Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации - Геннадий Горелик

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?