Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали - Скотт Бембенек

В течение XVI века понятие атома рассматривали в физических и философских теориях. К середине XVI века идея, что вещество может действительно состоять из атомов, получала все более широкое распространение. Вот что говорил об этом Николай Коперник: «Это крошечные, незаметные, неделимые частицы, называемые атомами. Сами по себе они незаметны, и если два или несколько атомов отделить от объекта, то они не сформируют мгновенно видимое тело, но их можно умножать, пока они не соединятся, чтобы сформировать общую массу». Однако именно XVII веку случилось увидеть полное переосмысление древних теорий материи.

XVII век был временем значимых достижений в математике и физике, которые дали ученым инструменты, чтобы те могли получше вглядеться во многие нерешенные физические проблемы, например о настоящей природе вещества, что выдвинуло ранние атомные теории, особенно Демокрита, на первый план. Атомная теория Демокрита, даже при всех ее недостатках, все еще предлагала «механическое» объяснение материи: материя состоит из атомов, находящихся в движении, которым управляют определенные (тогда неизвестные) физические законы, и сами атомы определяют физические и химические свойства рассматриваемого объекта.

Для ученых XVII века эта картина вещества была более привлекательной, чем доктрина Аристотеля о материи и форме (в конечном счете ее начали высмеивать), потому что она определила фундаментальные особенности, которые можно было использовать в экспериментах и теоретически глубже понять законы природы. Таким образом, природу рассматривали как своего рода великую «машину», состоящую из определенных «деталей», которые работают только по физическим законам (а не по велению некоей вселенской силы). На самом деле в XVII веке законы природы часто сравнивали с механическими часами, как метко сформулировал Роберт Бойль (1627–1691):

«Несколько частей, из которых состоит этот любопытный двигатель, устроены и подогнаны таким образом, что они приводят в движение множество шестеренок и деталей, двигаются несколькими способами, и все это без знаний и плана; и при этом каждая из них отлично выполняет свою роль для разных целей, ради которых ее создали, так размеренно и равномерно, как будто она знает это и беспокоится о выполнении своего долга».

Это новое представление о природе как механизме для ученого XVII века было существенным шагом вперед, к свободе от доктрины Аристотеля. Оно утверждало потрясающую веру в то, что каждый может систематически познавать явления природы вместо того, чтобы искать прибежища у неопределенных объяснений о скрытой цели, врожденных качествах или тайных силах, управляющих этими процессами. Этот новый способ познания природы называли механистической философией.

В очень ярком эпизоде из «Мира» (написанного между 1629 и 1633 годами) Рене Декарт (1596–1650) поясняет, что он – сторонник механистической философии и считает аристотелевское понятие формы и связанных с нею качеств неспособным объяснить физические явления:

«Если вы находите странным, что я не использую качества, которые называют теплом, холодом, влажностью и сухостью…, как делают различные философы, я говорю вам: эти качества, как мне кажется, нуждаются в объяснении, и, если я не ошибаюсь, не только эти четыре качества, но также и все другие – и даже все формы неодушевленных предметов могут быть объяснены без иных предположений об их материи, кроме движения, размера, формы и расположения их частей».

Несомненно, как и многие его современники, Декарт придерживался механистической философии во многом из-за желания опровергнуть философию Аристотеля. Декарт ссылался на механизмы в моделях, которыми он объяснял поведение мира. На самом деле для него не было никакого принципиального отличия между рукотворными механизмами и законами природы: «Нет никакой разницы между машинами, созданными людьми, и разнообразными предметами, которые создает сама природа».

Единственным исключением в идеях Декарта был тот факт, что детали искусственных машин должны быть достаточно большими, чтобы их можно было видеть и работать с ними, тогда как «детали», из которых состоит природа, могут быть очень маленькими – невидимыми для нас. Как мы узнали из части 1, Декарт утверждал, что «движение» в природе сохраняется. Так что для Декарта, даже если Бог когда-то привел в движение все, например планеты, то после, чтобы мировая машина продолжала работать, он не нужен.

Таким образом, Бога представляли как архитектора и создателя «мировой машины», и эта машина, когда-то приведенная в движение, всегда будет работать без вмешательства Бога. Эта идея привлекла многих ученых XVII века, потому что теперь природа должна была поддаваться описанию с помощью четко определенных математических принципов и физических законов – в конце концов, это ведь машина.

Возможно, никакой другой человек не сделал больше, чтобы заложить фундамент и привести эту концепцию к успеху, чем Ньютон. Тем не менее – и это один из самых ироничных поворотов истории – по существу он опроверг свою собственную теорию. В 1678 году Исаак Ньютон (1643–1727) написал «Начала», которые описывали (среди прочего) три основных закона движения и действие сил в их рамках.

Первый закон Ньютона гласит:

«Объект будет оставаться в состоянии покоя (его скорость будет равняться нулю), а объект, который движется с постоянной скоростью, будет продолжать движение по прямой линии, пока приложенная сила не подействует на любой из них».

Другими словами, если объект не двигается, то он не придет в движение без приложения к нему какой-либо силы – толчка или удара, который подействует его в движение.

Более того, объект, который движется по прямой с определенной скоростью, продолжит движение, если, опять-таки, какая-то сила не вмешается, внеся изменения. Поскольку пребывание в состоянии неподвижности – просто частный случай движения с постоянной скоростью (скорость равна нулю), мы можем утверждать, что естественное стремление объекта – поддерживать свою скорость и движение по прямой линии. Эту особенность называют инерцией, и это – фундаментальная особенность материи.

И Галилео, и Декарт работали над понятием инерции, а формализовано оно было в первом законе Ньютона. Сегодня это не кажется нам чем-то грандиозным, но в конце XVII века Галилео первым предложил ввести это понятие. До этого большинство людей думало (благодаря Аристотелю), что естественное состояние объекта – состояние покоя. Идея заключалась в следующем: чтобы поддерживать объект в движении, необходима постоянная сила, иначе он перейдет в состояние покоя. Действительно, кажется, это лучше согласуется с повседневным опытом.

Например, когда вы ведете автомобиль, необходима постоянная сила (от подачи топлива), чтобы продолжать движение. Однако на ваш автомобиль воздействует внешняя сила, создавая трение между дорогой и шинами. Именно эта сила заставляет автомобиль замедляться, иначе бы он продолжал движение благодаря инерции.

Эксперименты Галилео с движением объектов вниз по наклонной плоскости (как мы узнали из части 1) позволили ему разобраться с понятием инерции. И объекты, и наклонная поверхность были сделаны из твердых материалов, и возникавшее в результате трение было минимальным. Таким образом, поскольку Галилео наблюдал за объектом, проходящим значительное расстояние после движения по наклонной поверхности, он вообразил такую ситуацию, в которой трение абсолютно отсутствовало, и пришел к заключению, что при этих обстоятельствах объект будет двигаться без остановки по инерции. Именно эти «мысленные эксперименты» привели Галилео ко многим проницательным выводам.