Горячкин А.Е. От механической физики к живой природе

Подождите немного. Документ загружается.

лучать техническое образование возникает у единиц. Например,

несколько лет назад на отделение физики университета города

Бари записался всего один человек. В России ситуация, конечно,

иная. Впрочем, о любопытстве речь и у нас, как правило, не идет,

что особенно жаль. Ведь в основе главных мировых открытий

лежит именно простое бытовое любопытство. Например, швей-

царский чиновник Альберт Эйнштейн за один судьбоносный для

науки год отослал в популярный в то время журнал пять статей

со своими размышлениями об этом мире. Первая же из них была

удостоена Нобелевской премии.

Основная цель этой книги – подать материал по возможности

динамично. В этой брошюре по сравнению с пухлыми, пыльны-

ми томами диссертаций расширены границы классической меха-

ники, привычное направление приведено к общему знаменателю

с пограничными разделами физики: электродинамикой, кванто-

вой физикой и термодинамикой. Читатель сможет узнать новое

толкование таких понятий, как «эфир», «время» и «вращательное

движение», и ряда собственных понятий. Например, «самоколе-

бания». И надеюсь, что вы не просто проникнетесь физикой, но и

захотите узнать больше о мире, в котором мы живем.

ГЛАВА I

ДИНАМИЧНАЯ ВСЕЛЕННАЯ

ФИЗИКА АРИСТОТЕЛЯ

Аристотель жил в те времена, когда Земля уже перестала быть

плоской, но все же люди испытывали некий трепет перед природой

и воспринимали ее как отдельный, цельный организм. Поэтому

Аристотель давал ей сразу 6 определений:

1. Возникновение рождающихся вещей.

2. То основное в составе рождающейся вещи, из чего вещь рож-

дается.

3. Источник, откуда получается первое движение в каждой из

природных вещей.

4. Материя.

5. Форма.

6. Сущность.

Последние два определения для философа тождественны.

Материя интересовала Аристотеля ровно настолько, насколько ее

можно было определить через сущность предмета. Это принципи-

ально, так как Аристотель проводил четкую границу между при-

родной, следовательно, естественной сущностью и сущностью

искусственной, то есть некоторой вещью, созданной человеком.

Природной сущностью Аристотель называл нечто, что имело начало

движения в самом себе. С целью подчеркнуть это различие между

природными и искусственными предметами Аристотель преднаме-

ренно очистил свое учение от философии и математики. По его мне-

нию, физика как наука должна извлекать истину из природы, объяс-

няя явления материального мира при помощи интуиции и абстрак-

ции, а не при помощи уже устоявшихся научных веяний. Попытка

подобного разделения на современный взгляд получилась, конечно,

более чем скромной. Дело в том, что новейшую науку Аристотель

вопреки собственным утверждениям построил на 4 основных

принципах греческой философии: форма, материя, причина и цель.

И именно «цель» привнесла в науку Аристотеля теологию

и вместе

с ней неизбежно – философию. Ведь главным в те времена считали

Бога. Он был для Аристотеля общим перводвигателем всей жизни во

Вселенной. Богом он называл идеальное начало, вносящее порядок

в материальный мир. Собственно, именно целесообразность, кото-

рая обязательно носит бессознательный характер, приписываемая

Аристотелем каждому объекту нашей галактики, есть главное от-

личие физики Аристотеля от современной. Поэтому советую всем

современным ученым иметь томик Аристотеля на рабочем столе и

перечитывать его время от времени, хотя бы в качестве источника

вдохновения.

МЕХАНИКА СЭРА ИСААКА НЬЮТОНА

Исаак Ньютон был талантлив, пытлив и в отличие от Аристотеля

любил экспериментировать. Например, мог часами крутить острой

спицей между глазным яблоком и глазницей, просто чтобы посмо-

треть, что будет. Сегодня подобные манипуляции называют лобо-

томией, а операция официально запрещена во многих государствах.

Тем лучше, что ничего особенного не произошло. Больше всего

времени Ньютон посвящал математике. Причем исключительно

по любви. По легенде, молодой ученый придумал дифференциаль-

ное исчисление, но молчал об этом десять лет и обнародовал свои

труды, лишь когда на горизонте замаячила конкуренция. Физикой

же занимался на досуге, и тем удивительнее, что прославился он

именно как физик. Впрочем, произошло это тоже случайно.

В XVII веке люди были крайне озабочены разгадкой устройства

Вселенной. Любители заключали пари, а ученые, занимающиеся

космосом, пользовались большим уважением в обществе. Оказался

приобщенным к теме и Галлей, которого мы знаем благодаря одно-

именной комете. Однако основным его вкладом в развитие науки

считается удачно заключенное пари с другими выдающимися ума-

ми того времени. Предметом спора стало желание выяснить, по ка-

Теоло́гия (калька греч. Θεολογία, учение о Боге) — учение о религиозных догматах и

заключённое в их рамки философское мышление, призванное эти догматы защищать и

обосновывать. Представляет комплекс дисциплин, занимающихся изучением, изложением,

обоснованием и защитой учения о Боге, его деятельности в мире и его откровении, а также

связанных с ним учениях о нравственных нормах и формах богопочитания.

кой траектории двигаются планеты вокруг Солнца. История умал-

чивает, на что именно поспорили ученые, но, видимо, приз был

настолько желанным, что за разгадкой Галлей отправился в стран-

ствия. А именно в Кембридж, к молодому, но уже знаменитому в

своих кругах ученому Исааку Ньютону. Итогом этой поездки стала

публикация научного шедевра «Математические начала натураль-

ной философии», или просто «Начал» Ньютона, на деньги Галлея,

что характерно. В пухлом трехтомнике британец сформулировал

первые три закона механики, которые звучат следующим образом:

1. Тело ускоряется в том направлении, в котором получает толчок.

2. Тело будет двигаться в заданном направлении равномер-

но и прямолинейно до тех пор, пока другая сила не замедлит или

не изменит траекторию его движения.

3. Каждое действие встречает противоположно направленное и

равное по силе противодействие.

Кроме того, в книге Ньютон описал закон пресловутого «всемир-

ного тяготения». Он гласит: между любыми двумя материальными

частицами действует сила притяжения, величина которой пропор-

циональна массе каждой из частиц и обратно пропорциональна ква-

драту расстояния между ними. Иначе: F = GMm/r

. Коэффициент

пропорциональности в данном случае называется гравитационной

постоянной. За кажущимися абсолютно бессмысленными и непрак-

тичными математическими вычислениями кроется первый всеоб-

щий закон природы, озвученный, четко сформулированный и на-

учно обоснованный человеком. Предложенная теория в одночасье

наделила смыслом любое движение во Вселенной и объяснила при-

роду таких житейских ситуаций, как приливы, отливы, и наконец-то

дала ответ на вопрос, мучивший не одно поколение: почему нас не

сносит с Земли, несмотря на огромную скорость движения плане-

ты. Немудрено, что ученый сразу после издания трехтомника, выра-

жаясь современным языком, проснулся знаменитым и стал первым

британцем, получившем титул сэра за научные достижения.

Вы уже, конечно, поняли, в чем кроется главное отличие «ме-

ханики Ньютона» от «физики Аристотеля»: в использовании мате-

матических основ. И именно благодаря созданию математического

аппарата механика Ньютона стала первой фундаментальной теори-

ей, которая имеет высокий научный статус. Математика помогла ра-

ционализировать и сделать его теорию понятной для современного

человека. Судите сами. Даже если вы не очень хорошо разбираетесь

в математике и физике, вы наверняка сможете оценить лаконичность

и простоту суждений и вычислений британского ученого. Кстати,

широкое распространение своих идей в планы Ньютона не входило.

Он даже написал «Начала» утрированно сухим языком и старался

вплести в науку как можно больше запутанных и сложных формул.

Правильность рассуждений Ньютона была подтверждена испы-

таниями. А современные ученые лишь немного скорректировали

сделанные несколько веков назад вычисления. И сейчас его тео-

рия считается основополагающей и изучается в школах всего мира.

Замечу, однако, что закон тяготения действует, но оно не всемир-

ное, а весьма локальное, о чем вам поведаю далее.

И все же у видимой безупречности «Начал» есть обратная сто-

рона. Дело в том, что законы Ньютона справедливы исключительно

в инерциальных системах

и только для частиц определенных раз-

меров, движущихся со скоростью много меньшей скорости света.

В реальности же ни одно тело не способно соответствовать идеаль-

ным и завышенным требованиям. Да и при движении на любого из

нас, равно как и на любой движущийся объект, действуют столь-

ко разных сил, что двигаться в заданных Ньютоном координатах

не вышло бы даже у самого ловкого. Собственно, впервые на изъ-

яны в «Началах» показали, когда удалось доказать, что световые

волны умеют двигаться хаотично вне зависимости от времени су-

ток, погоды и созданных условий. В придачу законы классической

механики не могут объяснить изменение траектории движения

Меркурия вокруг Солнца, хотя и были созданы специально, чтобы

ответить на этот вопрос. Впрочем, существуют в природе и более

наглядные примеры некоторой неполноценности «Начал». Так, на

отдельно взятом пяточке в калифорнийском лесу радиусом всего

50 метров законы Ньютона не действуют вообще. Построить дом

под прямым углом невозможно, шары катятся вверх, а любой же-

лающий может почувствовать себя героем комикса, запросто под-

нявшись пешком по стене. Разгадать причину природной анома-

лии пытается уже не первое поколение ученых. Логически решить

задачку не получается. Засим чуть ли не самой реальной версией

Ученый называл такие системы «абсолютным пространством». Оно, по мнению

Ньютона, в силу своей природы, безотносительно к чему-нибудь внешнему, остается всегда

неподвижным и одинаковым. В этом пространстве законы Ньютона всегда верны.

происходящего считают тот факт, что место некогда облюбовали

инопланетяне.

КОНЦЕПЦИЯ СОГЛАШЕНИЯ

И ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ПУАНКАРЕ.

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ

ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭЙНШТЕЙНА

Анри Пуанкаре был двоюродным братом президента француз-

ской республики Раймона Пуанкаре и одним из талантливейших

ученых своего времени.

Он рос рассеянным, болезненным, непрактичным и удиви-

тельно небрежным мальчиком. Изначально изучал математику,

но она ему быстро наскучила, и он срочно перевелся на отделение

словесности. Получил степень бакалавра и немедленно понял,

что совершил ошибку. Вернулся к математике, но по невнима-

тельности завалил выпускной экзамен. Потом, правда, будущий

всемирно известный ученый взялся за ум и даже блестяще защи-

тил докторскую диссертацию.

Так вот, будучи искренне преданным и даже влюбленным в свое

дело, Пуанкаре стал первым, кто решил пошатнуть устоявшиеся

каноны математической физики. В своей книге «Ценность науки»

он четко доказал ограниченность научного метода познания.

В 30-е годы XIX века все большую популярность набирал по-

зитивизм – философское учение, объединившее научный и эмпи-

рические методы в единый. Во главу угла ставилась логика, а ма-

тематику и физику, впрочем, как и любую другую точную науку,

представляли как сборник формализованных правил, бессодержа-

тельный набор аксиом и теорий. Следовательно, поставленные уче-

ными этих направлений задачи, по мнению позитивистов, должны

были решаться выверенным и единым для всех алгоритмом. Анри

Пуанкаре стал чуть ли не самым ярым противником ограничен-

ного взгляда на науку. Главным образом француз задавался сле-

дующими вопросами: почему некоторые люди не понимают ма-

тематических суждений, если они основаны на правилах логики,

которые по логике, простите за каламбур, должны быть доступны

и понятны всем, вне зависимости от возраста, пола и национально-

сти? Почему некоторые люди не понимают очевидного, даже когда

это объясняют на пальцах? И как так получается, что в логическую

науку просачивается так много ляпсусов, если любая из ее теорий

представляет собой вереницу коротких и упорядоченных логиче-

ских звеньев? Эти мысли заставляли ученого подолгу чесать заты-

лок, но ответы пришли сами собой, так сказать, из жизни.

Пуанкаре частенько замечал, что он может подолгу биться над

решением какой-нибудь задачи или искать подходящую формули-

ровку и не добиться ровным счетом ничего. Но стоило отвлечься,

пойти погулять или даже уйти в армию, как решение приходило

само, и его оставалось только записать. Несколько раз Пуанкаре

намеренно отвлекался от работы, чтобы проверить сработает ли

механизм, и его метод никогда не подводил своего изобретателя.

И тогда француз предположил, что в основе успешной научной ка-

рьеры стоят профильная интуиция и творчество, другими слова-

ми – способность отличить и выбрать из ассортимента имеющихся

решений единственно верное, которое приведет к успеху с мини-

мальными затратами нервов и времени.

Тогда Пуанкаре решил, что сделал психологическое открытие,

и, надо сказать, оказался недалек от правды. Некоторое время его

самого, его воображение, память исследовали психологи и сдела-

ли на основе своих выводов анкету для популярного в то время

журнала «Математическое образование». Анкетирование имело

целью выяснить, есть ли в Европе другие ученые, которые дей-

ствуют так же, как Пуанкаре. Результаты опроса подтвердили

самые смелые ожидания психологов. Оказалось, что по крайней

мере среди подписчиков журнала таких большинство. Это дало

основания развивать теорию интуитивного познания точных

наук при помощи символической интуиции, религиозных обра-

зов и мифов.

Идея не новая, похожим инструментарием, как мы помним,

пользовался и Аристотель, однако, на заре XX века она, кажется,

все равно была на шаг впереди времени. Кстати, этот метод очень

пригодился мне в предпринимательстве и рекомендую вам тоже

взять его на вооружение. В основу новой концепции, получившей

впоследствии название «теория соглашения», легла идея Пуанкаре,

что физические законы верны для определенного времени и кон-

кретного наблюдателя, а потом могут кардинально меняться и под-

страиваться под требования эпохи. Проще говоря, успех научной

деятельности напрямую зависит от нашего умения внутренне со-

гласовать накопленный опыт, знания и личное видение дальнейше-

го развития поставленной задачи. Главным плодом этой концепции

стала теория относительности Пуанкаре.

В 1898 году в своей работе «Измерение времени» Пуанкаре пред-

положил, что скорость света относительно неподвижного эфира

(а в его существование тогда свято верили) не зависит от скорости

источника света. А при переходе на движущуюся систему отсче-

та будут действительны преобразования Лоренца

, а не Галилея.

В этой же статье ученый ввел понятие четырехмерного простран-

ства, про которое вы знаете из фильма «Назад в будущее». Всего два

года спустя ученого пригласили выступить на одном физическом

конгрессе, собравшем лучшие умы современности. Там Пуанкаре

впервые в истории официально заявил о том, что одновременность

событий совсем не абсолютна, а весьма субъективна и что соглас-

но его собственным вычислениям скорость света – предельна.

Излишне говорить, что присутствующие встретили речь бурными

и продолжительными аплодисментами. Омрачил триумф лишь тот

факт, что на этом же симпозиуме французу пришлось заявить, что

эфир, на котором базируется его теория, вряд ли у кого-либо полу-

чится открыть. Хотя надежда все же не покидала ученого, и он,

не без помощи Лоренца, с завидным упорством продолжал искать

камень преткновения. Однако пришел к совершенно неожиданным

выводам. Оказалось, что при сверхскоростях, коей является ско-

рость света, законы Ньютона нуждаются в поправках, и теорию от-

носительности вновь пришлось пересмотреть.

Третья редакция теории относительности Пуанкаре появилась

летом 1905 года в образе статьи «О динамике электрона», в которой

математик недвусмысленно сформулировал принцип относитель-

ности всех физических явлений, включая электромагнетизм, дви-

жение и гравитацию, и присвоил преобразованиям Лоренца статус

единственно верных преобразований координат в данной концеп-

Хендрик Антон Лоренц – голландский физик, который был удостоен Нобелевской премии

в 1902 году за «выдающиеся заслуги в исследованиях влияния магнетизма на радиацион-

ные явления». Сотрудничал с Анри Пуанкаре, когда последний разрабатывал собственную

теорию относительности. В частности, Пуанкаре положил в ее основу так называемые пре-

образования Лоренца.