Помоги проекту - поделись книгой:
Астронома бьют фактами, которых его теория не может объяснить. Между прочим, все факты — подлинные, и хотя некоторые из них не имеют никакого отношения к данной теории, но большинство астрономических наблюдений, на которые ссылаются оппоненты, справедливы. Правда, почти все эти наблюдения были сделаны спустя десятки и сотни лет после разработки «доложенной» теории. Потому что перед нами типичный образчик научного юмора, а в роли осмеянного докладчика выступает молодой Ньютон — в ту пору даже еще не сэр Исаак (титул он получил много позже, и, по-видимому, прежде всего в связи со своей деятельностью по руководству лондонским монетным двором).
Вероятно, по-настоящему оценить этот юмористический отчет могут только астрономы. Однако есть среди заданных оппонентами вопросов по крайней мере один, который снова и снова задается авторам новых теорий: «Я хотел бы спросить докладчика, откуда он знает, когда пишет свои уравнения, что здесь не играют роли какие-либо другие так называемые „силы“, кроме тех, которые представлены написанными им членами? Не может ли проблема зависеть от других эффектов, пока что неизвестных науке? До тех пор, пока этот вопрос не разрешен, совершенно ясно, что любое предполагаемое согласие с наблюдениями является чисто случайным, — если применить самое мягкое возражение».
Примерно такие вопросы задавали и самому Ньютону. Ему напоминали о том, например, что нельзя даже приступать к попыткам создать теорию притяжения Луны к Земле, пока ничего не известно о внутреннем строении нашей планеты. Предположим, однако, что внутреннее строение было бы в ту пору известно. Тогда от великого англичанина наверняка потребовали бы предварительных сведений о внутреннем строении Луны. А уж допустить, что верное для Луны и Земли верно для Вселенной, — это казалось совсем немыслимым. И кому казалось! В том же юмористическом отчете о заседании вполне точно, разве что с некоторой модернизацией языка, излагается точка зрения одного из современников Ньютона, притом — великого современника.
«Я недавно получил, — говорит оппонент, — приватное сообщение от профессора Гюйгенса, в котором он информирует меня, что для него принцип взаимного притяжения частиц материи является совершенно непонятным и неприемлемым… Как все мы хорошо знаем, профессор Гюйгенс — ученый с общеевропейской репутацией, мнением которого нельзя легкомысленно пренебрегать. Я думаю, что докладчик поступает неблагоразумно, отказываясь следовать его советам… Есть множество людей, кроме докладчика, с оригинальными идеями о причинах орбитального движения планет. Действительно, сам профессор Гюйгенс предложил вполне удовлетворительное объяснение тех эффектов, которые пытается объяснить докладчик. Я могу сейчас лишь самым кратким образом напомнить общую сущность его теории. В ней показывается, что имеется некая весьма разреженная среда, движущаяся вокруг Земли с большой скоростью и толкающая к Земле всякое встречаемое ею тело. По-моему, эта теория вдвойне привлекательна не только вследствие ее крайней простоты и изящества, но и потому, что она одним ударом устраняет потребность в идее о действии на расстоянии — идее, которая всегда останется отвратительнейшей чертой любой теории, подобной представленной сегодня».
Последний аргумент тоже действительно приводился, мало того, сам Ньютон тяжело переживал это самое дальнодействие, от которого ему было некуда деться.
А каково было Ньютону слышать тот вопрос, который он, судя по всему, и сам себе отчаянно задавал, хоть пытался отбиться от него своим «гипотез не строю».
«…Совершенно очевидно, что то, как два куска вещества притягивают друг друга, — если они это делают, — должно зависеть от первичной структуры самого вещества и ни от чего более. Однако это вопрос, о котором мы практически ничего не знаем и которому, насколько я понимаю, не уделено никакого внимания в обсуждаемой теории. Но ведь докладчик утверждает, что он каким-то образом „открыл“ закон, управляющий взаимодействием, и это делается без какого-либо рассмотрения природы или причин этого взаимодействия! Как он может объяснить этот вопиющий абсурд? Разве не следовало поискать доказательства самого закона, прежде чем пускаться в изучение его довольно очевидных следствий?» — так в юмористическом отчете несколько по-современному излагается «проклятый» вопрос, мучивший и самого Ньютона.
Нет, не зря Ньютон столько лет ждал с публикацией своего закона. Он вдвое перекрыл девятилетий срок, назначенный Горацием «для выдерживания в столе» литературных публикаций. И не помогло. Ньютон мог бы ждать еще двадцать лет — современная ему наука не созрела для быстрого признания закона всемирного тяготения. Даже когда опубликованный закон стал действовать на ученых самим фактом своего существования, он был скорее признан в Англии, чем в Европе, и легче принят учеными второго ранга, чем научными звездами первой величины.
А поскольку закон Ньютона, как мы с вами повторяем вслед за Фейнманом, своего рода эталон законов природы, то и история его признания имеет тоже, так сказать, эталонный характер и вполне годится для моделирования истории открытий — после того как они сделаны.
Истина рождается в споре — гласит древняя пословица. Точнее сказать, она признается в спорах. И каких спорах!
Великий французский писатель Вольтер оставил нам картину разногласий между учеными в 1727 году — в год смерти Ньютона: «Если француз приедет в Лондон, он найдет здесь большое различие в философии, а также во многих других вопросах. В Париже он оставил мир полным вещества, здесь он находит его пустым… В Париже давление Луны на море вызывает прилив и отлив, в Англии же, наоборот, море тяготеет к Луне. У картезианцев[5] все достигается давлением, что, по правде говоря, не вполне ясно, у ньютонианцев все объясняется притяжением, что, однако, немногим яснее».
Вскоре, однако, великий остроумец стал не подтрунивать над ньютонианством, а проповедовать его. В научном споре он принял сторону Лондона, а. не Парижа. Мы знаем Вольтера прежде всего как автора глубоких, грустных и смешных повестей, полуиронических поэм, трагических пьес. Но он занимает почетное место в истории и как один из крупнейших популяризаторов науки. Ему принадлежат «Послание к маркизе дю Шатле о философии Ньютона», «Истолкование основ Ньютоновой философии».
Историки полагают, что научно-популярные работы Вольтера положили начало тому движению во французских литературе и искусстве, которое породило революционную по своей сути «Энциклопедию», созданную группой французских просветителей. Энциклопедию, ставшую звеном в цепи явлений, подготовивших Великую французскую революцию.
Эпоха триумфа и трагедия дальнодействия
Иногда любят противопоставлять простоту и ясность Ньютонова закона тяготения сложности нынешней эйнштейновской теории относительности.
Но закон стали понимать, когда привыкли к нему…
Очень похожая история произошла с теорией Максвелла, раскрывшего главные законы электромагнетизма.
Через сорок лет после того, как она была сформулирована автором, его соотечественник, крупнейший английский физик Уильям Томсон, получивший за научные заслуги титул лорда Кельвина[6], много занимавшийся исследованием электричества, писал, что так называемая электромагнитная теория света «пока ничего нам не дала… Мне кажется, что это скорее шаг назад…» Это было сказано в 1904 году. Тогда теорию Максвелла преподавали едва ли в половине университетов Европы. С действительно широчайшим признанием ей пришлось подождать до 1920 года.
Эйнштейновой общей теории относительности повезло больше. На то были свои причины, о которых пойдет речь в своем месте. А сейчас мы заглянем в эпоху, разделяющую Ньютона и Эйнштейна.
Большая часть XVIII века и весь XIX век были для закона всемирного тяготения временем величайшего торжества, какое только может прийтись на долю научной теории.
Когда в 1759 году к Земле подошла комета, примерная дата появления которой была предсказана англичанином Галлеем, а затем уточнена французом Клеро, это событие стало всемирным торжеством науки. К тому, что можно вычислять сроки лунных и солнечных затмений, все давно привыкли — ученые, пожалуй, еще с древневавилонских времен. Но предсказать появление кометы, которую и позже, в XIX веке, называли еще «беззаконной» (Пушкин), — о, это была победа!
А в 1798 году знаменитый английский физик и химик Генри Кэвендиш проверил закон всемирного тяготения уже не «на небе», а на Земле, проверил его соблюдение на притяжении обычных земных предметов не к нашей планете, а друг к другу.
На кварцевой нити он подвесил коромысло с двумя маленькими шариками. Заранее промерил, какие усилия нужны, чтобы на тот или иной угол закрутить нить. Потом поднес к шарикам два больших свинцовых шара — так, чтобы один из них оказался у одного конца и по одну сторону от коромысла, а другой — у другого и по другую сторону. Нить закрутилась — насколько именно, было уже вовсе легко измерить благодаря чрезвычайно остроумной идее Кэвендиша. Посередине коромысла было укреплено легкое зеркальце. На него падал луч света, отражался и приходил на «подставленную» измерительную шкалу. Поворот коромысла определял, на какое именно деление шкалы упадет отраженный луч. Дальше совсем просто оказалось составить пропорцию между силой воздействия на шарики массы свинцовых шаров и массы планеты.
Этот эксперимент был по меньшей мере втройне историческим. Во-первых, как уже было сказано, закон Ньютона наконец-то довольно точно был проверен на поверхности Земли, а не «на небе», не на наблюдениях за далекими планетами. Во-вторых, были определены средняя плотность и вес нашей планеты. А в-третьих, Кэвендиш попутно, «между делом», определил численное значение коэффициента в формуле закона всемирного тяготения, гравитационной постоянной.
Ученые считали, считали, считали, опираясь на закон всемирного тяготения, и наша Земля обзавелась новыми сестрами, дальними спутницами Солнца, планетами Уран и Нептун, был предсказан Плутон, открытый только в 1930 году. Сотни работ были посвящены тому, как проявляется закон всемирного тяготения в движении Луны, Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера, Урана и спутников трех планет, названных здесь последними.
В 1842 году астроном Бессель, наблюдая за самой яркой звездой нашего неба Сириусом, заметил странные колебания в положении ее на небе.
Опираясь на закон всемирного тяготения, Бессель предсказал, что у Сириуса есть невидимый спутник большой массы. Так теоретически открыли двойные звезды: спустя двадцать лет астрономы увидели спутник Сириуса, а сейчас мы знаем, что двойных звезд во Вселенной — большинство.
Гениальный математик и астроном Лаплас преклонялся перед Ньютоном, а закон всемирного тяготения называл совсем коротко: «закон природы». На основе закона Ньютона, одного-единственного — Лаплас верил — будут раскрыты все детали, даже самые сложные, движений планет в Солнечной системе.
Собственные работы Лапласа в астрономии впервые, по мнению специалистов, привели в стройную систему небесную механику. Вряд ли здесь стоит рассказывать об его открытиях, касавшихся закономерностей движения спутников Юпитера, самого Юпитера и Сатурна, Луны, наконец. Лаплас же разработал первую полную теорию приливов и отливов. Особое внимание он обращал на связи между телами Солнечной системы.
А еще до открытия и двойных звезд и новых планет Лаплас после ряда исследований, касавшихся так называемых неравенств в движении Луны, гордо провозгласил, что астроном может, наблюдая одну лишь Луну, «не выходя из своей обсерватории», выяснить, как велика Солнечная система и насколько сильно сжата Земля у полюсов. И все это он говорил, подчеркивая роль во Вселенной своего любимого «закона природы».
Всю жизнь Лаплас словно стремился ограничить себя ролью ученика, применяющего закон, открытый учителем. Между тем на самом деле он во многом пошел дальше Ньютона. А случались у Лапласа озарения, когда он словно прорывался в будущее науки на сотню-полторы лет. По Ньютону, например, тяготение не должно влиять на свет. Лаплас же писал: «Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в двести пятьдесят раз превосходил диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас, следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми».
Ученые видят сейчас в этом предсказание существования «черных дыр» — любимых детищ современных астрофизики и космологии. Подробно о них будет рассказано во второй части книги.
Тем не менее закон всемирного тяготения был для Лапласа эталоном в куда более узком смысле, чем для Ричарда Фейнмана в наши дни: Лаплас, по-видимому, считал, что все или почти все физические законы должны с некоторыми видоизменениями повторять формулу закона Ньютона. В великую «Небесную механику» Лапласа входит глава «О капиллярном действии». Он полагает, что в этом физическом явлении играют решающую роль силы притяжения между молекулами, а отличие этих сил от Ньютоновых сил гравитации в основном то, что они становятся исчезающе малыми при увеличении расстояний между молекулами.
Все области физики должны были строиться по образу и подобию созданной Ньютоном теории тяготения.
И только ли в физике дело обстояло именно таким образом!
Современный английский ученый и историк науки Джон Бернал специально отметил в своей книге «Наука в истории общества»: «Как ото ни парадоксально… наиболее непосредственное влияние идеи Ньютона оказали в области экономики и политики. Найдя свое применение в философии друга Ньютона — Локка и его последователя Юма, они создали общее чувство скептицизма по отношению к авторитету. Через Вольтера, который первым ознакомил французов с работой Ньютона, они должны были способствовать „просвещению“ и тем самым — идеям французской революции. Они и поныне продолжают оставаться философской базой буржуазного либерализма».
Бернал начинает приведенное рассуждение со слов «как это ни парадоксально». Сегодня в устах физика — да и не только физика — слово «парадокс» и производные от него звучат как комплименты.
Первый научный закон, распространенный на Вселенную и подтвержденный экспериментально, придал особую ценность связанным с ним философским идеям. Ньютон нашел «точку опоры», позицию для создания всеобъемлющей физической картины мироздания. Ученые, занимавшиеся общественными науками, не знали таких твердых законов, с точки зрения которых они могли бы исследовать общество и его историю — эти законы предстояло открыть Марксу и Энгельсу в середине XIX века. А пока что закон всемирного тяготения стал для всех областей знания, в. том числе гуманитарных, идеалом, которому следовало подражать. И порою не только идеалом. Этот закон пытались ввести в качестве основы в науки, к которым он и не мог иметь никакого отношения, — в физиологию, социологию, химию, например.
Франц Антон Месмер, человек трагической судьбы, первый исследователь гипноза (названного им животным магнетизмом), пытался объяснять наблюдавшиеся им факты (и явления, которые, как ему казалось, он наблюдал) законом всемирного тяготения.
Великий французский утопист Фурье называл важнейшую, по его мнению, часть своего учения теорией всеобщего притяжения страстей и считал, что в ее фундаменте лежит теория Ньютона. Другой знаменитый утопист, Сен-Симон, полагал, что следует основать культ Ньютона. Человек, создавший закон всемирного тяготения, становился в глазах своих последователей чуть ли не богом.
Это трудно понять с позиций наших дней, когда учебники переполнены законами, носящими имена великих и менее великих ученых. Но Ньютон принес первые строгие и проверенные опытом законы в мир, где физика явлений представлялась расплывчатой и шаткой. Он дал своей эпохе почувствовать прелесть точного знания, доказал своим последователям самую возможность его достижения.
И все-таки, несмотря на все победы, на законе всемирного тяготения лежала мрачная тень — с самого момента его рождения. Этой тенью, даже проклятием, висевшим над новым законом, было вытекающее из закона мгновенное дальнодействие. Сила тяготения мгновенно, с бесконечной скоростью передавалась на любые расстояния; при этом было совершенно неясно, как она преодолевает пространство. Сила передается телу воздействием на него другого тела — это положение было аксиомой для Галилея, на него опираются законы механики самого Ньютона, а вот закон всемирного тяготения Ньютона выкидывает прочь эту аксиому!
Для самого Ньютона это было драмой, которую можно назвать «трагедией дальнодействия».
В первом издании «Математических начал» он был настолько осторожен, что заявлял: все происходит так, как будто все тела взаимно притягиваются строго по формуле его закона. Такая осторожность, наверное, прежде всего диктовалась тем, что Ньютон делал фантастических масштабов обобщения, подчинял одним и тем же закономерностям явления на Земле и в космосе. Но немалую роль в обращении к сослагательному наклонению должно было сыграть и отсутствие представления о механизме тяготения.
Ко второму изданию, благо его отделяли от первого двадцать семь лет, взгляды Ньютона окончательно сложились, и «как будто» в применении к закону всемирного тяготения исчезло из его труда. Что касается «причины тяготения», механизма его, то Котс, редактор этого издания, писал в своем предисловии: «Причины идут неразрывною цепью от сложнейших к простейшим, и когда достигли до причины самой простой, то далее идти некуда. Поэтому простейшей причине нельзя дать механического объяснения, ибо если бы такое существовало, то эта причина не была бы простейшей».
Убедительное разъяснение. С точки зрения самого Котса, во всяком случае. Было ли оно убедительным для Ньютона? Вот что писал великий физик в 1693 году, через шесть лет после первого издания «Начал» и за два десятилетия до появления нового издания книги с предисловием Котса: «Мнение, что тяготение есть основное свойство, присущее материи, что любое тело может действовать на другие тела на расстоянии через пустое пространство без посредства чего-либо, что могло бы перенести действие и силу от одного тела к другому, — такое мнение мне кажется полным абсурдом, и я уверен, что ни один человек, способный рассуждать о философских вопросах, не может прийти к нему. Тяжесть есть следствие какой-то причины, действующей непрестанно по известному закону…»
Переменил ли ученый свое мнение за следующие два десятилетия?
До сих пор биографы Ньютона по-разному отвечают на вопрос, почему он согласился с публикацией предисловия Котса. Иногда считают возможным, например, что Ньютон, увлекавшийся метафизикой, на протяжении какого-то времени склонялся к ответу, совсем странному, на взгляд нынешнего (да и тогдашнего уже) физика. Приведенная выше цитата (из письма к Бентли, филологу, директору того Тринити-колледжа в Кембриджском университете, где сам Ньютон был профессором) может быть продолжена: «…решение вопроса о том, материальна ли эта причина (тяготения) или не материальна, я оставляю моим читателям».
Известно увлечение Ньютона во второй половине жизни богословскими проблемами. Таким неожиданным отклонениям можно огорчаться, удивляться же им, наверное, нельзя. Естественно, что каждый создатель нового физического учения принадлежит к более ранней эпохе, чем люди, воспитанные на его учении. Ученикам Ньютона бог, во всяком случае бог, деятельно участвующий в формировании мира, не требовался. Когда Наполеон спросил Лапласа о роли бога в разработанной им системе мироздания, великий математик и астроном ответил: «Ваше величество, у меня не было нужды в этой гипотезе».
Впрочем, и для Ньютона «личное вмешательство» высших сил в механизм тяготения тоже не могло быть в конечном счете обязательным и серьезным. Еще до первого издания «Начал» он искал решения проблемы и, как ему на время показалось, нашел. В 1679 году в письме Роберту Бойлю, тогдашнему президенту Лондонского Королевского общества, было впервые выдвинуто предположение об эфире, некоем вездесущем тонком веществе, имеющем разную плотность. Чем ближе то или иное тело к центру тяготения, тем более «тонкие» частицы эфира заполняют поры тела, вытесняя частицы более грубые. Насыщение частицами эфира и есть механизм, заставляющий тело падать на Землю.
В первое издание «Начал» эти предположения не попали. Но они появились во втором издании другой работы Ньютона — «Оптики».
А последний абзац «Начал» в их окончательной форме гласит: «Теперь следовало бы кое-что добавить о некотором тончайшем эфире, проникающем во все сплошные тела и в них содержащемся, коего силою и действиями частицы тел при весьма малых расстояниях взаимно притягиваются, а при соприкосновении сцепляются, наэлектризованные тела действуют на большие расстояния, как отталкивая, так и притягивая близкие малые тела, свет испускается, отражается, преломляется, уклоняется и нагревает тела, возбуждается всякое чувствование, заставляющее члены животных двигаться по желанию, передаваясь именно колебаниями этого эфира от внешних органов чувств мозгу и от мозга мускулам. Но это не может быть изложено вкратце, к тому же нет и достаточного запаса опытов, коими действия этого эфира были бы точно определены и показаны».
Массу вещей объясняет здесь Ньютон «силою и действиями» эфира. Но в этом списке нет… тяготения! Для тяготения Ньютон теперь отказался искать причину в действиях эфира.
Несколькими строчками раньше он просто констатировал, что «эта сила происходит от некоторой причины, которая проникает до центра Солнца и планет без уменьшения своей способности…»; далее, напомнив свойства силы тяготения, написал свое знаменитое: «Причину же этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю». И… тут же, в приведенном выше последнем абзаце «Начал», изложил самую настоящую гипотезу о роли эфира в веществе и живых организмах. Словом, придумав эфир для объяснения гравитации, Ньютон затем использовал эту идею для чего угодно — только не для первоначальной своей цели.
Последователи Ньютона, в отличие от него, не делали при придумывании гипотез исключения для силы тяготения. Тем более, что идея дальнодействия противоречила самой материалистической сути физики, и мучительные сомнения Ньютона составили только первый акт «трагедии дальнодействия».
Заблуждение становится заблуждением, когда оно рождается как истина.
В XVIII–XIX веках появляются, как грибы после дождя, все новые и новые предположения ученых разных стран, долженствовавшие объяснить причину тяготения.
Пожалуй, можно выделить тут гипотезы двух сортов: вихревые и корпускулярные — от слова «корпускула», то есть «частица».
Если оставить в стороне атомистику, то, пожалуй, можно сказать, что ни с одним вопросом физики не было связано столько спекуляций, сколько с вопросом о причинах силы тяжести. Тем, что мы действительно об этом знаем, мы обязаны людям, которые ограничивались вопросом: как она действует?
По мнению швейцарского математика Иоганна Бернулли, некое бесконечно тонкое вещество выбрасывается во все стороны из центров вихрей космических (где, между прочим, образуются солнца), затем оно сгущается в капли и возвращается обратно к центрам вихрей. По пути это «тонкое вещество» проникает — опять-таки — в поры всех обычных тел и увлекает эти тела в своем центростремительном движении.
Французский физик XVIII века Лесаж тоже прибег к помощи «сверхтонкой материи», ультрамалых частиц, которые носятся в пространстве во всех направлениях, «толкая» встречающиеся на их путл обычные тела. Два тела притягиваются друг к другу постольку, поскольку они защищают друг друга от части этих толчков; каждое тело получает меньше ударов с той стороны, которой оно обращено к другому, вот так и возникает сила тяготения.
Есть немало способов опровергнуть эту гипотезу. Вот только один из них. Любая планета, в том числе и Земля, должна бомбардироваться со всех сторон корпускулами Лесажа. Поскольку она движется в пространстве вокруг центрального светила, то количество встреч с гипотетическими частицами больше у той части планеты, что обращена в сторону движения. Поэтому столкновений, которые тормозят планету, больше, чем таких, которые ее подгоняют. Должно происходить постоянное замедление движения планет. Земля, к примеру, давно должна была, как показывают расчеты, остановиться и, следовательно, упасть на Солнце. Но этого нет и как будто не предвидится. И тем не менее в разных вариантах и модификациях идея Лесажа умирала и воскресала на протяжении и XIX и даже XX века. Таился в ней некий соблазн, связанный с тем, очевидно, что такая модель тяготения была наглядна, ее легко себе представить. Но не всегда, увы, верно то, что легче понять. Почти все гении физики — от Ломоносова до Эйнштейна, и очень многие «просто» талантливые ученые любили говорить о простоте природы, понимая эту простоту по-своему. Не случайно многие современные физики полагают, что теория относительности проще Ньютоновой теории тяготения потому, в частности, что она не нуждается ни в дальнодействии, ни в эфире.
С учением Ньютона кое в чем повторилось, пусть в других временных масштабах, то же, что когда-то произошло с учением Аристотеля. Ньютонова физика стала претендовать (примеры этого приводились выше) на объяснение явлений, которые не имели к ней никакого отношения. А ее философские основы, к середине XIX века уже абсолютно устаревшие, сдерживали развитие физического знания далеко за пределами механики и теории тяготения. Завет Ньютона свести всю физику к механике, прогрессивный в XVII веке, уже при исследовании электромагнитных явлений в XVIII веке стал препятствием, которое надо было преодолевать.
Мои последователи должны опережать меня, противоречить мне, даже разрушать мой труд, в то же время продолжая его. Только из такой последовательно разрушаемой работы и создается прогресс.
Джон Бернал писал: «Успехи Ньютона таили в себе и соответствующие опасности для будущего. Его дарование было так велико, система его казалась столь совершенной, что все это положительно обескуражило научный прогресс в следующем веке или допустило его только в тех областях, которых Ньютон не затронул… Влияние Ньютона пережило даже его систему, и весь тот тон, который он задал науке, принимался как нечто до такой степени само собой разумеющееся, что вызванные им жесткие ограничения, вытекавшие в значительной степени из его теологических предубеждений, не были осознаны до эпохи Эйнштейна, да даже и сейчас осознаны еще неполностью».
Двести пятьдесят лет физики, как они ни восхищались Ньютоном, только «сжав зубы», терпели дальнодействие. Даже не терпели, а боролись с ним — и отступали. Мешали им и оставленное в наследство Ньютоном представление об абсолютном времени, противоречившее галилей-ньютоновскому принципу относительности, и эфир, и многое другое. Слишком сильно все это противостояло тем принципам экспериментальной физики, которые завещал сам же Ньютон продолжателям своего дела.
А развитие физики все решительнее требовало пересмотра положений мировой механики Ньютона. Теория Максвелла для электромагнетизма уже по-новому рассматривала пространство, в котором происходят описываемые ею явления. Эфир для нее был не нужен, зато здесь детально разработано физическое понятие поля. Представление о поле стало самым большим достижением физики со времен Ньютона. Эйнштейн и Инфельд в книге «Эволюция физики» подчеркивают важность понятия поля для возникновения теории относительности. И не просто важность: «Теория относительности возникает из проблемы поля. Противоречие и непоследовательность старых теорий вынуждают нас принимать новые свойства пространства и времени»[7].
Английский физик Г. Бонди задает «риторический вопрос»: «Как же случилось, что столь хорошо обоснованная теория была отброшена и заменена другой (общей теорией относительности Эйнштейна. —
Однако: «Нас приводит к новой теории принцип единства физики, который требует, чтобы гравитация, с одной стороны, и электромагнетизм и оптика, с другой, не принадлежали к разным типам пространства-времени».
Вот мы встретились в этой книге впервые с принципом единства физики. Естественное обоснование такого принципа — то, что любые сложные процессы в природе содержат явления, относящиеся к разным областям физики и подчиняющиеся их законам. Он находит свое выражение и подтверждение на многих «стыках» теории гравитации с другими областями физического знания. Лишним подтверждением такого единства стало практически одновременное действительно широкое признание ученым миром теории Максвелла и теории Эйнштейна.
(Никак нельзя недооценивать роль, которую сыграли для Эйнштейна его размышления над Максвелловой теорией электромагнетизма. И не случайно ведь первая работа сотрудника Бернского бюро патентов по специальной теории относительности называлась «К электродинамике движущихся тел». К электродинамике!)
Долго не признавали даже крупные физики теорию Максвелла. Но когда, наконец, она была принята, это стало победой нового подхода к физике в целом и проложило дорогу теории относительности.
Несмотря на всю категоричность утверждений Бонди о незначительности расхождений в теориях Ньютона и Эйнштейна, один факт безусловно сыграл особую роль в возникновении общей теории относительности.
Физики — не революционеры, скорее они консервативны, и только вынуждающие обстоятельства побуждают их жертвовать хорошо обоснованными представлениями.
В 1859 году французский ученый Урбен Леверье прославленный тем, что по движению планеты Уран предсказал существование неизвестного тогда Нептуна, обратил внимание на еще один непорядок в Солнечной системе. Самая отдаленная от Солнца точка орбиты Меркурия — его перигелий — смещалась чуть-чуть больше, чем следовало из формул небесной механики, основанной на законе всемирного тяготения. Смещение (позже уточненное англичанином Ньюкомом) составляло всего сорок три угловые секунды за столетие, меньше, чем полсекунды в год.
Мелочь? Но в астрономии, как и вообще в науке, мелочей не бывает, и факт, не соответствующий теории, не более и не менее как мина, подложенная под эту теорию.
Сам Леверье пошел по уже проложенной им торной дороге, предположив существование еще одной планеты, теперь уже между Солнцем и Меркурием, планеты, сбивающей Меркурий с его пути. Гипотетическому спутнику Солнца дали имя Вулкана, вычислили его орбиту, а найти не смогли.
Попытки объяснить «неувязочку» вызвали к жизни не только мифическую планету, расположенную якобы еще ближе к Солнцу, чем Меркурий, но и кольцо комет, летящих вокруг Солнца внутри орбиты Меркурия, и спутник Меркурия, и кольцо малых планет между орбитами Меркурия и Венеры.
Солнце полагали сплющенным, а также — в другом варианте — окруженным большим количеством диффузной материи. Каждая из этих гипотез опровергалась. Спутник Меркурия увидели бы, Солнце не может быть сплющенным в нужной для смещения перигелия Меркурия степени и т. п. и т. д.
Смещение перигелия Меркурия было, по существу, единственным наблюдаемым уклонением во Вселенной от правил небесной механики Ньютона[8]. Но астрономы были уязвлены в самое сердце. Они — и вдруг чего-то не могут объяснить!
После открытий Ньютона наука, развивавшая их, знала о небе гораздо больше, чем о Земле. Парадоксально, но это положение кое в чем сохранилось до наших дней. Кто не слышал, скажем, что элемент гелий был открыт сначала на Солнце, потом на Земле. Однако гораздо реже вспоминают, что нам лучше известен химический состав звезд, чем собственной планеты. Астрономия в течение столетий не без оснований была и остается самой уверенной в себе изо всех наук.
Великие события порой возникают по малому поводу. Принц Гамлет в трагедии Шекспира поначалу как будто осуждает норвежского принца Фортинбраса, ведущего армию воевать за «невзрачный кус, в котором барыша — лишь званье, что земля». Однако потом говорит: «…дело не стоит выеденного яйца. Но тот-то и велик, кто без причины не ступит шага, если ж в деле честь, подымет драку за пучок соломы».
Честь ученых — в стремлении сделать так, чтобы выводы теории совпадали с данными наблюдений и экспериментов. И до тех пор, пока тут нет полного совпадения, а есть расхождение хоть на волос, они не могут, не имеют права успокоиться. Затронута честь ее величества Науки! Всякий факт, не отвечающий «хорошей» теории, есть оскорбление, вызов, брошенный науке. Наука в лице своих представителей примет этот вызов, каким бы мелким ни был повод для него.
И незначительность факта, в котором следовало разобраться, часто оказывалась мнимой.
Общая теория относительности уже при рождении своем разрядила «мину Меркурия». Она указала, что перигелий Меркурия за столетие должен смещаться как раз на сорок три и одну десятую секунды за столетие. Разница с наблюдениями, как видите, составляла уже доли секунды не в год, а в век. Даже астрономия с се повышенными требованиями к точности могла позволить себе признать такой результат вполне удовлетворительным.
Французский ученый А. Арзелье, приступая к подробному разбору этой ситуации, был вправе заявить: «Мол цель — показать, из каких джунглей нас вывел Эйнштейн…»
В XVI веке Коперник вывел астрономию из «джунглей» Птолемеевой системы, данные которой не соответствовали множеству наблюдаемых фактов. В XX веке хватило одного «необъяснимого факта» в небесной механике, чтобы ради его понимания понадобилось перестроить картину мира. Конечно, дело было не только в нем, но…
Г. Бонди — физик, а не астроном, может быть, поэтому ему эта история представляется незначительной, а на первый план выходят общие принципы единства физики. Что же, они, принципы, это место заслуживают. Но конкретные факты тоже никак нельзя недооценивать.
Одно к другому — и появилась общая теория относительности, она же теория гравитации. Именно она определяет сегодняшнее состояние проблемы гравитации. Ее справедливо называют революционной, однако не будем забывать и о том, что новое учение о гравитации прочно стояло на фундаменте классической физики, корни этого учения глубоко уходят в историческую «подпочву науки».
Сегодня
Законы должны быть одинаковы всюду
«Нам уже ясно, что Земля на самом деле движется, хотя это нам не кажется, ибо мы ощущаем движение лишь при сравнении с неподвижной точкой. Если бы кто-нибудь не знал, что вода течет, не видел бы берегов и был бы на корабле посреди вод, как мог бы он попять, что корабль движется? На этом же основании, если кто-либо находится на Земле, на Солнце или на какой-нибудь другой планете, ему всегда будет казаться, что он на неподвижном центре и что все остальные вещи движутся».
Так писал в первой половине XV века Николай Кузанский, кардинал католической церкви и крупный ученый. Это, пожалуй, первое в мире четкое изложение принципа относительности движения.
По-латыни «принципиум» — основа, первоначало. Название великой книги Ньютона переводится как «Математические начала натуральной философии», а сама книга написана на латыни, и словом «начала» перелагают на русский слово «Principia». Философский словарь определяет: «В логическом смысле Принцип есть центральное понятие, основание системы, представляющее обобщение и распространение какого-либо положения на все явления той области, из которой данный принцип абстрагирован».
Словом, физики берут конкретный факт, обнаруженный в конкретных опытах, и принимают (пли, если хотите, провозглашают), что данный факт должен иметь место в любых ситуациях, аналогичных тем, где мы с ним уже встречались. Строго говоря, принцип в науке — предположение, поэтому его продолжают проверять.
Мы с вами уже встретились в этой книге с принципом относительности, встретимся с принципом, объявляющим скорость света высшей из возможных скоростей, и другими. Итак, в науке слову «принцип» придается несколько иное значение, чем в обыденной жизни. Зато отношение к принципам и тут и там одинаковое: новые принципы становятся общепринятыми с большим трудом и очень редко; и, как в жизни, их не меняют и от них не отрекаются, разве что в случае полного краха… в жизни— личности или общества, в науке — теории, а то и целой научной дисциплины.
Первым человеком, убедительно обосновавшим принцип относительности, стал Галилео Галилей. Современники ждали от него ответа на коронный вопрос противников Коперника: если Земля движется вокруг Солнца, вращаясь еще притом вокруг собственной оси, то почему это не сказывается, например, на движении падающего с башни камня — ведь «за то время, пока камень находится в воздухе, опускаясь к центру Земли, сама Земля, двигаясь с великой скоростью к востоку и неся на себе основание башни, по необходимости должна была бы оставить камень на таком же расстоянии позади себя, на какое за то же самое время ее уносит кружение…»
Галилей в «Послании к Франческо Инголи», противнику коперниканства, дал подробнейший ответ на этот и подобные вопросы. Вот одна из самых ярких и важных для понимания принципа относительности Галилея страниц: «В большой каюте под палубой какого-нибудь крупного корабля запритесь с кем-либо из ваших друзей; устройте так, чтобы в ней были мухи, бабочки и другие летающие насекомые; возьмите также большой сосуд повыше, из которого вода падала бы по каплям в другой нижний сосуд с узкой шейкой; и пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте внимательно, как эти насекомые будут с одинаковой скоростью летать по каюте в любом направлении, вы увидите, как рыбки начнут двигаться безразлично в направлении какой угодно части края сосуда; все капли, падая, будут попадать в сосуд, поставленный снизу… Когда вы хорошо заметите себе все эти явления, дайте движение кораблю и притом с какой угодно скоростью; тогда (если только движение его будет равномерным, а не колеблющимся туда и сюда) вы не заметите ни малейшей разницы во всем, что было описано, и ни по одному из этих явлений, ни по чему-либо, что станет происходить с вами самими, вы не сможете удостовериться, движется ли корабль или стоит неподвижно… Нам никогда не удается узнать по внутренним предметам, что с ним происходит; как же удастся узнать это у Земли, которая всегда находилась для нас в одном и том же состоянии?»
Все это и многое другое Галилей говорил для того, чтобы подвести своих современников к принципу, который на современном научном языке гласит: все законы механики справедливы в системах, которые движутся относительно друг друга прямолинейно и с постоянной скоростью.
Термин «относительность» стал одним из самых популярных и, конечно, благодаря широко известной ныне теории относительности. И все-таки перед тем как сесть за эту главу, автор провел опрос своих знакомых, чтобы выяснить, что, по их мнению, представляет собой принцип относительности. К специалистам-физикам он не обращался, решив, что они знают это «по положению»; не спрашивал он и самых заядлых гуманитариев, поскольку справедливо полагал, что они не знают этого — тоже «по положению». Среди опрошенных оказались инженеры самых разных специальностей, химики, врачи, архитекторы, журналисты, пишущие о науке. Некоторые из ответов отдаленно приближались к истине, некоторые не имели к ней никакого отношения, многие смельчаки сознались, что представления не имеют о том, о чем столько слышали.
Поделиться книгой: