Текст книги "Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации"

Глава 4
Загадка рождения современной физики

Вопрос Нидэма

Наука в самом общем смысле, как получение знаний о природе, даты и места рождения не имеет. Тысячи лет жила она, соединенная с техникой и другими формами народной мудрости, в самых разных культурах. Однако, если говорить о физике, в семнадцатом веке родилась, можно сказать, новая – современная — наука, и темп развития ее ускорился в сотню раз.

Мало кто сомневается в том, что основатель современной физики – Галилей, хоть он и опирался на законы Архимеда, вдохновлялся открытием Коперника, поддерживался Кеплером, и лишь Ньютон развил его идеи до полного триумфа.

Знатоки спорят, однако, о вопросе Джозефа Нидэма, знаменитого историка китайской науки:

Почему современная наука, с ее математизацией гипотез о природе и с ее ролью в создании передовой техники, возникла лишь на Западе во времена Галилея? Почему она не развилась в Китайской цивилизации (или Индийской), а только в Европе? [Ведь] до пятнадцатого века Китайская цивилизация была намного эффективнее Западной в применении знаний о природе к практическим нуждам человека.

Эйнштейн, отвечая на сходный вопрос, обострил его еще более:

Развитие западной науки основано на двух великих достижениях – на греческом изобретении формально-логической системы (в геометрии Евклида) и на открытой в эпоху Возрождения возможности находить причинные связи посредством систематических опытов. Меня не удивляет, что китайские мудрецы не сделали этих шагов. Изумляет, что эти открытия были сделаны вообще.

“Чудом науки” Эйнштейн восторгался не раз, но отказался искать ответ, который проверить нельзя. Чудеса новой физики основаны на многократной опытной проверке ее гипотез. История же состоялась единожды, она не воспроизводима – значит, гипотезы о ее причинных связях опытами не проверить.

Подобные доводы не обескураживают размышляющих об истории науки, в которой драма идей переплетается с судьбами людей. Главное событие в развитии науки – рождение идеи, а это, как известно, дело сугубо человеческое, и потому история физики – наука гуманитарная, хоть в ней и говорят о физических измерениях и математических соотношениях.

В гуманитарных делах также возможна определенность, как, например, в правосудии, решающий орган которого – коллегия присяжных, то есть обычные, не искушенные в юриспруденции граждане. Присяжным дано право выслушать доводы и, опираясь на свой здравый смысл, согласиться с предложенным им утверждением или его отвергнуть. Подобную роль может взять на себя вдумчивый читатель.

Вопрос Нидэма прежде всего следует расширить в пространстве и во времени, чтобы говорить не об одном лишь уникальном событии – рождении современной физики. Само слово “физика” появилось в четвертом веке до нашей эры у Аристотеля, а век спустя Архимед открыл первые физические законы, полностью сохранившие смысл доныне, – законы равновесия и плавания. В последующие две тысячи лет, однако, физика изменилась так мало, что в своих книгах Галилей опровергал Аристотеля и восхищался Архимедом. Исследования же самого Галилея и его последователей к концу семнадцатого века оформились в новую физику.

Новую науку приняли: Декарт во Франции, Гюйгенс в Голландии, Ньютон в Англии, Лейбниц в Германии, Ломоносов в России, но за пределы Европы Галилеева наука почему-то не проникала, хотя в шестнадцатом веке Китай, Индия и мир Ислама не уступали Европе по уровню развития. В Европе освоили технологию производства бумаги, пришедшую из Китая и ставшую предпосылкой книгопечатания. Приняли также десятичную систему счисления, принесенную из Индии, у арабов позаимствовали “алгебру” и пр.

Учитывая приведенные факты, расширим вопрос Нидэма:

Чего не хватало античной науке, чтобы сделать следующий после Архимеда шаг, и почему после рождения современной физики неевропейские цивилизации не участвовали в ее развитии по меньшей мере три столетия?

Историки пытались связать рождение новой науки то с запросами капитализма, то с Реформацией, якобы освятившей реальный земной опыт. Наперекор этому возникла идея о том, что главной силой Научной Революции стала “математизация природы”, а вовсе не опыты сами по себе. Пытались понять, с чего началось сотрудничество практиков и теоретиков, сравнивая Европу с другими цивилизациями. В таком сравнении Нидэм и пришел к своему вопросу.

Само разнообразие типов объяснений свидетельствует об их неубедительности. Беря за основу некую черту исторической реальности, не учитывали другие факторы. Первые достижения новой физики – в небесной механике – не имели выхода в экономику. Необходимость соединить опыт с математикой Роджер Бэкон провозгласил еще в тринадцатом веке, а по сути, без философских деклараций, их соединил уже Архимед, совмещавший три профессии: математик, инженер-изобретатель и физик. Среди основателей новой науки были и католики, и протестанты. И наконец, в Китае, без капитализма, теоретики успешно сотрудничали с “технарями”, а физика не возникла.

Ответ на вопрос Нидэма должен объяснить, чем характерно время рождения новой науки, что объединяло страны, в которых она легко прижилась, какие силы способствовали ее рождению и развитию.

Первый же взгляд на культурное пространство новой науки обнаруживает, что пространство это было христианским. Христианство, однако, возникло за 16 веков до того и успело разделиться на три непримиримые конфессии. Да и каким образом религия могла бы пробудить физику после многовековой дремы?!

Физика современная и физика фундаментальная

Прежде всего выясним суть новой физики, отличавшую ее от физики предыдущей. Ведь опыты и математика Галилея не выходили за пределы возможностей Архимеда, которого Галилей не зря называл “божественнейшим”. В чем Галилей вышел за эти пределы, помогает увидеть Эйнштейн, изобразивший свое понимание физики схемой:

Здесь аксиомы A – основные понятия и законы теории – “свободные изобретения человеческого духа, не выводимые логически из эмпирических данных”. Аксиомы эти изобретает интуиция, взлетающая (дугообразной стрелой), оттолкнувшись от почвы эмпирики Э. Из аксиом логически выводят конкретные утверждения У: их приземляют (пунктирными стрелками), сопоставляя с данными наблюдений Э.

Аксиомы изобретают гораздо реже, чем применяют уже известные для объяснения новых явлений, но поразительные успехи современной физики достигнуты именно методом, изображенным Эйнштейном. А изобрел этот метод Галилей, открыв, можно сказать, способ изобретения новых понятий.

Этот метод предполагает, что:

1. Природа основана на глубинных, вовсе не очевидных, законах.

2. Человек способен постичь устройство Природы, свободно изобретая понятия и проверяя их опытами.

Назовем эти предположения двойным постулатом фундаментальной науки, поскольку они означают веру в то, что природа – стройное мироздание, стоящее на некоем невидимом – “подземном” – фундаменте и, тем не менее, доступное познанию. Невооруженный глаз видит лишь “надземные” этажи, но физики стремятся понять архитектурный план, начиная с фундамента, очам не видного. Природе задают вопросы в виде измерительных опытов. Измерения дают четкие ответы, позволяя подтвердить или опровергнуть математически выраженную теорию. Потому и необходим комплект из двух инструментов – опыта и математики. Но требуется и нечто большее – то, что Эйнштейн назвал “отважнейшими измышлениями, способными связать эмпирические данные”.

Главное, фундаментальные понятия вовсе не обязаны быть очевидными – эти “свободные изобретения человеческого духа” оправдываются или отвергаются в процессе познания. “Понятия нельзя вывести из опыта логически безупречным образом”, “не согрешив против логики, обычно никуда и не придешь”, – писал Эйнштейн, подразумевая логику предыдущей теории. Но, совершая первый шаг – первый взлет интуиции, другой логики физик еще и не имеет.

Плодотворность неочевидных идей в познании Вселенной обнаружил Коперник, получив убедительные следствия из абсурдного для того времени представления о движении Земли. Успех Коперника помог Галилею изобрести метод познания, следуя которому физик волен изобретать сколь угодно неочевидные – “воображаемые” – понятия, отталкиваясь от наблюдений, если затем соединит творческий взлет разума с надежным приземлением.

Именно таким образом Галилей открыл закон свободного падения – первый фундаментальный закон, согласно которому в пустоте движение любого тела не зависит от того, из чего оно состоит. Неочевидное и “нелогичное” понятие, которое ему понадобилось, – “пустота”, точнее – “движение в пустоте”. И понятие это он ввел вопреки величайшему тогда авторитету Аристотеля, доказавшего логически, как считалось, что пустота, то есть ничто, реально не существует. Галилей не воспринимал пустоту органами чувств, не проводил опытов в пустоте. Он мог лишь сопоставить эксперименты с движениями в воде и в воздухе, и это стало взлетной полосой для его изобретательного разума. Так он пришел к понятию “невидимой” пустоты, что помогло ему открыть закон инерции, принцип относительности и, наконец, закон свободного падения. Тем самым он показал, как работает изобретенный им метод.

На схеме Эйнштейна отличие физики Галилея от физики Архимеда – стрела изобретательной интуиции, взлетающая вверх. Все физические понятия Архимеда наглядны: форма тела, плотность вещества и плотность жидкости. И этого хватило для создания теории плавания – малыми шагами, последовательно. Подобным же образом Птолемей составил геоцентрическую теорию планетных движений. Не любую теорию, однако, можно создать, ограничиваясь лишь наглядными понятиями и малыми шагами.

Коперник, совершив идейный взлет, решил исследовать, как выглядят планетные движения, если на них смотреть с “солнечной точки зрения”. А взлет Кеплера – предположение о том, что траектории планет описываются не разными комбинациям круговых циклов и эпициклов, а неким единым образом. И Коперник, и Кеплер, фактически принимая постулат фундаментальной науки, изучали по сути лишь один объект – Солнечную систему. Они опирались лишь на астрономические, “пассивные”, наблюдения, а главным их теоретическим инструментом была математика. Их можно назвать фундаментальными астроматематиками.

Галилей применил изобретательную свободу познания в мире явлений земных, где возможны активные систематические опыты. Он верил в то, что оба мира – подлунный и надлунный – подвластны единым законам. Обнаружив в земных явлениях фундаментальность закона инерции, он считал его действующим и для астрономических явлений. И стал первым современным физиком (и астрофизиком).

С тех пор так работает физика переднего края, которую можно назвать Галилеевой. Оставшуюся часть физики можно назвать Архимедовой: здесь к понятиям наглядно-очевидным добавляются фундаментальные понятия, уже проверенные и ставшие привычными. Следующие, после Галилеевой “пустоты”, неочевидные понятия – всемирное тяготение, электромагнитное поле, кванты энергии, фотоны, пространство-время и пр. Чтобы ввести в науку “новое слово”, нередко необходимо отказаться от привычных старых (от эфира, например), что бывает даже труднее.

Метод Галилея стал главным двигателем науки, давая новые понятия и законы природы. Начинал же Галилей с веры в фундаментальную закономерность природы и в способность человека к познанию.

Источник веры в фундаментальную закономерность

Размышляя о научном познании, Эйнштейн заметил: “Невозможно построить дом или мост без использования лесов, не являющихся частью самой конструкции”. Какие же леса помогали строителям новой науки?

О современнике Галилея – Кеплере – Эйнштейн писал, что тот

жил в эпоху, когда власть закона в природе отнюдь не была общепризнанной. А его вера в единообразный закон была столь велика, что дала ему сил на десять лет терпеливого труда – эмпирически исследовать движения планет, чтобы найти их математические законы.

Все основатели новой науки разделяли такую веру в фундаментальную закономерность природы. Вера и знание сотрудничают в науке: вера определяет начало и энергию исследования, а знание – его итог. В чем источник этой веры?

Неожиданную подсказку обнаружил историк-марксист (и, разумеется, атеист) Э. Цильзель, исследуя происхождение выражения “закон природы”. Оказалось, что выражение это возникло лишь в семнадцатом веке и притом благодаря библейскому мировосприятию. Слово “закон” до того имело лишь юридический смысл.

В своих книгах Галилей вместо этого слова писал “ragione” (соотношение) или “principio” (принцип). В его теологических письмах, однако, началось превращение:[2]2
  Письма (1613–1615) адресованы ученику и герцогине-покровительнице.


[Закрыть]

И Библия и Природа исходят от Бога. Библия продиктована Им, а Природа лишь исполняет Его веления.

Библия, убеждая в истинах, необходимых для спасения, нередко использует иносказания, понятные даже людям необразованным. А прямое значение слов было бы богохульством, когда, например, говорится о руках и глазах Бога, о Его гневе и сожалении, о Его забывчивости и незнании будущего. Природа же, никогда не нарушая законов, установленных для нее Богом, вовсе не заботится о том, доступны ли человеческому восприятию ее скрытые причины и способы действия. Бог наделил нас органами чувств, языком и разумом, чтобы мы сами могли познавать устройство Природы. Поэтому, когда мы узнаем нечто о природных явлениях, опираясь на опыт и надежные доказательства, это знание не следует подвергать сомнению на основе фраз из Библии, которые кажутся имеющими иной смысл. Особенно это относится к явлениям, о которых там лишь несколько слов. Ведь в Библии не упомянуты даже все планеты.

Галилей тут фактически изложил постулат фундаментальной науки: нерушимые законы управляют скрытыми причинами в Природе, а человек способен их понять.

К концу семнадцатого века Галилеевы “законы, установленные Богом для природы”, превратились просто в “законы природы” – благодаря Декарту и Ньютону, глубоко религиозным и очень авторитетным людям науки. Для атеиста Цильзеля выражение “закон природы” – это лишь “метафора библейского происхождения”, но для религиозных основателей новой науки это было метафорой не более, чем другие описания Бога. Выражение “закон природы” вошло в общий язык верующих и неверующих, а к двадцатому веку забылось и то, что оно существовало не всегда, и его библейское происхождение.

Не так важна история словосочетания “закон природы”, как роль библейского мировосприятия в мышлении основателей новой науки. Связь двух видов веры в их сознании помогает увидеть зависимость постулата фундаментальный науки от постулатов Библии о Творце-Законодателе и о человеке, созданном как Его подобие.

Вернемся к вопросу Нидэма. Что общего у стран, где новая наука приживалась легко? Сравнивать, впрочем, следует не страны в целом – разные по истории и уровню развития, – а людей, идущих в науку, то есть, очевидно, людей читающих. К семнадцатому веку наиболее читаемой книгой христианской Европы была Библия, доступность которой резко выросла благодаря изобретению книгопечати в пятнадцатом веке, и Реформации в шестнадцатом.

Буквально все основатели новой науки были верующими. Коперник имел духовное звание, Галилей и Кеплер в юности хотели стать священниками, а Ньютон о Библии написал больше, чем о физике. В своих научных исследованиях они, по выражению Кеплера, видели служение Богу. А в религии мыслили так же свободно, как и в науке. Причем в науке истину они искали, опираясь на книгу Природы, а в религии опирались на Библию, полагая, что у обеих книг один Автор.

Конечно, и в семнадцатом веке, когда возникала современная физика, были атеисты. Атеизм “жил и работал” еще во времена Архимеда – у Эпикура и его последователей. Открытым атеистом был коллега и друг Ньютона – астроном Э. Хэли (Галлей). Однако среди основателей новой физики атеистов не было. Чтобы это объяснить, выделим на схеме Эйнштейна три рода задач: изобретение новых понятий и аксиом Э=>A, вывод из аксиом проверяемых утверждений A=>У, эмпирическая проверка этих утверждений У=>Э. Изобретению новых фундаментальных понятий способствуют интуиция и вера, присущие религиозному мировосприятию. А для последних двух задач требуется изобретательное конструирование из уже известных теоретических и материальных элементов, и религиозность этому не помогает, а то и мешает, “отвлекая от дела”. Так что физикам-атеистам – таким как Людвиг Больцман, Поль Дирак, Лев Ландау, Стивен Вайнберг – работы хватает.

Все три звена эйнштейновской схемы необходимы, чтобы замкнуть цикл познания. Но начать следующий виток спирали науки способен лишь новый взлет изобретательной интуиции, основанной на вере. В начале же первого цикла, при рождении современной физики, роль новых понятий была особенно велика, и, соответственно, определяющей стала роль верующих физиков. Это объяснение охватывает и следующих изобретателей фундаментальных понятий – Максвелла, Планка и Эйнштейна, которые тоже не были атеистами.

Кредо Эйнштейна: “Господь изощрен, но не злонамерен”. Друга его, атеиста М. Соловина, беспокоило, что в подобных шутках слишком большая доля религии. Эйнштейн пояснял, что “не нашел лучшего слова, чем “религиозная”, для уверенности в рациональном характере реальности, доступной человеческому уму, а там, где это чувство отсутствует, наука вырождается в бескрылый эмпиризм”. И добавил:

Ты находишь странным, что я говорю о познаваемости мира как о чуде или как о вечной тайне. Но ведь следовало бы ожидать мира хаотического, который мы могли бы упорядочить лишь подобно алфавитному порядку слов. Совершенно иной порядок проявился, например, в теории гравитации Ньютона. Он придумал аксиомы этой теории, но сам ее успех означает высокую упорядоченность объективного мира, ожидать чего заранее нельзя. В этом и состоит “чудо”, которое лишь усиливается при расширении наших знаний.

Так Эйнштейн выразил основной постулат фундаментальной науки… и библейское представление об отеческом отношении Творца к венцу своего творения, о чем за три века до Эйнштейна писал Галилей.

Постулаты и предрассудки Библейской цивилизации

Эйнштейну легко было верить в существование фундаментальных законов – многие уже были открыть. В шестнадцатом веке не знали еще ни одного. Поэтому основатели новой физики нуждались в поддержке, которую получили от своих религиозных предрассудков. Их пред-физику можно назвать и более возвышенно: скажем, метафизикой или постулатом, но слово “предрассудок” точнее выражает суть дела. Речь идет об исходной позиции исследователя, пред-шествующей научным исследованиям его рассудка. Слово “предрассудок” в таком нейтральном смысле будем писать через дефис: “пред-рассудок”.

Постулат – утверждение, принимаемое без доказательства. Евклид предложил набор постулатов, чтобы из набора этого следовали все остальные утверждения геометрии. Пример постулата: через две точки можно провести лишь одну прямую линию. Представив себе прямую в виде натянутой нити, утверждение это легко принять на основе собственного жизненного опыта.

Другой постулат не столь очевиден: на плоскости через точку вне данной прямой можно провести одну, и только одну, прямую, не пересекающуюся с первой. Веками математики пытались доказать этот постулат, сведя его к очевидным. Лобачевский понял, что это невозможно, когда заменил постулат его отрицанием и получил систему утверждений, логически безупречную. Подобные системы описывают геометрии не на плоскости, а на искривленной поверхности. Так что в математике неэквивалентные наборы постулатов определяют разные геометрические миры.

Совсем иной характер имеет постулат о фундаментальном устройстве реального мира и о его познаваемости. Он не следует логически из научных знаний или из житейского опыта. А чтобы постулат этот был крепкой опорой, в него нужно “свято” верить. Таким образом, речь идет о научном пред-рассудке, который для основателей новой науки следовал из их религиозных представлений. Пред-рассудки очевидны лишь для их носителя, поскольку усвоены незаметно, обычно в юном возрасте, из культурного окружения, подобно тому, как усваивают родной язык.

Взаимосвязь пред-рассудков религиозных и научных обнаружили миссионеры, которые принесли в Китай и Библию, и европейскую науку, а в 1737 году писали в своем отчете:

Мы объясняем китайцам, что Бог, создавший Вселенную из ничего, управляет ею посредством всеобщих законов, достойных Его бесконечной мудрости, и что все творения подчиняются этим законам изумительно точно. Китайцы отвечают, что эти высокопарные слова не несут им никакого смысла. Законом они называют порядок, установленный законодателем, имеющим власть предписывать законы тем, кто способны их исполнять, а значит, способны их понимать. Считать же, что Бог установил всеобщие законы, означает, что животные, растения и вообще все тела знают эти законы и, следовательно, наделены пониманием. А это, говорят китайцы, абсурдно.

Абсурдно для тех, кто не верит в Создателя-Законодателя Вселенной. А без понятия “всеобщих законов” фундаментальная наука невозможна.

Когда в Китае составляли процитированный отчет, в России, на 12-м году существования ее Академии наук, 25-летний Михаил Ломоносов усердно осваивал европейскую ученость. Этот сын рыбака с дальнего Севера на пути к науке преодолел множество препятствий, но “китайского” барьера среди них не было. В России, при всех ее отличиях от Западной Европы, в науку точно так же шли люди из просвещенного, читающего меньшинства, которое опиралось на те же библейские пред-рассудки, что и просвещенное меньшинство в Западной Европе. Библия для Ломоносова была книгой столь же важной, как для Галилея и Ньютона, так же укрепляла его веру в закономерность мира и помогала критически воспринимать земные авторитеты, провозглашая высший авторитет Создателя-Законодателя Вселенной.

Влияние Библии началось, разумеется, задолго до шестнадцатого века, но резко усилилось, когда изобретение книгопечати позволило осуществить принцип Реформации Sola Scripture (только Писание), провозгласивший Библию единственным источником вероучения. Отсюда вытекала необходимость ее перевода на разговорные языки. Чтобы противостоять протестантам, появились и католические переводы Библии. А религиозные дебаты о смысле библейского текста побуждали верующих читать древнюю книгу. Это могло помочь развитию науки, например, таким образом.

Примем, что врожденные способности к исследованию (любознательность, интеллект, воображение, целеустремленность) встречаются в разных культурах одинаково часто, точнее – одинаково редко. Пред-рассудки данной культуры, однако, помогают или мешают выявлению таких людей. Библейские постулаты о незримом Творце-Законодателе, создавшем мир для человека, заражали познавательным оптимизмом.

Книгопечатание содействует развитию науки и другими путями – повышая уровень грамотности и распространяя научные знания, но определяющим было не это, типографии ни в Китае, ни в мире Ислама науке не помогли.

После того как физика Галилея – Ньютона оправдалась триумфально, верить в фундаментальное устройство мира и в его познаваемость стало возможно и без опоры на Библию. Убеждали сами триумфы. А “самоочевидный” ныне постулат фундаментальной науки вместе с другими установками библейского происхождения образовали инфраструктуру цивилизации, именуемой Западной, или Европейской, или Христианской. Точнее эту цивилизацию назвать Библейской, поскольку именно Библия, растворившись в национальных культурах от Италии до Скандинавии и от Англии до России, стала реальной основой их общности.

Роль Библии в рождении современной науки не более удивительна, чем ее вклад в развитие литературы. Культурный европеец, даже считая себя неверующим, знаком с библейскими сюжетами. Принципы Европейской цивилизации, кажущиеся самоочевидными, имеют библейское происхождение, хоть ныне звучат секулярно. Само представление об общечеловеческих ценностях не было общечеловеческим. Единство людского рода, выраженное в Библии единым происхождением от Адама и Евы, заповедь о еженедельном дне отдыха для “раба и рабыни” наравне с членами семьи, благожелательность к “пришельцам”, равенство людей перед Богом и личная ответственность человека за свои действия – все это в Библейской цивилизации развилось в сегодняшние представления о человеческом достоинстве, о верховенстве закона и о равенстве людей перед ним. Крылатая фраза “Человек!.. Это звучит… гордо!” в пьесе Горького следует за словами: “Человек может верить и не верить… это его дело! Человек – свободен… он за все платит сам: за веру, за неверие, за любовь, за ум – человек за все платит сам, и потому он – свободен!”

На основе библейского мировоззрения сформировался западный секулярный гуманизм. Нынешние атеисты, свободно говоря о своих взглядах, едва ли осознают, что такая их свобода – свобода совести – плод библейской цивилизации. Первыми эту свободу провозгласили люди глубоко религиозные, которые, в стремлении к духовной свободе, переселились за океан. Чтобы гарантировать эту свободу, они впервые отделили Церковь от государства законодательно.

Библейское наследие принадлежит как верующим, так и неверующим, а культурная дистанция между библейским теистом и библейским атеистом много меньше расстояния между различными цивилизациями. Европейские атеисты, не принимающие всерьез религиозных постулатов Библии, несут в себе секулярное следствие этих постулатов – веру в познаваемость Мироздания. Такая вера предшествовала распространению науки Галилея – Ньютона по Европе. А необходимая для новой науки внутренняя свобода роднит глубоко верующих и глубоко неверующих. Пред-рассудок личной свободы отличает их от непросвещенных “мелко верующих” – признающих лишь то, что можно пощупать, независимо от того, посещают они церковь или нет.