История эфира
Шрифт:
Итак, в какой-то момент взгляды Ньютона оказались в гармонии с Природой, и он написал гениальное сочинение, в котором практически все верно. В определенном смысле это достигнуто дорогой ценой. Без философии, без интерпретации причин, лежащих в основе явлений, физика развиваться не может. Чрезвычайная осторожность, проявленная им при написании «Начал», сослужила плохую службу физике в Англии, которая почти сто лет после смерти Ньютона находилась в состоянии, близком к импотенции. Отношение к «Началам» и их создателю у англичан было похоже на религиозное поклонение, они следовали духу этого сочинения, считая, что ясный и прямой путь в науке указан в нем раз и навсегда.
В то же время путь самого Ньютона к строгим математическим концепциям «Начал» не был прямым. Чрезвычайно интересно и поучительно попытаться его проследить.
В 1661 году Ньютон начинает заносить в большую записную книгу, подаренную отчимом, свои соображения обо всем прочитанном. В книге десятки страниц посвящены религии, философии, математике, физике. Поначалу все идет вперемежку с заметками о денежных
Таким образом, уже в 1664 году Ньютон не скован традициями, принятыми в системе университетского образования, но еще должен сделав выбор между картезианством и атомизмом. Ньютон склоняется к атомизму, хотя в «Вопросах» еще нет резкой и саркастической критики Декарта, которая появится позже. Однако он выдвигает возражения против декартовой теории распространения света. (По Декарту, свет мгновенно передается за счет давления тонких частиц на столб эфира между глазом и светящимся телом. Этот столб действует, как палка, которую толкают с одного конца, в то время как другим она упирается в человеческий глаз.) Он возражает также против вихревой теории притяжения и представляет себе гравитацию как следствие «эфирного душа», иначе говоря, результатом увлечения тел потоком эфирных частиц, летящих к центру Солнца, Земли и любого большого гравитирующего объекта. (Эта идея не была новой и встречалась, в частности, у К. Дигби.) Ньютон постепенно склоняется к вере в атомы и видит их, в духе Г. Мора, как мистические тела, одновременно и точки, и частицы материи, неделимые и малые настолько, насколько вещи могут быть малы. Важно, что «Вопросы» — это не только компиляция. В них предвосхищены многие черты последующего пути Ньютона. В них уже содержится идея о простых цветах и сложной структуре белого цвета, размышления об эфире, обеспечивающей невидимые механизмы многих явлений. «Эфир заполняет все механистические философии также плотно, как он заполняет всю вселенную согласно этим философиям», — отмечает Р. Вестфаль в современном профессиональном исследовании «Силы в Ньютоновской физике» (1971). У Ньютона в середине 60-х годов эфир — причина сцепления тел и причина гравитации; позже, в 70-е годы, среди других функций эфир будет объяснять механику оптических явлений.
Эфир Ньютона и эфиры Декарта, Гассенди, Гоббса, Бойля и других философов XVII века отличаются деталями, которые не столь существенны в приложениях. Например, идея протяженной материи, как мы видели, не мешала Декарту вводить частицы, движение которых моделирует непрерывную эфирную среду. В практическом плане эфир прекрасно выдерживал как философскую непрерывность, так и атомизм.
Около 1665 года Ньютон предпринял конкретное исследование законов движения и столкновения тел, изложив результаты в той же записной книжке (статья «Об отражениях»). В этот момент молодой Ньютон очень близок к Декарту в понимании природы движения и формулирует правильные принципы, почти поднимаясь на уровень, предшествующий написанию «Начал». Через несколько лет, не сумев преодолеть практические и концептуальные проблемы, он сделает шаг назад, а вскоре надолго оставит занятия механикой. Но в 1665 году, размышляя о прямолинейном движении тел, Ньютон вводит понятие силы как внешней причины изменения движения при столкновениях. Он измеряет силу F в единицах изменения импульса тела Δmv, фактически рассматривая не силу, а импульс силы Ft, что совершенно естественно в задачах о столкновениях. Таким образом, Ньютон использует «Второй закон Ньютона» в виде Δmv = Ft. (В такой форме этот закон для отдельных задач столкновения использовался Р. Декартом и Х. Гюйгенсом, но они, так же как Ньютон в 1665 году, не осознавали его универсальный характер, не имели ясности в интерпретации понятий массы и силы.) Он формулирует также «Первый закон Ньютона» (который содержится у Декарта) в виде двух аксиом.
1. Количество (здесь количество материи в теле, эквивалент массы.— М.В.Т.), которое движется, никогда не остановится, пока не появится внешняя причина (внешняя сила).
2. Количество всегда будет двигаться по прямой, пока внешняя сила не остановит его.
Из аксиом 1 и 2 следует динамическая эквивалентность равномерного движения и покоя. Из аналогичных аксиом Декарт еще раньше вывел принцип относительности движения и (ошибочно) распространил его на все типы движения, включая круговое. Существует точка зрения, что ему это было нужно, для избежания обвинений, аналогичных тем, которые были предъявлены Галилею Святой Инквизицией. Если движение относительно, то утверждение о вращении Земли вокруг Солнца есть условность, не более, чем прием, облегчающий вычисления. С разным успехом, в другой системе координат, можно рассматривать Землю центром Солнечной системы, и Церковь может быть спокойна. Сейчас мы знаем, что именно так обстоит дело в общей теории относительности Эйнштейна, и в философском плане Декарт был прав в этом вопросе, но он не мог, конечно, сформулировать правила перехода от одной системы отсчета к другой.
В конце 60-х годов в статье «О законах движения» Ньютон пытается включить круговое движение в схему столкновений. В этой статье, в
В следующей работе, «Гравитация и равномерное движение жидкости» (конец 60-х-начало 70-х годов), Ньютон уже яростный антикартезианец. Здесь «сила — причина движения и покоя», здесь физическое движение имеет абсолютный смысл, здесь инерция — «это сила внутри тела». Идея относительности теперь вызывает у него особенно резкий протест: «Если (как у Декарта. — М.В.Т.) ни одно движение нельзя назвать истинным, абсолютным и более предпочтительным по отношению к другим, и все они, рассматриваемые по отношению к близким и далеким телам, все в равной степени условны, тогда ничего более абсурдного нельзя придумать». Предположим, развивает Ньютон эту тему, мы хотим узнать положение Юпитера год назад. Частицы среды, звезды сместились и не могут дать точку отсчета. Ясно, «что никто из тех, кто следует картезианской доктрине, включая самого Бога, не смог бы определить прошлое положение любого движущегося тела ... поскольку из-за изменения положения всех тел, само понятие места уже не существует в природе».
Для того, чтобы избежать ужасных последствий всеобщей относительности, Ньютон изобретает Абсолютное Пространство, существующее независимо от частиц материи, в котором положения тел имеют абсолютный смысл. Но если Материя для Ньютона уже не эквивалентна протяжению, если она и Пространство не сводятся одно к другому, то что же такое Материя? И здесь устами Ньютона говорит скептик, отрицающий декартову веру в возможности постижения природы разумом: «Объяснение этого должно быть более неопределенным». Он постулирует три самых общих свойства частиц материи:
они должны быть движимы,
они непроницаемы и, встречаясь друг с другом, отражаются по определенным законам,
они могут вызывать ощущения в сознании и могут двигаться сознанием.
Являются ли эти частицы телами в обычном понимании и каковы их детальные свойства, Ньютон отказывается обсуждать. Он говорит: «Так как мы уверены в нашей возможности двигать наши тела, то мы не можем отказать Богу в той же способности. Предположим, Он препятствует телам проникнуть в данную область пространства. Каким способом мы могли бы отличить такой участок пространства от тела?» Абсолютное пространство наполняется «определенным типом бытия, подобного во всем телам и чье создание мы не можем отрицать, поскольку оно во власти Бога, так что едва ли мы можем сказать, что это не тело». В итоге Бог заменяет эфир, но дает возможность действовать эфирным механизмам, которые Ньютон уже привык использовать.
К счастью, на этом уровне философские взгляды Ньютона не застывают. В наиболее явной форме следующий этап выражен в работе «Гипотезы, объясняющие свойства света» (1675), которая была послана в Королевское Общество вместе с описанием опытов по оптическим явлениям в тонких пленках.
Ньютон представляет себе природу как большую механическую систему в духе предшественников. Все пространство заполнено эфиром — средой, похожей на воздух, но гораздо разреженнее, тоньше и эластичнее. Он по-прежнему придерживается картины эфирного душа, в которой поток эфира к Земле толкает тела и вызывает видимость притяжения. Притяжение наэлектризованных тел он тоже объясняет с помощью эфирных токов, возникающих после того, как в результате трения испаряется часть эфира, конденсированного в электрических телах. Для объяснения оптических явлений Ньютону нужны вариации плотности. Эфир, согласно его представлениям, менее плотный в порах тел. Когда корпускулы света проходят сквозь эфир и встречают различные зоны плотности, они меняют .направление движения. Такой механизм позволяет Ньютону единообразно описывать законы преломления, отражения и явления в тонких пленках. Существенно, что при ударе света по границе раздела тел, которая одновременно является поверхностью перепада эфирной плотности, в эфире возникают волны. Эти волны не свет, но они влияют на распространение света. Двигаясь быстрее, чем световые корпускулы, они меняют условия последующего прохождения светового пучка. Поэтому, когда свет доходит до другого края тонкой пленки, он периодически встречает там либо зону разрежения, либо зону уплотнения. Такой механизм позволяет объяснить периодическое чередование световых полос, наблюдающееся в опытах. Таким образом, свет для Ньютона — это поток корпускул (мелких частиц), а отдельные явления в световых пучках, которые для своего естественного объяснения требуют представлений о волновой природе, он объясняет волнообразным процессом, «наведенным» в той среде, где двигаются корпускулы. (От таких эфирных механизмов для объяснения периодических эффектов в распространении света Ньютон не отказывался никогда. Позже это не помешало ему устранить эфир при описании других явлений.)