Читать книгу Велика картина - Шон Кэрролл - Страница 7

1971 року телеглядачі, дивлячись пряму трансляцію про місячну висадку «Аполлона-15», побачили у виконанні астронавта Дейвіда Скотта невеличкий експеримент. Завершуючи прогулянку Місяцем, Скотт підняв перед собою молоток і перо, а потім одночасно їх відпустив. Обидва предмети завдяки дії слабкого місячного тяжіння впали на ґрунт майже одночасно.

Такого б не сталося на Землі, хіба що ви тренуєтеся працювати в скафандрі в одній із гігантських вакуумних камер у НАСА. За звичних обставин опір повітря сповільнює падіння пір’їни, хоч не впливає на молоток. Однак на поверхні Місяця, у вакуумі, їхні траєкторії цілком однакові.

Скотт підтвердив важливу здогадку, висунуту Галілео Галілеєм ще в кінці XVI століття: під дією сили тяжіння всі предмети повинні падати однаково, і лише через тертя з повітрям нам здається, що в повсякденному житті важчі предмети падають швидше за легші. Це й добре. Як висловився співробітник центру управління космічними польотами Джо Аллен, результат цього експерименту був «передбачуваний на основі обґрунтованої теорії, однак сам результат не менш підбадьорливий, зважаючи на те, скільки глядачів спостерігали за ним, а також тому, що повернення на Землю безпосередньо залежало від правильності теорії, яка перевірялася цим експериментом».

За переказами, Галілей сам провів схожий експеримент, кидаючи кулі різної ваги (зважаючи на опір повітря) з нахиленої Пізанської вежі. Сам Галілей, здається, не казав про такий експеримент, та пізніше його учень Вінченцо Вівіані написав про це в біографії свого наставника.

Точно відомо, що Галілей провів інший експеримент, простіший щодо приготування й проведення: він котив по похиленій площині кулі різної маси. Йому вдалося показати, що кулі прискорювалися за однаковим принципом; прискорення ж залежало від нахилу площини, а не від маси куль. Потім він припустив, що коли це справедливо для будь-якого нахилу площини, то хай навіть площина буде перпендикулярна підлозі, ми одержимо такий же ефект, наче ми б кидали предмети просто донизу, без будь-якої площини. Отже, робив висновок він, без опору повітря тіла будь-якої маси в однаковий спосіб падатимуть донизу під дією тяжіння.

Не таке важливе саме´ відкриття, як прихований у ньому глибинний зміст: ми можемо дізнатися про природний рух об’єктів, уявляючи, що позбулися різноманітних побічних ефектів, таких як тертя й опір повітря, а потім, імовірно, вибудувати реалістичнішу модель руху, враховуючи ці ефекти.

Це не абиякий здогад. Мабуть, це найславетніша ідея за всю історію фізики.

Фізика, власне, найпростіша з наук. Нам так не здається, бо ми дуже багато знаємо про неї, а потрібні знання часто видаються езотеричними й технічними. Однак фізика благословенна дивовижною властивістю: ми часто можемо висувати недоладні припущення – поверхні без тертя, ідеально сферичні тіла, – нехтуючи всіма супутніми ефектами, проте одержувати невиправдано добрі результати. Що стосується цікавих проблем інших наук – від геології до психології та теорії економіки, – коли б ви змоделювали один невеличкий аспект системи та припустили, що решти аспектів не існує, то у вас вийшла б повна дурня. (Хоча багатьох це не зупиняє.)

Ця неймовірна, парадигмозмінна ідея – в ідеалізованих ситуаціях, де можна знехтувати тертям і розсіюванням енергії, фізика спрощується – допомогла сформулювати таку ж впливову й безперечно приголомшливу концепцію: збереження імпульсу. На перший погляд це не видається чимось надзвичайно важливим, але саме імпульс став визначальним фактором зміни наших уявлень про світ – від древнього космосу причин і наслідків до сучасного космосу принципів і законів.

⁂

Протягом XVI–XVII століть Галілей та інші науковці здійснили революцію у вивченні руху, а до цього найавторитетнішим мислителем у цій царині вважали Арістотеля. Уявлення Арістотеля про фізику були винятково теологічні: він вважав, що кожному об’єкту притаманний свій природний стан, що змінюється відповідно до наближення об’єкта до цілі. Як відомо, Арістотель припустив, що можна розрізняти чотири типи «причин», хоча, найімовірніше, він мав на увазі «типи тлумачень». Матеріальна причина – речовина, з якої створений об’єкт; формальна причина – сутнісна ознака, що дозволяє вважати об’єкт тим, чим він є; рушійна причина – фактор, що зумовлює існування об’єкта (це поняття найближче до нашого типового уявлення про «причину»), і кінцева причина – мета існування об’єкта. Для розуміння того, чому речі змінюються, рухаються й поводяться так, а не інакше, слід розглядати їх у контексті тих причин.

За Арістотелем, природа об’єкта визначає його рух. Два з чотирьох класичних елементів – земля й вода – прагнуть впасти донизу, а повітря й вогонь – здійнятися догори. Об’єкт може перебувати у своєму природному стані спокою або руху, допоки не зазнає «насильного переміщення», після чого знову не повернеться до свого природного стану, в якому він і прагне залишатися.

Уявіть собі чашку кави, що стоїть на столі. Вона перебуває у своєму природному стані, у цьому разі – це спокій. (Хіба що ми висмикнемо з-під неї стіл і вона природно впаде донизу, однак не робімо цього.) Тепер уявіть, що ми виконуємо насильне переміщення, штовхаючи чашку через стіл. Коли ми штовхаємо її, вона рухається; коли припиняємо, вона повертається до свого природного стану спокою. Як каже Арістотель, «усе, що переміщається, мусить рухатися під впливом чогось».

Саме у такий очевидний спосіб поводяться чашки кави в реальному світі. Різниця між Галілеєм і Арістотелем не в тому, що перший стверджував істинні речі, а другий – хибні: суть у тому, що Галілей зосереджувався на речах, які виявилися корисною основою для точнішого й повнішого розуміння явищ поза межами вихідних прикладів, чого не скажеш про Арістотеля.

У VI столітті Іоанн Філопон, філософ і теолог, що проживав у Єгипті, розпочав шлях від Арістотеля до нашого сучасного розуміння поняття «рух». Він припустив, що слід виокремлювати рухому силу, або «імпульс», який надається тілу первісним поштовхом і підтримує тіло в русі, поки імпульс не вичерпується. Це був невеличкий крок уперед, проте саме він дозволив по-новому поглянути на природу переміщення. Ми не говоримо про його причини, а натомість зосереджуємося на кількісних показниках і властивостях самої матерії.

Ще один вирішальний внесок зробив перський мислитель Ібн Сіна (також відомий під латинізованим іменем Авіценна) – один із найбільших світочів ісламської золотої доби на початку 1000-х років. Він розвинув ідею Філопона про імпульс, назвавши його «намір». Саме Авіценна припустив, що цей намір вичерпується не сам собою, а лише завдяки опору повітря чи іншим зовнішнім впливам. А в пустоті, зазначає він, нема жодного опору, тому кинуте тіло, якщо йому не перешкоджати, вічно рухатиметься з постійною швидкістю.

Це надзвичайно близько підводить нас до сучасної концепції інерції, за якою тіла рухатимуться рівномірно, якщо не зазнаватимуть зовнішнього впливу. У XIV столітті французький церковник Жан Бурідан, очевидно, надихнувшись працями Авіценни, вивів формулу обчислення імпульсу як добутку ваги тіла та його швидкості. Однак у ті часи ще не розрізняли поняття маси й ваги. Галілео, так само зазнавши впливу Бурідана, запропонував термін «інерція», стверджуючи, що коли на тіло не діють інші сили, то його кількість руху не змінюється. А втім він чітко не розрізняв поняття інерції та швидкості. Саме Рене Декарт визначив кількість руху як добуток маси та швидкості, проте навіть він (бувши засновником аналітичної геометрії) не усвідомив, що імпульс має вектор (напрям) і магнітуду (величину). Це відкриття у XVII столітті зробив голландський науковець Християн Гюйґенс. І лише згодом Ісаак Ньютон, блискуче переосмисливши попередні концепції, заново винайшов науку про рух, що ми її досі вивчаємо в школах та університетах.

⁂

Чому розмова про імпульс така важлива? Ми не станемо тут вивчати ньютонівську механіку, хай як це не корисно. Не розв’язуватимемо задачі з блоками чи похилими площинами. Власне, ми тут прагнемо поміркувати про фундаментальну природу реальності.

Для Арістотеля фізика була способом опису сутностей і причин. Хай де відбувається якийсь рух, він повинен мати своє джерело – продуктивну причину, що призводить до цього руху. Арістотель трактував поняття «рух» значно ширше, ніж ми звикли це робити тепер. Його трактування було ближче до сучасного поняття «трансформація». Воно могло означати, наприклад, зміну об’єктом кольору чи перетворення можливостей на дійсності. Однак тут діють ті ж принципи; Арістотель був переконаний, що ці трансформації передбачають існування причин для таких перетворень. У такій ідеї немає нічого абсурдного. Наш щоденний досвід підказує, що речі відбуваються не «просто так» – кожна дія має причину, яка її запускає чи породжує. Арістотель, не володіючи ніякими сучасними знаннями, намагався помістити в певну систематизовану структуру відомі йому факти про способи функціонування світу.

Тож Арістотель спостерігає за світом, наповненим незліченними речами, що змінюються, і робить висновок: причина є в кожному випадку. А рухається під впливом дії В, що так само рухається під дією С і так далі. Розумно буде спитати: а яка ж є першопричина? До якого першоджерела можна відстежити цей ланцюжок подій і причин? Він одразу відкидає можливість того, що будь-які події самоспричинені або що цей ланцюжок простягається в безкінечність. Він має десь закінчитися і закінчитися на чомусь, що спричиняє рух, проте само не рухається, – на первинному нерухомому рушієві.

Свою теорію про рух Арістотель значною мірою виклав у праці «Фізика», однак подробиці про первинний нерухомий рушій з’явилися в пізнішому творі – «Метафізика». Хоча Арістотель номінально був язичником, він ототожнює цей першорушій із Богом – не просто абстрактним принципом, а безсмертним і милосердним створінням. Це непоганий аргумент на користь існування Бога, хоча його легко спростувати, якщо не визнавати базових передумов. Можливо, деякі рухи справді самоспричиняються, а безкінечна регресія цілком допустима. Однак цей «космологічний аргумент» виявився надзвичайно вагомим: його підхопили й розвинули Тома Аквінський та інші.

Для наших цілей найважливіше, що вся структура арістотелівського аргументу про першорушій ґрунтується на ідеї необхідності існування причини для кожного руху. Щойно нам стає відомо про збереження імпульсу, як ця ідея втрачає свою силу. Можна сперечатися про деталі, не сумніваюся, що Арістотель зміг би в якийсь геніальний спосіб врахувати й такі об’єкти, які з постійною швидкістю рухаються поверхнею без тертя. Тут важливо, що нова фізика Галілея і його колег передбачала цілком нову онтологію, глибокі зміни в наших уявленнях про природу реальності. «Причини» вже не грали центральної ролі. Всесвіту не потрібен поштовх – він здатен рухатися сам.

Важко переоцінити важливість цієї зміни. Звичайно, ми й понині весь час говоримо про причини й наслідки. Однак, якщо відкрити сучасний відповідник арістотелівської «Фізики» – наприклад, підручник із квантової теорії поля, – то там ви не знайдете таких слів. Ми досі, й не без підстав, вживаємо їх ледь не щодня, однак вони більше не частина нашої фундаментальної онтології.

Спостережуване нами – лише прояв багаторівневої природи наших уявлень про реальність. На її найглибшому відомому нині рівні застосовують такі основні поняття, як «простір-час», «квантові поля», «рівняння руху» та «взаємодії». І ніяких причин – ні матеріальних, ні формальних, рушійних чи кінцевих. Але є вищі рівні, де лексика змінюється. Справді, там, де доречно, можна кількісно відновити елементи арістотелівської фізики, як і елементи ньютонівської механіки, де центральне місце посідають тертя і втрати енергії. (Зрештою, чашки кави таки зупиняються.) У такий спосіб можна зрозуміти, чому в повсякденному житті зручно посилатися на причини й наслідки, навіть якщо цих понять немає у фундаментальних рівняннях. Щоб облаштуватися в цьому світі, доводиться розповідати багато різних корисних оповідок про реальність.