3. Механический взгляд на мир

Решающее значение опыта в развитии науки в полной мере впервые проявилось при изучении движения различных тел. Например, перемещение некоторых крупных планет можно наблюдать невооруженным глазом. Именно поэтому законы движения планет, поиски причин этого движения были первыми крупными научными проблемами, на которые пытались ответить ученые.

Первые попытки объяснения причин движения различных тел были предприняты еще в Древней Греции. Аристотель, например, разделил все тела на «тяжелые» и «легкие». Тяжелые тела (камень) падают вниз, стремясь достичь введенного философом некоего «центра мира», легкие (дым от костра) улетают вверх. Таким образом, падение тел у Аристотеля было естественным движением, совершавшимся без приложения извне каких-либо сил (впрочем, тогда не было и самого понятия «сила»). Аристотель утверждал также, что легкие тела, например пушинки, должны падать медленнее тяжелых. Его авторитет был настолько велик, что вплоть до XV в. эти наивные объяснения считались единственно верными.

С объяснением движения планет, казалось, все было гораздо проще: все молчаливо предполагали, что их движением управляют боги. Даже Коперник обходил молчанием этот вопрос. Сведений о смещениях планет скопилось так много, что, обработав эти наблюдения, немецкий астроном И. Кеплер (1571-1630) вывел законы их движения.

Обратим внимание на то, что законы движения планет были установлены раньше понимания их причин. Это не единственный пример такого рода в науке, так же обстояло дело при открытии периодического закона элементов Д.И. Менделеевым, при создании первой модели атома Н. Бором и т. д. Во всех случаях это было для ученых дополнительным стимулом в исследовании тайн природы.

Справедливо заметить, что Кеплер довольно близко подошел к пониманию причин движения, высказав предположение, что все тела взаимно притягиваются и что сила притяжения прямо пропорциональна массам тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Однако признать, что силы тяготения являются причиной движения планет, Кеплер не отважился. В 1674 г. англичанин Р. Гук показал, что движение планет по эллиптическим орбитам согласуется с предположением о том, что все они притягиваются Солнцем, но не смог вывести законы этого притяжения.

Решающий шаг вперед сделал итальянский ученый, основоположник экспериментальной физики Г. Галилей (1564-1642). Он решил проверить утверждение Аристотеля о разных скоростях падения различных по массе тел и, согласно легенде, сбросил с вершины знаменитой Пизанской башни чугунное ядро и деревянный шар. Резко различающиеся по массе предметы упали на Землю одновременно. Из этого опытного факта Галилей сделал фундаментальный вывод — все тела падают на Землю с одинаковым ускорением. Он же и измерил значение этого ускорения, которое с учетом последующих уточнений оказалось равным

g₀ = 9,8 м/с².

«Непосредственный опыт всегда очевиден, и из него в кратчайшее время можно извлечь пользу». 

Открытие закона тяготения английским физиком И. Ньютоном служит блестящим подтверждением этого меткого замечания. Ньютон впервые связал два факта — ускорение свободного падения тел на Земле и период обращения Луны вокруг Земли. Обратим внимание на то, что эти данные, казалось бы, имеют различную природу — вполне «земное» ускорение и движение небесного тела. Однако Ньютон видел причину движения любых тел в их взаимодействии между собой. Этим взаимодействием является их взаимное притяжение. Ньютон сделал шаг огромной обобщающей важности — силы тяготения как на Земле, так и в космосе имеют одинаковую природу.

«Еще почти никогда в истории, меньше всего в наши дни, когда столько людей занимается наукой, не бывало, чтобы та самая голова, которая впервые натолкнулась на ту или иную идею, до конца исчерпала бы ее. Почти все идеи были предугаданы, подготовлены и слегка намечены, прежде чем являлся наконец тот, кто разрозненному материалу придавал целостность».

Ньютон впервые дал математическую формулировку закона всемирного тяготения:

F = G?Mm/r²

где F — сила взаимного притяжения, действующая между двумя телами массами M и m, удаленными друг от друга на расстояние г. Коэффициент G — гравитационная постоянная, значение которой было измерено Г.Кавендишем в 1798 г.:

G = (6,673 ± 0,003)?10^-11 м³/(с²?кг).

Закон всемирного тяготения был опубликован И. Ньютоном в его знаменитом труде «Математические начала натуральной философии» одновременно с открытыми им же тремя законами движения (динамики). Применение закона всемирного тяготения (1) и второго закона динамики Ньютона

F = ma, (2)

(F — сила, действующая на тело массой m, a — ускорение, приобретаемое данным телом под действием этой силы) к движению планет дает возможность точно рассчитывать их траектории. Ученые выполнили эти расчеты и убедились, что результаты точно совпадали с многолетними наблюдениями за движениями планет.

«Кто не замечает с изумлением, как рабски склоняются вечные созвездия перед законами, которые человеческий разум хотя и не дал им, но подсмотрел у них».

Впечатление, которое произвели открытия Ньютона на современников, было огромно. Они установили истинную причину движения, опровергнув астрологические измышления, будто движение планет определяется божьей волей. Механика как наука о движениях тел и их взаимодействии превратилась в огромную силу, с которой теперь уже нельзя было не считаться!

В царство сказок возвратились боги,

Покидая мир, который сам,

Возмужав, уже без их подмоги

Может плыть по небесам.

Ф. Шиллер

Теория получает полное признание только тогда, когда она не только объясняет уже известные факты, но и предсказывает новые. Подтверждение их придает истинность родившейся теории, и именно на этом пути механика Ньютона доказала свое величие. Приведем два примера. В 1682 г. английский астроном Э. Галлей вычислил по формулам Ньютона время вторичного прихода к Солнцу наблюдавшейся в то время на небе яркой кометы. Возвращение кометы произошло в строго расчетное время! Могучая сила законов механики в полной мере проявилась и в истории открытия новой планеты. Расчеты орбиты планеты Уран (см. рис. 1) по формулам Ньютона не совпадали с наблюдениями. Для объяснения этого явления петербургский астроном А. И. Лексель предположил наличие неизвестной еще в то время заурановой планеты. В 1846 г. французский астроном У. Леверье выполнил расчеты положения этой планеты и сообщил их немецкому астроному И. Г. Галле. (Аналогичные расчеты независимо выполнил и английский астроном Д. Адамс.) Телескопы, направленные в указанную точку неба, тотчас же обнаружили новую планету — Нептун. Великая сила теории позволила ученым, не выходя из кабинета, открыть новую планету.

Успехи механики были столь впечатляющими, что с помощью ее законов стали объяснять — ив первое время довольно успешно! — и другие физические явления.

«Когда какой-нибудь народ достиг больших успехов по сравнению с живущими по соседству с ним другими народами, как правило, он стремится добиться некоторой гегемонии над ними и нередко дело доходит до того, что он их себе подчиняет и порабощает. Точно так же обстояло дело и с научными дисциплинами. Механика вскоре стала гегемоном во всей физике».

Воображение ученых рисовало фантастические картины объяснения механическими законами всех явлений. Посмотрим, однако, к чему может привести последовательное распространение механических законов на весь окружающий нас мир. Если известно положение тела в некоторый момент и приложенные к нему силы, то можно точно предсказать положение тела для любого последующего момента времени. Эти же рассуждения можно применить ко всем объектам Вселенной и вообразить существование некоего «сверхсущества», которому было бы досконально известно как все прошлое мироздания, так и его будущее. Величественная, фантастическая и в то же время безнадежно грустная картина жизни в таком заранее предвычисленном мире! Не есть ли это подтверждение предсказываемой еще Демокритом жесткой предопределенности, сводящей все происходящее в мире к повторению прошлого, исключающей возможность развития?

«Я предвижу, какой ужас нападет на мечтателя от этих высказываний, как он будет бояться низведения всего большого и возвышенного до мертвого бесчувственного механизма и уничтожения поэзии.

Но мне кажется, что вся эта боязнь зиждется на полном непонимании сказанного. Лаже самый сложный механизм, изготовленный человеческой рукой, сколь он незначителен и безжизнен по сравнению с простейшим растительным и животным организмом».

И все же вплоть до середины XIX в. успехи, одерживаемые механикой при объяснении самых различных явлений природы, были столь велики, что механическое мировоззрение полностью владело умами ученых и казалось единственно возможным. Развитие механики привело к рождению совершенно новых разделов физики. Именно механика явилась тем мощным фундаментом, на котором впоследствии выросло могучее здание современной физики. И хотя в дальнейшем развитие науки привело к замене чисто механистического понимания природы гораздо более глубоким статистическим, одним из выдающихся творцов которого был Людвиг Больцман, значение механики можно подчеркнуть еще одной его цитатой.

«Я сам когда-то ломал копья, защищая чисто механическое воззрение на природу мира, но только в том смысле, что оно является колоссальным шагом вперед по сравнению с прежним, чисто мистическим мировоззрением».