Читать книгу Особенности американского мышления. Закат физики в западной цивилизации - Александр Унцикер - Страница 6

Вскоре после того, как генуэзский мореплаватель Христофор Колумб высадился в Америке в 1492 году, Николай Коперник отправился из своего родного города Торна в Болонью на севере Италии, чтобы изучать право. Хотя уже в 1500 году его пригласили в Рим для чтения лекций по астрономии, он изучал медицину в Падуе и рассматривался современниками прежде всего как известный врач. Во всей Европе царил дух оптимизма, были основаны многочисленные университеты. После того как его богатый дядя сделал возможным его обучение, Коперник смог продолжить свои астрономические идеи с 1512 года в надежном положении каноника Фрауенбурга, которые он окончательно опубликовал в 1543 году по настоянию математика Ретикуса. Хотя Коперник считается основателем гелиоцентрической картины мира, названной в его честь, он основывал свою идею на рукописи Аристарха Самосского из Греции, которая по праву считается колыбелью натурфилософии.

Естественные науки – это размышления о мире в духе греков54.

Эрвин Шредингер

По сравнению с Коперником, Иоганн Кеплер, родившийся в 1571 году, рос в скромных условиях. Только благодаря тому, что в то время в Вюртемберге признавалась ценность образования, Кеплер смог бесплатно посещать школу, монастырскую гимназию в Маульбронне и, наконец, изучать математику в Тюбингене под руководством Михаэля Маэстлина. Кеплер признал, что планетарные орбиты являются эллипсами, и тем самым решительно улучшил модель Коперника, которая в противном случае не имела бы шансов на успех. Уже в юном возрасте долговязый одиночка был движим неутолимым любопытством. Если вы сегодня посмотрите на высокие окна монастыря Маульбронн в Вюртемберге, то сможете представить, как Кеплер размышлял там о траектории солнечных лучей.

Заниматься астрономией – значит читать мысли Бога.

Иоганн Кеплер

Сегодня церкви считаются антиподами науки. Тем не менее в то время они были центрами интеллектуальной элиты. Особенно монастыри, где могли процветать такие гении, как Кеплер. Позже он работал в Граце и Праге, в разгар реформаторских войн. Упорство, с которым он реализовывал свои идеи в таких неблагоприятных условиях, вызывает глубочайшее уважение. Только на разработку его третьего планетарного закона ушло десять лет. В течение этого времени пережил множество ошибок в расчетах и разочарований и только после смог достичь прорыва.

Одинокий воин

Исааку Ньютону потребовалось не меньше времени, чтобы разработать свой закон сил. Первые мысли об этом появились у него в уединении загородного поместья, когда в Европе свирепствовала чума. Ньютон тоже один из тех гениальных личностей, которыми двигала неутолимая жажда знаний.

Зерно невидимо в земле, а только из него вырастает огромное дерево. Так же незаметна мысль, а только из мысли вырастают величайшие события жизни человеческой.

Лев Толстой

Вероятно, он был особенно очарован простотой квадратичного закона расстояния, из которого в качестве математического следствия вытекали орбиты Кеплера, что впоследствии привело его к естественному философскому озарению: «Истина обнаруживается, если вообще обнаруживается, в простоте, а не в многообразии и путанице вещей».

В природе стремления к знанию заложены простота и экономичность основных гипотез55.

Альберт Эйнштейн

Конечно, Галилео Галилей, который, возможно, ближе всех подошел к практическому «американскому» образу мышления, также сыграл значительную роль в распространении нового мировоззрения. Хотя в возрасте 30 лет он уже был преподавателем математики в Пизе, у него также был талант и к ремеслам. Он решительно усовершенствовал изобретенный незадолго до этого телескоп, который даже оказался экономически полезным. Дож Венеции мог использовать его, чтобы первым заметить торговые суда, появляющиеся на горизонте, и первым продать товары.

Однако более важными для мирового прогресса были легендарные наблюдения Галилея за фазами Венеры и лунами Юпитера в 1610 году, которые подтвердили теории Коперника. Благодаря этому, а также своим экспериментам по механике, Галилей считается основателем эмпирического метода. Только с помощью этого метода можно было отделить зерна от плевел среди философских размышлений о законах природы. Это должно было привести к триумфу естественных наук в последующие века.

В то время как в Вирджинии на восточном побережье нынешних США были основаны первые колонии, Галилей писал свои дерзкие труды, в которых пропагандировал новое мировоззрение, высмеивая Папу Римского, что привело к ожесточенным конфликтам с инквизицией. Позже на латыни, языке науки того времени, распространилась и вскоре стала известна во всей Европе «Естественная философия принципа математики» Исаака Ньютона, написанная в 1687 году.

Наряду с Англией, Германией и Италией, Франция в это время играла важную роль в научных исследованиях56. Шарль Огюстен де Кулон признал, что структура закона тяготения Ньютона также применима к электрическим зарядам (которые, кстати, уже были открыты Фалесом Милетским), что представляет собой захватывающую параллель двух самых важных фундаментальных сил в физике, происхождение которых до сих пор не понято.

Например, никто не знает, почему заряд целого числа кратен заряду электрона57.

Эмилио Сегре, первооткрыватель антипротона

Неутолимая жажда знаний

У истоков современного естествознания стояли астрономические наблюдения за ночным небом – чистая форма человеческого любопытства. До конца XIX века астрономия58 практиковалась в основном в Европе. Там открытие Урана и Нептуна завершило наблюдения за Солнечной системой, а о существовании галактик уже подозревал Иммануил Кант. Все это было выражением исследовательского духа, который хочет понять мир без мысли о применении или даже выгоде.

Две вещи наполняют разум… благоговением, чем чаще… мысль занята ими: звездное небо надо мной и нравственный закон внутри меня.

Иммануил Кант

Влиятельным представителем этого образа мышления был Александр фон Гумбольдт, пионер целостного взгляда на окружающую среду, чья главная работа «Космос» была направлена на изображение «природы как целого, движимого и одушевленного внутренними силами». Настоящий эрудит, он внес свой вклад в физику, геологию, минералогию, ботанику, зоологию, климатологию, океанографию, астрономию и химию. С 1799 по 1804 годы он предпринял экспедицию в Центральную и Южную Америку, которая сделала его ведущим научным авторитетом, «современным Аристотелем».

После новаторской работы Ньютона, который остался без фактического преемника в Англии, Лейбниц, Гельмгольц, Эйлер и Лагранж углубили математические основы механики, что послужило основой для дальнейшего развития физики. В конце XVIII века были основаны США, как уже упоминалось, при решающем участии Бенджамина Франклина, который, кстати, писал сатирические сочинения, как Галилей.

Томас Джефферсон, третий президент США, пригласил Гумбольдта, вернувшегося в Европу в 1804 году, на обед в Вашингтоне. Государственный деятель был впечатлен знаниями Гумбольдта59, но особенно оценил его информацию о Южной Америке и соответствующий картографический материал, который был полезен для него самого. Президенты США и сегодня испытывают трудности с европейскими картами…

Поиск элементарных законов природы

Важное открытие волновой природы света принадлежит трем разносторонним личностям: голландцу Христиану Гюйгенсу (1629—1695), Томасу Янгу (1773—1829) и Августу Френелю (1788—1827). Однако открытие второй фундаментальной силы природы – электромагнетизма – получило свое полное развитие лишь в XIX веке. Наряду с Кулоном в авангарде были французские теоретики, особенно Андре-Мари Ампер, которого также вдохновляло его невероятное любопытство. В 1787 году, в возрасте двенадцати лет, вундеркинд Андре-Мари уже проработал все 20 томов «Энциклопедии» Дидро и д'Аламбера, одного из главных трудов эпохи Просвещения, в котором были сосредоточены практически все знания того времени.

Однако связь между электричеством и магнетизмом была открыта только в 1820 году, благодаря легендарному наблюдению Ханса Кристиана Орстедта60 за отклонением магнитной иглы под действием электрического тока. Сенсационные новости из Копенгагена распространялись как лесной пожар. Ампер впервые смог описать это явление в теоретической форме, а упомянутый выше Майкл Фарадей раскрыл более глубокую систематику связи в нескольких экспериментах, которые он тщательно документировал.

После предварительной работы Вильгельма Вебера61, который вместе с Карлом Фридрихом Гауссом построил первый телеграф в Геттингене, шотландец Джеймс Клерк Максвелл наконец сформулировал теорию электродинамики, которая выявила обширную симметрию электрического и магнитного поля. Это было огромное достижение абстракции, которое позже, в математических разработках, таких как дифференциальная геометрия, стало еще более очевидным. Следует также упомянуть ирландца Уильяма Романа Гамильтона, который в 1843 году изобрел четырехмерное обобщение комплексных чисел (кватернионы), с помощью которого Максвелл сформулировал свою теорию. Однако то, что в те времена называлось передовыми математическими исследованиями, всегда имело конкретную связь с физикой.

Уравнения Максвелла, как и, пожалуй, немногие другие вещи, вызывают восхищение тем, как разнообразные природные явления описываются простейшими математическими структурами. Венцом достижений стало доказательство электромагнитных волн Генрихом Герцем в Карлсруэ в 1886 году. Существование этих волн следует непосредственно из уравнений, а их скорость соответствует скорости света. Таким образом, электромагнетизм был объединен с оптикой, и последние сомнения в волновой природе света были устранены.

В начале (если оно было) Бог создал законы движения Ньютона вместе с необходимыми массами и силами. Это все; остальное вытекает из формирования подходящих математических методов путем дедукции. То, чего достиг XIX век на этой основе, должно было вызвать восхищение каждого восприимчивого человека62.

Альберт Эйнштейн

Размышления об объяснениях

Что интересно и почти забыто с сегодняшней точки зрения, так это то, что физики XIX века отнюдь не были удовлетворены новой теорией электродинамики. Несмотря на формальную аналогию законов Ньютона и Кулона, между этими теориями существовал глубокий разрыв. Максвелл, а также многие другие (например, ирландский физик Джеймс Мак-Куллах), пытались понять электромагнитные явления из уравнений механики сплошной среды упругого тела, называемого эфиром. Здесь можно было бы углубиться в историю теорий эфира63 и проанализировать, когда и почему от них отказались. Причина не в несовместимости их с теорией относительности Эйнштейна, как принято считать64. В любом случае в традициях европейских физиков было естественно искать фундаментальные объяснения, в данном случае – связь с механикой Ньютона. Так, британский авторитет в области физики лорд Кельвин всю жизнь критиковал электродинамику, утверждая, что она не является теорией, которая действительно объясняет явления.

…Я не могу постичь электромагнитную теорию света. Я хочу понять свет настолько полно, насколько это возможно, не вводя вещей, которые я понимаю еще меньше65.

Лорд Кельвин

Один только термин «эфир» вызывает зевоту у большинства современных физиков, находящихся под влиянием американской культуры. Это не только свидетельствует об историческом невежестве, но и доказывает, насколько сегодня исследователи отказались от глубокого понимания природы. Конечно, в этом нельзя винить Америку, где в то время почти не занимались теоретической физикой. Но здесь проблема была «решена» с помощью аргумента, что теория была успешной и хорошо работала. Бескомпромиссный поиск фундаментальных законов природы, с другой стороны, остается европейской традицией, которая впоследствии шаг за шагом исчезала.

То, что это соображение относится не к национальности, а к образу мышления, показывает американский физик Джошуа Уиллард Гиббс (1839—1903), который внес решающий вклад в термодинамику. С тех пор как сэр Фрэнсис Бэкон (1561—1626) понял, что тепло связано с движением частиц, основы кинетической теории газов разрабатывали Роберт Майер (1812—1878), Джеймс Прескотт Джоуль (1818—1889), Рудольф Клаузиус (1822—1888), Густав Кирхгоф (1824—1887) и вышеупомянутый лорд Кельвин (1824—1907). Гиббс, который недолго учился в Европе, вернулся на должность профессора в Йельском университете в 1871 году и в последующие годы разработал универсально обоснованные результаты, которые являются одними из самых важных инструментов современной термодинамики. Гиббс считался одиночкой, чья работа в то время имела мало практического значения. Примечательно, что ему пришлось обосновывать свою диссертацию в Йельском университете по абстрактной математической проблеме, имеющей применение в технологии зубчатых колес66.

Два тысячелетия – одна парадигма

Вся термодинамика немыслима без атомистики, которая является одним из самых важных открытий человечества. Идея неделимых строительных блоков природы восходит к греческим философам Левкиппу и Демокриту, которые опередили свое время как ученые. В ходе многовековой детальной работы идея была выработана в модель, которая сегодня кажется нам настолько очевидной, что мы даже не осознаем ее естественных философских следствий. Джон Дальтон (1766—1844) и Амедео Авогадро (1776—1856) должны быть упомянуты здесь как пионеры, как, например, первооткрыватели периодической таблицы Дмитрий Менделеев (1834—1907) и Лотар Мейер (1830—1895). Но последовательная формулировка атомной физики, особенно квантовой механики, появилась только в XX веке.

Ни одна вещь не возникает случайно, все имеет причину и необходимость.

Левкипп

Причиной научного прогресса стал метод ratio et experientia67, установленный с конца XVII века, который привел к беспрецедентному триумфу техники во второй половине XIX века68. Хотя механизация с помощью парового двигателя уже привела к первой промышленной революции, открытия в области света и электричества были реализованы гораздо позже. Развитие электротехники вновь привело к фундаментальным открытиям благодаря новым экспериментам (стоит вспомнить электрон, открытый Дж. Дж. Томсоном в Кембридже в 1897 году).

В истории физики часто можно наблюдать такую коэволюцию теории и технологии, которые взаимно помогают друг другу прийти к новым открытиям. После теоретических прорывов в середине XIX века наступил с небольшим опозданием расцвет соответствующих технологий. Этот этап вскоре достиг Америки, которая в то время оправлялась от последствий Гражданской войны (1861—1865). В это же время в Америку эмигрировали таланты со всего мира.

Электрические антиподы

После того как Вернер фон Сименс открыл динамо-электрический принцип и разработал генератор в 1866 году, произошла вторая, «электрическая» промышленная революция. В последующий период в Америке работали два великих пионера электротехники, которые, как никто другой, продемонстрировали европейско-американские различия в мышлении: Томас Алва Эдисон и Никола Тесла.

Эдисон, родившийся в Милане, штат Огайо, в 1847 году, является квинтэссенцией американского изобретателя. Всемирно известный благодаря открытию лампочки, он был настолько хорошо знаком со всеми технологиями того времени, что разработал революционные инновации в области электротехники, производства электроэнергии, распределения энергии, телекоммуникаций, а также средств передачи звука и изображения. Обладая безошибочным чутьем, Эдисон распознавал практическую применимость и реализовывал ее технически. Однако в то же время он еще был успешным предпринимателем, обладающим талантом коммерческого использования изобретений. Его вклад в электроснабжение Нью-Йорка ознаменовал начало электрификации всего промышленно развитого мира.

То, что нельзя продать, я не хочу изобретать.

Томас Алва Эдисон

Не будет лишним сказать, что успех Америки был основан на таких людях, как Эдисон. В 1997 году газета New York Times написала, что самым важным вкладом Эдисона были не сами его изобретения, а изобретение «индустрии изобретений». Эдисон был ни много ни мало отцом современных исследований и разработок. Его биограф69 Пол Израэль подчеркивал способность Эдисона мыслить аналогиями и учиться на неудачах. Однако количество идей, содержащихся в его записных книжках, было почти непостижимо для простого смертного.

Никола Тесла был совсем другим. Он родился в 1856 году в пограничном сербско-хорватском регионе в семье православных священников, и всю жизнь его сопровождали поражения, болезни, трудности и экономические неудачи. Конечно, Тесле было бы легче получить постоянную должность на всю жизнь в одном из европейских университетов. Хотя его гениальность, вероятно, проявилась рано – например, Тесла знал восемь языков, – в 1877 году он по неизвестным причинам бросил учебу в университете Граца, где изучал машиностроение. Сначала он работал помощником учителя и техником на телеграфе, а в 1884 году попал в Нью-Йорк в числе многих нуждающихся иммигрантов. Из таких историй жизни можно понять, что эта страна открыла для способных людей без формальной квалификации возможности, которые они не могли получить нигде в другом месте.

Эксцентричный гений

Тесла нашел работу в компании Эдисона, но уволился через шесть месяцев из-за слишком низкой зарплаты и занялся собственным бизнесом. Несмотря на свои легендарные изобретения в области электротехники, в отличие от Эдисона, он так и не добился экономической независимости благодаря своим разработкам. С возрастом его идеи становились все более эксцентричными: так диктовал характер, ставя его на грань гениальности и безумия.

В то время как Эдисон заработал много денег на своих изобретениях, Тесла вложил в свои идеи то немногое, что у него было. Хотя он добился славы, в последние годы жизни ему приходилось полагаться на богатых покровителей. Он превзошел своего соперника Эдисона только в одном, хотя и технологически решающем аспекте: его система передачи энергии с помощью переменного тока выиграла приз в 100 тысяч долларов от операторов Ниагарских электростанций в 1893 году и одержала победу во всем мире над технологией постоянного тока Эдисона. Вокруг способностей Теслы и его личности существует множество мифов. Предположительно, решающая идея переменного тока пришла к нему в 1881 году в парке Будапешта, когда он декламировал из «Фауста» Гете. В чисто интеллектуальном плане он, несомненно, превосходил Эдисона70. Вероятно, не совсем уж без зависти к экономическому успеху Эдисона, он писал о нем:71

Поначалу я был почти печальным свидетелем его поступков, поскольку лишь немного теории и расчетов могли бы избавить его от 90 процентов работы. Но он испытывал настоящее презрение к книжному образованию и математическим знаниям и полностью полагался на свой изобретательский инстинкт и практический американский подход.

Рассвет новой эры

Таким образом, конец XIX века привел к взрыву технологий, которые должны были стать основой зарождающейся мировой державы – США. Там также развивалась активная исследовательская деятельность, которая, однако, в отличие от Европы, в основном ограничивалась практическим применением и изобретениями. В сочетании с американским оптимизмом это даже привело к мнению, что основные законы природы уже исследованы. Все, что было необходимо для золотого будущего, – это разработка технологий на их основе. Представителем этой точки зрения был Альберт Абрахам Майкельсон, родители которого эмигрировали в США, когда ему было два года; позже он стал профессором Чикагского университета и прославился своим точным измерением скорости света72. Однако он грубо ошибся в оценке состояния физики в целом в 1894 году:

Кажется вероятным, что большинство основных основополагающих принципов твердо установлены […] Будущие истины физики, вероятно, следует искать в шестом знаке после запятой73.

Через некоторое время – в Европе – была открыта радиоактивность. Это изобретение впоследствии потрясло классическую физику. В начале 1896 года француз Анри Беккерель с удивлением обнаружил, что фотографические пластины в темном ящике почернели от кусочков смолы (содержащей уран), которые он хранил внутри. Вместе с Марией Кюри и ее мужем Пьером, с которым он разделил Нобелевскую премию в 1903 году, он впоследствии более тщательно исследовал это вещество. Кюри удалось выделить высокоактивный элемент радий, за что она также получила Нобелевскую премию по химии в 1911 году. Почти одновременно с открытием радиоактивности Вильгельм Конрад Рентген в конце 1895 года в Вюрцбурге впервые произвел лучи, названные в его честь. Легендарная фотография, на которой видны кости рентгеновской руки его жены, сразу же облетела весь мир.

Показательно, как к этим открытиям отнеслись в Америке: в Бостоне в 1920 году был подан патент на педоскоп, с помощью которого в обувных магазинах можно было проверять прилегание пальцев ног с помощью лучей. По медицинским показаниям, в частности, детям рекомендовали оптимизировать посадку обуви таким образом. Еще более опасным, чем рентгеновские лучи, было применение радия для циферблатов часов, которые светились ночью. Многочисленные рабочие, которые брали зубную щетку в рот и загрязняли себя, позже умерли от рака. Даже в качестве антибактериальной зубной пасты поначалу рекламировались радиоактивные чудо-вещества. Конечно, в этих трагических событиях виновато не только «американское» мышление в науке. И наоборот, можно утверждать, что в Западной Европе зачастую слишком много оговорок по поводу новых технологий. Но это характерно для того, как новые открытия рассматриваются и используются практически и экономически в США, иногда без достаточного обдумывания.

Бум изобретений

Наука изобретает, технология применяет, человек подчиняется!

Девиз Чикагской всемирной выставки 1933 года

Уже в XIX веке в США процветал дух изобретательства. Это способствовало многочисленным техническим разработкам. Сэмюэль Морзе, например, разработал телеграф (независимо от Гаусса и Вебера) и изобрел алфавит, названный в его честь, как практическое дополнение. Подход в Новом Свете отличался динамизмом, который во многих отношениях превосходил европейский. Возможно, лучшим примером того, как американская беспечность превосходила глубокую европейскую науку, является авиация.

Хотя в летных экспериментах Отто Лилиенталя уже была проделана важная предварительная работа, первый полностью управляемый полет на самолете74 был реализован братьями Райт в 1903 году75. И это несмотря на то, что за несколько лет до этого светило физики лорд Кельвин утверждал, что тело с плотностью, превышающей плотность воздуха, никогда не сможет взлететь. Братья Райт, вероятно, никогда не слышали о Кельвине, и это было хорошо. Подобным образом французский математик Анри Пуанкаре «доказал», что радиосвязь с Америкой невозможна из-за кривизны Земли. Вскоре после этого ее реализовал Гульельмо Маркони из Болоньи, который в этом отношении, безусловно, обладал «американским» предпринимательским духом76. Тем не менее тогда США все еще безнадежно отставали в плане фундаментальных исследований в области физики.