Олег Спиридонов - Людвиг Больцман: Жизнь гения физики и трагедия творца

• Название: Людвиг Больцман: Жизнь гения физики и трагедия творца
• Автор: Олег Спиридонов
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Научпоп
• Год: 2013
• ISBN: 978-5-397-04175-1

В настоящей книге рассказывается о жизни и творчестве выдающегося австрийского физика Людвига Больцмана (1844-1906), автора классических исследований по молекулярно-кинетической теории вещества, статистической физике и термодинамике. Книга состоит из трех частей. Первая часть «Диалог», по существу, представляет собой небольшой исторический очерк о физике «добольцмановского» времени — от появления первых научных идей в Древней Греции и последующего развития физики вплоть до середины XIX века. Вторая часть «Монолог» посвящена описанию жизненного пути и творческой деятельности великого физика. Биографические главы перемежаются с анализом научных трудов Больцмана — от самых первых работ до творений, указывающих новые пути развития физики и составляющих фундамент современной науки. Здесь же описывается бескомпромиссная борьба Больцмана за признание справедливости атомного учения. Наконец, третья часть книги — «Триумф» — представляет собой рассказ о победе идей Больцмана, принесших бессмертие имени ученого, об их жизни и развитии в современной физике.

Книга рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся историей развития физики; может быть полезна студентам и аспирантам физико-математических вузов.

---

«Фантазия — колыбель теории, наблюдающий разум — ее воспитатель. Какими детскими были первые теории Вселенной от Пифагора и Платона до Гегеля и Шеллинга! Фантазия была могла слишком продуктивна, а самопроверки посредством эксперимента недоставало… все-таки они содержали в себе зародыши всех позднейших великих теорий: теории Коперника, атомистики, механической теории невесомых веществ, дарвинизма и т.д.»

Кто знает, не повторится ли ситуация через несколько веков, когда современная физика, которой мы сейчас гордимся, станет столь же архаичной, как и античная в наше время, а фантазии XX в. станут предметом научных исследований будущих поколений ученых.

Одним из самых фундаментальных вопросов, обсуждавшихся древнегреческими учеными, был вопрос о происхождении и устройстве мира. Они отрицали идею сотворения мира из ничего, божеством. Например, еще в IX в. до н.э. Гесиод считал, что первичным элементом, из которого состоят все тела, является земля. Фалес полагал, что таким первичным элементом является вода, Анаксимен — воздух, Гераклит — огонь. При всей наивности этих предположений общим и главным в них является представление о первичном элементе, из которого строится остальной мир, а не о боге-создателе. Эмпедокл допускал одновременное существование четырех первичных элементов — огня, воздуха, воды и земли. Определенный шаг вперед сделал учитель Аристотеля — Платон, допуская возможность превращения одних первичных элементов в другие. Аристотель вводит некий единый первичный элемент — субстрат, который всегда выступает в сочетании с двумя качествами и образует четыре элемента-стихии:

субстрат + тепло и сухость = огонь,

субстрат + тепло и сырость = воздух,

субстрат + холод и сырость = вода,

субстрат + холод и сухость = земля.

Количественные изменения одного из качеств могут, по Аристотелю, превращать один элемент в другой. Правда, определить, какие свойства и как они должны смешиваться, чтобы создать то или иное вещество, должен был некий высший «разум» (?).

Демокрит 

Наиболее важные черты этих теорий — существование первичных элементов и возможность их взаимного превращения — были в дальнейшем, правда, в радикально измененной форме, подтверждены наукой. Но в то же время это были теории непрерывной материи, являющейся сплошной и равномерной массой. Принятие этой точки зрения, как уже отмечалось, сужало область физических исследований.

Принципиально иную точку зрения на строение материи выдвинул и развил Демокрит. Вещества состоят из маленьких неделимых частиц, утверждал он. Эти частицы получили название «атомы», от греч. «атомос» — неделимый. Демокрит говорил, что есть только атомы и пустота. Его взгляды на движение атомов выглядят почти современными: «…атомы, в течение всей вечности, носясь вверх и вниз, или сплетаются между собой каким-нибудь образом, или наталкиваются друг на друга, расходятся и сходятся снова между собой в такие соединения и таким образом, что они производят все прочие сложные тела и их состояния и ощущения». Демокрит впервые сформулировал принципиальное положение о том, что движение есть присущее материи изначальное свойство. Это легло в дальнейшем в основу кинетической теории вещества.

Итак, высказаны две противоположные точки зрения на строение вещества. По Демокриту, вещество прерывисто, зернисто, или, как принято говорить, дискретно. По Аристотелю, вещество является непрерывной материей. Какая из этих теорий верна? Для своего решения этот спор потребовал почти 2500 лет. Пока же оценить эти воззрения поможет мудрое замечание Л. Больцмана:

«Первое воззрение глубже проникает в сущность вещей, второе — более свободно от недоказуемых гипотез».

Несмотря на то что в дальнейшем тезис о неделимости атомов оказался несостоятельным, ценность для развития науки гипотезы Демокрита, «глубже проникающей в сущность вещей», переоценить невозможно, так как

«…гипотезы, лающие место фантазии и более смело выходящие за рамки имеющегося материала, будут всегда побуждать к новым исследованиям и приводить к совершенно непредвиденным открытиям».

Последовательно развивая свои идеи, Демокрит полностью отрицал существование любых нематериальных объектов (например, души). Даже боги состоят из атомов, смело утверждал он и объяснял веру в богов только страхом и беспомощностью людей перед грозными и непонятными в то время явлениями природы. Материалистическое мировоззрение Демокрита разделялось далеко не всеми. Платон, признавая существование объективного мира, считал его отражением потустороннего мира идей. Познание истины, по Платону, — это воспоминание о том, что душа созерцала до рождения. Аристотель вообще не придерживался какой-либо четкой позиции в этом споре, сочетая в своих взглядах признание объективного существования мира и его познаваемости с верой в существование богов. Уже в то время борьба материалистического и идеалистического мировоззрений становится настолько острой, что Платон даже приказывал своим ученикам сжигать книги Демокрита.

«…в проблемах общею характера самые противоречивые воззрения находят своих сторонников, часто абсолютно не понимающих друг друга, несмотря на то что в специальных вопросах они единодушны и работали сообща». 

Мы закончим наш рассказ о Древней Греции коротким обсуждением важнейшей проблемы, до сих пор не решенной до конца, несмотря на громадные усилия многих поколений ученых. Эта проблема также имеет непосредственное отношение к теме нашей книги, поскольку в творениях Больцмана были указаны новые пути ее решения. Речь пойдет о причинах или источниках развития.

«Разрешением великого вопроса: каким образом мы произошли, куда мы идем в течение тысячелетий, занимались величайшие гении, ставившие его самым глубокомысленным образом и так и этак».

Интересной иллюстрацией к этому полушутливому, но на самом деле до предела серьезному замечанию Больцмана служат высказывания древнегреческих ученых. Так, Демокрит утверждал, что движение каждого атома подчиняется строгим законам. Он развивал мысль о жесткой причинности всех явлений, о возможности достижения достоверного знания. Если следовать данной точке зрения, то это означало бы, что со временем все происходящее в природе можно было бы предсказать заранее, задать развитие мира на сколь угодно длительное время. При этом исключалось бы появление новых видов животных и растений, исчезло бы понятие эволюции.

Не все соглашались с этим. Последователь Демокрита Эпикур отказывался признавать строгую причинность. Приписав атомам еще одно свойство — вес, он утверждал, что им присущи не только те движения, которые обусловлены тяжестью и взаимными столкновениями атомов друг с другом, но и иные непредсказуемые, самопроизвольные, или, как в дальнейшем стали говорить, спонтанные, движения. Именно в этих отклонениях от жесткой необходимости, случайности видел Эпикур причины развития, которые избавляли мир от действия рока законов.

Конечно, идеи непредсказуемости движения атомов, случайности были далеко не очевидными. Как во времена Эллады, так и много позднее они вызывали долгие и ожесточенные споры. «Ничего более позорного не может случиться с физиком!» — так уничтожающе отрицательно говорил об идее Эпикура великий оратор древности Цицерон.

«Несмотря на все насмешки, стремление создавать теоретическое воззрение на вещи внешнего мира было непреодолимо в груди человека; из этого стремления непрестанно рождались все новые ответы».

Эпикур был не одинок в предсказании роли случайности в эволюции. Задолго до появления теории Дарвина Эмпедокл объяснял происхождение различных животных результатом отбора. По его курьезной теории случайные комбинации различных органов (ног, хвостов, туловищ) подвергались действию двух противоборствующих сил — Любви и Вражды. Неудачные сочетания уничтожала Вражда, появившиеся случайно удачные комбинации брала под свою защиту Любовь и наделяла их признаками пола, давая им тем самым способность к размножению. Замечательные мысли о развитии путем единства и борьбы противоположностей высказывал Гераклит: «Противоборствующее соединяет, из несогласия создается прекраснейшая гармония, все бывает благодаря распре».

2. Поиски пути

Древнегреческий период был удивительной эпохой в истории человечества, до сих пор сохраняющей для нас свое значение и привлекательность. Искусство Эллады сразу и прочно завоевало свое место в мировой культуре как «норма и недосягаемый образец». К сожалению, этого нельзя сказать о ее научных достижениях. Современный читатель понимает, как далеки от истины и зачастую наивны многие их гипотезы. И все же мы должны помнить, что наука опирается на накопленный веками опыт огромной и серьезной работы ученых. Не будем слишком строгими к некоторым предположениям ученых далекого времени. Наука еще должна была развиваться, преодолевая ошибки и заблуждения, рассчитывая на свои силы.