Классическая физика

Мировоззрение, опровергнутое открытиями современной физики, основывалось на ньютоновской механистической модели Вселенной. Эта модель была мощным каркасом классической физики и основой всех наук и натурфилософии.

Согласно Ньютону, все физические явления происходят в трехмерном пространстве, описанном евклидовой геометрией. Это абсолютное неизменяющееся пространство, всегда находящееся в состоянии покоя. Как утверждал Ньютон: «Само абсолютное пространство, без учета внешних факторов, всегда остается неизменным и неподвижным» [8, 7]. Все изменения в физическом мире описывались в терминах абсолютного времени — особого измерения, не имеющего связи с материальным миром и различающего прошлое, настоящее и будущее. «Абсолютное, истинное математическое время, по своей сущности, течет с постоянной скоростью, не подвергаясь внешним воздействиям» [8, 36] — утверждал Ньютон.

По представлениям Ньютона, в этом пространстве двигаются материальные частицы — маленькие, твердые и неразрушимые предметы, из которых состоит вся материя, и которые фигурируют в математических уравнениях в качестве «точек массы». Эта модель очень похожа на модель греческих атомистов. Обе они различают полное и пустое, материю и пространство и предполагают, что форма и масса частиц неизменяемы. Таким образом, материя вечна и изначально пассивна. Важное отличие ньютоновской модели от демокритовой заключается в том, что она точно описывает силы взаимодействия между материальными частицами. Эти силы очень просты по своей сущности и зависят только от масс и расстояний между частицами. Сила притяжения, по мнению Ньютона, тесно связана с телами, между которыми действует, причем действует она постоянно и на любом расстоянии. Подобные представления кажутся нам сегодня довольно странными и произвольными, но в те времена никто не пытался предложить что-либо взамен, поскольку считалось, что частицы и силы были созданы Богом и не подлежат анализу.

Ньютон говорит о сотворении мира в своей «Оптике»: «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» [21, 76]. Согласно Ньютону, все физические явления сводятся к движению материальных точек в пространстве, вызванному их взаимным притяжением, то есть силой тяжести, или гравитацией. Для того, чтобы дать строгое математическое описание этой силы, Ньютону пришлось использовать абсолютно новые понятия и математические операции дифференциального исчисления. Эйнштейн высоко оценивал значение великих трудов Ньютона, называя их величайшим интеллектуальным достижением, которым когда-либо был обязан мир одному человеку".

Основа классической механики — ньютоновские уравнения движения. Считалось, что они отражают незыблемые законы, управляющие движением материальных точек, 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.

Механистический взгляд на природу был тесно связан со строгим детерминизмом. Огромный космический механизм был подчинен определенным законам. Все происходящее имело свою причину и приводило к определенному результату, и, в принципе, досконально зная состояние системы на данный момент, можно было с уверенностью предсказывать ее будущее. Эта уверенность звучит в словах французского математика Пьера Симона Лапласа: «Интеллект, располагающий точными и подробными сведениями о местонахождении всех вещей, из которых состоит мир, и действии всех природных сил и способный подвергнуть анализу столь огромное количество данных, смог бы запечатлеть в одной и той же формуле движение самых больших тел во Вселенной и мельчайших атомов: для него не оставалось бы неясностей, и будущее, как и прошлое, показалось бы ему настоящим» [8, 122].

Философской основой строгого детерминизма было фундаментальное разграничение между миром и человеком, введенное Декартом. Как следствие этого разграничения, возникла уверенность в возможности объективного описания мира, лишенного упоминаний о личности наблюдателя, и наука видела в таком объективном описании мира свой идеал.

Ньютоновская механика пережила свой расцвет в восемнадцатом-девятнадцатом веках. 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. Он решил проблему, придя к выводу, что Бог всегда присутствует во Вселенной, чтобы исправлять эти несообразности.

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» [40, 2371. Результатом его усилий была большая работа в пяти томах, «Небесная механика», где Лаплас успешно и подробно описал движение планет, лун и комет, причины приливов и других гравитационных явлений. Он показал, что из ньютоновских законов движения следует, 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: «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. Наконец, 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 преодолевают сил взаимного притяжения и не разделяются. 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.

 

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.

Все началось с открытия и исследования явлений электричества и магнетизма, которые не допускали механического толкования, свидетельствуя о существовании сил неизвестной до этого разновидности. Важный шаг был сделан Майклом Фарадеем и Клерком Максвеллом — первый из которых был одним из величайших экспериментаторов в истории науки, а второй — блестящим теоретиком. Когда Фарадей поднес к медной катушке магнит и вызвал в ней электрический ток, преобразовав таким образом механическую работу в электрическую энергию, наука оказалась в тупике. Этот фундаментальный эксперимент дал рождение разнообразной электрической инженерии и стал основой для теоретических размышлений Фарадея и Максвелла, плодом которых стала целая теория электромагнетизма. Фарадей и Максвелл, исследовав эффекты действия сил электричества и магнетизма, в первую очередь заинтересовались их природой. Они заменяли понятие «силы» понятием «силового поля» и первыми вышли за пределы физики Ньютона.

Вместо вывода о том, что два противоположных заряда притягиваются точно также, как две «точки массы» в ньютоновской механике, Фарадей и Максвелл сочли более приемлемым утверждать, что каждый заряд создает вокруг себя особое «возбуждение», или «состояние», так что противоположный заряд, находящийся поблизости, испытывает притяжение. Состояние способное порождать силу, было названо полем. Поле создает каждый заряд независимо от присутствия противоположного заряда, способного испытать его воздействие.

Это открытие существенно изменило представление о физической реальности. Ньютон считал, что силы тесно связаны с телами, между которыми они действуют. Теперь же место понятия «силы» заняло более сложное понятие «поля», соотносившееся с определенными явлениями природы и не имевшее соответствия в мире механики. Вершиной этой теории, получившей название электродинамики, было осознание того, что свет есть не что иное, как переменное электромагнитное поле высокой частоты, движущееся в пространстве в форме волн. Сегодня мы знаем, что и радиоволны, и волны видимого света, и рентгеновские лучи — не что иное, как колеблющиеся электромагнитные поля, различающиеся только частотой колебаний, и что свет — лишь незначительная часть электромагнитного спектра.

Несмотря на новые открытия, в основе физики все еще лежала механика Ньютона. Сам Максвелл пробовал объяснить результаты своих исследований с механистической точки зрения, считая поле напряженным состоянием эфира — очень легкой среды, заполняющей все пространство, а электромагнитные волны — колебаниями эфира. Это было вполне естественно, так как в волнах обычно видели колебание какой-либо среды: воды, воздуха и так далее. Однако Максвелл одновременно использовал несколько механистических объяснений своих открытий, очевидно, не воспринимая ни одного всерьез. Видимо, он интуитивно чувствовал, если и не говорил этого открыто, что главное в его теории — поля, а не механистические модели. На этот факт через десять лет обратил внимание Эйнштейн, заявивший, что эфира не существует, и что электромагнитные поля имеют свою собственную физическую природу, могут перемещаться в пустом пространстве и не относятся к явлениям из области механики.

Итак, в начале двадцатого века физика располагала двумя признанными теориями, каждая из которых объясняла природные явления лишь в одной разновидности; механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла. Ньютоновская модель уже не была единственной опорой физики.