Текст книги "Квинтэссенция. Книга первая"
Автор книги: Ирина Радунская
Соавторы: Ирина Радунская
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 16 страниц)
Все известные Ньютону силы, возникающие в механике, передаются от одного предмета к другим посредством деформации, возникающих в месте соприкосновения предметов. К ним Ньютон относил силу инерции, проявляющую себя, когда один предмет воздействует на другой, вызывая изменение его скорости. Именно сила инерции этого другого предмета вызывает деформацию первого предмета.
Напомним, что Ньютон не знал о существовании сил инерции иного типа, источник которых невозможно указать. Мы знаем, что силы этого «другого» типа возникают и входят в выражение второго закона Ньютона. Возникают и должны входить в него, если наблюдаемые процессы и приборы, необходимые для их наблюдения, одинаково изменяют свою скорость вместе с лабораторией, где проводится опыт. Так вращение Земли приводит к появлению центробежных сил, стремящихся удалить все предметы от оси вращения. Для предметов, движущихся по поверхности Земли, если они перемещаются не поперек меридианов, возникают новые, неизвестные Ньютону, силы инерции – силы Кориолиса.
Есть еще одна сила, природа которой ускользала от понимания Ньютона. Это сила тяготения. Он нашел закон действия этой силы и описал его простой математической формулой. Выяснил, что силы тяготения образуют вокруг всех тел особое состояние. Это состояние выявляется только, если там, кроме рассматриваемого тела, существует еще какой-либо предмет. Мы называем это состояние – поле тяготения.
В важнейшем «Общем поучении», заканчивающем великий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», Ньютон пишет: «До сих пор я объяснял небесные явления и приливы наших морей на основании сил тяготения, но я не указывал причину самого тяготения. Причину (тяготения) я до сих пор не мог выяснить из явлений, гипотез же я не измышляю».
Но таинственной остается не только причина тяготения, но и механизм его действия.
В формулу закона тяготения входят массы взаимодействующих тел и квадрат расстояния между ними, но не входит время. С точки зрения математики это значит, что сила тяготения, поле тяготения мгновенно охватывает весь мир.
Давайте проверим это, применив закон тяготения к трем телам. Пусть первое из них находится на сильно различающихся расстояниях от двух других.
Что произойдет, если первое тело сместится в пространстве?
При этом одновременно изменятся расстояния между ним и остальными двумя телами. Пусть они, изменившись, останутся различными. Пока речь идет лишь о геометрии. Но в соответствии с законом тяготения, также одновременно изменится взаимное притяжение между первым телом и каждым из остальных двух тел. Одновременно, несмотря на то, что расстояния этого тела от двух остальных остались различными!
Вывод о том, что силы тяготения одновременно изменяются на различных расстояниях, следует из того, что сам закон тяготения не содержит времени.
Это значит, что силе тяготения свойственно дальнодействие. Что поле тяготения одновременно охватывает всю Вселенную без помощи какого-нибудь промежуточного агента.
Ньютон интуитивно отстранялся от такого толкования. Ведь все силы, с которыми он имел дело в механике, передаются посредством деформации взаимодействующих тел. Зная механические свойства тел Ньютон мог вычислить скорость распространения деформации, скорость передачи сил.
В качестве наглядного примера мы можем избрать множество костей домино, стоящих строем одна за другой на своих узких гранях. Толкните крайнюю кость так, чтобы она упала на соседнюю. Затем, уже без вашего участия, это будет продолжаться много раз, образуя «волну падения», распространяющуюся к противоположному концу строя. Глядя на секундомер можно измерить скорость распространения этой волны, скорость передачи начального толчка.
В одном из писем епископу Бентли, Ньютон обстоятельно обсуждает эту проблему.
«Нельзя представить себе, каким образом неодушевленное грубое вещество могло бы – без посредства чего-либо постороннего, которое нематериально, – действовать на другое вещество иначе, как при взаимном прикосновении. А так должно бы быть, если бы тяготение было, в смысле Эпикура, присуще материи. Допустить, что тяготение врожденной материи, присуще ей так, что одно тело должно действовать на расстоянии через вакуум на другое без посредства чего-либо постороннего, с помощью которого действие и сила одного тела приводится к другому, есть для меня такая нелепость, что полагаю в нее не впадет ни один человек, способный к мышлению о философских вещах. Тяготение должно порождаться некоторым деятелем, действующим согласно определенным законам. Какой это деятель – материальный или нематериальный, – я представил размышлению читателя».
В заключительном абзаце «Начал» он поясняет.
«Теперь следовало бы кое-что добавить о некотором тончайшем эфире, проникающем все сплошные тела и в них содержащемся, коего силой и действием частицы тел при весьма малых расстояниях взаимно притягиваются, а при соприкосновении сцепляются. Наэлектризованные тела действуют на большие расстояния, как отталкивая, так и притягивая близкие малые тела. Свет испускается, отражается, преломляется, уклоняется и нагревает тела. Возбуждается всякое чувствование, заставляющее члены животных двигаться по желанию, передаваясь именно колебаниями этого эфира от внешних органов чувств мозгу, от мозга мускулам. Но это не может быть изложено вкратце, к тому же нет и достаточного запаса опытов, коими законы действия эфира были бы точно определены и показаны».
Ньютон много размышлял над проблемой эфира и над возможностью дальнодействия. Основываясь на интуиции, на своих и чужих экспериментах, он противился признанию существования дальнодействия. Вместе с тем, он не видел возможности существования эфира, обладающего одновременно рядом несовместимых свойств.
Он оставил эти загадки потомкам, признав: «Я не знаю, что такое эфир». Эхо этих слов пересекло века, долетело до другого титана мысли, Эйнштейна, и тот в бессилии повторил их…
…Другие тайны природы тоже тревожили Ньютона. Он спрашивал читателя: «Не обращаются ли большие тела и свет друг в друга и не могут ли тела получить значительную часть своей активности от частиц света, входящих в их состав?»
Тут в пору задуматься о мощи человеческой интуиции, которая, не обладая никакими реальными данными, подсказывала путь к истине…
Ньютон многократно подчеркивал, что в природе имеется множество непонятных явлений и сформулировал ряд вопросов, указывая ими путь тем, кто интересуется «натуральной философией» (физикой). Приведем здесь один из этих вопросов – указаний.
«Не обладают ли малые частицы тел определенными возможностями, способностями или силами, при посредстве коих они действуют на расстоянии не только на лучи света при отражении, преломлении или огибании их, но также друг на друга, производя при этом значительную часть явлений природы? Ибо хорошо известно, что тела действуют друг на друга при помощи притяжения, тяготения, магнетизма и электричества; эти примеры показывают тенденцию и ход природы и делают вероятным существование других притягательных сил, кроме этих».
Поразительная интуиция… поразительная мощь интеллекта…
Проблема дальнодействия стала водоразделом между двумя направлениями развития науки после смерти Ньютона.
Ньютонианцами, последователями Ньютона, назвали себя те, что выступал за признание дальнодействия, как следствия математической структуры закона тяготения, не включающего время. Они предали забвению указание Ньютона на то, что силы тяготения образуют вокруг всех тел особое состояние – поле тяготения. Они провозгласили высшей целью науки объяснить все явления природы посредством законов механики, ссылаясь на мнение Ньютона: «Было бы желательно вывести из начала механики и остальные явления природы…»
И Эйнштейн, в своем 20 веке, мечтал создать единую теорию полей, теорию, объясняющую все явления природы, теорию, которая была бы понятна даже ребенку…
Время показало, что ньютонианцы не внесли существенного вклада в науку.
Дальнейшее развитие науки связано с именами тех, кто, подобно Ньютону, интуитивно отвергал возможность дальнодействия. Эти ученые, исследуя не изученные ранее явления природы, опирались на научный метод, разработанный Ньютоном: ставить опыты, извлекать из них закономерности (принципы) и выражать их посредством математики, получать из них следствия и проверять их новыми опытами.
Общий уровень науки восемнадцатого века, особенно примитивные возможности экспериментальных исследований, приводили к тому, что в борьбе против признания дальнодействия даже крупные ученые были вынуждены опираться на гипотезу эфира.
Так великий математик и физик Л. Эйлер, работавший с 1727 по 1741 год и с 1766 по 1783 год а Петербургской академии наук, а с 1741 по 1766 год в Берлинской академии наук, был активным противником возможности дальнодействия. Он объясняет тяготение давлением эфира, который по его мнению является особой материальной субстанцией.
По теории Эйлера эфир давит на тела, а его давление различно в различных областях пространства. Причина в том, что эфир увлекается вращением тела, например, вращением Земли. Скорость вращения эфира уменьшается по мере удаления от поверхности вращающегося тела и, в соответствии с законами гидродинамики, давление эфира возрастает при удалении от вращающегося тела. (Законы гидродинамики были установлены швейцарским физиком и математиком Д. Бернулли, работавшим над этой проблемой в Петербурге в 1728–29 годах во время первого петербургского периода деятельности Эйлера). В результате эфир давит на верхнюю поверхность каждого тела сильнее, чем на нижнюю. Разность этих давлений создает силу, направленную к центру Земли. Выбрав подходящий закон изменения давления эфира с расстоянием от Земли можно получить Ньютоновский закон тяготения – силу тяготения, обратно пропорциональную квадрату расстояния от центра Земли.
Эйлер понимает, что гипотезу о существовании эфира нужно согласовать с тем фактом, что он не влияет на орбитальное движения планет. Это кажется ему простой задачей. Он принимает, что упругость эфира в тысячу раз больше упругости воздуха, а его плотность в 400 миллионов раз меньше плотности воздуха. При такой плотности эфира период орбитального движения Земли увеличится на одну секунду за 2720 лет. Проверка столь малой величины была совершенно недоступна астрономам того времени.
Современником и другом Эйлера был последний из ученых – универсалов М. В. Ломоносов. Он тоже неоднократно выступал с опровержением возможности дальнодействия и тоже был вынужден объяснять тяготение при помощи свойств эфира.
Ломоносов считает, что «Тела приводятся в движение только толканием». Он указывает, что это не противоречит взглядам Ньютона, он пишет: «Одну непосредственную (т. е. близкодействующую, Р.Ж.) причину утверждает и сам Невтон, который притягивательной силы не принимал в жизни, по смерти учинился невольный ее предстатель, излишним последователей своих радением» и далее: «Тяжесть покоющегося тела есть не что иное, как задержанное движение». «Притяжение тел к Земле – с его точки зрения, – вызвано толканием со стороны особой «тяготительной материи».
Ломоносов считает эфир тождественным электрической материи и указывает на то, что свет есть колебательное движение эфира.
Тайна дальнодействия, секрет эфира и загадка природы света, тревожившие Ньютона, будоражили воображение ученых в течение последующих двух веков.
Все они были разрешены в начале двадцатого века одним человеком, которого заслуженно называют Ньютоном наших дней.
Попробуем проследить за извилистыми путями развития познания в области природы света.
Глава 3. ИГРА СВЕТА
ПЕРВЫЕ ШАГИ1473 год. В мир пришел Коперник. Много событий произошло прежде, чем люди узнали, что он – великий сын человечества. Он по-новому, на основе математики, возродил идею Аристарха Самосского о том, что Солнце и звезды покоятся, а Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца (причем Земля вращается и вокруг своей оси). Пусть это было ошибкой, зато теперь эфир стал ненужным. Он исчез из астрономии вместе с хрустальными сферами Аристотеля и Птолемея. Прежде чем выбросить эфир в мусорную корзину истории науки, Коперник придирчиво листал книгу времен, и надо было быть очень мужественным человеком, чтобы решиться вычеркнуть из нее такого долгожителя как эфир.
Эфир затаился в словарном запасе большинства языков. Поэты, забыв о том, что он был пятой сущностью, придали ему новый, поэтический смысл. И теперь мы, включив радиоприемник, не обращаем внимание на слова диктора – «В эфире наша программа…»
Эти слова – результат нескольких витков эволюции эфира. В них отражена не поэзия, а проза. Проза науки.
Вспомним – на начальном витке пятая сущность – эфир, – породнилась с первой сущностью – с огнем. Первая сущность претерпела удивительную и блестящую эволюцию. Это не должно казаться странным. Ведь по Аристотелю незримая и неощутимая пятая сущность обитала только высоко в небе. Она была чужой земным делам.
Напротив, огонь с глубокой древности дарил людям свет и тепло, защищал от холода и хищников, облагораживал пищу. В сознании первобытных людей огонь был наделен высшей силой. Иногда он уничтожал леса и жилища. Многие народы древнего мира, включая египтян и эллинов, поклонялись ему как божеству.
По мере того, как разрозненные племена объединялись в централизованные государства, а родовой строй уступал место сословным государствам, боги очага были вытеснены культом Солнца, ставшего символом света и тепла, источником жизни.
Наблюдения Солнца, планет и звезд, выяснение закономерностей их движения, бывшие привилегией жрецов, породили одну из древнейших наук – астрономию.
Наука о свете возникла значительно позже. Невозможно определить когда и кто впервые начал изучать оптические явления. В учении о теплоте тоже долго продолжались гадания. Но мы знаем, кто положил начало науке о теплоте. Великий Галилей начал это опытами с термоскопом, а в своих лекциях в 1597 году он показывал прибор для измерения того, что мы теперь называем температурой.
Нет ничего удивительного в том, что наука о теплоте отстала от науки о свете. Ведь представление о тепле и холоде весьма индивидуально. То, что одному кажется теплым, для другого горячо и даже очень горячо. Одному тепло, а другому холодно.
Другое дело – свет. За исключением немногих слепых, лишенных счастья видеть свет, остальным людям днем светло, а ночью темно. Радуга видна всем. Иногда в морозные зимы рядом с Солнцем видны его двойники, чаще видны гало – светлые круги, охватывающие Солнце или Луну. Свет и его отсутствие – темнота выступают, как безусловная реальность.
Живя в тесном общении с природой, люди заметили, что радуга обычно появляется после окончания дождя. Не зная причин ее появления, они попросту считали радугу знамением, предвещающим хорошую погоду.
Вопрос о связи причин и следствий несомненно возникал в глубочайшей древности. Ошибка в ответе на него во многих случаях сказывалась на благополучии и на самой жизни. На низшем уровне, иногда в форме условных рефлексов, формирующихся в результате личного опыта, связь причин и следствий играет большую роль в мире животных.
Несомненно, что многие из людей обнаруживали в золе костров твердые шарики, пропускавшие свет. Некоторые делали из них бусы. Кое-кто шлифовал эти шарики и они становились прозрачными как капли воды. Такие шарики, конечно, очень нравились доисторическим модницам. А мода, это дитя подражания, придавала особую ценность прозрачным твердым капелькам, порожденным огнем.
Наконец неведомый гений заметил, что такие шарики возникают не всегда. Они появляются, если большой костер горит на песчаной почве и песок постепенно смешивается с золой. Он ли, или кто-либо другой догадались, что большие куски прозрачного вещества можно получить, тщательно перемешав песок и золу и сильно нагревая эту смесь в глиняных сосудах.
Так люди научились варить стекло, причем в разных странах это было сделано независимо.
Другие наблюдательные люди заметили, что стеклянные бусы способны концентрировать солнечный свет в яркие пятнышки и в этих пятнышках собирается не только свет, но и тепло.
Выдающийся автор комедий, афинский поэт Аристофан в своих «Облаках», написанных около четырех веков до нашей эры, упоминал о зажигательных стеклах. Это первое письменное сообщение о применении солнечного света. Из комедий Аристофана мы можем заключить, что об этом было известно много раньше.
Аристотель был первым, кто систематически наблюдал явления природы и пытался их объяснить. Он заметил, что прямая палка, опущенная в воду наклонно, кажется надломленной у поверхности воды. Погружая палку то больше, то меньше можно перемещать этот излом вдоль палки. Но, если вынуть палку из воды, она окажется совершенно прямой, без следов излома. Аристотель пытался понять почему так происходит, но не нашел ответа.
Эллинам не удалось достичь понимания природы света. Это же относится к объяснению механизма зрения. Пифагорейцы считали, что глаза испускают особый флюид, «ощупывая» таким образом предметы. Эмпидокл учил, что от светящихся тел к глазу направляются особые истечения, а из глаза навстречу им выделяются другие истечения. При их встрече возникают изображения предметов. Убежденный атомист, Демокрит отвергал флюиды и истечения, указывая, что испуская их, глаза должны видеть в темноте. Он считал, что глаз видит потому, что в него проникают мелкие атомы, исходящие от светящегося предмета. Но он не объяснил почему эти атомы не выделяются в темноте.
Платон утверждал, что от предметов исходит особый флюид. Но предметы становятся видимыми только в том случае, если этот флюид встречается с другим, исходящим из глаз. Аристотель не высказал новых гипотез. Он соглашался с возражениями Демокрита против флюидов и истечений и не придерживался ни одного из объяснений своих предшественников.
Зеркала младше первых линз, родившихся из золы костров. Археологические раскопки показывают, что люди начали изготавливать зеркала вскоре после того, как научились выплавлять бронзу и делать из нее различные предметы.
Странно, что зеркала не упоминаются в дошедших до нас трудах Аристотеля. Он не мог не видеть отражения предметов от поверхности воды. Ему несомненно были известны и свойства металлических зеркал. Но он не обсуждал их, вероятно потому, что при этом нужно было сказать о природе света, о механизме его отражения и о процессе зрения, а он не имел об этом определенного суждения.
Наиболее ранний трактат, посвященный свойствам света, принадлежит Евклиду. Как при построения здания геометрии, Евклид объясняет оптические явления, исходя из ряда постулатов, которые он формулировал на основе наблюдений. Первый из них: «Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути». Здесь Евклид уточняет гипотезу пифагорейцев, поддержанную Платоном.
Опираясь на постулаты, считая, что лучи света распространяются по прямым линиям, Евклид с удивительной последовательностью объясняет в своей «Оптике» образование изображений, получающихся при помощи малых отверстий. Он обсуждает возникновение границ света и тени, зависимость между кажущимися размерами предметов и их расстоянием от глаз.
В следующем труде «Катоптрика» Евклид вновь строит систему постулатов и получает законы отражения света от плоских и сферических зеркал. В обеих книгах Евклид по существу сводит оптику к геометрии. Полученные им результаты достоверны. Они и сейчас составляют основу того, что мы называем геометрической оптикой и изучаем не только в школе, но и в высших учебных заведениях.
В «Катоптрике» Евклид пишет: «При помощи вогнутых зеркал, освещенных Солнцем, можно зажечь костер». В доказательство он строит схему лучей, исходящих от Солнца, и после отражения собирающихся в точку. Возможно, мы никогда не узнаем видел ли Евклид вогнутые зеркала или пришел к мысли о них благодаря своей интуиции геометра и установленному им закону отражения света от плоских зеркал.
В «Катоптрике» содержится важный постулат, несомненно почерпнутый из опыта: «Если какой-либо предмет поместить на дно сосуда и удалить сосуд от глаз настолько, что предмет не будет виден, то он вновь станет виден на этом расстоянии, если в сосуд налить воду».
Этот опыт и сейчас показывают на уроках физики и каждый может повторить его дома.
Евклид, как и Аристотель (в опыте с палкой, погруженной в воду), не дает объяснения наблюдаемому эффекту. Читатель, известно ли тебе, что здесь происходит?
