Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки
Шрифт:
Движение оставалось непостижимой тайной для древних мудрецов — их мышление было сугубо конкретным. Даже богов они наделяли человеческим обликом, а герои и чудовища выходят за пределы реального только своими масштабами: Геракл — силой, Аргус — количеством голов. Пределом абстракции для древних мыслителей было число и простейшие геометрические фигуры. В построении системы чисел они сделали лишь два шага. Простые числа, при помощи которых можно считать предметы, и простые дроби — отношения простых чисел, позволяющие делить то, что поддается делению. Когда Пифагор обнаружил несоизмеримость диагонали квадрата с его сторонами, если их размер — единица, он велел ученикам сохранить это в тайне. Существование величин, несопоставимых с простыми дробями, казалось ему ниспровержением основ. Страх перед такими величинами привел к застою математики на два тысячелетия.
Дымные костры инквизиции еще подсвечивали гнетущую ночь средневековья, когда Коперник, Кеплер и Галилей, отбросив древние предрассудки, положили начало новой науке о небесных и земных движениях.
Ньютон хорошо сказал, что ему удалось создать что-то новое только потому, что он стоял на плечах гигантов. Великолепный труд «Математические начала натуральной философии» сообщал людям суть научного метода, развитого Ньютоном на основе, заложенной Галилеем.
Вот этот метод: исходя из опыта обнаруживать «принципы» — фундаментальные свойства природы; на основе «принципов» строить законы — математические зависимости, связывающие между собой различные характеристики явлений и процессов, полученные из измерений; при помощи законов выводить следствия, поддающиеся проверке путем специально поставленных новых опытов. Этот метод и сейчас надежно служит ученым, успешно сочетаясь с методами гипотез. Конечно, речь идет не о гипотезах, придумываемых для объяснения отдельного частного явления, с которыми так страстно боролся Ньютон. Каждая гипотеза такого рода обычно требует дополнительных гипотез, объясняющих, почему новая гипотеза не противоречит другим явлениям или другим гипотезам, и этой порочной цепи нет конца. Но Ньютон сам с большим искусством создавал гипотезы другого рода. Их скорее следовало бы называть «пробными принципами». Они с самого начала строятся так, что оказываются согласующимися со множеством фактов и явлений или хотя бы с широким кругом родственных процессов, и способны вести к предсказаниям, поддающимся проверке опытом. Ко времени появления «Начал» Ньютон уже был известным и общепризнанным ученым. Но не это явилось причиной совершенно необычного успеха его книги — она оказалась распроданной так быстро, как сейчас расходятся бестселлеры, хотя это был не детектив, а сложный научный труд. Причина заключалась в революционном содержании «Начал». Впервые ученому удалось связать общими законами земные и небесные явления. Объяснить на основе механики процессы, не имеющие видимой общности с какими-либо механизмами.
«Начала» стали не только вершиной науки, но началом нового быстрого прогресса различных ее областей. Метод, созданный Ньютоном, оказался очень аффективный, а результаты, полученные им, столь эффектными, что многие поколения ученых, взяв на вооружение его метод, стремились, подобно ему, объяснить при помощи законов механики весь окружающий мир, со всеми его особенностями и част-частностямиИ это удавалось. Казалось, нет предела возможностям механического объяснения природы.
Поразительные успехи механики и ее применений к другим областям физики привели к далеко идущим последствиям. Некоторые важнейшие понятия механики Ньютона были восприняты философами и обобщены ими далеко за пределы, первоначально установленные их автором. Затем возникло то, что инженеры называют обратной связью, что зачастую ведет к возникновению самовозбуждающихся колебаний, нередко приводящих к катастрофическим последствиям. Ученые начали применять эти же понятия уже не как атрибуты механики, а как философские категории. Так случилось, в частности, с понятиями пространства, времени и причинности. Реальное пространство и время были отождествлены с абсолютным пространством и временем механики Ньютона. А причинность, трудами великого математика и механика Лапласа, была сведена к детерминизму: к жесткой связи между различными этапами механических процессов. Связи, описываемой уравнениями движения.
Сложившаяся ситуация вначале не только не мешала прогрессу науки, но и способствовала ему. Кристальная ясность и строгость уравнений механики, торжество причинности импонировали людям, склонным к исследовательской работе. Они стремились изгнать из науки малейшую неясность и произвол. Механика и ньютоновский метод познания природы всегда приводили к цели. Казалось, успехам методов механики никогда не будет конца.
Дальнейшее в существенной мере покоится на новаторских работах Фарадея. Этот гениальный самоучка не получил систематической подготовки и в течение всей жизни испытывал трудности в области высшей математики. К счастью, в то время еще удавалось сделать многое на основе элементарных расчетов. Конечно, и тогда требовалась способность интуитивного понимания связей, скрытых за явлениями природы. В этом отношении равным Фарадею был впоследствии, по-видимому, лишь Бор. Фарадей, подобно Ньютону, интуитивно чувствовал неудовлетворенность оттого, что для объяснения взаимодействия тяжелых тел и электрических зарядов приходится привлекать дальнодействуюшие
Более того, в 1820 году Эрстед обнаружил доселе неведомую силу, никак не укладывающуюся в ряд уже изученных сил, действующих не только в механике, но и в экспериментах с электричеством и магнетизмом. Все силы, с которыми встречались физики: сила тяготения, сила электростатического притяжения или отталкивания, сила притяжения или отталкивания полюсов магнитов и другие действовали по прямым, соединяющим тела — источники силы. Это позволило Ньютону, а затем его последователям применить геометрию и математику для формулировки законов действия сил. Так возник закон тяготения и его близнец — закон Кулона, определяющий взаимодействие наэлектризованных тел.
Эрстед изучал влияние электрического тока на намагниченную иглу. Он протянул прямолинейный провод вдоль стрелки компаса, указывающей на север и юг. Когда провод был присоединен к электрической батарее, стрелка компаса повернулась поперек своего начального положения. Эрстед был потрясен. Он понял, что сила, действующая между магнитным полюсом и элементом тока, направлена не вдоль соединяющей их прямой, а в поперечном направлении. Эрстед назвал эту силу «поворачивающей силой». Статья Эрстеда была написана по-латыни. В то время мода на латынь миновала и большинство научных журналов выходило на живых языках. Переводчик, а он, несомненно, был ученым, работавшим в близкой области, не был уверен в том, что правильно понял Эрстеда, и в примечании дал латинский оригинал той части его статьи, где говорилось о «поворачивающей силе». В таком же замешательстве были и читатели. Экспериментаторы проверили и подтвердили опыты Эрстеда. Био и Савар установили зависимость этой силы от расстояния, а затем была определена и ее зависимость от силы тока. Но причина «поперечности» направления действия силы оставалась совершенно непонятной.
Так появился первый факт, противоречащий самому духу ньютоновской механики.
Следуя методам Ньютона и используя гипотезу светоносного эфира, Фарадей объяснил явление магнетизма действием особых натяжений эфира. Ему удалось сделать еще один шаг. Огромный шаг. Связать между собой электрические и магнитные явления. Так возникли законы электромагнитной индукции.
Следующий шаг сделал Максвелл. Он тоже следовал методам Ньютона: отыскивать в явлениях природы общие принципы, получать из них законы, выраженные на языке математики, и извлекать из них следствия, доступные опытной проверке. При этом, однако, он смело прибегал к гипотезам и к тому, что теперь иногда называют «экспериментальной математикой», или методом математических гипотез. Он смело вводил в уравнения новые члены, добиваясь симметрии уравнений и придавая им такой вид, который лучше соответствует всей совокупности опытных фактов. При этом Максвелл искусно опирался на метод аналогий, на механические модели, ибо он стремился строить теорию электричества и магнетизма на основе механики Ньютона.
Исходным принципом было единство электрических и магнитных явлений, установленное Фарадеем. Оно требовало объединения известных ранее, но выступавших как независимые, законов электричества и магнетизма: закона Кулона, описывающего взаимодействие между электрическими зарядами; закона индукции Фарадея, объяснявшего, каким образом движущийся магнит возбуждает электрический ток в металлических проводниках. Максвелл сумел найти недостающие зависимости и описать все эти разрозненные законы при помощи единой системы из четырех взаимосвязанных уравнений. Самым трудным при этом, требовавшим не только гениального предвидения, но и смелости, явилось введение в одно из уравнений дополнительного члена, никак не связанного с известными законами и, более того, с известными явлениями. Этот член нужен был для придания уравнениям симметрии, для достижения чисто математической завершенности.
Современникам, да и многим потомкам этот член казался совершенно абсурдным, ибо он соответствует электрическому току, проходящему через пустоту. Явление невиданное и казавшееся невозможным. Абсурдный член сыграл в истории развития знаний роль, аналогичную той, которая впоследствии выпала на долю легендарной «аш» (h) Планка. Чисто формальный шаг привел к пониманию физической картины Вселенной.
Максвелл не сразу осознал, что уравнения подсказали ему возможность самостоятельного существования в пустом мировом пространстве электромагнитных волн. Максвелл не сразу поддался обаянию простой картины мира, нарисованной его уравнениями. Для него было естественнее предположить, что электромагнитные волны являются движущимися волнами эфира. Ведь Максвелл, как и все его современники, находился под глубоким влиянием механики Ньютона и считал высшей целью науки объяснение всех явлений природы при помощи механики. Поэтому он настойчиво пытался построить механическую модель, способную отобразить все электромагнитные явления, в том числе и электромагнитные волны. Сохранились многочисленные эскизы различных механических конструкций, созданных воображением Максвелла на основе его уравнений. Многие из них представляют собой бесконечные наборы различных связанных между собой шестеренок, скомбинированных так, чтобы они моделировали волновые движения. Теперь нам, живущим в совершенно иную эпоху, кажется удивительным и странным, как гениальный создатель электродинамики мог надеяться на то, что ему удастся представить оптические явления при помощи комбинации движений множества шестеренок! Осознать это можно, лишь вспомнив, в какую эпоху он учился и творил.