Физическая картина мира классической науки
Натурфилософская система Аристотеля лежала в основе общепризнанной картины мира на протяжении почти двух тысяч лет, до XVI в. В средние века Фома Аквинский объединил систему Аристотеля с христианской теологией. Лишь в эпоху Возрождения большинство философов и ученых стало считать приоритетной картину мира Платона.
Наступившая в XVI—XVII вв. новая историческая эпоха поставила в центр научных интересов астрономию и астрологию. В развитии первой нуждались мореплаватели, требовалось также уточнить календарь — расчет дней равноденствия, пасхалий, разобраться с вопросом об угловых размерах Луны и т.п. Что касается астрологии, то в этот век, когда все были суеверны, ее услуги пользовались большим спросом.
За решение первой задачи взялся Н. Коперник, который в своей книге «De Revolutionibus orbium coelestium» («Об обращении небесных сфер») вновь вернулся к обоснованию гелиоцентрической системы мира. «В таком великолепнейшем храме, — писал он, — кто мог бы поместить этот светильник в другом лучшем месте, как не в том, откуда он может одновременно все освещать. Конечно, именно так Солнце, как бы восседая на царском троне, правит обходящей вокруг него семьей светил». Сформулированные Коперником постулаты о движении небесных светил вокруг Солнца потребовали внести серьезные изменения в физику Аристотеля, где признавалась потенциальная бесконечная делимость, но отрицалась актуальная «бесконечность большого тела». «Великий круг», орбита Земли, — писал Коперник, — по отношению к звездной сфере подобен точке. Так было положено начато представлению о возможной бесконечности Вселенной, идее, которую воспримет и разовьет Дж. Бруно.
В расхождении с физикой Аристотеля современники Коперника, как философы, так и астрономы, увидели явную слабость системы мира Коперника. Правда позже именно эта слабость обернулась ее силой, так как послужила одной из предпосылок смены физической парадигмы. В мировоззренческом смысле система Коперника знаменовала освобождение науки от теологии, а также означала возврат от Аристотеля к Пифагору и Платону.
Над развитием идей Коперника о бесконечности Вселенной размышляли Николай Кузанский и Джордано Бруно. У Вселенной нет центра, считал Николай Кузанский, поскольку она потенциально бесконечна. Дж. Бруно сделал следующий шаг и заявил, что Вселенная бесконечна актуально, а мир и Бог — это одно и то же. Не нужна, согласно Бруно, и гипотеза Аристотеля о различии материи и формы — это также одно и то же. Но прославила Бруно на века другая идея — концепция множественности обитаемых миров.
Ученый мир долго не мог принять систему Коперника не только по мировоззренческим основаниям, по и по чисто астрономическим, гак как она плохо соответствовала реальным астрономическим наблюдениям положения планет. И это было неизбежным следствием предположения Коперника о круговом характере орбит, по которым планеты и Земля вращались вокруг Солнца. Здесь каноник Коперник оказался заложником религиозного мировоззрения, согласно которому на небе, вблизи Бога, траектории движения всех тел должны быть совершенными, а наиболее совершенной замкнутой кривой могла быть только окружность. Один из противников коперниканской системы, знаменитый датский астроном Тихо Браге придумал собственную систему мира, поместив в центр Вселенной Землю и заставив крутиться вокруг нее Луну и Солнце, вокруг которого в свою очередь вращались уже все остальные планеты. Система Браге была своеобразным компромиссом между концепциями Птолемея и Коперника. Стремясь опровергнуть Коперника, Браге полжизни потратил на то, чтобы составить новые звездные таблицы, более точные, чем не только у Коперника, но и у Птолемея. Уже после смерти Браге его ученик Иоганн Кеплер, используя эти таблицы, открыл, наконец, истинные траектории движения планет вокруг Солнца — это были не окружности, а эллипсы. Только благодаря открытиям Кеплера гелиоцентрическая система получила окончательное признание у астрономов.
Галилео Галилей был первым ученым, который посмотрел на небо через телескоп, или perspicilium, как он его называл. Это позволило ему сделать множество открытий, обогативших астрономию: спутники Юпитера, горы на Луне, пятна на Солнце, кольца Сатурна. Млечный путь оказался множеством звезд. В 1572 г. Галилей наблюдал вспышку сверхновой и доказал, что звезды не вечны.
Вершиной картины мира классической науки явилась система физики, построенная Исааком Ньютоном и описанная в его главной книге «Philosophia Naturalis Principia Mathematica» («Математические начала натуральной философии»), опубликованной в 1686 г. Космология Ньютона была основана на законе всемирного тяготения, выраженном формулой
где F — сила тяготения;
G — гравитационная константа;
т]т2 — массы взаимодействующих тел;
R — расстояние между ними.
В основе ньютоновой картины мира лежали также три закона механики (закон инерции, дифференциальный закон движения, выраженный формулой F= та, закон равенства сил действия и противодействия), принцип дальнодействия (возможность мгновенной передачи воздействия от одного тела к другому), признание в качестве субстанции не только материи, но и пространства и времени, утверждение эвклидова характера свойств пространства и времени, полной независимости свойств последних как друг от друга, так и от материи.
Используя математический аппарат своей теории, Ньютон сумел показать ее огромный научный потенциал: доказал с ее помощью законы небесной механики Кеплера, разработал теорию движения Луны и комет, объяснил механизм возникновения приливов и приплюснутую с полюсов форму Земли. Космология Ньютона стала первой в истории науки по-настоящему всеобъемлющей и научной системой мироздания.
Окончательное оформление эта система мира получила к концу XVIII в., благодаря трудам блестящей плеяды французских и немецких ученых: А. Клеро, М. Эйлера, Ж. Лагранжа, II. Лапласа. В частности, математик и астроном Лаплас разработал высказанную ранее философом И. Кантом гипотезу и создал динамическую модель возникновения солнечной системы из первоначальной газовой туманности.
К рубежу XVIII и XIX вв. ученые уже верили, что классическая механика в состоянии решить любые проблемы научной картины мира. Казалось, что полностью оправдываются слова об авторе «Начал»: «Ньютон был не только величайшим, но и счастливейшим из смертных, ибо систему мира можно создать только один раз». Были предприняты попытки объяснить на основе законов и понятий механики все основные физические явления: теплоту, свет, электричество, магнетизм и др. В частности, явления переноса теплоты объясняли с помощью механической субстанции — теплорода, были придуманы и другие подобные жидкости — электрические, магнитные субстанции и др.
Положение начало меняться позже в связи с успехами термодинамики. В середине XIX в. Р. Майер, Дж. Джоуль и Г. Гельмгольц открыли закон сохранения энергии. Используя этот закон, А. Эддингтон предложил первую научную теорию, объясняющую, почему горят звезды. Согласно его теории, источник энергии звезд — превращение в тепло энергии гравитационного сжатия. Лишь в XX в. станет ясно, что этот механизм недостаточен, что необходимо также учитывать поступление в недра звезд энергии, выделяющейся при термоядерной реакции превращения протонов в ядра гелия.
В 1824 г. Сади Карно открыл второе начало термодинамики, т.е. закон возрастания энтропии — меры неупорядоченности систем — во всех необратимых процессах. Используя этот закон, А. Эддингтон сформулировал критерий, определяющий направление времени во Вселенной: стрела времени есть свойство энтропии и только ее одной.
Другое следствие из второго начала термодинамики сформулировал Р. Клаузиус, выдвинув гипотезу «тепловой смерти» Вселенной: история мира завершится, когда вследствие непрерывно продолжающегося роста энтропии он достигнет состояния термодинамического равновесия, т.е. абсолютного покоя. «И тогда стрелка на часах времени упадет», — добавил к этому Эддингтон. Поскольку физики исходили из предположения, что мир существует бесконечно, то возникал естественный вопрос, почему этого уже не случилось. Л. Больцман — один из основоположников статистической физики — попытался снять этот парадокс, предположив, что наш мир — это не более чем гигантская флуктуация в необъятной Вселенной, которая в целом уже давно мертва. Действительное решение проблемы удалось получить много позже, используя идеи теорий самоорганизующихся систем.
Все эти открытия существенно обогатили картину мира, но не привели к смене механистической парадигмы. По словам Гельмгольца, научное познание мира будет завершено «по мере того, как будет выполнено сведение явлений природы к простым силам и будет доказано, что это единственно возможное сведение, которое допускают явления».
Не изменилась эта точка зрения и после того, как Джеймс Кларк Максвелл, обобщая открытия А. Ампера, К. Эрстеда и М. Фарадея, сформулировал законы электромагнетизма. Из уравнений Максвелла следовало важное предсказание: в пустоте должны распространяться электромагнитные волны. В 1888 г., спустя 20 лет после опубликования теории Максвелла, Г. Герц экспериментально доказал существование этого фундаментального физического явления.
Возникал вопрос, что же является носителем электромагнитного поля в пустоте? Сам Максвелл считал, что эту функцию выполняет эфир. «Не может быть сомнений, писал он, — что межпланетное и межзвездное пространство не является пустым, а заполнено некоторым несомненно наиболее крупным и, возможно, самым однородным из всех других тел».
Эта загадочная субстанция — эфирное море — должна была обладать парадоксальными свойствами: она должна быть почти абсолютно твердой, так как скорость света очень велика, но одновременно не должна оказывать никакого сопротивления движению небесных тел. Передавая свет и другие электромагнитные волны, эфир в то же время должен был быть абсолютно прозрачным. Все это изрядно запутывало классическую научную картину мира.
Чтобы внести ясность в эти вопросы, попытались опытным путем обнаружить существование эфира. Решить эту задачу можно было, воспользовавшись тем обстоятельством, что уравнения Максвелла, в отличие от законов механики Ньютона, были не инвариантны относительно системы отсчета. Эту идею использовали А. Майкельсон и Э. Морли, осуществившие в 1887 г. интерферометрическое сравнение пучков света, распространявшихся поперек движения Земли и вдоль него. Итог опытов был сформулирован Майкельсоном в следующих словах: «Было продемонстрировано, что результат, предсказываемый теорией неподвижного эфира, не наблюдается, откуда с необходимостью следует вывод об ошибочности данной гипотезы».
На этом проблемы картины мира классической науки не закончились. Из термодинамики и законов электромагнетизма следовало, что максимальная интенсивность излучения черного тела должна приходиться на коротковолновую область спектра. Эксперимент дал прямо противоположный результат: в этой области наблюдался минимум излучения. Столь резкое расхождение теории с экспериментом получило название «ультрафиолетовой катастрофы». Однако все эти неудачи, как ни странно, мало повлияли на веру большинства ученых в истинность картины мира классической науки.
Знаменитый физик лорд Кельвин (У. Томсон), встречая новый XX век, произнес тост за успехи физики, оптимистично заявляя, что развитие теоретической физики по существу подходит к концу. На ее в целом ясном небосводе осталось всего лишь два облачка: неудача опыта Майкель- сона — Морли и «ультрафиолетовая катастрофа».
Однако жизнь распорядилась иначе. Небольшие тучки оказались симптомами грозы — надвигающейся революции в физике и началом радикального пересмотра всей прежней научной картины мира. Из первого упомянутого лордом Кельвином «облачка» родилась вскоре теория относительности, а из второго — квантовая механика.
