История и философия классической науки
..pdfI w a y n i з к и р и м и т а i р н |
ipw im m » И с т а Н ь и тш |
исвязанные с механическим характером той картины мира, которая проверялась, доказывалась, развивалась
иусложнялась при помощи эксперимента. Основой экспериментов и наблюдений, из которых Ньютон выводил свои законы, была идея механической карти ны мира. Суть ее сводилась к тому, что материя отли чается от пространства, материальные тела движутся в пустоте. Пустое пространство —абсолютно и неподвиж но. Перемещение в этом пространстве — абсолютное движение. Причина, вызывающая абсолютное движе ние, — сила, приложенная к телу. Она пропорциональ на ускорению. Движения небесных тел происходят под влиянием инерции и тяготения, заставляющих тела обращаться по эллиптическим орбитам вокруг цент ральных тел, к которым они тяготеют. Тяготение про порционально массам, обратно пропорционально квад рату расстояния между телами и связывает все мате риальные тела природы. Закон всемирного тяготения объясняет, почему система мира сохраняет неизмен ное движение после «первоначального толчка, которым Бог привел ее в движение».
Механическая картина мира, механика Ньютона опиралась на абстрактные категории пространства, времени, массы, силы и т. д. Их нельзя было получить из каких-то определенных экспериментов, чисто индук тивным путем. Генезис классической физики показы вает неоднозначную связь эксперимента с выбором физической теории. На примере Галилея мы уже виде ли, что закон инерции не мог быть получен из какоголибо реального изолированного эксперимента, так как он требовал представления о причинности, само же это представление опиралось на очень широкую эмпири ческую базу, оно вытекало из суммы известных тогда
свойств физического мира.
Ньютон поставил перед наукой задачу полной од нозначности. Каждая частная теория покоится на бес спорных строгих основаниях. Бесспорное, единствен но правильное, абсолютно точное объяснение приро ды — такова задача Ньютона. Поэтому требуется изучать природу при помощи законов, точность кото рых доказана экспериментально.
И §2. Онтологические проблемы нацки И.Иьютона
Важное место в творческом философско-научном наследии Ньютона занимают онтологические пробле мы, хотя они специально терминологически не выде лены как объект и предмет науки, детерминизм и т. д. Первоначальные воззрения Ньютона на строение ве щества и природу химических реакций можно было бы назвать эфирно-химическими. Воззрения позднейше го периода, напротив, динамические, основанные на идее тяготения, действующего через пустоту. Эти ко лебания и противоречия в вопросе об эфире несовме стимы с концепцией Ньютона, формулирующего зако ны природы в окончательном виде, и с представлени ями о «Началах» как о некоторых новых скрижалях завета. Подобный образ сохранился в сознании ученых, пока физика XX века не низвела систему Ньютона с пьедестала абсолютной непогрешимости на уровень аппроксимации.
Онтологические идеи, лежащие в основе механи ки Ньютона, нашли отражение, по преимуществу, в его оптических работах. С точки зрения общей истории естествознания оптика Ньютона имеет первостепенное значение, так как в ней обнажены самые глубокие, онтологические (физические, часто кинетические) по своему духу, корни классической механики.
Исходным пунктом обращения к этим проблемам (оп тическим экспериментам) Ньютона были запросы прак тики. Создатели первых крупныхтелескопов столкнулись с так называемой сферической аберрацией, в силу которой лучи, прошедшие возле краев сферической линзы, пересекаются несколько ближе к объективу, чем лучи, проходящие дальше от краев. Изучая преломле ние лучей в рефракторах, Ньютон обнаружил хрома тическую аберрацию, состоящую в том, что лучи раз ных цветов собираются в разных фокусах сзади объек тива рефлектора. Для того, чтобы избежать ее, Ньютон предложил заменить рефракторы отражательными телескопами. Свои идеи он изложил в докладе, пред ставленном Королевскому обществу, «Новая теория света и цветов». Суть исследований (эксперимента)
iMinipw зкнерииита > физин прщиш Исаи» Ниши
состояла в разложении солнечного луча стеклянной призмой. Ньютон пропускал луч через небольшое от верстие в темную комнату. Луч падал на призму, поза ди которой стоял экран. Исследуя появившийся на экране спектр, Ньютон приходит к выводу, что белый свет состоит из цветных лучей, которые, преломляясь в призме, отклоняются в разной степени. Ньютон из мерил преломление различных частей спектра. Для этого он пропускал через отверстие в экране лучи одного цвета и заставлял их падать на призму. Оказа лось, что наименьшим показателем преломления от личается красный цвет, а по направлению к фиолето вому концу спектра этот показатель возрастает.
Основные тезисы доклада, основанные на прове денных экспериментах, сводятся к следующему.
Цвет — это первоначальные прирожденные свой ства света, они вызваны не свойствами тел, прелом ляющих или отражающих световые лучи. Некоторые лучи по своей природе могут вызывать ощущения лишь определенного цвета (красного, желтого, зеле ного и т. д.).
Цвет связан с преломляемостью. Данная степень преломляемости луча соответствует определенному цвету, каждый цвет может быть вызван лишь лучами с вполне определенной степенью преломляемости.
Характерный для лучей цвет и соответствующая преломляемость не изменяются при отражении или преломлении света также и по другим физическим причинам.
При смешивании лучей различного рода происхо дит кажущееся изменение цвета, возникают новые цвета, свойственные смеси. Новые цвета, появляющи еся при смешении и разделении световых лучей, от нюдь не являются действительными превращениями.
Ньютон различает первоначальные и сложные вторичные цвета. Первоначальные цвета образуют спектр, который включает красный, оранжевый, жел тый, зеленый, синий, фиолетовый, пурпурный цвета и промежуточные оттенки. Близкие друг к другу участки спектра дают при смешивании промежуточные цвета. Цвета, которые находятся в спектре далеко друг от
друга, не дают промежуточных оттенков. Белый цвет получается при соединении -всех упомянутых выше цветов. Он представляет собой смесь лучей всех ви дов, испускаемых светящимися телами.
Ньютон объясняет различную окраску некоторых тел при перемене их положения. Различные вещества отражают свет одного рода и пропускают свет другого рода.
Ньютон заканчивает изложение своей теории ука занием на субстанциальность света: «Мы видели, что причина цветов находится не в телах, а в свете, поэто му у нас имеется прочное основание считать свет суб станцией..,»348 .
Однако Ньютон отказывается строить по этой проблеме физические гипотезы, говорящие о строгом разграничении физики принципов и физики моделей.
Теория света Ньютона исходит из существования мельчайших корпускул, которые дают на сетчатке гла за ощущение света. Каждая корпускула в зависимости от величины дает определенный цвет. Законы оптики Ньютон выводит из взаимодействия между частицами материи и световыми корпускулами. Переходя из од ной среды в другую, частицы света отклоняются в силу притяжения.
В теории света Ньютон в течение своей жизни высказывал различные гипотезы. Среди них были представления о свете как о колебаниях эфира. В 1672 году на критические замечания Гука Ньютон ответил небольшим трактатом, в котором сопоставляется вол новая теория света с теорией истечения световых ча стиц. Он набросал некоторые черты компромиссной теории, соединяющей волновые и корпускулярные представления. В дальнейшем Ньютон продолжает развивать представление об истечении частиц, вызы вающих волны в эфире. Он говорит, что в безвоздуш ном пространстве остается некоторая материальная среда — эфир, который объясняет разнообразные физические явления — магнитные, электрические и даже тяготение. Ньютон в чисто картезианском духе
246 |
348 Цит. по: Вавилов С.И. Исаак Ньютон. М.-Л., 1943. С. 47. |
описывает различные тончайшие флюиды, из которых состоит эфир.
Электрическое притяжение и отталкивание объяс няются выделением тонкого флюида при трении. Гра витационный флюид притягивает к поверхности пор вещество. Земля впитывает эфир и сгущает его в сво их порах. Распространение света связано с колебани ем эфира. Ньютон предполагает, что волны эфира имеют величину меньшую, чем стотысячная доля дюй ма. Колебание эфира поддерживает движение частиц при брожении, гниении и горении вещества. Для того, чтобы сжать свои мышцы, человек сжимает проника ющий в них эфир. В этом процессе участвует еще один ингредиент эфира— «животный эфир».
Однако по мере того как Ньютон все глубже раз рабатывает идею и теорию всемирного тяготения, он отказывается от теории эфира. В 1705 году в латин ском переводе «Оптики» он поместил дополнительный параграф, посвященный опровержению волновой те ории света и идеи эфира, заполняющего межзвездное пространство. Особенно в категорической форме он отвергает представление о материальном эфире как причине тяготения. По мнению Ньютона, физики должны пользоваться индуктивно найденными закона ми, которые, в конце концов, приведут к определению причин.
Во втором английском издании «Оптики» (1717), третьем (1721), четвертом (1730) помещены параграфы, которые допускают существование эфира (как в пер вом издании), и параграфы, где оптические законы выводятся без гипотез об эфире, оптика трактуется с динамической точки зрения. По-видимому, Ньютон в течение всей своей жизни чувствовал, что без кинети ческих моделей эфира нельзя предметно мыслить о свете, электричестве и тяготении, но в то же время остерегался связывать с гипотезой эфира свои меха нические и оптические законы, которые представля лись абсолютными и вытекали из опыта. «Математи ческие начала натуральной философии» заканчивают ся следующими словами: «Теперь следовало бы кое-что добавить о некотором тончайшем эфире, проникающем
во все сплошные тела и в них содержащемся... Но это не может быть изложено вкратце, к тому же нет и достаточного запаса опытов, коими законы действия
этого эфира были бы точно определены и показа-
ны»349.
Ньютон был твердо убежден лишь в безупречной строгости законов, гипотезам и теориям он отводил иногда чисто дидактическую роль, иногда склонялся к физическому пониманию эфира, а иногда приписывал распространение света и тяготения нематериальному агенту. Таким образом, отношение Ньютона к пробле мам эфира и пустоты было достаточно противоречивым. В физике Ньютона и физических предпосылках его механики идея пустого пространства играла более важ ную роль, чем противоположная идея — материальной среды, передающей взаимодействие тел. В своих иссле дованиях Ньютон возвращается к представлению об эфире, но в математических, механических и астроно мических построениях пространство трактуется как пустота. Что же касается теологических и философских высказываний Ньютона, то здесь речь идет о непосред ственном вмешательстве Бога в ход физических процес сов. Ученики его шли гораздо дальше, чем он сам, фор мулировали теологические выводы динамизма.
«В “Оптике", —пишет Б.Г. Кузнецов, — Ньютон на зывает пространство “чувствилищем (Sensorium) Бога"». Эта концепция была произвольным догматичес ким абсолютизированием условий абстракции дей ствия через пустоту. Идея дальнодействия связана с методом Ньютона. В его механике идея взаимной свя зи предметов природы приобрела исторически огра ниченную форму взаимодействия двух тел, вырванных из общей связи. Действие тел друг на друга сообщает им ускорения. Поэтому центральными понятиями ока зываются: сопротивление ускорению — «масса» — и пропорциональная ей причина ускорения — «сила». Весь математический и механический аппарат «Начал» приспособлен к анализу сил тяготения без учета среды.943
349 Ньютон И. М атематические начала натуральной филосо-
248 Фии.С.592.
И ш см ри я зкиврммета и ф изии нрицииив Исаака Ньштвва
«Принцип действия на расстоянии вошел в есте ствознание вместе с механикой Ньютона»350 Слож ные и часто противоречивые идеи Ньютона относи тельно эфира и пустоты приводят его, в конце концов, к практическому исключению эфира из однозначной научной картины мира.
■ §3. Теоретико-методологические основы классической механики И.Ньютона
Понятия «силы», «массы», «пространства» и «вре мени» являются основными в механике Ньютона. Эти понятия органически связаны между собой, и вне их связи невозможно осмыслить содержание каждого из них.
Исходное определение «Начал» механики Ньюто на — определение массы как количества материи. «Количество материи (масса), — пишет он, — есть мера таковой, устанавливаемая пропорционально плотнос ти и объему его»33510 .
Понятие «массы» не могло стать основой механи ки, если бы оно не приобрело количественной опреде ленности и масса не оказалась пропорциональной весу. «Определяется масса по весу тела, ибо она пропорци ональна весу, что мною найдено опытами над маятни ками, произведенными точнейшим образом, как о том сказано ниже»352, — отмечает Ньютон. Историческое значение констатации пропорциональности между весом и массой чрезвычайно велико. Она была и оста ется основой теории тяготения. Поскольку вес пропор ционален количеству материи, открывается широчай шая возможность количественного эксперимента в области теории вещества.
Вслед за материей Ньютон определяет с количе ственной стороны движение: «Количество движения
350 Кузнецов Б.Г. Развитие физических идей от Галилея до Эйн штейна в свете современной науки. С. 154 —155.
351 Ньютон И. М атематические начала натуральной филосо фии. С. 23.
352 Там же. С. 23.
есть мера такового, устанавливаемая пропорциональ но скорости и массе»353. Именно количественная сто рона и интересует Ньютона. Движение для него с са мого начала — величина, нечто, подлежащее измере нию. В пояснении оно сразу фигурирует как количество: движение целого есть сумма движений в отдельных частях. Исторически это понятие примыкает к карте зианскому пониманию количества движения.
Далее даны определения, относящиеся к понятию силы354, после чего идет «Поучение», в котором Нью тон выводит понятие абсолютного пространства.
Научная программа Ньютона не отличается прин ципиально от декартовской: она представляет собой строго продуманную систему принципов. УДекарта свойства тела сводятся к протяжению, фигуре и дви жению, причем источником движения Декарт считает Бога, а Ньютон присоединяет к перечисленным свой ствам еще одно — силу, и это последнее становится у него решающим. Сила, которой наделены все тела без исключения, как на Земле, так и в космосе, есть, по Ньютону, тяготение. «Подобно тому, как нельзя пред ставить себе тело, которое бы не было протяженным, подвижным и непроницаемым, так нельзя себе пред ставить и тело, которое бы не было тяготеющим, т. е. тяжелым»355.
Закон всемирного тяготения, вызвавший в свое время огромное количество споров потому, что современ никам Ньютона, разрабатывавшим в основном кинема тику и исходившим из непосредственного столкновения тел (например, Гюйгенс и Гук), трудно было понять принцип дальнодействия. Между тем, Ньютону и не требовался в данном случае факт непосредственного соприкосновения, так как речь шла о взаимодействии сил.
Именно сила тяготения тел есть та причина, с помощью которой, по убеждению Ньютона, можно
353 Ньютон И. М атематические начала натуральной филосо фии. С. 24.
354 Там же- С 25 26' 27' 28-30.
250 355 Там же. С. 30.•
объяснить— а не только математически описать — явления природы356. Это — та последняя причина, к которой восходит всякое физическое, или механичес кое, познание природы; сама же она, как подчеркива ют Ньютон и его последователи, в рамках механики объяснена быть не может. «Я изъяснил, —пишет Нью тон, — небесные явления и приливы наших морей на основании силы тяготения, но я не указывал причины самого тяготения. Эта сила происходит от некоторой причины, которая проникает до центра Солнца и пла нет без уменьшения своей способности и которая дей ствует не пропорционально величине поверхности частиц, на которые она действует (как это обыкновен но имеет место для механических причин), но пропор ционально количеству твердого вещества, причем ее действие распространяется повсюду на огромные рас стояния, убывая пропорционально квадратам расстоя ний. Тяготение к Солнцу составляется из тяготения к отдельным частицам его и при удалении от Солнца убывает в точности пропорционально квадратам рас стояний, даже до орбиты Сатурна, что следует из по коя афелиев планет, и даже до крайних афелиев ко мет, если только эти афелии находятся в покое. При чину же этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измыш ляю»357
Поскольку все, что невозможно объяснить с помо щью механических причин, в XVII —XVIII веках квали фицировалось как «скрытое свойство» и изгонялось из науки, то оппоненты Ньютона настойчиво требовали либо исключить «гипотезу тяготения», либо найти ей объяснение, выведя ее если не из явлений, то из более простой и понятной причины. Последователи Ньюто на защищали идею тяготения от нападок ее противни ков.
Ньютон не сразу пришел к тому пониманию силы тяготения, которое он излагает в «Началах». В течение многих лет он размышлял над природой силы, приво-
356 Там же. С. 13.
357 Там же. С. 661-662.
дящей тела в движение, но не мог дать однозначного ответа на этот вопрос. Первоначально Ньютон придер живался гипотезы всемирного эфира как той среды, с помощью которой передаются различные силы, при чем как в неживой, так и в живой природе. С помощью гипотезы эфира Ньютон объяснял в то время и приро ду тяготения, при этом не допуская действия на рас стоянии и тем самым не отходя слишком далеко от механистических принципов картезианства. Тяготение Ньютон рассматривал тогда как «универсальную силу, которая, по всей видимости, является притяжением, следующим закону обратных квадратов, хотя фактичес ки она возникает при контактном взаимодействии меж ду эфиром и материей». Механизм действия эфира на плотную материю Ньютон представлял себе примерно так: любое тело — планеты или Солнце — является носителем циклического процесса, преобразующего эфир; поток эфира постоянно падает на Землю и про никает в ее части, плотность эфира возрастает по мере потери им количества движения в процессе взаимо действия с материей Земли; сгущенный эфир вытека ет из Земли, образуя атмосферу, а затем рассеивается в эфирных пространствах, принимая первоначальную форму.
Однако даже после того, как Ньютон отказался от гипотезы эфира в своей небесной механике, он все же не отбросил эту гипотезу совсем. Во втором издании «Начал» в заключительном «Общем поучении» у Нью тона вновь появляется понятие эфира358
В течение нескольких лет Ньютон пытался найти способ объединения силы тяготения как космической силы, определяющей движения планет, с силой тяже сти земных тел. В 1685 году он открыл закон, согласно которому земной шар притягивает находящееся вне его тело так, как если бы вся масса Земли была сконцен трирована в одной точке — центре. Это открытие по зволило Ньютону подойти к точному математическому сравнению земного тяготения и космического притя-