Читать книгу Энергия. Трансформации силы, метаморфозы понятия - Коллектив авторов, Ю. Д. Земенков, Koostaja: Ajakiri New Scientist - Страница 2

Цель настоящего исследования – представить историческое развитие понятия силы в физической науке. Хотя это понятие признано одним из основных и первичных в физической теории, прежде оно никогда не становилось предметом всестороннего исторического анализа и критического рассмотрения. Как правило, его считают не нуждающимся в объяснении, так как на практике оно применяется вполне успешно. В учебниках и даже в объемных монографиях нет почти никакой информации о природе этого понятия. Огромное разнообразие его практических применений полностью игнорирует проблемный характер понятия силы.

Часто говорят, что ученому-естественнику нет дела до истории идей, которые он применяет в своей работе. Но учитывая, насколько важной для современной физики стала проблема возникновения научных понятий, этот аргумент почти утратил свое значение. Некогда проблемой формирования научных понятий интересовались лишь антиквары от истории науки и педанты от эпистемологии. Для современной науки она стала жизненно важной.

Изучать исторические аспекты того, как формировались понятия в физической науке, нелегко. Для того чтобы хорошо ориентироваться в источниках, требуется глубокое историческое и филологическое образование, а чтобы их критически сравнивать, интерпретировать и оценивать их значимость для науки, необходимо владеть теорией физики.

При изучении того, как развивалось то или иное научное понятие, возникает серьезная проблема. Она состоит в том, что определение этого понятия неизбежно будет туманным. В науке понятие может быть строго закреплено только с помощью точного определения. Но если взглянуть на определение исторически, перед нами лишь один из поздних этапов развития данного понятия. Свести понятие исключительно к его современному определению значило бы игнорировать значительную часть его истории. Даже после того как оно заняло точно определенную позицию, история понятия еще не закончена – наиболее полное его значение проявляется только в контексте концептуальной структуры, в которую оно встроено, а этот контекст постоянно расширяется и изменяется. Однако с позиции истории идей не видна самая важная и интересная часть биографии понятия, а именно тот период, когда оно наиболее активно развивается и способствует формированию научной мысли. Таким образом, изучающим историю научного понятия приходится как-то реагировать на то, что определение обсуждаемого предмета туманно. Здесь в равной степени опасно устанавливать слишком широкие или слишком узкие рамки.

Современная физика не оставляет надежды тому, во что верили большинство авторитетных ученых в прошлом столетии. От амбиций, что физика сможет создать абсолютно точный слепок реальности, приходится отказаться. У науки в ее сегодняшнем понимании менее амбициозная и более конкретная цель. Описать определенные феномены опытно постигаемого мира и установить общие принципы того, как их можно предсказать и «объяснить», – вот две ее основные задачи. Под «объяснением» здесь, скорее, имеется в виду соотнесение этих феноменов с общими принципами. Чтобы успешно решить эти задачи, наука использует понятийный аппарат, то есть систему терминов и теорий, которые репрезентируют или символизируют данные, полученные через чувственный опыт, – прикосновения, цвета, тона, запахи и то, как они могут быть связаны между собой. Этот аппарат состоит из двух частей: 1) сеть понятий, дефиниций, аксиом и теорем, составляющих гипотетико-дедуктивную систему (в математике ее примером является евклидова геометрия), и 2) отношения, в которых элементы этой системы состоят с определенными феноменами чувственного опыта. Через эти отношения, которые можно назвать «правилами интерпретации» или «эпистемологическими соотношениями»37, устанавливается ассоциативная связь между, например, черным пятном на фотографической пластинке (чувственное ощущение) и спектральной линией определенной волновой длины (концептуальный элемент или конструкт в рамках гипотетико-дедуктивной системы38). Другой пример – ассоциативная связь между щелчком усилителя на счетчике Гейгера и проходом одного электрона через счетчик. Физика нуждается в обеих сторонах этой связи именно потому, что она представляет собой теоретическую систему предположений об эмпирических феноменах. Гипотетико-дедуктивная система в отсутствие правил интерпретации быстро выродится в спекулятивный анализ, который нельзя ни проверить, ни верифицировать. Сеть эпистемологических соотношений без теоретической надстройки, выведенной путем дедукции, останется бесплодным перечнем фактов, который не будет иметь ни предсказательной, ни объяснительной силы.

Принятие правил интерпретации создает некоторую произвольность внутри системы как целого, допуская в ее рамках некоторую предрасположенность в отборе понятий. Другими словами, произвольные модификации в терминологических соответствиях определенным ощущениям можно компенсировать, соответствующим образом изменяя эпистемологические соотношения, но не отрывая их от материальной реальности. Именно из‐за этой произвольности научные понятия воспринимают как «свободные творения человеческого разума», которые «не однозначно определены внешним миром, как это иногда может показаться»39.

Когда наука пытается создать логически последовательную систему мысли, которая бы соответствовала хаотическому разнообразию чувственного опыта, выбор основных понятий определяется – хотя и неоднозначно – их способностью создать базис, на основании которого можно объяснить наблюдаемые факты. Во-первых, сама неожиданная последовательность экспериментов и наблюдений вносит в систему элемент случайности. Как недавно заметил Джеймс Брайант Конант, «кажется ясным, что развитие современных научных идей могло пойти по несколько другому пути, если бы хронологическая последовательность некоторых экспериментальных открытий оказалась иной. В определенной степени эту хронологию можно считать чисто случайной»40. Во-вторых, специфический характер фундаментальных концепций или базисных понятий в некоторой степени определяется общими представлениями, которые, в свою очередь, мотивированы подсознательными мотивами. Важная задача для историка науки – изучить состояние мысли, преобладающее в определенный период, и выделить в нем вненаучные элементы, ответственные за итоговый отбор понятий, которым суждено играть роль фундаментальных в конструируемом понятийном аппарате. Изучая историю науки ретроспективно, часто можно видеть, как на определенном этапе развития физики в целом удовлетворительно использовались (или могли использоваться) альтернативные друг другу понятия.

В качестве иллюстрации приведем важный для нашей темы пример: джайнистскую физику в древнеиндийской философии41. Джайнисты – последователи Джины Махавиры (известен также под именем Вардхамана), старшего современника Будды, – создали реалистичную и релятивистскую концепцию атомистического плюрализма (anekāntarāda). В отличие от западной науки, для которой, как мы увидим позже, понятие силы является фундаментальным, в данной системе не существует этого понятия. В джайнистской физике категория ajīva включает материю (pudgala), пространство (akāshā), движение (dharma), покой (adharma) и время (kāla). Dharma и adharma означают условия движения и покоя. Бесформенные и пассивные, они не порождают движение и не прекращают его – они лишь помогают и способствуют движению или покою, подобно тому как для движения рыб нужна вода, а для покоя предметов – земля, на которой они лежат. «Действие» (kriya) и «изменение» (parināma) возникают благодаря «времени», при этом оно само по себе не вызывает движение, как это делает понятие силы в западной мысли. Есть и более привычный (хотя и не столь показательный) пример концептуальной схемы, где понятие силы не задействовано. Это, разумеется, декартова физика. Эта система, по крайней мере в том виде, как задумывал ее создатель, основывалась исключительно на геометрических и кинематических представлениях, а также на идее непроницаемости.

Ученый постоянно вынужден пересматривать свою концептуальную схему в силу множества факторов. Если не брать во внимание общекультурные мотивы, которые отсылают нас к конкретным философским, теологическим или политическим идеям, существуют три наиболее важных методологических фактора, требующих пересмотра схем. Во-первых, это результаты новых экспериментов и наблюдений, из которых выводятся новые, ранее неизвестные следствия. Во-вторых, это возможные противоречия в логической сети выводимых понятий и их взаимосвязей. Третьим фактором является поиск наибольшей простоты и элегантности для выражения системы понятий. В большинстве случаев необходимо сочетание двух факторов (а иногда и учет всех трех), чтобы произошла перестройка или фундаментальная смена понятийной структуры. Хорошо известный пример – эксперимент Майкельсона – Морли, который доказал, что скорость света не зависит от движения Земли. Этот феномен был ранее неизвестен и, более того, несовместим с господствовавшей в конце XIX века теорией эфира. Его можно было встроить в эту концептуальную схему с помощью некоторых допущений («лоренцево сокращение длины»), но это серьезно усложнило бы схему и тем самым нарушило принцип простоты. Искусно переосмыслив понятия времени и пространства в рамках частной теории относительности, Эйнштейн, по существу, пересмотрел понятийный аппарат классической механики.

Конечно, не всегда этот аппарат приходится модифицировать столь радикальным способом, как это сделал Эйнштейн. Для историка научных понятий очень важным элементом системы является процесс «переопределения» понятия, который изменяет его статус и положение в логической структуре данной системы. Классический пример такого переопределения можно найти в истории понятия температура. Изначально она считалась качественным выражением ощущения теплоты, а затем стала количественным показателем состояния материи, которое измеряется ртутным термометром по определенной шкале. Когда в ходе дальнейшего развития этого понятия стало очевидно, что «температура» в таком понимании зависит от свойств термометрического вещества, понятие еще раз переосмыслили, введя так называемую «абсолютную» термодинамическую шкалу. Так температура оказалась частью более обширной и понятной сети отношений, став неотъемлемой частью кинетической теории материи. Очевидно, что в результате этого процесса исторически и психологически более позднее понятие (в случае «температуры» – это кинетическая энергия молекулы газа) рассматривается в качестве логически более раннего, более систематичного и более фундаментального.

Понятия, которые ранее считались базовыми, могут в результате переопределения превратиться в производные. Хотя в истории научных понятий это случается не так часто, возможно и обратное: понятие, изначально возникшее как производное, на более позднем этапе, после переопределения другого понятия может быть выбрано в качестве базового. В классической механике скорость обычно считается производным понятием – отношением расстояния s ко времени t или пределом отношения (как в формуле Δs/Δt). Здесь расстояние и время рассматриваются как базовые понятия. Тем не менее вполне возможно было бы создать непротиворечивую теорию движения, в основе которой лежали бы базовые понятия времени t и скорости v. Скорость бы при этом измеряли напрямую неким аналогом спидометра, а расстояние считали бы производным понятием и вычисляли как произведение скорости и времени s = t · v, или по более общей формуле s = ∫v ∙ Δt. Современная астрономия, по крайней мере отчасти, последовательно поступает именно так. Связь этих понятий с измерениями материального мира, разумеется, не создает никакого препятствия: как ясно показала теория электромагнетизма, такая связь абсолютно произвольна и может полностью соответствовать понятиям, отобранным в качестве базовых.

Что касается понятия силы, оно возникло по аналогии с мускульным усилием человека, его духовным влиянием или силой воли. В дальнейшем его распространили на неодушевленные объекты как проявление силы, заключенной во всех материальных предметах. Пропуская несколько промежуточных стадий, можно сказать, что понятие силы стало ключевым для определения «массы», а оно, в свою очередь, определило понятие «импульс». В дальнейшем классическая механика переопределила силу как производную по времени от импульса, тем самым (по крайней мере, на первый взгляд) уничтожив все следы ее прежних анимистических определений. Наконец, «сила» стала полностью относительным понятием, почти готовым к тому, чтобы полностью исчезнуть из понятийной структуры.

Здесь можно задать серьезный вопрос: не означает ли постоянное переопределение, что понятие последовательно наделяют новым значением, и в итоге уже нельзя утверждать, что на разных стадиях его жизни перед нами одно и то же понятие? Сторонник операционального подхода, утверждая, что определение понятия идентично процедуре измерения соответствующего свойства объекта, не согласился бы, что все эти стадии – этапы жизни одного и того же понятия. С другой стороны, реалист или приверженец теории конвергенции42, для которых научное утверждение – это не просто комплекс условностей, вероятно, не стал бы возражать. Для историка науки это всего лишь проблема формулировки. Для него проблема реальности стоит не на первом месте, то есть вопрос о том, насколько внутренняя структура гипотетико-дедуктивной модели науки отражает или в каком-либо виде передает реально существующее основание, на котором покоится недифференцированный спектр чувственных ощущений. В этом смысле специалист по истории идей находится в том же положении, что и ученый-естественник в лаборатории. Для него совершенно не важно, что он на самом деле исследует – развитие одного понятия или цепи взаимосвязанных понятий. Другими словами, верно ли то, что разные определения охватывают одно и то же определяемое (definiendum) как часть реальности, существующую вне нашего сознания, – или верно, что каждое новое истолкование понятия нужно считать отдельным элементом логической системы? Эту проблему ученый предлагает решать метафизикам.

Даже если использовать так называемый «формальный»43 и контекстуальный метод дефиниции, при котором исследовать процесс формирования понятий становится еще сложнее, позиция ученого-естественника остается такой же. В этом случае понятие рождается из постоянства определенных отношений в рамках эксперимента. Эти отношения фиксируются в виде некоторого показателя, которому можно дать определенное название. Хороший пример – известное определение массы по Э. Маху: когда два тела, обозначенные как 1 и 2, действуют друг на друга при одинаковых внешних условиях, постоянное обратное отношение между их взаимно вызываемыми ускорениями (– а₂ / а₁) можно определить как «относительную массу» этих двух тел, или, точнее, как отношение массы первого тела к массе второго. Если второе тело стандартно («стандартная масса»), то «относительная масса» становится «массой» тела а1. Именно это сложное определение массы и оказывается очень важным для современной физики – в квантовой механике оно необходимо, чтобы определять массу элементарных частиц, а в теории относительности – чтобы доказать зависимость массы от скорости. Более раннее и простое базовое понятие «количества вещества», измеряемого в молях, – определение массы по Кеплеру, Галилею и отчасти даже по Ньютону, хотя все они более тесно связаны с чувственным восприятием, но едва ли применимы в ситуации, где начинает работать более детальное, реляционное понятие массы по Маху. Важно заметить, что формальный метод дефиниции не обязательно переопределяет понятие. Этого, например, не происходит с понятием «энтропии».

Вычленить ядро понятия на протяжении нескольких стадий его развития может оказаться очень сложной задачей. Легко проследить, как менялось понятие электрона с того времени, как Дж. Стоуни ввел этот термин в 1874 году44. Легко показать, как трансформировалось содержание этого понятия, пока оно не приняло современное значение – одна из элементарных частиц в квантовой механике. Намного труднее решить, является ли средневековое понятие impetus (импульса, толчка) предшественником понятия «импульса» в классической механике. Еще труднее понять, выводится ли понятие силы по Ньютону из аристотелевской идеи dynamis (возможности-способности).

В нашем случае определить ядро понятия еще труднее из‐за того, что терминология крайне запутана и неясна. Само понятие силы (force) и его эквиваленты в разных языках могли означать очень многое. Разумеется, мы не будем принимать во внимание его переносное значение, которое мы встречаем в таких выражениях, как «сила примера», «сила привычки», «полицейские силы», «экономические силы» и так далее. С другой стороны, выражения вроде «силы природы» могут использоваться и в научном значении, а значит, быть актуальными для нашего исследования.

Но даже в качестве научного термина «сила» в разных контекстах может означать разные вещи. Например, как показывает критический анализ, в следующем предложении, взятом из Герберта Спенсера, каждый раз значение понятия меняется: «Вступая в противодействие с материей, единая сила (a uniform force) частично переходит в силы, действующие в различных направлениях (forces differing in their directions), а частично – в силы, различающиеся по существу (forces differing in their kinds)»45. В декартовой механике, которая, как мы увидим, в сущности представляет собой теорию удара, третий закон движения гласит: если движущееся по прямой тело сталкивается с другим, наделенным меньшей силой (vis), то продолжает двигаться в том же направлении, но теряет ту часть движения, которую передает второму телу. Если же «сила» второго тела больше «силы» первого, то первое теряет направление движения, но не само движение46. Очевидно, что в этом контексте «сила» означает то, что мы называем «количеством движения» или «импульсом», то есть произведением массы и скорости. Конечно, Декарта нельзя порицать за такое несоответствие. Его исследование вело в неизвестные до того области мысли, к идеям, для которых еще не существовало слов. Что могло быть более естественным, чем заимствовать слово из повседневной латыни; заимствовать слово, у которого еще не было терминологического значения, и использовать его как технический термин (terminus technicus), особенно учитывая, что его привычное значение мало отличается от операциональной интерпретации этого понятия? Декарт совершенно оправданно называет «силой» (vis) «произведение массы и скорости» – пусть даже в дальнейшем научная терминология и пошла по иному пути.

Однако положение усложняется, когда сам же Декарт начинает применять тот же термин в других значениях. В письме Мерсенну от 15 ноября 1638 года он, например, пишет: «Наконец вы услышали слово „сила“ в том смысле, который я в него вкладываю, когда говорю, что требуется такая же сила, чтобы поднять груз в сто фунтов на высоту ступни, что и груз в пятьдесят фунтов на высоту двух ступней, то есть на это идет одинаковое движение или одинаковое усилие»47.

Из этого фрагмента ясно, что «сила» в данном контексте означает работу. В таком же значении термин «сила» Декарт употребляет в начале краткого трактата «Объяснение механизмов, с помощью которых можно малой силой поднять тяжелый груз» (Explication des engins par l’ ayde desquels on peut avec une petite force lever un fardeau fort pesant). Здесь он пишет: «Изобретение всех этих механизмов основано всего на одном принципе, а именно: та же самая сила, которая способна поднять, например, вес в сто фунтов на высоту двух ступней, может поднять вес в двести фунтов на высоту одной, или в четыреста – на высоту в полступни, и так далее, если применять к ним эту силу»48.

Еще в 1743 году д’ Аламбер, критикуя такое путаное и неразборчивое употребление термина, писал: «Когда говорят о силе движущихся тел, то или с произносимым словом вовсе не связывают никакой ясной идеи, или под ним понимают лишь свойство движущихся тел преодолевать встречаемые ими препятствия или сопротивляться этим препятствиям»49. В XIX веке номенклатура стала еще более двусмысленной: «силой» регулярно называли то, что мы сейчас определяем как «энергию» или «работу», под влиянием лейбницевского термина «vis viva» (то, что мы называем «кинетическая энергия»).

Насколько неудобна такая путаная терминология не только для историка науки, но и для современников автора, который ее использует, можно видеть на примере Юлиуса Роберта Майера и его работы о сохранении энергии – «О количественном и качественном определении сил»50. 16 июня 1841 года он отправил ее Иоганну Кристиану Поггендорфу для публикации в журнале Annalen der Physik und Chemie. Поггендорф как редактор отказался печатать это важное исследование, и в 1842 году его – под названием «Наблюдения за силами неживой природы» принял Либих в журнал Annalen der Chemie und Pharmazie51. Публикация осталась совершенно незамеченной. Как указывал Мах52, даже физик Ф. Жолли, посетив Майера в Гейдельберге, понял логику его работы лишь после долгой беседы и «значительных пояснений». В 1845 году вышла в свет знаменитая статья Майера «Органическое движение в его связи с обменом веществ», в которой он писал: «В действительности существует только одна-единственная сила. Эта сила в вечной смене циркулирует как в мертвой, так и в живой природе. Нигде нельзя найти ни одного процесса, где не было бы изменения силы со стороны ее формы!»53

Многозначность слова «сила» (Kraft) приводила к серьезной путанице, и свидетельство тому можно найти в классической работе Германа Гельмгольца «О сохранении силы» (Über die Erhaltung der Kraft)54. Двадцатишестилетний Гельмгольц прочитал ее на заседании Берлинского физического общества 23 июля 1847 года. Как и статью Майера, работу Гельмгольца посчитали экстравагантной. Поггендорф также не принял ее в свой журнал. Насколько двусмысленность понятия «силы» мешала понять статью, ясно видно из спора, который разгорелся между ее сторонниками – Э. Дюбуа-Реймоном и К. Г. Якоби – и противниками – Р. Клаузиусом и Е. Дюрингом. Неудивительно и то, что это туманное словоупотребление вышло за пределы собственно научного языка. В доказательство процитируем фрагмент из юмористической поэмы Вильгельма Буша (инженера по образованию), где пощечина описывается так:

Несколько напугав трудностями, с которыми может столкнуться тот, кто решит анализировать понятия с исторической точки зрения, теперь мы должны отметить, насколько важен наш предмет как для науки, так и для философии. «Сила» – одно из основных понятий физики. Это первое нематематическое понятие, которое встретится читателю в большинстве учебников. Изучающий физику будет постоянно возвращаться к нему, читая разделы о силе тяготения, электромагнитной силе, силах трения и вязкости, когезионных и адгезионных силах, силе упругости и химических силах, наконец, силах молекулярных и ядерных. Если не прояснить и не подвергнуть критическому анализу эти понятия, легко можно поверить, что в центре современной физической науки стоит что-то мистическое или даже оккультное. Это хорошо понимал Чарльз Сандерс Пирс, пытаясь объяснить понятие силы с прагматической точки зрения: «[Сила] – это замечательное понятие, которое, будучи выработано в первой половине семнадцатого века из примитивной идеи причины и постоянно совершенствуясь вплоть до настоящего времени, показало нам, как следует объяснять все изменения движения, испытываемые телами, и как следует осмыслять все физические феномены; оно дало начало современной науке и изменило лицо планеты; оно, помимо своих специфических применений, сыграло основополагающую роль в направлении хода современной мысли и в продвижении современного социального развития. Поэтому стоит потратить определенные усилия для того, чтобы постичь его»56.

Действительно, началом современной науки можно считать тот момент, когда приходит ясное понимание, что такое механическая сила, и это понятие сознательно включается в основы физики как науки. Наука по Аристотелю и Птолемею была прежде всего системой геометрических и кинематических понятий. «Новая наука», напротив, основывалась на динамике Ньютона. Таким образом, критически осмыслить, насколько понятие силы важно для современной науки, – значит сделать очень важный шаг к пониманию того, как эта наука развивалась.

Но и это еще не все. Среди всех возможных базовых понятий физической науки «сила» занимает уникальное положение, так как она одна напрямую связана с понятием причины. Многие мыслители, прежде всего кантианцы, считали «силу» точным физическим выражением «причины» и понятия каузальности. Согласно такому взгляду, естественные науки привязывают все феномены природы к некоторым основаниям, постигают феномены как следствия этих оснований. Если проводить эту мыслительную операцию последовательно, то научную структуру этих оснований надо формулировать так, чтобы постоянно задействовать в них каузальность. Понятие вещества, таким образом, выводится из эмпирического применения принципа каузальности. Из сформированного таким образом понятия вещества, в свою очередь, выводятся конкретные причинно-следственные связи. Каузальность в ее связи с вещественностью называется «силой», а вещество, к которому относится действие этой силы, можно считать ее «носителем».

Из-за этой уникальности понятие силы подверглось серьезным нападкам позитивистов. Они полагали, что, устранив понятие силы из физики, можно освободить науку в целом от оков каузальности – «одного из самых упорных пережитков донаучного фетишизма».

И наконец, критическое рассмотрение понятия силы в его развитии составляет важную главу в истории идей, поскольку в нем отражается постоянная трансформация интеллектуальных установок на протяжении многих веков.

Перевод с английского Владимира Макарова