Книга: Вселенная

Глава 3 Мир движется сам собой

Глава 3

Мир движется сам собой

В 1971 году телезрители смотрели прямую трансляцию о лунной экспедиции «Аполлона-15». Её участник Дэвид Скотт продемонстрировал интересный опыт. Заканчивая пешую прогулку по Луне (прежде чем сесть на вездеход), Скотт поднял перед собой перо и молоток, а потом одновременно отпустил их. Оба предмета, подчиняясь слабому лунному тяготению, упали ему под ноги, одновременно коснувшись грунта.

На Земле бы такого не произошло (если только вы не тренируетесь работать в скафандре — для этого в NASA есть огромные вакуумные камеры). В обычных условиях перо из-за сопротивления воздуха падает очень медленно, а на молоток такое сопротивление практически не действует. Однако на поверхности Луны воздуха нет, поэтому траектории молотка и пера будут совершенно одинаковыми.

Скотт подтвердил важную догадку, высказанную Галилео Галилеем ещё в конце XVI века: под действием силы тяжести все предметы должны падать абсолютно синхронно, и лишь из-за сопротивления воздуха нам кажется, что тяжёлые предметы падают гораздо быстрее лёгких. Это и хорошо. Как выразился Джо Аллен, диспетчер ЦУП, этот экспериментальный результат был «спрогнозирован на основании солидной теории, но сам результат тем не менее очень убедителен, учитывая, сколько зрителей наблюдали этот эксперимент, а также потому, что возвращение астронавтов на Землю критически зависело от правильности той самой теории, которая проверяется в ходе данного опыта».

По преданию, Галилей поставил подобный эксперимент сам, бросая шары разного веса (которые, однако, испытывают вполне сравнимое сопротивление воздуха) с верхушки Пизанской башни. Похоже, сам Галилей ни о чём подобном не заявлял, но позже на данном факте настаивал его ученик Винченцо Вивиани, написавший биографию своего наставника.

Пизанская башня

Точно известно, что Галилей ставил другой эксперимент, который проще подготовить и проконтролировать: он скатывал по наклонной плоскости шары с разной массой. Ему удалось показать, что шары приобретали ускорение по общему принципу; ускорение зависело от угла наклона плоскости, но не от массы шаров. Далее Галилей предположил, что если данная закономерность будет соблюдаться при любом наклоне плоскости, пусть даже плоскость располагается перпендикулярно полу, то мы получим такой же эффект, как если бы бросали предметы прямо вниз, без всякой плоскости. Следовательно, заключил он, без сопротивления воздуха тела любой массы одинаково падали бы вниз под действием тяготения.

Однако само это открытие не столь важно, как заключённый в нём глубинный смысл: можно изучить естественное движение объектов, мысленно абстрагировавшись от различных побочных эффектов, таких как сопротивление воздуха, а затем, возможно, построить более реалистичную картину движения, вновь учтя эти эффекты.

Это не рядовая догадка. Вероятно, это величайшая идея в истории физики.

Физика — решительно простейшая из наук. Нам так не кажется, поскольку мы очень много знаем о физике, причём физические знания зачастую кажутся элитарными и техническими. Однако физике очень идёт на пользу её следующее удивительное свойство. Она зачастую позволяет делать неправдоподобные упрощения и представлять поверхности, лишённые трения, идеальные сферы, игнорируя при этом всяческие сопутствующие эффекты; тем не менее в результате мы получаем невероятно точные результаты. Напротив, что касается большинства интересных проблем из других естественных наук — от геологии до биологии и психологии, если бы вы смоделировали лишь один незначительный аспект системы и предположили бы, что всех прочих её аспектов не существует, то у вас получилась бы полная чушь (но некоторые всё равно пытаются так делать).

Эта грандиозная революционная догадка — в идеализированных ситуациях, когда можно игнорировать трение и потери энергии, физика упрощается — помогла сформулировать не менее весомую и, пожалуй, ещё более потрясающую концепцию: сохранение импульса. Возможно, на первый взгляд этот принцип не кажется столь поразительным, но именно импульс стал ключевым фактором, повлиявшим на изменение наших представлений о мире. На смену древнему космосу причин и следствий пришёл современный, в котором царят принципы и законы.

* * *

До того как в XVI–XVII веках Галилей и другие учёные совершили революцию в изучении движения, наиболее авторитетным мыслителем в этой области считался Аристотель. Представления Аристотеля о физике были решительно телеологическими: он считал, что каждому объекту присуще своё естественное состояние, которое изменяется по мере того, как объект направляется к своей цели. Известно мнение Аристотеля о том, что существует четыре вида «причин», но, вероятно, он, скорее, имел в виду «виды объяснения». Это материальная причина — вещество, из которого состоит объект; формальная причина — определяющее свойство, позволяющее считать объект таковым; движущая причина — фактор, обусловливающий существование объекта (это понятие наиболее сближается с нашим типичным представлением о «причине»), и целевая причина — цель, ради которой существует объект. Чтобы понять, почему вещи движутся так и не иначе и проявляют те или иные свойства, достаточно рассмотреть их в контексте этих причин.

По Аристотелю, движение объекта определяется его природой. Два из четырёх классических элементов — вода и земля — стремятся вниз, а два других — воздух и огонь — вверх. Объект может пребывать в естественном состоянии движения или покоя до тех самых пор, пока не подвергнется «насильственному движению», после чего вновь вернётся в естественное состояние.

Представьте себе чашку кофе, неподвижно стоящую на столе. В данном случае её естественное состояние — это покой (если только мы не сбросим её со стола — в таком случае она перейдёт в естественное падение, но давайте обойдёмся без этого). Теперь допустим, что мы совершаем насильственное движение, толкнув чашку через стол. Мы её толкнули, и она пришла в движение; остановившись, она вернётся в своё естественное состояние покоя. Чтобы чашка продолжала двигаться, мы должны и далее воздействовать на неё. Как говорил Аристотель, «всё, что находится в движении, движется благодаря воздействию другого».

Именно так ведут себя кофейные чашки в реальном мире с «наличной» точки зрения. Разница между Галилеем и Аристотелем заключалась не в том, что один говорил истинные вещи, а другой — ложные; дело в том, что те феномены, на которых заострял внимание Галилей, оказались удобной основой для более строгого и полного изучения феноменов, выходящих далеко за рамки исходных примеров, чего не скажешь об Аристотеле.

В VI веке Иоанн Филопон, философ и теолог родом из Египта, начал путь от философии Аристотеля к нашим современным представлениям о движении. Он считал, что следует выделять движущую силу, или «импетус», сообщаемую телу при изначальном толчке и поддерживающую это движение, пока весь импетус не будет истрачен. Это был небольшой шаг вперёд, но именно он впервые позволил по-новому взглянуть на природу движения. В данном случае мы не говорим о причинах, а обращаем внимание на количественные показатели и свойства самой материи.

Ещё один важнейший вклад в решение этой проблемы был внесён персидским мыслителем Ибн Синой (также известным под латинизированным именем Авиценна) — одним из величайших светочей исламского золотого века, жившим около 1000 года. Он развил идею Филопона об импетусе, введя понятие «склонность». Именно Авиценна предположил, что склонность утрачивается не сама собой, а только из-за сопротивления воздуха или под влиянием других внешних воздействий. В пустоте, указывает он, такие воздействия отсутствуют, поэтому брошенный снаряд, если ему не препятствовать, будет вечно двигаться с неизменной скоростью.

Ибн Сина (Авиценна), персидский философ и энциклопедист (умер в 1037 году)

Здесь Авиценна удивительно близко подходит к современной идее инерции. Объект может плавно двигаться по инерции, если не испытывает внешних воздействий. В XIV веке Жан Буридан — французский священник, вероятно испытавший влияние Авиценны, — получил количественную формулу, согласно которой импетус объекта равен произведению его веса и скорости. Однако на тот момент ещё не была известна разница между массой и весом. Галилей, в свою очередь испытавший влияние Буридана, предложил термин «импульс» и указал, что импульс тела останется постоянным, если на это тело не будут воздействовать никакие внешние силы. Однако Галилей не вполне различал импульс и скорость. Только Рене Декарт открыл, что импульс равен произведению массы и скорости, но даже он (хотя и является изобретателем аналитической геометрии) не уловил, что импульс имеет вектор и магнитуду. Это открытие совершил голландский учёный Христиан Гюйгенс, живший в XVII веке. Затем пришло время Исаака Ньютона, который, опираясь на эту концепцию, заново изобрёл всю науку о движении, которая по сей день преподаётся в школах и университетах.

* * *

Почему сохранение импульса столь важно? Мы не станем изучать здесь ньютоновскую механику, сколь бы полезно это ни было. Не будем решать задачи, связанные с блоками и наклонными плоскостями. Мы собираемся поразмыслить о фундаментальной природе реальности.

Аристотель понимал физику как историю о натурах и причинах. Если в природе существовало какое-то движение, то у него должен был существовать источник: движущая причина. Аристотель использовал более широкое определение «движения», чем привычное нам сегодня, — это определение было ближе к «трансформации». Например, Аристотель относил к движению изменение цвета того или иного объекта либо переход свойств в эффекты. Однако здесь действуют всё те же принципы; по убеждению Аристотеля, все эти трансформации подразумевают существование преобразующих причин. В этой идее нет ничего абсурдного. Согласно нашему обыденному опыту, вещи не происходят «просто так» — у каждого действия есть причина, которая его вызывает. Аристотель, не располагая никакими современными научными знаниями, пытался вписать в определённую систематическую структуру известные ему факты об устройстве мира.

Итак, Аристотель наблюдает мир, наполненный бесчисленными изменяющимися вещами, и логически выводит причину каждого изменения. A движется под действием B, которая, в свою очередь, движется под действием C и т. д. Разумно будет спросить: а с чего всё началось? Вплоть до чего мы можем проследить эту цепочку движений и причин? Аристотель с порога отметает возможность того, что какие-либо события могут обусловливать сами себя либо что цепочка причинно-следственных связей может оказаться бесконечной. Она должна завершиться на каком-то феномене, который вызывает движение, но сам остаётся в покое — на неподвижном перводвигателе.

Аристотель в основном изложил свою теорию движения в книге «Физика», но подробно рассказал о перводвигателе в более позднем труде «Метафизика». Хотя Аристотель и был язычником, в этой работе он приравнивает перводвигатель к Богу: не просто абстрактному принципу, а бессмертному и милосердному существу. Это неплохой аргумент в пользу существования Бога, но он достаточно уязвим, если не признавать его базовых посылок. Может быть, некоторые движения действительно обусловливают сами себя, а бесконечная регрессия вполне допустима. Тем не менее данный «космологический аргумент» оказался крайне весомым, его восприняли и развили Фома Аквинский и другие философы.

Для нас наиболее важно, что вся структура аристотелевского аргумента о перводвигателе основана на идее, согласно которой у каждого движения должна быть причина. Однако с учётом сохранения импульса эта идея выдыхается. Можно спорить о деталях — не сомневаюсь, что Аристотель смог бы каким-нибудь хитроумным способом учесть в своей теории и такие объекты, которые с постоянной скоростью движутся по поверхности, на которой трение отсутствует. Но в данном случае важно, что новая физика Галилея и его соратников предполагала совершенно новую онтологию, глубокие перемены в наших представлениях о природе реальности. «Причины» утратили то основополагающее значение, которое когда-то имели. Вселенная не нуждается в первом импульсе; она может просто существовать.

Сложно переоценить важность этой перемены. Разумеется, и сегодня мы продолжаем рассуждать о причинах и следствиях. Однако если открыть современный аналог аристотелевской «Физики», например книгу по квантовой теории поля, то в ней вы не найдёте таких слов. Мы всё ещё говорим о причинах, но они более не являются частью нашей базовой онтологии.

Наблюдаемый мир — это проявление многоуровневой природы в наших представлениях о реальности. На самом глубинном её уровне, который нам сегодня известен, основными феноменами являются такие вещи, как «пространство–время», «квантовые поля», «уравнения движения» и «взаимодействия». И никаких причин — материальных, формальных, движущих или целевых. Но существуют более высокие уровни, описываемые уже в другой терминологии. Действительно, там, где это уместно, можно количественно восстановить элементы аристотелевской физики, равно как и элементы ньютоновской механики, где центральное место занимают трение и потеря энергии. Ведь кофейные чашки в конце концов останавливаются. Точно так мы легко можем понять, почему в повседневном опыте так удобно опираться на причины и следствия, хотя они и отсутствуют в базовых уравнениях. Чтобы освоиться в этом мире, приходится рассказывать много разных полезных историй о реальности.