Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики: читать начало книги онлайн

Аксиома о «естественном месте» казалась грекам весьма полезной. Предположив, что такое естественное место существует, казалось разумным предположить, что всякий раз, когда объект оказывается вне своего естественного места, он старается вернуться в него, как только представится случай. Например, камень, который мы держим в руке, в воздухе дает нам понять о своем «желании» вернуться на поверхность земли — свое естественное место — силой, которой он давит на нашу руку. Из этого можно сделать вывод, что он имеет вес. Если мы перестанем поддерживать камень рукой, то он быстро начнет перемещаться к своему естественному месту, то есть падать вниз. При помощи такого же рассуждения мы можем объяснять, почему языки огня стремятся вверх, почему галька падает сквозь воду на дно и почему воздушные пузыри поднимаются сквозь воду вверх.

Ту же аргументацию можно использовать, чтобы объяснить, почему идет дождь. Когда под действием тепла солнца вода испаряется («превращается в воздух», как сказали бы древние греки), пары быстро поднимаются вверх в поиске своего естественного места. Но как только те же пары снова преобразуются в жидкость, воду, последняя падает на землю в виде капель в поисках своего естественного места.

Из аксиомы о «естественном месте» можно сделать и дальнейшие выводы. Как известно, одни объекты тяжелее других. Более тяжелый объект «толкает» руку вниз с большим «рвением», чем это делает более легкий объект. Конечно же если освободить каждый из них, то более тяжелый объект выразит свое большее «рвение» возвратиться на свое естественное место, падая быстрее, чем более легкий объект. Так что Аристотель поддерживал и это, действительно кажущееся естественным, заключение, потому что легкие объекты типа перьев, листьев и снежинок дрейфовали вниз медленно, в то время как камни или кирпичи падали быстро.

Но может ли эта теорий выстоять против искусственно созданных трудностей? Например, объект может быть вынужден покинуть свое естественное место, как в случае, когда мы бросаем камень в воздух. Первоначально движение камня вызвано мускульным импульсом, но, как только камень отделяется от руки, она больше не прикладывает импульс к нему. Почему же тогда камень сразу не возобновляет свое естественное движение и не падает на землю? Почему он продолжает подниматься в воздух?

Аристотель объяснял это тем, что данный импульс от камня был передан воздуху и что воздух как бы несет камень. Но поскольку импульс передается от точки к точке, в воздухе он слабеет, и начинает возобладать естественное движение камня. Восходящее движение камня замедляется и в конечном счете превращается в нисходящее движение, пока, наконец, камень не возвратится на свое естественное место — на землю. Сила руки или катапульты не может в конечном счете преодолеть естественное движение камня. (Как говорится: «Кто поднялся — упадет» — «Whatever goes up must come down».)

Из этого следует, что вынужденное движение (отрыв от естественного места) должно неизбежно уступить естественному движению (обратно к естественному месту) и что естественное движение в конечном счете приведет объект к его естественному месту. Оказавшись там, объект прекратит перемешаться, так как ему некуда больше двигаться. Поэтому состояние «покоя», или недостаток движения, является естественным состоянием любого объекта.

Это также соотносится с наблюдением, что все брошенные объекты возвращаются на землю и останавливаются; вращение или скольжение объектов тоже останавливается и даже живые объекты не могут двигаться вечно. Если мы поднимаемся в гору, то делаем это с усилием, и, поскольку импульс в наших мускулах постепенно слабеет, мы вынуждены периодически отдыхать. Даже самые слабые движения требуют некоторого усилия, и импульс, находящийся в пределах каждого живого существа, в конечном счете бывает растрачен. Живой организм затухает и возвращается к естественному состоянию покоя. («Все люди смертны».)

Но как же быть с небесными телами? В отношении их позиция кажется весьма отличной от той, с которой мы рассматривали объекты на земле. Естественное движение небесных тел кажется круговым, в отличие от движения вверх-вниз земных тел, и они не кажутся приближающимися или удаляющимися от земли.

Аристотель мог только заключить, что небеса и небесные тела сделаны из материи, которая не была ни землей, ни водой, ни воздухом, ни огнем. Этот пятый «элемент» он назвал «эфир» (греческое слово, означающее «сверкание», ведь, как известно, небесные тела часто испускают свет).

Естественное место пятого элемента было вне сферы огня. Почему же тогда, несмотря на то что божественные тела находились в своем естественном месте, они не оставались в покое? Некоторые школяры в конце концов высказали предположение, что небесные тела двигаются под воздействием ангелов, которые катают их по небесам, но Аристотеля не могли удовлетворить такие легкие объяснения. Вместо этого он был вынужден ввести новую аксиому, предполагающую, что законы, управляющие движением небесных тел, отличаются от законов, управляющих движением земных тел. Если естественным состоянием земных тел является покой, то на небесах естественным состоянием является бесконечное круговое движение.

Недостатки в теории

Я так подробно рассматриваю представление греков о движении потому, что это была физическая теория, разработанная одним из самых великих умов в истории человечества. Эта теория, казалось, объясняла так много, что она была признана большими учеными на протяжении более чем двух тысяч лет; однако в конце концов все ее положения были заменены другими теориями, которые различались с ней практически по всем пунктам.

Аристотелевское представление Вселенной казалось таким логическим и верным. Почему же тогда оно было заменено? А если было неверным, то почему так много людей в течение такого долгого времени полагали, что оно верно? И что же в конечном счете случилось такое, что заставило их изменить свое мнение относительно правильности теории строения мира «по Аристотелю»?

Метод «сомнения в любой теории» (уважаемый и установленный еще в давние времена) показывает, что из постулатов Аристотеля могут быть выдвинуты два противоречащих друг другу заключения.

Например, камень, брошенный в воду, падает более медленно, чем тот же самый камень, брошенный в воздух. Можно бы было сделать вывод, что чем тоньше материя, сквозь которую падает камень, тем быстрее он движется по пути к своему естественному месту. Но если на пути камня нет вообще никакой материи («вакуум» — от латинского слова, означающего «пустой»), то и камень будет двигаться с бесконечно большой скоростью.

Некоторые ученые отмечали этот момент, и так как они чувствовали, что бесконечная скорость была невозможна, то утверждали, что этот аргумент доказывает невозможность существования вакуума. (Поговорка, которая возникла тогда и которую мы до сих пор употребляем: «Природа не терпит пустоты» — «Nature abhors a vacuum».)

С другой стороны, согласно представлениям Аристотеля, когда камень брошен, на него воздействует импульс, проводимый воздухом, что и делает возможным движение камня в заданном направлении. Если бы воздуха не было, а был бы вакуум, не существовало бы ничего, что могло бы переместить камень. Хорошо, что же тогда бы делал камень в вакууме: перемещался бы с бесконечно большой скоростью или вообще не двигался? Любое утверждение кажется справедливым.

Пожалуйста, вот еще одно противоречие. Предположим, что имеются два груза: весом в один фунт и в два фунта. Позвольте им упасть. Двухфунтовый вес, являющийся более тяжелым, больше стремится достичь своего естественного места и поэтому падает быстрее, чем однофунтовый вес. Теперь положите эти два груза вместе в крепко завязанный мешок и отпустите их. Можно утверждать, что двухфунтовый груз будет сдержан в этих гонках вниз своим менее торопливым однофунтовым соседом. Таким образом, средняя скорость падения будет промежуточная — меньше, чем у двухфунтового груза, падающего в одиночку, и больше, чем у однофунтового груза, если бы он падал один.

С другой стороны, можно утверждать, что двухфунтовый груз и однофунтовый груз вместе сформировали единую систему, весящую три фунта, которая должна падать более быстро, чем один двухфунтовый груз. Хорошо, тогда все-таки система падает быстрее или медленнее, чем двухфунтовый груз? Похоже, что и здесь две различные, но одинаково справедливые точки зрения на один и тот же вопрос.

Такое более внимательное рассмотрение указывает на слабости в теории, но в реальности оно редко приводит к ее отрицанию. Сторонники теории обычно выдвигают контрдоводы. Например, можно сказать, что в вакууме естественное движение становится бесконечным по скорости, в то время как принудительное движение становится невозможным. Можно было бы доказывать, что скорость падения двух связанных весов зависит от того, насколько сильно и прочно они скреплены, и так далее.

Второй метод испытания теории (который оказывается гораздо более действенным) состоит в том, чтобы, получив необходимое заключение из теории, затем тщательно проверить его на практике.

Например, двухфунтовый объект осуществляет давление на руку в два раза сильнее, чем однофунтовый. Достаточно ли этого, чтобы сказать, что двухфунтовый объект упадет быстрее, чем однофунтовый? Если двухфунтовый объект «показывает» в два раза большее «рвение» возвратиться к своему естественному месту, говорит ли это о том, что он должен падать в два раза быстрее? Почему бы не проверить этот факт? Почему бы не получить точные данные и не сравнить их, чтобы выяснить: действительно ли двухфунтовый объект падает в два раза быстрее однофунтового? Если данные не совпадут, то, конечно, греческую теорию движения следует пересмотреть. Если, с другой стороны, двухфунтовый вес действительно падает в два раза быстрее, то это послужит лишним подтверждением греческой теории движения.

И все же такое преднамеренное испытание (или, как мы его теперь называем, — «эксперимент») не было проведено не только Аристотелем, но и в течение двух тысяч лет после него. Причина этого двойственна. Во-первых, теоретический аспект.

Древние греки достигли самых больших успехов в геометрии, которая имеет дело с абстрактными концепциями типа точек нулевого размера и прямых линий, не имеющих ширины. Они достигли результатов большой простоты и общности, которых они не могли бы получить, измеряя реально существующие объекты. Это привело, в частности, к возникновению мнения, что реальный мир груб, неправильно устроен и что, основываясь на нем, нельзя разрабатывать абстрактные теории Вселенной. Безусловно, были древние греки, которые экспериментировали и получали важные заключения именно в результате этих экспериментов; например, Архимед (ок. 287 — 212 до н.э.) и Герон (начало I века н.э.). Однако и в древние, и в Средние века была более широко принята форма вычитания из нескольких предположений по сравнению с испытанием экспериментированием.

Вторая причина была чисто практическая. Эксперимент не всегда столь же легко поставить, как это можно было бы предположить. Нетрудно проверить скорость падающего тела в наш век секундомеров и электронных методов измерения коротких интервалов времени. Но всего лишь три столетия назад не существовало никаких часов, приспособленных для измерения коротких интервалов времени, и немногие хорошие измерительные приборы любого типа ценились на вес золота.

Положив в основу «чистую» теорию, древние философы действительно сделали то, на что они больше всего были способны, что же касается их кажущегося презрения к экспериментированию — тут типичный случай, когда из вынужденной необходимости делают достоинство[2].

Ситуация медленно начала изменяться только в конце Средневековья. Все большее число ученых начали оценивать значение экспериментирования как метода испытания теорий и повсеместно начали пробовать разрабатывать методики проведения экспериментов.

Экспериментаторы не имели значительного влияния на науку вплоть до появления на сцене итальянского ученого Галилео Галилея (1564–1642). Он не изобретал экспериментирования, но сделал его показательным, захватывающим и популярным. Его эксперименты с движением были настолько изобретательны и убедительны в доказательстве, что они не только начали разрушение аристотелевской физики, но и продемонстрировали раз и навсегда потребность науки в экспериментаторстве. Именно от Галилео (он больше известен по имени[3]) и начинается отсчет даты рождения «экспериментальной науки», или просто — «современной науки».

Глава 2.

ПАДЕНИЕ ТЕЛ

Наклонные плоскости

[2] И все же можно только сожалеть, что древнегреческие философы не проводили некоторых простых экспериментов, которые не требуют никаких инструментов. Например, лист тонкого папируса падает медленно. Тот же самый лист, но смятый в маленький комок, падает гораздо быстрее. Почему, если его вес не изменился в результате того, что его смяли, изменилась скорость его падения? Вопрос настолько же простой, насколько принципиально важный для того, чтобы вызвать изменения в греческой теории движения, что с позиции сегодняшнего дня мы считаем абсолютно правильным.

[3] В России же Галилео Галилей, наоборот, больше известен по своей фамилии, то есть — Галилей. (Примеч. пер.)