеры и относительные расстояния Земли, Солнца, Луны, а также затмения, соединения небесных тел, измеряют качество и количество их путей. Поскольку астрономия касается изучения количества, размеров и качества их форм, она, по вполне понятным причинам, питает уважение к арифметике и геометрии. А что касается этих вопросов, только часть которых мы изложили, ученые в силах найти на них ответы, используя арифметику и геометрию. Астроном и натурфилософ, таким образом, во многих случаях пытаются достичь одной и той же цели, например, доказать, что Солнце – это тело порядочного размера, что Земля имеет форму шара, но они пользуются разными методами. Для натурфилософа доказательство любой его мысли идет из сущности небесных тел, или из их сил, или из того факта, что одни из них лучше других в силу своей природы, или из их происхождения и изменения, в то время как астроном спорит о свойствах их форм и размеров, или об особенностях движения, или времени, за которое они его совершают… В общем, астронома не заботит узнать, что по своей природе находится в покое, а что движется; он, скорее, должен предполагать, что остается на месте, а что движется, и размышлять, какие его предположения подтверждаются наблюдениями за небесами. Он должен взять свои первые изначальные принципы у натурфилософа, а именно – принципы о том, что танец небесных тел прост, регулярен и упорядочен; из этих принципов он сможет понять, что движение всех небесных тел осуществляется по кругу – и у тех, которых двигаются параллельными курсами, и у тех, орбиты которых наклонены»{124}.

«Натурфилософы» Гемина имеют некоторые черты современных физиков-теоретиков, но с очень большими отличиями. Следуя за Аристотелем, Гемин видит их как ученых, опирающихся на базовые принципы, в том числе на телеологические: натурфилософ предполагает, что одни небесные тела «лучше в силу своей природы», чем другие. По Гемину, только астроном пользуется математикой в приложение к своим наблюдениям. Гемин даже представить себе не мог постоянный взаимообмен, который возникает между теорией и наблюдением. Современный физик-теоретик тоже делает выводы из базовых принципов, но в своей работе использует математику, сами принципы выражены математически и получены из наблюдений, и, конечно, никто не размышляет, какие из наблюдаемых явлений «лучше».

В отсылке Гемина к движению планет, которые «двигаются параллельными курсами, и тех, орбиты которых наклонены», легко узнать гомоцентрические сферы, вращающиеся по наклонным осям в схемах Евдокса, Каллиппа и Аристотеля, к которым Гемин, как верный последователь Аристотеля, естественно, должен быть лоялен. С другой стороны, Адраст Афродисийский, который примерно в 100 г. написал комментарий к «Тимею», и – поколение спустя – математик Теон из Смирны явно были сторонниками теории Аполлония и Гиппарха, пытаясь придать ей больший вес через истолкование эпициклов и деферентов как твердых прозрачных сфер на манер концентрических сфер Аристотеля. Правда, теперь эти сферы не являлись гомоцентрическими.

Некоторые авторы, столкнувшись с противостоянием различных теорий планет, опускали руки и заявляли, что люди и не предназначены для того, чтобы понимать небесные явления. Так, в середине V в. неоплатоник Прокл в комментариях к «Тимею» заявлял:

«Когда мы имеем дело с подлунным миром, мы довольны, поскольку нестабильность субстанции, которая его составляет, позволяет, в большинстве случаев, охватить умом то, что происходит. Но когда мы хотим узнать о небесных вещах, мы используем нашу способность к чувственному восприятию и призываем всю нашу изобретательность, достаточно далекую от правдоподобия… То, как обстоят дела, полностью показывается открытиями, сделанными по поводу этих небесных вещей – от разных гипотез мы приходим к одним и тем же заключениям по поводу одних и тех же объектов. Среди этих гипотез есть те, которые спасают явления с помощью эпицикла, другие – с помощью эксцентров, а третьи спасают явления с помощью вращающихся в противоположных направлениях сфер, лишенных планет. Разумеется, Бог знает об этом более определенно. Но что же до нас, мы должны удовлетвориться тем, что “близко подошли” к таким вещам, поскольку мы люди, которые могут говорить, только предполагая истину, и чьи речи похожи на сказки»{125}.

Прокл не прав в трех своих утверждениях. Он упустил из виду, что теория Птолемея, которая использовала эпициклы и эксцентры, гораздо лучше «спасала явления», чем теория Аристотеля, основанная на гипотезе о вращающихся в противоположных направлениях гомоцентрических сферах. Есть еще один небольшой технический момент: ссылаясь на то, что есть гипотезы, которые «спасают явления с помощью эпициклов, другие – с помощью эксцентров», Прокл, кажется, не понимает, что в случае, когда эпицикл может сыграть роль эксцентра (см. примечание 27), речь идет не о разных гипотезах, а о разных способах описания того, что математически является одной и той же гипотезой. Более всего Прокл не прав в том, что труднее понять небесное движение, чем то, что происходит на Земле, под орбитой Луны. На самом деле все как раз наоборот. Мы знаем, как с превосходной точностью рассчитать движение тел в Солнечной системе, но мы все еще не умеем предсказывать землетрясения и ураганы. Но Прокл был не одинок. Мы еще увидим, как его ничем не оправданный пессимизм по поводу понимания движения планет повторится столетия спустя в работах Моисея Маймонида.