Физика – моя профессия - Александр Китайгородский

Характерную для современного естествознания постановку вопроса – прежде чем объяснять явление, надо его описать, – мы находим у Галилея.

Вполне сознательно оставляет он в стороне вопрос о том, почему происходит то или иное движение. Его занимает вопрос: как оно происходит? Речь идет не о том, чтобы объяснить, а о том, чтобы описать движение. Это ограничение, которое Галилей накладывает на себя, носит временный характер. Ему ясно, что вопрос о причинах движения сможет быть поставлен лишь после того, когда факты будут исчерпывающим образом описаны.

Что касается игры в слова, то понимание тщеты этого приема как способа объяснения для Галилея вполне очевидно. Вот замечательный отрывок из знаменитых диалогов между Сальвиати (говорящего устами Галилея) и Симпличио (то есть простака, представителя аристотелевской школы). Выводя своего противника на свежую воду, Сальвиати спрашивает:

– Так какова же причина, что тела стремятся к Земле?

– Каждый знает, что причина в Тяжести тел, – отвечает Симпличио.

– Вы ошибаетесь, синьор Симпличио. Надо было сказать: каждый знает, что причина эта называется Тяжестью.

И далее Сальвиати поясняет, что, давши это название явлению, мы ни на йоту не продвинулись в его понимании. И заключение – не играйте словами.

Итак, замок слов, построенный Аристотелем, разрушен.

На его месте начинает строиться здание науки, и прежде всего механики. Наступает 1687 год, выходит в свет творение гениального английского физика Исаака Ньютона «Математические начала натурфилософии». В работе изложены основные законы, которым подчиняется движение любых тел.

Любых? Будущее покажет необходимость оговорки. Но в течение следующих 200 лет накапливается множество доказательств исключительной точности законов Ньютона. Не только нет мыслей об ограниченной справедливости механики Ньютона, но, напротив, приобретается уверенность в божественной справедливости этих законов природы.

Вслед за открытием законов механики шествуют замечательные математические исследования, которые используются тут же для решения задач механики. Новые задачи в механике, в свою очередь, диктуют задания математике. Проходит совсем немного времени, и исследователи готовы ответить на вопрос, как будет двигаться тело. Для этого нужно знать только лишь начальные условия: где было тело в заданное время и какова была его скорость в этот момент. Дальнейшая судьба тела в руках ученых – законы Ньютона, облеченные в форму дифференциальных уравнений^ решат ее. Законы скажут, по какой кривой – эллипсу, параболе или другому пути – будет двигаться тело. Если вас интересует значение скорости движения, то, пожалуйста, скажите, в какой момент времени или в какой точке траектории вы желаете знать скорость движения, и уравнения Ньютона дадут ответ и на это так же, как и на любой другой вопрос о движении интересующей вас материальной частицы.

Правда, есть небольшое «но». Чтобы составить прогноз будущего, надо располагать сведениями о силовом поле, в котором находится тело. Но великий Ньютон установил не только законы движения тел. Он предоставил в наше распоряжение знаменитую формулу поля тяготения – изящную и простую, позволяющую вычислить силы взаимодействия между двумя телами, если только известны их массы и взаимное расстояние.

Поэтому первым приложением всего богатства механических и математических идей является, конечно, движение небесных светил. И успехи в объяснении поведения планет стали так замечательны, что трудно быть пессимистом и сомневаться в универсальной справедливости творения Ньютона. Триумфальным аккордом является, разумеется, расчет Урбена Леверье. История этого расчета изложена во всех научно-популярных книжках. Но пример слишком хорош, и у автора теплится надежда, что значительная часть читателей познакомится с Леверье впервые как раз на этих страницах. Итак, идет 1845 год. К этому времени рассчитаны движения всех планет. Превосходно совпадают вычисления и астрономические наблюдения. Все планеты в наперед рассчитанные мгновения находятся именно в тех точках неба, которые предписаны расчетом. Все планеты?.. Нет, не все. Капризничает Уран: эта далекая планета не слушается законов Ньютона.

Но этого не может быть! Уверенность в незыблемой справедливости законов настолько сильна, она получила уже такое множество подтверждений, что сомневаться в законах Ньютона – значит сомневаться в науке. Как же понять поведение Урана?

Видимо, рассуждает Леверье, существует еще одна до сих пор не замеченная планета. Ее силы притяжения не вошли в уравнения. На соседях, далеких от невидимки, это влияние не сказалось. Но если допустить, что неизвестная планета живет где-то по соседству с Ураном, то можно понять, почему Уран не ложится на вычисленную ему орбиту.

Тогда можно поставить обратную задачу. Надо вычислить, насколько отклоняется Уран от того пути, который ему предписывают дифференциальные уравнения. В каких-то точках Уран отходит от вычисленной траектории влево, в других – вправо. В каких-то местах траектория больше всего отклоняется от вычисленной, а в иных местах вычисление и опыт различаются немного. Но ведь по закономерностям этих отклонений мы можем выяснить, как движется неизвестная планета. Когда она близко от Урана, она действует сильнее, когда далеко – слабее. Вот такой точный расчет и произвел Леверье. Он нашел траекторию невидимой планеты и указал, в какие моменты и в каких точках неба надо ее искать. В сентябре 1846 года новая планета была обнаружена в предписанном ей месте. Семья планет пополнилась Нептуном.

Дух захватывает, когда описываешь этот великолепный пример научного предвидения. Я представляю себе чувство восторга, которое охватило естествоиспытателей – современников Леверье, когда на весь мир прозвучала новость: планета Леверье найдена. Что же касается самого автора этой работы… здесь мое воображение бессильно.

Нетрудно понять безоговорочную веру в справедливость законов механики Ньютона после такого успеха.

Но механика – лишь небольшая часть науки. Не рано ли гордиться успехами естествознания? Сколько еще существует явлений другого порядка – оптических, электрических, магнитных и прочее. И все равно законы механики превыше всего!

Так рассуждало подавляющее большинство естествоиспытателей. Разные явления отличаются друг от друга лишь видом силового поля. Уже Ньютон дал совсем неплохую классификацию сил. Кроме тяготения, он выделял магнитные, электрические, оптические, химические и когезионные силы. Задача сводилась лишь к тому, чтобы знать законы соответствующих силовых полей. Если они известны, то дальше законы Ньютона по-прежнему позволят определить судьбу тела совершенно так же, как они могут предсказать поведение планеты под действием тяготения.

Ну, а природа сил?

Как ни странно, этот вопрос мало кого волновал.

Некоторую роль в отсутствии такого интереса, вероятно, играло взаимоотношение науки с религией. И правда, вопрос этот, оставленный без ответа, всегда позволяет при желании включить в схему господа бога. Некоторые механики (Мопертюи) даже пытались доказывать существование бога, аргументируя математической выразительностью основных принципов механики. Другие заявляли, что гипотеза о существовании бога ничего не прибавляет к науке и нисколько не продвигает нас в понимании природы сил (Лаплас).

Но были и такие исследователи, которые желали навести порядок в царстве сил и свести их к одной причине.

Думать о природе сил – это значит размышлять о строении материи. Мир Демокрита, состоящий из частиц и пустоты, находил многих приверженцев. Ньютоновская механика позволила заменить наивные крючочки, связывающие атомы, силами тяготения, действующими на расстоянии. Атом стал фигурировать в сочинениях того времени как шаровидное тело. Представлялось, что взаимодействия этих невидимых шариков как-то объясняют свойства веществ.

Но в начале XVII века великий Декарт предложил другую теорию мироздания. В основе всего лежит невидимый, всепроникающий эфир. Пустоты в мире нет, все заполнено этим носителем или носителями, так как обсуждалась возможность, что каждое явление имеет свой эфир: электрическое – электрический, оптическое – световой и т. д.

Гипотеза эфира объясняла действие тел на расстоянии. И тяготение и электричество действуют самым превосходным образом в вакууме, без всякой среды. В это трудно поверить, и в особенности трудно, если, как это было доказано в XIX веке, электромагнитные действия распространяются не мгновенно: одно тело чувствовало приближение другого не сразу, а с запозданием. Ясно, что действие распространялось в чем-то, и этим «чем-то» должен быть материальный носитель.

В учении об электромагнитных полях, развитом Фарадеем, была спокойная уверенность в существовании эфира. Хотя эфир никак не участвовал в формулах, управляющих поведением электрических, магнитных и световых полей, обойтись без него казалось невозможным, и исследователи не сомневались в его реальности.