Механизм Вселенной

Очевидно, Демокриту не были доступны ни необходимые математические расчеты, ни эксперименты. Кроме того, теории Демокрита угрожал кое-кто еще — а именно Аристотель[116], который мешал развитию теории Демокрита. В своих работах он явно упоминал атомную теорию[117] Демокрита, но лишь для критики. Иронично, но именно таким образом мы и получили большую часть имеющихся знаний о теории Демокрита.





Почему Аристотель?




Аристотель (384–322 до н. э.) родился в Стагире, в Греции. Его отец был придворным врачом царя Македонии. Эта должность перешла к нему по наследству. Аристотель учился у Платона (427 до н. э. — ок. 347 до н. э.) в Афинах с восемнадцати лет и провел там следующие двадцать лет жизни, до смерти Платона. В 343 году до н. э. Аристотель стал учителем Александра Великого, которому тогда было тринадцать лет, и учил его три года, пока отец Александра не назначил того регентом в Пелле[118].

Труды Аристотеля стали первой всесторонней системой западной философии, затрагивавшей темы политики, этики, логики, метафизики и науки. Едва ли была область знаний, о которой он не писал[119]. Он верил, что человеческие знания невозможно уложить в одно понятие. Аристотель стал первым, кто разделил их на категории. Здесь мы будем останавливаться на Аристотелевой теории материи и формы.

Так же, как и другие, Аристотель стремился ответить на вызов теории Парменида о постоянстве, оставляя при этом возможность перемен в мире, как того требовал Гераклит[120]; его теория материи и формы — попытка примирить их. Согласно Аристотелю, объекты, как мы их видим, состоят из двух частей: «материи» и «формы». Форма дает конкретную схему материи, и именно благодаря форме мы идентифицируем объект как «вещь»; знать вещь означает знать ее форму.

Например, представьте, что скульптор начинает с комка глины и делает из него собаку. Здесь глина — материя, а собака — форма, которую придал глине скульптор. Теперь представьте, что скульптор снова начинает превращать кусок глины, прежде имевший форму собаки, в нечто другое, например кошку. Конечно, материя — все еще глина, но теперь форма изменилась: была собака, стала — кошка. Однако скульптор не создает форму; она существовала всегда. Вместо этого скульптор объединяет форму и материю. Согласно Аристотелю, изменение происходит за счет изменения формы материи.

Кроме того, Аристотель считает, что этот процесс обусловлен четырьмя причинами: материальной, формальной, движущей и целевой. Эти первоначала управляют тем, как создается материальный объект. Мы можем понять их, задав четыре вопроса: «Из какого материала сделан объект? Что это за объект? Как был создан объект? Какова цель этого объекта?» Самый важный из них — последний, известный как целевая причина. В самом деле, если бы в философии Аристотеля имелся какой-то один основополагающий принцип, то это был бы вопрос, связанный с целевой причиной[121].

Именно целевая причина дает материи определенную цель, когда она сменяет различные формы. Таким образом, теория Аристотеля о материи и форме пытается объединить на вид разрозненные идеи об изменении и постоянстве. С теорией Аристотеля о форме и материи связаны понятия «возможного» и «действительного». Опять-таки, представьте скульптора и глину. Когда глина была просто материалом на рабочем месте скульптора, у нее была возможность, среди прочего, принять форму собаки или кошки. Но глина благодаря усилиям скульптора приобрела форму, усиливая действительное. Таким образом, чем больше форм что-то может иметь, тем больше его действительное. Аристотель также включил эти принципы в свое миропонимание, где его версия Бога была изображена как совершенство, состоящее из чистой формы и действительного[122].

Работы Аристотеля были вновь открыты после падения Римской империи под ударами арабской цивилизации, правившей в регионе от Персии до Испании. Среди арабов были мусульманские и еврейские ученые, которые перевели работы Аристотеля (и фактически все важные работы греческой, а также персидской и индийской культур) на арабский язык. Средневековые христиане приобретали эти переведенные работы, к 1100-м годам начиная брать под контроль Толедо (Испания) и Лиссабон (Португалия).

Мусульманские и еврейские ученые включали приложения к оригинальным работам. Таким образом, мало того что они переводили оригинальные работы с греческого языка на арабский, они также доработали идеи, которые древние греки оставили незаконченными. Это произошло в самое подходящее для христианских ученых время, потому что к середине XII века они уже начинали задаваться вопросом об отношениях между Богом и, в общем-то, всем остальным. Именно Аристотель обеспечил им то понимание, которое они искали, — благодаря работам, переведенным с арабского языка на латынь[123].

Вероятно, христианские ученые выделяли Аристотеля среди других древнегреческих философов по нескольким причинам. С одной стороны, он создал целостную систему философии, которая включила в себя практически все. Его работы были написаны в академическом стиле, но все же были доступны широкой аудитории, сохраняя достаточную примесь здравого смысла. Здравый смысл Аристотеля проистекал частично из того, что он во многом был эмпириком — тогда как Демокрит был скорее теоретиком и мыслителем, Аристотель был более наблюдательным; он наблюдал природу и полагал, что таким образом мы можем получить от мира полезную информацию. Наконец, видение бога у Аристотеля хотя и не относилось к христианскому богу, очевидно, достаточно подходило в качестве точки отсчета, чтобы его можно было включить в новую версию христианства того времени. Главным образом этому способствовал св. Фома Аквинский (1225–1274).

Однажды успешно усвоенный христианством (и с учетом того, что ранние европейские университеты были связаны с христианской церковью), Аристотель стал авторитетом во всех областях науки и оставался им примерно до XVII века. Таким образом, у работ Демокрита действительно не было шанса на успех по этим и некоторым другим причинам[124]. Тем не менее XVII век изменит это, поскольку ученые начнут стремиться понять мир более системно (механистически, или механически) при помощи новых инструментов, доступных им благодаря быстро развивающимся физике и математике.





Глава 10

Две новые философии

Рациональный взгляд на природу против духовного





Семнадцатый век был революционным для математики и физических наук. В это время появились многочисленные мощные методы в математике, которые также обеспечивали новые, не доступные прежде подходы к решению проблем физики. Эти инструменты дополняли новую механическую философию, предлагавшую систематическое представление о мире, освободившемся от вмешательства бога и работающем по основополагающим законам, установленным природой и понятным человеку.

Конкурентом, или, возможно, дополнительной «философией» наряду с механической философией, была алхимия. Благодаря метафизическим и духовным догмам она и препятствовала, и продвигала начала экспериментальной химии. Когда алхимия исчезла, экспериментальная химия продолжила развиваться, став зрелой наукой, которая признала атом как концептуально необходимое понятие, но все еще отказывалась полностью охватить его как физический объект.





«Завершение» Аристотеля




Теория Аристотеля о материи, как и все остальные его мысли, стала догмой. Однако это не остановило постоянно увеличивавшийся поток критики. Вспомните, Аристотель думал, что объект состоит из двух частей, материи и формы, которые сосуществовали в объекте, тем самым создавая его. Они не только давали форму объекту, но также и определяли его физические и химические свойства.

Проблема здесь вот в чем: независимо от объекта и его особенностей, каждый вынужден прийти к заключению, что субъект обладает определенными свойствами просто по той причине, что они заложены в него изначально. Так почему же тогда небо «голубое»? Оно «голубое», поскольку это врожденная часть его формы. Почему золото блестит? Потому что «блеск» — часть его формы. Вы видите здесь проблему? Мы останавливаемся на том, что ничего не узнаем об основных принципах или механизмах, которые действительно управляют свойствами рассматриваемого объекта.

Атомная теория Демокрита значительно пострадала от критических замечаний Аристотеля, но не была забыта полностью. Наоборот, в эпоху Средневековья[125] атомные теории Демокрита и Эпикура (341 — ок. 270 до н. э.)[126] были известны и вызывали определенный интерес даже тогда.

Более того, во время итальянского Ренессанса[127] произошел скачок благодаря открытию Поджо Браччолини (1380–1459)[128] в 1417 году единственной уцелевшей рукописи большой работы De Rerum Natura («О Природе вещей») римского поэта Лукреция (99–55 до н. э.).

Лукреций был современником Юлия Цезаря (100–44 до н. э.) и Цицерона (106–43 до н. э.). Он полагал, что атомы — чрезвычайно мелкие частицы материи, имеющие те же свойства, что и вещество, частью которого они были. Его взглядов придерживались приблизительно до XIX века, когда выяснилось, что у атомов есть некоторые уникальные свойства, отличающие их от самого вещества, например электрический заряд. Сегодня мы знаем, что объемные свойства предметов зависят от большого количества атомов, составляющих вещество данного объекта, и, таким образом, свойства единственного атома не определяют его объемные свойства.

Поэма Лукреция, в которой ярко описаны работы Демокрита, Левкиппа и Эпикура, была очень популярной в XV и XVI веках и как художественная, и как философская работа. Работа Диогена Лаэртского, которого не принимали во внимание в Средневековье, вновь получила популярность, особенно десятая книга «Жизни философов». Эта работа имела особое значение для развития атомных теорий и включала три письма Эпикура (письмо Геродоту[129] было самым важным из них) в дополнение к жизнеописанию Эпикура.

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[130]: «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.





Мировая машина




В очень ярком эпизоде из «Мира» (написанного между 1629 и 1633 годами) [131]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[132]. 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[133].

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[134]. 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[135]. 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.

Второй закон Ньютона описывает эффект, который оказывает внешняя сила, действующая на движущийся объект:

«Ускорение объекта прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе объекта».

Другими словами, если приложенная сила F производит ускорение a объекта с массой m, то второй закон Ньютона математически выглядит так:

F = ma,

где сила и ускорение — векторы (у них есть величина и направление), а масса — скаляр (есть только величина). Чтобы выразить ускорение, мы преобразовываем выражение и получаем:





Так, для данной массы, если приложенная сила увеличивается, скажем, вдвое, ускорение также увеличится вдвое, а если приложенную силу увеличить втрое, ускорение вырастет в три раза… и так далее. Ускорение объекта прямо пропорционально приложенной силе. Теперь для данной приложенной силы, если масса увеличивается вдвое, мы видим, что ускорение уменьшается вдвое; а если втрое, то ускорение уменьшится в три раза… и так далее. Ускорение обратно пропорционально массе объекта. Второй закон Ньютона также дает первое точное определение приложенной силы — до этого силу путали с импульсом или энергией (как мы говорили в части 1).

Наконец, есть третий закон Ньютона:

«Два объекта действуют друг на друга с силами, которые равны по величине, но противоположны по направлению».

Иногда мы называем эти силы силой действия и силой противодействия. Мы можем утверждать, что для каждого действия есть равная и направленная в противоположную сторону сила противодействия. Третий закон Ньютона означает, что нет такой вещи, как «одинокая сила», — все силы во Вселенной существуют в «парах», где обе силы (данной пары) равны по величине, но направлены в противоположные стороны.

Например, книга, лежащая на столе, за счет своего веса действует на стол с силой, направленной вниз[136], а стол, в свою очередь, действует на книгу с силой, которая равна по величине, но направлена вверх. Некоторые примеры кажутся немного менее очевидными. Представьте себе, что вы ехали на машине и в ваше лобовое стекло врезался жук. Даже при том, что последствия для жука стали явно намного более плачевными, чем для автомобиля, приложенные силы были равны.

Законы движения Ньютона по существу объясняли теорию, по которой мир работает как хорошо смазанная машина. Однако Ньютон видел это не совсем так. В «Оптике» он пишет:

«В то время как кометы движутся по самым разнообразным вытянутым орбитам, одна лишь воля случая не может заставить все планеты двигаться одинаковым образом по орбитам с общим центром, и некоторые незначительные отклонения в движении планет могут возникать из-за взаимодействия комет и планет, и эти возмущения будут стремиться расти до тех пор, пока система не начнет нуждаться в исправлении».