Геннадий Горелик - Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации
Почему философ О. Конт так уверен? Потому что он не просто философ, а создатель «окончательной» философии — позитивно научной. В его «Курсе позитивной философии» наибольшую часть составляет описание всех наук, начиная с точных: математики, астрономии, физики, химии. Он уверенно рассуждает о научных материях, о заслугах и недоработках людей науки, вводит собственные термины, как, например, «барология», «термология», «электрология». При этом обходится без формул. Изучив все науки, он понял, что именно движет научным познанием:
В науке имеется гармония между нашими потребностями и нашими знаниями. Нам нужно знать лишь то, что действует на нас так или иначе, и воздействие на нас становится, в свою очередь, нашим средством познания…
Для нас чрезвычайно важно знать законы Солнечной системы, и в этом мы достигли высокой точности; а если знание звездной вселенной запретно для нас, то ясно, что оно нам и не даст ничего, кроме удовлетворения нашей любознательности.
Важны, стало быть, лишь потребности реальные, практические, материальные, а не простая любознательность.
Максвелл думал иначе:
Не потому, что мы химики или физики, нас притягивает к сути всего материально сущего, а потому, что все мы принадлежим к роду человеческому, наделенному стремлением все глубже и глубже проникать в природу вещей.
О том же сказал Андрей Сахаров: «Из любопытства выросла фундаментальная наука». И первой ее целью назвал ее саму: «Наука как самоцель, отражение великого стремления человеческого разума к познанию. Это одна из тех областей человеческой деятельности, которая оправдывает само существование человека на земле». И лишь второй целью назвал практическое значение науки.
Быть может, с философской точки зрения, все это и неверно, но физики, пожалуй, лучше знают, что движет ими в исследовательской работе. Стоит напомнить: Максвелл и Сахаров не были чистыми теоретиками. Первой научной проблемой, за которую взялся Максвелл, было восприятие цвета, и результатом его исследований стала первая в истории цветная фотография. Научно-техническая карьера Сахарова началась с изобретения прибора по магнитному контролю качества, а первую славу ему принесло изобретение термоядерной бомбы и термоядерного реактора.
Философ О. Конт ничего не открыл и не изобрел в науке и технике, а, строя свою научную и последнюю философию, считал, что с наукой в общем-то уже все ясно и пора подводить философский итог всем наукам. Серьезных нерешенных проблем он не видел, а мелкими вопросами философу заниматься не к лицу. Не упомянул он, в частности, линии Фраунгофера, открытые за 20 лет до основания «позитивной философии». А ведь странные темные линии в солнечном спектре говорили нечто о Солнце, пусть пока и непонятное. Можно было думать, что, расшифровав эти линии, физики узнают нечто о составе этого небесного тела. И тогда философский прогноз непознаваемости не был бы так смешон для нынешних читателей.
По мнению философа, наука работает просто. «Со времен Бэкона, — напомнил он, — все здравые умы повторяли, что не может быть никакого реального знания кроме как на основе наблюдаемых фактов». А добывает реальное знание наука, «изучая законы явлений, т. е. неизменяемые отношения их последовательности и сходства, для чего использует рассуждения и наблюдения, надлежаще соединенные. Объяснение фактов — это просто установление связи между отдельными явлениями и некоторыми общими фактами, число которых постоянно уменьшается по мере прогресса науки».
Вот и все. И никаких чудес. Вспоминаются слова Эйнштейна о позитивистах, «гордых тем, что не только избавили этот мир от богов, но и разоблачили все чудеса».
Фрэнсис Бэкон, конечно, был прав, подчеркивая наблюдательную основу естествознания. И дважды прав в ту эпоху, когда царила аристотелевская «словесная» наука. Но свести науку к наблюдениям — подобно тому, чтобы свести балет к упражнению мышц. Кроме наблюдений, в фундаментальной физике необходим талантливый человек, который, размышляя над опытами, иногда — чудесным образом — изобретает понятия, прямо не наблюдаемые, но позволяющие связать опытные факты.
Так Галилей «изобрел» пустоту, а Ньютон — всемирное тяготение. Так была «изобретена» молекула, хоть и с древнеатомной подсказкой.
Следующее чудо совершил Максвелл, изобретя электромагнитное поле.
Электричество, магнетизм и электромагнетизм
Слово «электромагнитный» возникло в 1820 году, за 10 лет до рождения Максвелла, когда датский физик Эрстед обнаружил связь между электрическими и магнитными явлениями. Делая опыт с электрическим током, он заметил, что магнитная стрелка, случайно оказавшаяся рядом, слегка поворачивается при включении и выключении тока. То, что новое явление открыл именно Эрстед, — случайность, но само открытие было долгожданным. Впрочем, не так уж и долго — около трех десятилетий. А сами электрические и магнитные явления были известны уже более двух тысячелетий, и ничто не указывало на их связь. Они совершенно непохожи. Электричество возникало при натирании, например, янтаря мехом, а магнитным свойством обладали некоторые «камни».
За три десятилетия до открытия Эрстеда в изучении электричества и магнетизма произошло важное событие — появились количественные законы. Французский физик Кулон измерил силу, действующую между двумя электрическими зарядами, и силу, действующую между двумя магнитными зарядами-полюсами. Оказалось, что два эти закона одинаково определяют притяжение и отталкивание соответствующих зарядов, что намекало и на какую-то общность двух разных явлений. Намек оправдался в 1820 году, когда Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнит. Следовало найти закон, как это действие зависит от силы тока и от расположения магнита.
Следующий шаг сделал французский физик Ампер. Он обнаружил, что магнит действует на ток, а ток, идущий по проволочной спирали, действует как постоянный магнит. Отсюда он сделал вывод, что никакого магнетизма, в сущности, нет, что каждый магнит — это множество внутренних круговых токов, скажем, молекулярного масштаба. Приняв эту новейшую идею, знакомый уже нам философ О. Конт назвал электрологией всю область электрических и магнитных явлений.
Придумать название области проще, чем открыть законы, управляющие ею. Закон взаимодействия двух токов удалось сформулировать, но был он гораздо сложнее закона Кулона и никак с ним не связан. Получалось, что неподвижные заряды взаимодействуют по одному закону, а начиная двигаться — по другому.
Еще одна странность была в том, что закон Кулона в точности повторял закон всемирного тяготения с тем лишь отличием, что тяготение — всегда притяжение, а в электричестве и магнетизме бывает еще и отталкивание. Взаимодействие токов напоминало гравитацию своим действием на расстоянии. Иначе и быть не могло: все находились под впечатлением великих успехов Ньютона.
Сам-то Ньютон, размышляя над движением планет, принял дальнодействие отнюдь не с легким сердцем. Не зря с этой идеей конкурировала очень наглядная вихревая гипотеза — идея близкодействия. Видя на ровной поверхности реки крутящуюся щепку, резонно думать, что в данном месте водоворот, который и движет щепку. Аналогично, видя вращение планет, предполагали, что в пространстве вокруг Солнца вихри чего-то невидимого несут с собой все планеты. На роль источника такого небесного вихря претендовало Солнце, вращение которого обнаружил еще Галилей. А саму невидимую материю называли «эфир» — аристотелевское слово для небесного материала. Оставалось выяснить законы эфирного движения. Главным автором вихревой идеи был Рене Декарт — великий французский математик, физик и философ.
Несколько десятилетий Британию и континент разделяло, помимо пролива Ла-Манш, еще и различие в представлениях о причинах планетного движения. Наука Британии приняла не наглядный, но точный закон всемирного тяготения, а наука континентальной Европы надеялась найти наглядное вихревое объяснение. Бесплодность этих надежд и плодотворность не-наглядного закона сделали свое дело, отправив невидимые вихри в архив истории.
Полтора века спустя, ко времени Максвелла, континентальные физики, став бо́льшими ньютонианцами, чем сам Ньютон, искали законы электричества и магнетизма лишь в Ньютоновых рамках. Они готовы были как угодно усложнять законы, лишь бы не выйти за эти проверенные рамки.
Самой впечатляющей проверкой стало открытие планеты Нептун в 1846 году — открытие почти чисто теоретическое, как говорилось, на кончике пера. «Почти», потому что путь к открытию начался с малых нестыковок наблюдений и теории. Планета Уран двигалась не совсем так, как ей полагалось. Тогда астрономы предположили, что причина нестыковок — неизвестная планета, своим притяжением сбивающая Уран с «пути истинного». За дело взялись астрономы-теоретики и, пользуясь лишь законами Ньютона, вычислили, куда надо направить телескоп, чтобы увидеть новую планету. Астрономы-наблюдатели направили и увидели!
