Kvant. Как зарождалась физика
Фистуль В. Как зарождалась физика //Квант. — 2001. — № 3. — С. 3-5.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Впервые слово «физика», означающее в переводе с греческого «природа», было введено в обиход Аристотелем. Он же дал определение задач физики как науки, полностью справедливое и в наше время: «...ведь мы тогда уверены в познании всякой вещи, когда узнаем ее первые причины, первые начала и разлагаем их вплоть до элементов ...ясно, что и в науке о природе надо определить прежде всего то, что относится к началам».
Еще до Аристотеля многие мыслители так или иначе пытались осуществить сформулированную им стратегическую программу применительно ко многим вещам и, главным образом, к строению самого окружающего мира. Этих исследователей относили к философам — мудрым людям (сначала их называли физиологами). А термин «философия» был введен Пифагором. Посмотрите на имена в хронологической таблице на рисунке 1 — среди «ранних» мудрецов и следует искать истинного родоначальника физики. А Аристотель, которому часто приписывают «отцовство» физики, является лишь ее «крестным отцом», давшим этой науке имя.
С современных позиций, физика подразделяется на теоретическую и экспериментальную. Конечно, обе они представляют единое целое, но поскольку теория часто идет от эксперимента, ее первая задача — объяснить опытные данные и вторая — предсказать новые эксперименты и (помимо их самостоятельного значения) либо подтвердить справедливость разработанной теории, либо ее отбросить и заняться построением новой теории. Отсюда понятны и задачи экспериментальной физики, к которым необходимо отнести прежде всего опытное установление причинных закономерностей, связывающих реакцию объекта на внешнее воздействие с самим этим воздействием. Задачей экспериментальной физики является также указание возможностей практического использования результатов опыта в других областях деятельности Человека, например в технике. Разумеется, эта задача очень важна в наше время и почти не ставилась в Древней Греции в период VI-IV веков до н.э., который отражен в приведенной таблице. Как нам представляется, с позиций разделения физики на теоретическую и экспериментальную и следует искать родоначальника (или родоначальников) физики.
До нас дошли различные легенды, так или иначе связанные с поисхождением различных физических терминов. Вроде известной истории о древнегреческом пастухе, случайно подметившем торможение колеса телеги с железным ободом камнями, лежащими на дороге. Это, по-видимому, были куски магнитного железняка — магнетита. От имени этого пастуха — Магнуса — и произошли термины «магнит» и «магнетизм». (Впрочем, есть и другая версия происхождения этих терминов: от названия области Магнесия в Малой Азии, в которой добывали камни, содержащие минерал пирит, т.е. магнетит, — сырье для выплавки железа.) По другой известной легенде термин «электричество» произошел от греческого названия янтаря — «электрон», — который после полировки мехом притягивает деревянные опилки. Эти и подобные им события, если и были в действительности, то должны быть отнесены к наблюдениям, а не к сознательно поставленным физическим экспериментам. Так же, как и многочисленные наблюдения астрономического характера.
Из различных литературных источников следует, что первый физический эксперимент был осуществлен в школе пифагорейцев. Его суть понятна из рисунка 2, где изображены четыре струны одного диаметра, но разной длины, которые при одном и том же натяжении издают различные звуки. Еще лучше для изучения звучания струн разной длины использовать специальный прибор, называемый монохордом, в котором длина струны варьируется скользящим держателем, а одинаковость натяжения струн обеспечивается одной и той же пружиной. Скорее всего, именно так и был поставлен опыт Пифагором и его учениками (таким же образом этот опыт можно провести и сегодня в любом школьном кабинете физики).
Пифагор нашел, что звучание приведенных на рисунке струн соответствует основному тону, октаве, квинте и кварте в звучании лиры — одного из древних музыкальных инструментов. По современным представлениям, открытие Пифагора может быть сформулировано в терминах звуковой частоты — значения этих частот указаны на том же рисунке 2.
Предание приписывает Пифагору и другое наблюдение: звучания металлических болванок при ударе кузнечных молотов. Впоследствии Пифагор, якобы, открыл связь звучания с массой молотов. Но подробно это экспериментальное исследование было проведено и описано учеником Пифагора Гиппасом. Он изготовил четыре медных диска одного диаметра, но различающихся толщиной, и установил соотношения между массой дисков и музыкальными тонами. Таким образом, опыт Гиппаса следует трактовать как еще один метод установления музыкальных отношений.
Известно, что к научной школе Пифагора при его жизни и после принадлежали 218 мужчин и 17 женщин. Некоторые из них продолжали заниматься экспериментальным изучением акустики. Тем не менее, поскольку первый сознательный физический эксперимент был осуществлен самим Пифагором, именно его следует считать истинным «отцом» экспериментальной физики. Хотя Дж.Гамов, например, считает, что установленные Пифагором соотношения музыкального ряда являются и началом теоретической физики, поскольку они носят количественный характер. Вряд ли с этим утверждением можно согласиться — ведь основная задача теоретической физики состоит в том, чтобы понять все или хотя бы часть уже известных фактов. При этом вовсе не обязательно это понимание представлять в математической форме.
Вновь обратимся к хронологической таблице на рисунке 1 и кратко рассмотрим теоретические концепции упомянутых в ней философов.
Наиболее древними в этом ряду являются Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Пифагор, Геркалит. Их воззрения на Природу, по существу, еще близки к предшествующим мифологическим взглядам. Так, Фалес считал, что первичной субстанцией всего сущего является вода. Этот взгляд прямо восходит к древним мифам о происхождении всех вещей в результате сочетания бога Океана с богиней воды Тефилой. Аристотель предполагал, что Фалес видел, что «пища всех существ влажная и что само тепло из влажности получается... что семена всего, что есть, имеют влажную природу».
В противоположность Фалесу, Анаксимандр отказался от всех предстоящих взору человека причин как возможных первоначал. Он приписал роль первоначала некой ненаблюдаемой субстанции. Живший несколько позднее Анаксимен считал воздух более простым первоначальным веществом, чем вода у Фалеса. Наконец, Гераклит приписал первичность материи огню.
Теперь вернемся к Пифагору, но уже не как к физику-экспериментатору, а как к философу. Пифагорейская философия исходила из того, что в основе мира лежат числа. Более того, им приписывалась божественная роль. Утверждение пифагорейцев о том, что «все есть число», — основной постулат их теоретических представлений. Всем вещам, в том числе и вселенной, они приписывали определенные числа. Пифагорейцы считали, что солнце, земля, луна, неподвижные звезды (как целое) и все планеты, которых в то время было известно всего пять, движутся вокруг некоего центрального огня. Таким образом, планетарный числовой ряд, по их разумению, состоял из 5 планет и 4 промежутков между ними. А для дополнения до числа 10, которое они считали священным, им пришлось предположить существование так называемой противоземли.
Кроме фетишизации самих чисел, Пифагор, его ученики и последователи важную роль отводили числовым соотношениям. Так, открытые ими числовые соотношения музыкальной гармонии они перенесли на небесную сферу, поскольку считали, что движение планет тоже должно быть гармоничным. Отсюда следовало утверждение, что величины расстояний от планет (сфер) до «центрального огня» должны находиться в определенных соотношениях, не равных, но аналогичных тем, которые наблюдаются в музыке. (По этому учению, вращающиеся сферы издают неслышимые гармонические звуки. До нас с того времени дошло выражение «музыка сфер». В целом мистика чисел оказалась очень живучей. Ею широко пользовались религия, астрология, различные виды магии и до сих пор ее отголоски мы почти ежедневно встречаем в жизни во многих пословицах, сказках и крылатых выражениях.)
Таким образом, хотя учение Пифагора и его школы никак нельзя отнести к истокам теоретической физики, идея о важности числового, количественного подхода к описанию Природы спустя много веков реализовалась — возникла математическая физика, или, более общо, математическое естествознание.
Все перечисленные философы так или иначе искали единственное первоначало всего сущего. Более поздние философы видели, что одним первоначалом невозможно объяснить многообразие материального мира, и отказались от этой идеи.
Первым из них был Эмпедокл. Его подход был прост: он считал первоначалом действующие одновременно четыре элемента — огонь, воздух, воду и землю, ранее рассматриваемые отдельно.
Другой взгляд был предложен Левкиппом. Первоначала Левкиппа представляли бесчисленные мельчайшие неделимые частицы. Эти частицы получили название атомов, что в переводе с греческого и означает «неделимые». По Левкиппу, атомы бесконечно разнообразны по форме и размерам и находятся в непрерывном хаотическом движении, в котором они сталкиваются друг с другом, образуя своеобразные вихри. Эти вихри служат строительным материалом для образования всех вещей в окружающем мире, в том числе и самого мира. Кроме того, по- видимому, Левкиппу принадлежит первая формулировка принципа причинности: «Ничто не совершается случайно, но все совершается по какому-нибудь основанию и с необходимостью».
Конечно, атомистика Левкиппа и других древнегреческих ученых — это совсем не то, что физики стали понимать под этим словом уже в новое время, начиная с XIX века. Тем не менее, именно с учения Левкиппа началась эра атомистики в науке, которая, непрерывно развиваясь до сегодняшнего дня, является теоретической основой физики. Поэтому мы с полным правом можем считать Левкиппа «отцом» теоретической физики. К сожалению, ни труды Левкиппа, ни его художественные или скульптурные портреты до нас не дошли. Сведения о самом Левкиппе и о его учении нам известны лишь от его последователей, главным образом — от Демокрита.
Ученик Левкиппа Демокрит был полной противоположностью своему учителю. Демокрит неустанно излагал атомистику Левкиппа в различных аудиториях — в школах, лицеях, на различных диспутах, тем более что он побывал в Вавилоне, Египте, Персии и, разумеется, во многих городах Греции. Преподавательская и лекторская деятельность всегда оттачивает структуру излагаемого предмета, упорядочивает взгляды, что и позволило Демокриту распространить взгляды Левкиппа на всеобщую теорию развития Природы и Человека.
Демокрит, «пропустив через себя» атомистику Левкиппа, внес в нее настолько много своего, что в последующее время уже было трудно разграничить, что в ней от Левкиппа, а что от Демокрита. И все же, Демокрита можно, безусловно, считать первым творческим «пропагандистом» теоретической физики, но нельзя считать ее первооткрывателем.
Современником Левкиппа и Демокрита был еще один древнегреческий философ — Анаксагор. Он также исповедовал множественность первоначал, но не в виде атомов, а в виде неких «семян». Эти семена подобны каждому из существующих веществ: «...любой металл, любая ткань животного или растительного организма имеет начало в виде самого себя. Сколько веществ, столько и материальных начал». Таким образом, семена — это частицы, совпадающие по наименованию и обладающие всеми теми же свойствами, что и вещества, которые мы ощущаем, т.е. видим и осязаем. Однако семена Анаксагора принципиально отличаются от атомов Левкиппа — Демокрита тем, что, в противоположность неделимым атомам, они могут безгранично делиться.
Следующее положение концепции Анаксагора говорит в том, что каждая вещь в мире состоит одновременно из всех семян. В своих сочинениях Анаксагор многократно повторяет: «во всем заключается часть всего». Следовательно, в любой вещи содержатся определенные доли всех существующих вещей (современные ученые называют это положение принципом «универсальной смеси»). Совершенно ясно, что перед Анаксагором возникала необходимость объяснить, почему же каждой вещи присущи характерные лишь для нее свойства, хотя в ней присутствуют и все остальные вещи в виде семян. Эту проблему Анаксагор решает, исповедуя другой принцип: «...чего всего более в каждой вещи, тем одним она и кажется...» (это положение ученые называют принципом «преобладания»).
К рассмотренным принципам Анаксагора необходимо добавить и самое первое его представление, именуемое в наши дни «принципом сохранения материи». В дошедших до нас фрагментах его сочинений ясно говорится: «...никакая вещь не возникает и не уничтожается, но соединяется из существующих вещей и разделяется. И, таким образом, правильнее было бы назвать возникновение соединением, а уничтожение разделением». Справедливость требует указать, что этот принцип не был открыт Анаксагором — он известен и в философии Эмпедокла, его придерживались и атомисты Левкипп и Демокрит.
В свете всего сказанного видно, что теория Анаксагора является вполне законченной теорией, заслуженно занимающей в истории физики положение альтернативы атомистике Левкиппа. Поэтому Анаксагора, несомненно, тоже следует причислить к «отцам» теоретической физики.
Из хронологической таблицы видно, что Анаксагор и Левкипп были современниками, но знали ли они о теориях друг друга? Четких указаний на это в истории нет, и поэтому остается сослаться на предположение ученых, что Анаксагор сознательно создавал свою теорию как антитезу теории Левкиппа. Атомистика древнегреческих философов была воспринята и развивалась достаточно гладко на протяжении веков (и развивается по сей день). По-иному сложилась судьба теории Анаксагора. Долгое время она была интересна лишь историкам науки. И только в самое последнее время на нее обратили внимание физики-теоретики, поскольку некоторые ее черты оказались схожими с представлениями современных теорий.
Укажем, например, на развивающиеся представления о вселенной не как о механической аддитивной сумме всех ее частей, а как о едином целом. Мир при этом представляется целостным образованием, так что на любой его части «записан» весь мировой порядок. Таким образом, для всего мира, а значит, и для всего сущего характерна «голографичность». Не правда ли, это похоже на подход Анаксагора?
Подобные воззрения начали появляться только в середине XX века и все больше занимают умы современных философов и физиков-теоретиков. Наиболее убедительным примером являются усилия теоретиков в разработке единой теории поля. Имеются также многочисленные примеры новых подходов в теоретической физике, свидетельствующие о сосуществовании раздельного и целостного подходов к описанию Природы, являющихся «наследниками» теорий Левкиппа и Анаксагора.
Итак, основоположниками физической науки по праву можно считать «отца» экспериментальной физики Пифагора, «отцов» теоретической физики Левкиппа и Анаксагора, первого «пропагандиста» теоретической физики Демокрита и «крестного отца» физики Аристотеля.
