Текст книги "Введение в естествознание"

Абрам Ильич Фет
Введение в естествознание

© А.И. Фет (наследники)

© ИП Воробьёв В.А.

© ООО ИД «СОЮЗ»

В наше время особым доверием людей пользуется наука. Конечно, сохранились ещё более старые источники веры – религия и идеология. Но можно заметить, что та и другая в значительной мере утратили свою репутацию. Что бы ни говорили люди о своих убеждениях, они редко придают практическое значение религиозным церемониям. Некоторые – главным образом старые женщины – всё ещё верят, что есть особые чиновники, наделённые магической силой, которые могут выхлопотать для них желательные блага у своего начальства; и хотя прямое обращение к этому начальству не возбраняется, предполагается, что лучше действовать через посредников. Мой домашний телефон лишь одной цифрой отличается от телефона местной церкви, и мне приходится объяснять некоторым верующим, что это квартира, а не “храм”. Это почти всегда женские голоса.

С идеологией дело обстоит совсем плохо. Ещё недавно у нас была обязательная марксистская идеология, к которой можно было обращаться за истолкованием текущих событий. Теперь у нас рыночное хозяйство, но удивительным образом на рынке нет никакой приличной идеологии. Желая вас в чем-нибудь убедить, все непременно ссылаются на “науку”.

Учёных развелось очень много, и всё время являются какие-нибудь новые науки. Ещё при советской власти сюда приезжал американец, занимавшийся этим вопросом, и он доказывал статистически, что число учёных возрастает в геометрической прогрессии – удваивается через каждые двадцать лет, или что-то в этом роде. Отсюда он выводил, что вскоре учёных станет больше, чем всё население планеты, что явно невозможно, и со свойственным американцам практическим смыслом приходил к выводу, что так продолжаться не может. Но пока это продолжается. В Академгородке, где вы находитесь, теперь больше ста тысяч жителей. Предполагается, что этот город существует ради науки: в нем нет никаких видов производства. Если считать, что люди живут семьями по пять человек, то выходит, что здесь двадцать тысяч человек, занимающихся наукой.

Конечно, это не совсем так, потому что на одного учёного приходится несколько лаборантов, рабочих, шофёров, и т. д. И всё равно, выходит, что в этом городке несколько тысяч учёных.

Мне трудно в это поверить, по ряду причин. Самая прямая из них состоит в том, что я много лет общался с кандидатами и докторами наук, которые считают себя учёными… и считаются таковыми на основании официальных документов; я мог составить себе представление об этих людях – об их научной и культурной подготовке, их самостоятельности и мировоззрении. Как правило, эти люди – узкие специалисты, умеющие (или плохо умеющие) выполнять определённые операции по принятым правилам, а в остальном попросту малограмотные. В дореволюционной России такие обязанности выполняли лаборанты заводских лабораторий, учёных же было тогда очень мало. Но зато достижения были несравненно больше.

Особенно печально обстоит дело с популяризацией науки. Если верить заголовкам статей, ежедневно появляющихся в печати и в Интернете, то чуть ли не ежедневно совершаются открытия, опровергающие основные законы природы. Я уже видел несколько раз, будто в каких-то лабораториях наблюдались скорости больше скорости света, будто нарушается закон тяготения, закон сохранения энергии, и так далее. В самом деле, экспериментаторы часто ошибаются в оценке своих результатов и, к сожалению, иногда торопятся рассказывать о своих ошибках. Занимаясь сложными явлениями, люди могут ошибиться; обычно вскоре эти ошибки исправляются в других лабораториях, а часто и теми же людьми. Но до сих пор печатаются работы биологов, якобы наблюдавших передачу по наследству “приобретённых признаков”. Это старое заблуждение, идущее от Ламарка. Каждый такой случай через некоторое время опровергается, но в ошибки впадали даже известные учёные. Удивительно, что такие вещи происходят даже в физике, где точность измерений особенно велика.

Может быть, легкомысленное отношение к законам природы связано с двусмысленностью самого слова “закон”. Как известно, это слово применяется также к законам, сочиняемым юристами и принимаемым различными государственными учреждениями. Такие “юридические” законы очень непохожи на законы природы – прежде всего тем, что их можно нарушить, и что их постоянно нарушают. Но законы природы нарушить нельзя. В древности людям были известны уже некоторые из них: никто не сомневается, что Солнце взойдёт на востоке, и что после молнии бывает гром. Но ацтеки были точно так же уверены, что Солнце не взойдёт, если не приносить ему ежедневно человеческие жертвы; и далеко не столь невежественные древние греки долго верили, что гром и молнию производит Зевс, выражая таким образом своё неудовольствие.

Убеждение в неизменности законов природы, в их независимости от человеческой (или сверхчеловеческой) воли утвердилось сравнительно недавно – после открытий Галилея и Ньютона – и притом сначала лишь в странах Западной Европы. Чтобы лучше понять, что такое закон природы, мы проследим сейчас, как был открыт закон тяготения Ньютона – первый общий закон этого рода, получивший точную формулировку.

Вначале было, как всегда, непосредственное наблюдение: любое свободное тело падает на землю; это было известно, конечно, до того, как люди научились описывать такие факты словами. Естественно, когда появились учёные, они задали себе вопрос, как именно падают тела. Аристотель, стяжавший каким-то образом репутацию величайшего мудреца древности, утверждал, что более тяжёлые тела падают быстрее более лёгких. Мы не знаем, почему он так думал, но в течение двух тысяч лет он пользовался непререкаемым авторитетом, и всё написанное в его “Физике” переписывали и повторяли как достоверную истину. Более того, считалось, что Аристотель знал уже о природе всё, что можно о ней узнать, и дальнейшая любознательность не возникала. Когда Галилей, пользуясь построенным им телескопом, открыл пятна на Солнце, его высмеял один учёный человек, заявивший, что он прочёл все сочинения Аристотеля, но не нашёл в них ничего подобного. Это значит, что в течение двух тысяч лет вовсе не было науки в нынешнем смысле этого слова, потому что первая обязанность учёного – во всём сомневаться и всё проверять. Учёными в то время считались люди, которые читали древние книги и верили всему, что в них было написано.

Галилей не принимал ничего на веру, и он был один из первых людей Нового времени, ставивших целенаправленные опыты. По-видимому, он сбрасывал тела и смотрел, как они падают, и оказалось, что с данной высоты все тела падают одинаковое время. Сохранилась легенда, будто он сбрасывал свои шары со знаменитой “падающей башни” в Пизе – вероятно потому, что учился и преподавал в пизанском университете. Но он мог и не ставить эти опыты, потому что, в отличие от Аристотеля, умел правильно рассуждать. Ему достаточно было бы представить себе шар разрезанным на две половины, падающие вместе. Поскольку они не действуют друг на друга, их можно склеить, и полученное тело будет падать так же.

Более того, Галилей обнаружил, что тела падают ускоренно, причём ускорение их в данном месте Земли постоянно. Скоро выяснилось, что это ускорение всё же несколько меняется, в зависимости от широты. Закон падения тел, открытый Галилеем, был подлинным законом природы, но это был лишь частный случай общего закона Ньютона.

И хотя Галилей правильно описывал движения тел около поверхности Земли, у него не было никакого объяснения, почему они движутся таким образом. Предположение, что на них действует сила притяжения Земли, которое теперь кажется самоочевидным, было ему совершенно чуждо. В самом деле, у Галилея было отчётливое представление о силах, но он представлял себе только силы, действующие при непосредственном контакте взаимодействующих тел. Он не понимал, каким образом Земля могла бы действовать на падающее тело “через пустое пространство”. Такое предположение выдвинул его современник, немецкий астроном Кеплер, переписывавшийся с Галилеем. Характерная реакция “реалиста” Галилея выразилась словами: “Какое ребячество!” Это был один из первых случаев, когда научное воображение отделилось от “здравого смысла” и одержало над ним верх. Мы знаем теперь, что электрические и магнитные силы, точно так же, как тяготение, действуют через “пустоту”, но самое понятие пустоты для нас приобрело другой смысл.

Галилей занимался и земными, и небесными предметами, а Кеплер – главным образом движением планет. Планеты – “блуждающие” звезды по смыслу этого греческого слова – с глубокой древности привлекали внимание людей. Их странные, непонятные извилистые пути не давали возможность предсказать их будущее положение – как предсказывали положение “неподвижных звёзд”, и даже солнечные и лунные затмения. Греческий астроном 2 века н. э. Клавдий Птолемей придумал для этого эмпирические правила, но за полторы тысячи лет планеты вышли далеко за пределы его предсказаний, очевидным образом не отвечавших сущности этого явления. С математической стороны Птолемей не изобрёл ничего нового: по представлениям древних, движения небесных тел должны были быть “совершенны”, а совершенными кривыми были окружности, так что Птолемей пытался описать движения планет, комбинируя круговые траектории.

Аристарх Самосский (3 век н. э.), и вслед за ним Коперник, коренным образом упростили описание планетных движений, предположив, что планеты (и Земля в их числе!) вращаются вокруг Солнца – причём опять-таки по совершенным кривым, окружностям. Но уже Коперник, делавший точные по тому времени визуальные наблюдения, обнаружил, что пути планет не совсем окружности, хотя и близкие к окружностям! Ему пришлось делать к своей системе поправки, напоминающие приёмы Птолемея. Это несовершенство системы Коперника было известно немногим, кто её в то время понимал и принимал. (Кстати, неточность наблюдений Аристарха подорвала доверие к его гипотезе известнейших астрономов древности).

Иоганн Кеплер был учеником датского астронома Тихо Браге, собравшего за десятилетия тщательных наблюдений неоценимые данные о движении планет. Но Браге не принимал систему Коперника, а Кеплер был её убеждённый сторонник. После смерти Браге он унаследовал его данные и принялся их обдумывать с “гелиоцентрической” точки зрения, по-видимому, вычерчивая орбиты планет по отношению к Солнцу. И оказалось, что это замкнутые кривые, очень близкие к окружностям, но всё же не окружности: планеты двигались по “несовершенным” кривым! Особенно его поразила орбита Марса, и его осенила гениальная догадка: это был эллипс, в одном из фокусов которого находилось Солнце. Эллипсы были известны Кеплеру из древнего труда о конических сечениях Аполлония из Перги (3 век до н. э.), не нашедшего никакого применения за две тысячи лет. Когда Кеплер сообщил своё открытие Галилею, тот счёл его за ошибку: принимая систему Коперника, Галилей всё же не мог отказаться от древнего представления о совершенстве окружностей; впрочем, у него могли быть и более научные соображения симметрии, так как по отношению к Солнцу все направления равноправны, и вытянутая форма эллипса в одном направлении, казалось, нарушала это равноправие. Кстати, Кеплер, в отличие от Галилея, был человек благочестивый: не умея объяснить, какая сила движет планеты по их орбитам, он готов был допустить, что этим занимаются сменяющие друг друга бригады ангелов!

Кеплер открыл и два других закона движения планет, затратив на это всю свою жизнь. Это было правильное описание происходящих явлений, но без всякого объяснения их причины. Он описал, как движутся планеты, но не знал, почему они так движутся. Впрочем, как мы видели, у него была замечательная догадка, что солнце притягивает планеты – и Землю в их числе.

Законы Кеплера были очень точные, согласные с наблюдениями законы природы, но всё же это были частные законы, связанные со специальными случаями движений. Может быть, Кеплер догадывался, что сила, с которой Земля притягивает любые предметы, – это та же сила, с которой Солнце притягивает планеты. Как мы видели, Галилей это решительно отвергал, и только Ньютон вполне осознал значение этой идеи. Ньютон родился в год смерти Галилея (1642).

Представление Кеплера о силе тяготения приобрело вскоре и количественный характер. Интуитивно его можно объяснить следующим образом. Представим себе вокруг массы, сосредоточенной в точке, сферический слой с радиусами r₁ и r₂; тогда граничные поверхности этого слоя имеют площади 4πr₁² и 4πr₂². Силы притяжения, действующие на два шара радиусов r₁, r₂, были бы равны, если бы слой был заполнен чем-то материальным и находился в равновесии, поскольку шаровой слой передавал бы внутреннему шару силу, приложенную к нему извне; первые физики 17 века предположили (характерным образом для этой будущей науки), что эти силы равны и в случае, когда в слое “ничего нет”. Тогда на единицу площади сферы приходится притяжение, обратно пропорциональное квадрату её радиуса. Далее, поскольку масса тела пропорциональна “числу одинаковых частиц”, из которых состоит это тело, нетрудно понять, что притяжение двух точечных масс должно быть пропорционально их массам. Как видите, закон тяготения можно было предугадать “умозрительным” путём. Сравните эти “мысленные эксперименты” с описанным выше (тоже предположительным) рассуждением Галилея о падении половин разрезанного шара. Рассуждения такого рода, при всей их абстрактности, не похожи на рассуждения средневековых схоластов! Это уже начало теоретической физики. Но только начало, потому что здесь нет проверки экспериментом.

Итак, можно было предположить, что две “точечные” массы, то есть массы, размеры которых очень малы по сравнению с их расстоянием (как в случае Солнца и планеты) притягивают друг друга с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной их расстоянию. В середине 17 века это знали уже по крайней мере трое английских учёных: Исаак Ньютон, Роберт Гук и Кристофер Рен, известный также как архитектор, строитель знаменитого собора святого Павла. И, конечно, все знали, что планеты движутся по эллипсам с фокусом в Солнце – по закону Кеплера; это было уже проверено точными наблюдениями с помощью галилеева телескопа. Можно было допустить, что они движутся таким образом под действием описанного выше закона тяготения; но как это доказать? Как связать закон действия силы с законом движения? Это смог сделать только один человек – Ньютон.

Уже Галилей знал, что под действием постоянной силы тело движется с ускорением, и что величина этого ускорения зависит от силы: он скатывал в венецианском порту бочки с кораблей по деревянным настилам и видел, что при уменьшении силы тяжести уменьшается их ускорение. Но Галилей не сумел формулировать этот закон в общем и отчётливом виде. Ньютон предположил, что под действием силы материальная точка всегда движется с ускорением, пропорциональным этой силе: F = ma, где F – сила, a – ускорение, а m – коэффициент пропорциональности. Так как тяжёлое тело труднее привести в движение, чем лёгкое, Ньютон предположил, что коэффициент m – не что иное как масса тела. Это и есть главный закон движения тел, лежащий в основе механики. Чтобы его проверить, Ньютон начал с движения Луны. Он допустил, что луна “падает” на Землю с ускорением, определяемым силой тяготения на расстоянии Луны от Земли (которое, как мы знаем, равно 380000 км.). Поскольку на Земле тела падают с другим ускорением – открытым Галилеем – оно определяется их расстоянием от центра земли, 6400 км. Квадраты этих расстояний относятся как (3800/64)² ≈ 3500, следовательно, ускорение Луны в её “падении” на Землю должно быть в 3500 раз меньше ускорения камня, падающего на Земную поверхность. За первую секунду падения камень проходит 4,9 метра; значит, Луна “упадёт” за секунду на 1/7 сантиметра. А это уже можно было проверить, так как движение Луны во время Ньютона было достаточно известно. Впрочем, неточность данных о размере Земли вызывала у Ньютона сомнения. Поэтому он опубликовал своё основное открытие на двадцать лет позже, когда стали известны результаты новых измерений Земли.

Главный труд Ньютона назывался “Математические принципы натуральной философии”; он был издан в 1687 году – естественно, по-латыни. “Натуральной философией” он называл физику, а “математические принципы” означали новую математику, изобретённую им для развития физики, которую мы называем теперь “дифференциальным и интегральным исчислением”. С помощью этой новой математики он доказал, что планеты в самом деле должны двигаться по эллипсам, и получил не только все три закона Кеплера, но и много других удивительных результатов. И первой областью науки, где успешно действовали эти новые математические методы, была “небесная механика”. Впрочем, эти методы он изложил отдельно. В труде 1687 года он намеренно упростил их, переведя, насколько возможно, на язык “древней” геометрии Евклида. Таким образом Ньютон пытался сделать свои открытия более доступными для учёных своего времени.

Итак, первый общий закон природы – закон тяготения – явился вместе с основным законом механики. И не удивительно, что оба этих закона были вначале применены к “небесной механике” – к движению планет и других небесных тел. Дело в том, что обычные тела, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, находятся в весьма сложных условиях: их движение зависит от трения, от тепловых явлений и, наконец, эти тела – вовсе не точечные, какими можно считать Солнце и планеты в задаче Ньютона. Это “задача двух тел”. В действительности это одна из простейших задач механики, поскольку Солнце и рассматриваемую планету можно считать точечными телами (по отношению к расстоянию между ними), а трения в космическом пространстве нет. Задача эта решалась, конечно, новыми методами математики, которые изобрёл Ньютон. Но она была проще всех других задач небесной механики, и уж конечно, проще задач земной. Особая популярность её решения имела другие, совсем не научные причины.

Дело в том, что с движением планет были связаны вековые суеверия. “Гадание по звёздам” испокон веку опиралось на наблюдение планет. Их загадочные движения, не поддававшиеся разумному пониманию, породили представления о прямой связи “микрокосма” – отдельного человека – с “макрокосмом”, то есть звёздной вселенной. Так называемая “астрология” возникла как систематическое занятие в Вавилоне, и затем была усвоена христианами. В принципе христианская религия не признавала “гаданий”, поскольку попытка угадать неисповедимую волю божью была, конечно, кощунством. Но этому суеверию предавались даже папы и кардиналы, а светские государи ничего не решали, не посоветовавшись с астрологом. И вот оказалось, что новое учение Ньютона позволяло точно предсказывать положение планет в любой день будущего! Ясно, почему люди, ещё не свободные от средневековых предрассудков, усмотрели в ньютоновом решении “задачи двух тел” разгадку величайшей тайны природы.

Более того, дальнейшее развитие небесной механики – в руках Лапласа и других представителей французской математической школы – позволило предсказывать с большой точностью отклонения в движении планет, вызванные притяжением других планет, движения спутников, астероидов и комет, – в общем, все подробности поведения тел Солнечной системы. Как только замечалось какое-нибудь отклонение от предсказаний, всегда находилось другое тело, влияние которого – по тому же закону тяготения – позволяло всё объяснить. Так были предсказаны и открыты планеты Нептун и Плутон. Закон Ньютона, как убедились астрономы, полностью объяснял движение небесных сил – надо было только провести математические вычисления.

Столь удивительное совпадение закона Ньютона с поведением светил навело учёных на мысль, что все вообще взаимодействия тел сводятся к тяготению. В самом деле, каждое тело можно разбить на малые частицы, которые принимаются за “материальные точки”. Попарные взаимодействия таких точек первого тела и второго тела можно найти по закону Ньютона, а затем все такие силы сложить по известному правилу параллелограмма, и тем самым получится взаимодействие любых тел. Всё дело в математических вычислениях, но Закон природы – закон природы с большой буквы! – уже, как полагали, известен. Эта наивная вера называлась “ньютонианством”. Её следствием был крайний детерминизм, выраженный в знаменитой тираде Лапласа: “Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, и относительное положение всех её составных частей, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить эти данные анализу, обнял бы в одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движениями легчайших атомов: не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее так же, как и прошедшее, предстало бы перед его взором”. Английский поэт Александр Поуп выразил энтузиазм ньютонианства известным двустишием:

 
Nature and Nature’s Law lay hid in night.
God said: Let Newton be! – and all was light.
(Природа и Закон природы были скрыты во тьме
Бог сказал: Да будет Ньютон! – и дал свет.)
 

Конечно, это была лишь поэтическая метафора. Ошибался не только поэт, но и математик Лаплас. Закон тяготения оказался не единственным законом природы. В середине 19 века шотландец Кларк Максвелл вывел свои знаменитые уравнения, объяснявшие огромную область электрических и магнитных явлений, а также поведение света. Эти уравнения не удавалось свести к законам механики Ньютона, и они не имели, по-видимому, ничего общего с тяготением. Стало ясно, что есть много законов природы, и возможность вывести всё наше знание о природе из единого общего закона стала вызывать сомнения. Но отдельные основные законы казались точными и незыблемыми. Особенно это касалось закона тяготения, законов механики Ньютона и уравнений электродинамики Максвелла.

Около 1900 года физикам казалось, что у них есть уже полный набор законов природы, достаточный для объяснения всего мироздания. А так как физика, как полагали, является фундаментальной наукой, лежащей в основе всего естествознания, то можно было думать, что остаётся лишь применить известные основные законы к объяснению всех сложных явлений. Например, все химические вещества состоят из молекул, и можно было надеяться, что химию удастся свести к молекулярной физике; все живые организмы устроены из химических веществ, и можно было надеяться, что биологию удастся свести к химии. Эта доктрина, пытавшаяся объяснить всё мироздание законами физики, получила название редукционизма. Ещё в восьмидесятых годах, когда Планк выбирал себе специальность, эта предполагаемая завершённость теоретического знания едва не оттолкнула его от научных занятий. Любопытно, что такой безудержный оптимизм учёных сопутствовал крайнему пессимизму в общественных делах. Философы и гуманитарные учёные, не зная о триумфах науки, стали говорить, что “наука не выполнила своих обещаний”, как будто учёные когда-нибудь обязывались указать людям лучшие способы политической организации и более серьёзную мораль. Это время мрачных предчувствий получило даже особоеназвание fin de siècle (“конец века”), и первая мировая война разрушила все надежды на постепенное распространение прогресса. Между тем – как мы уже видели – это было время подлинного триумфа научного естествознания. Даже в такой сугубо прикладной области как медицина открытия химика Пастера принесли избавление от ряда инфекционных болезней!

Но всё ли было в порядке с основными законами природы, которыми так гордились учёные? Физиков, естественно, беспокоили некоторые невязки и несовершенства в их теориях. Я расскажу только два таких неприятных случая, с которыми учёные не могли справиться. Первый из них относился к самой твердыне точной науки – к небесной механике. В течение 19 века астрономы научились вычислять орбиты небесных тел с величайшей точностью (хотя у них не было ещё компьютеров). При этом они опирались на законы механики Ньютона и на закон тяготения. Великолепное совпадение их предсказаний с наблюдениями, казалось, подтверждало точность этих законов во всех случаях. Каждый раз, когда замечалось некоторое расхождение между предсказаниями и наблюдением, можно было найти причину – какое-нибудь небесное тело, возмущавшее движение интересовавшего их объекта; и после учёта этого возмущения теория ещё раз подтверждалась. Именно таким образом Леверье предсказал существование Нептуна по возмущениям орбиты Урана.

И вот, тот же Леверье, исследуя движение ближайшей к Солнцу планеты – Меркурия – обнаружил очень малое возмущение его орбиты. Меркурий движется по эллипсу, и предсказываемая продолжительность его “года” – около 88 суток. Однако этот эллипс очень медленно вращался вокруг Солнца, так что замыкание орбиты не получалось. Эллиптическая орбита поворачивалась на 43 секунды за столетие! Астрономы пытались объяснить это “вращение перигелия Меркурия” действием других планет, астероидов и даже космической пыли, но после всех поправок эти 43 секунды оставались. Эта, казалось бы, незначительная невязка в детально разработанной небесной механике нуждалась в объяснении. Возникло – впервые за двести лет – подозрение, что закон тяготения не совсем точен.

Другой случай сомнения связан был с уравнениями Максвелла. Эти уравнения, по-видимому, во всех ситуациях соблюдались точно. При этом наблюдения относились к “лабораторной” системе отсчёта, то есть приборы были неподвижны по отношению к Земле. Но в механике ещё Галилей установил, что законы движения не меняются при равномерной и прямолинейной системе отсчёта. Так, например, на палубе равномерно движущегося корабля можно играть в теннис, не замечая никаких отклонений в обычных движениях игроков и мяча. Этот факт теперь называется “принципом относительности Галилея”. Когда выяснилось, что уравнения Максвелла не вытекают из механики Ньютона, возник вопрос, сохраняют ли они свой вид в равномерно и прямолинейно движущейся системе координат. И вообще, к концу 19 века физики пришли к предположению, что законы природы одинаково выражаются во всех “инерциальных” системах координат, то есть в системах, движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга. Иначе говоря, “принцип относительности Галилея” должен был распространяться не только на механические, но на все физические явления. Между тем, простой расчёт показывал, что при переходе к другой инерциальной системе уравнения механики Ньютона не меняют своего вида, между тем как уравнения Максвелла нарушаются!

Это означало, по-видимому, что система отсчёта, связанная с Землёй, имеет особые свойства, то есть Земля чем-то отличается от других космических тел, что резко противоречило всем представлениям Нового времени. Конечно, можно было прибегнуть к эксперименту, изучая электромагнитные явления в подвижной лаборатории. Но, как показывали вычисления, при обычных скоростях движения этой лаборатории отклонения от уравнений Максвелла были бы совершенно незаметны. Поскольку очень быстрое движение лаборатории равносильно быстрому движению исследуемых тел, эта трудность относилась к электродинамике быстрых движений.

В уравнения Максвелла входила скорость света – 300000 км/сек. Как показывало вычисление, при скорости движения тел (или лаборатории), сравнимых со скоростью света, отклонения от уравнений Максвелла должны были стать заметными. Хотя такие скорости были ещё недоступны эксперименту, “принцип относительности Галилея” оказался под угрозой, что особенно тревожило теоретиков.

В обоих описанных случаях отклонения от основного закона, замеченные на опыте, чрезвычайно малы, или всего лишь угрожают возникнуть. Но беспокойство учёных совсем не соразмерно величине таких отклонений. Совсем напротив! Чем точнее соблюдается закон природы, чем шире охватываемая им область применений, тем он фундаментальнее, и тем важнее любое отклонение от него: оно означает, что этот закон имеет всё же границы применимости, что он не “абсолютен”. Представление об абсолютных законах, справедливых во всех случаях и не подлежащих никакому изменению, пришло к нам из глубокой древности, когда не видели особой разницы между научными представлениями и представлениями религии. Как мы видели, первый общий закон природы – закон тяготения Ньютона – вызывал ощущение абсолютной уверенности не только среди широкой публики, но и в среде учёных-специалистов. Теперь мы знаем, однако, что абсолютно точных научных теорий не бывает. Каждая из них имеет свою область применимости, вне которой она становится неточной, или вообще неприменима.

Однако, если речь идёт о действительно глубоком законе природы, то он всегда сохраняет свою применимость – и достаточную точность – в той области явлений, где он был открыт и долгое время применялся. Механика Ньютона остаётся справедливой для скоростей, малых по сравнению со скоростью света. Таковы почти все скорости, применяемые в технике, и большинство встречающихся в астрономии. Поэтому инженеры, физики, астрономы, все, кто пользуется механикой Ньютона, могут спокойно применять эту механику, кроме особых случаев – например, проектирования синхротронов для исследования элементарных частиц, которые и в самом деле разгоняются до субсветовых скоростей. Что же касается закона тяготения, то в очень сильных полях тяготения отклонения от него уже становятся важными. В таких случаях вместо механики Ньютона приходится применять общую теорию относительности Эйнштейна. Но дело обстоит вовсе не так, как любят говорить некоторые популяризаторы науки и почти все журналисты, едва ли не каждый день уверяющие нас, что законы Ньютона “устарели” и уже “опровергнуты”. А если уж говорить о биологии, то и от дипломированных учёных можно услышать, будто Дарвинова эволюция устарела, и будто мы вовсе не происходим от общих предков с обезьянами.

Конечно, можно опровергнуть ошибки, время от времени допускаемые в научных лабораториях, но основные законы природы, составляющие опору нашего научного мировоззрения, ни в каком разумном смысле опровергнуть нельзя. Они остаются справедливыми в тех областях, где были установлены и с той точностью, какая там требуется. Вне этой области, для необычных и новых явлений, законы природы должны быть уточнены. Это происходит редко и требует пересмотра самых основных понятий науки, которые никоим образом не абсолютны. Например, пересмотр механики Ньютона и теории тяготения потребовал нового понимания пространства и времени. Но возникшая таким образом теория относительности – до сих пор хорошо объясняющая все явления, кроме квантовых, к которым нужен другой подход – тоже подвергается нелепым нападкам. Снова и снова можно прочесть в газетах или увидеть на экране телевизора, что в какой-то лаборатории уже получена скорость больше скорости света и, “следовательно”, теория относительности “опровергнута”. Такие сообщения основаны на недоразумениях, от которых не свободны и учёные, и очень скоро опровергаются в других лабораториях. Каким же сообщениям можно верить?