Новая Физика Веры

Это привело к возникновению понятия атома – мельчайшей неделимой единицы материи. Согласно философской концепции великого греческого философа Демокрита, материя состоит из некоторого количества «основополагающих строительных кирпичиков» – абсолютно пассивных и по сути своей неживых частиц, между которыми находится пустота. Атомы движутся в пустоте подобно бильярдным шарам. Причина движения частиц не объяснялась, но обычно ассоциировалась с внешними силами, которые, как считалось, носили идеальный, или духовный, характер, не имея ничего общего с материей. И поскольку экспериментальная проверка этой концепции была невозможна, никто не задавался вопросом, применима ли предложенная аналогия к миру атомов.

По мере того как укоренялась идея о разделении духа и материи, философы стали все больше интересоваться духовным миром, человеческой душой и проблемами этики. Ученых же привлек материальный мир. Научные представления древних были систематизированы Аристотелем, создавшим модель Вселенной, аналогичной точно идущим часам, для изучения которой следует использовать редукционистский подход: если разбить что-либо на мельчайшие составные части, можно понять, как это работает. Хотя сам Аристотель считал, что изучение человеческой души и созерцание величия Бога гораздо важнее изучения материального мира, именно его модель механистической Вселенной использовалась западной наукой на протяжении двух тысяч лет.

Поскольку механистический взгляд на природу тесно связан со строгим детерминизмом (лат. determinare – определять), то философской основой такого взгляда стало фундаментальное разграничение между миром и человеком. В результате этого разграничения возникла уверенность в возможности объективного описания мира, лишенного упоминаний о личности наблюдателя.

В конце XV века впервые началось истинно научное изучение природы путем экспериментальной проверки умозрительных гипотез. Наука задалась целью освоить мир, в котором мы живем, дать ему такое объяснение, чтобы он выглядел безопасным и управляемым. Рост интереса к математике привел к формулированию математическим языком истинно научных теорий, основанных на экспериментальных данных. Отцом современной науки, в которой нет места человеку, является Галилей, впервые объединивший математику и эксперимент (1).

В XVII веке получило широкое признание картезианство – направление в философии и естествознании, теоретическим источником которого были идеи Рене Декарта. Картезианство окончательно разделило природу на две независимые области – область сознания и область материи. В результате картезианского разделения ученые смогли рассматривать материю как нечто неживое и полностью отдельное от них самих, а материальный мир – как огромный, сложный агрегат, состоящий из множества различных частей. Такое механистическое воззрение было воспринято и Исааком Ньютоном, который построил на его основе свою механику, ставшую фундаментом классической физики. Со второй половины XVII и до конца XIX века ньютоновская модель Вселенной была наиболее влиятельной.

В книге «Физика Веры» мы рассматривали представления Ньютона об эфире, оставив в стороне вопрос о его механистической модели Вселенной, которая в значительной степени повторяла модель Демокрита, объясняя все явления движением и взаимодействием твердых неделимых атомов, уподобленных твердым бильярдным шарам (2).

Чтобы разобраться в переходе к современной физике, которая убедительно доказала, что ньютоновская модель не может объяснить новые открытия, а ее закономерности действуют не всегда, мы предлагаем коротко вспомнить, что представляет собой механистическая модель Вселенной Ньютона, являющаяся основой классической механики.

Модель Вселенной Ньютона

Согласно модели Ньютона, все физические явления происходят в трехмерном пространстве, которое описывается евклидовой геометрией. Как утверждал Ньютон: «Само абсолютное пространство, без учета внешних факторов, всегда остается неизменным и неподвижным… Абсолютное, истинное математическое время по своей сущности течет с постоянной скоростью, не подвергаясь внешним воздействиям».

По представлениям Ньютона, в неподвижном и неизменном пространстве двигаются материальные частицы – атомы, маленькие, твердые и неразрушимые предметы, из которых состоит вся материя. Отличие представлений Ньютона от представлений Демокрита заключалось в том, что, по Ньютону, между материальными частицами действуют силы взаимодействия, очень простые и по сути зависящие только от масс и расстояний между частицами. Анализируя многочисленные данные наблюдений движения планет, Ньютон открыл закон всемирного тяготения, который явился одной из вершин классической физики.

В своей книге «Оптика» Ньютон писал:

Мне кажется вероятным, что Бог вначале сотворил материю в виде твердых, обладающих массой, цельных, непроницаемых и подвижных частиц, наделенных такими размерами, пропорциями, формами и другими качествами, которые наилучшим образом отвечают той цели, для которой Он сотворил их, и что эти частицы, будучи цельными, несравненно плотнее любого пористого тела, из них составленного; и они настолько плотны, что никогда не изнашиваются и не разбиваются, и ни одна сила не может разделить то, что Бог сотворил единым при своем первотворении (3).

Для того чтобы дать строгое математическое описание силы тяжести или гравитации, вызывающей взаимное притяжение материальных частиц, Ньютон использовал абсолютно новые понятия и математические операции дифференциального исчисления. Ньютоновские уравнения движения – основы классической механики. Считалось, что они отражают незыблемые законы, управляющие движением материальных частиц, а значит, и всеми природными явлениями. По мнению Ньютона, Бог создал материальные частицы, силы между ними и фундаментальные законы движения. Таким образом, вся Вселенная была запущена в движение и движется до сих пор подобно хорошо отлаженному механизму.

Сам Ньютон при помощи своей теории объяснил движение планет и основные свойства Солнечной системы. Тем не менее его планетарная модель была сильно упрощенной и не учитывала, например, гравитационного взаимодействия планет. Из-за этого Ньютон обнаружил в своей модели некоторые несообразности, которые он сам не мог объяснить. Однако он решил проблему достаточно просто, придя к выводу, что Бог всегда присутствует во Вселенной и исправляет эти несообразности.

Итак, основными постулатами модели Ньютона являются:

1. Пространство и время Вселенной абсолютны, но они не зависят от материальных объектов и процессов.

2. Пространство и время метрически бесконечны, однородны (свойства одинаковы во всех точках) и изотропны (независимость свойств физических объектов от назначения).

3. Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяются системы, но не мир в целом.

Парадоксы модели:

1. Гравитационный: если Вселенная бесконечна, с бесконечным числом небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большой и Вселенная в результате должна сколлапсировать.

2. Фотометрический: если существует бесконечное число небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, а этого нет.

Великий математик Лаплас поставил перед собой честолюбивую задачу: уточнить и усовершенствовать подсчеты Ньютона «и предложить окончательное описание механики Солнечной системы и настолько приблизить теорию к наблюдениям, чтобы в астрономических таблицах не осталось белых пятен».

Результатом его усилий была большая работа в пяти томах, «Небесная механика», в которой Лаплас успешно и подробно описал движение планет, лун и комет, причины приливов и других гравитационных явлений. Опираясь на ньютоновские законы движения, он показал, что Солнечная система неподвижна. Когда Лаплас продемонстрировал Наполеону первое издание своей книги, тот, как рассказывают, заметил: «Месье Лаплас, мне сказали, что этот грандиозный труд об устройстве Вселенной не содержит ни одного упоминания о Творце». На что Лаплас резко ответил: «Сир, я не нуждаюсь в этой гипотезе».

Вдохновленные блестящим успехом ньютоновской механики в астрономии, физики использовали ее для описания непрерывного течения жидкостей и колебаний упругих тел и вновь добились успеха. Даже теория теплоты получила механистическое обоснование, согласно которому теплота представляет собой энергию, порожденную сложным хаотическим движением молекул вещества. Так, при повышении температуры воды подвижность молекул возрастает до тех пор, пока они не преодолеют силы взаимного притяжения и не разделятся. При этом вода превращается в пар. Напротив, при охлаждении термическое движение замедляется, между молекулами возникает более прочная связь и образуется лед. Подобным же образом можно с чисто механической точки зрения объяснить много других температурных явлений.

Ньютоновская механика пережила свой расцвет в XVIII–XIX веках. Триумф механики Ньютона убедил физиков в том, что ее законы управляют движением всей Вселенной и являются основными законами природы и что явления природы не могут иметь другого объяснения. Тем не менее по прошествии менее ста лет стало очевидно, что ньютоновская модель не может объяснить новые открытия, а ее закономерности действуют не всегда.

А началось все с открытия и исследования явлений электричества и магнетизма, которые свидетельствовали о существовании сил неизвестной природы и не допускали механистического толкования. Это неизвестное до сих пор взаимодействие было названо полем.

Полюшко-Поле

Простейшие электрические и магнитные явления были известны еще в древние времена. Люди знали, что существуют минералы, притягивающие кусочки железа, а янтарь (по-гречески – электрон), потертый о шерсть, притягивает легкие предметы. Однако сведений об изучении этих необыкновенных явлений практически до конца XVI века не имелось. По-видимому, этими вопросами всерьез никто не занимался.

Впервые разграничил электрические и магнитные явления английский ученый У. Гильберт, который в 1600 году опубликовал свой труд «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земля». Именно благодаря Гильберту человечество узнало о существовании магнитного поля нашей планеты. В XVII–XVIII веках проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были даже построены первые электростатические машины, основанные на электризации трением, установлено существование электрических зарядов, обнаружена электропроводимость металлов, а в середине XVIII века появился первый конденсатор – лейденская банка, – который позволял накапливать большие электрические заряды.

Конец бесплатного ознакомительного фрагмента.