Книга, с которой начинается наука физика

«Начала Натуральной Философии» Ньютона составляют незыблемое основание Механики, Теоретической Астрономии и Физики. Лагранж назвал это сочинение «величайшим из произведений человеческого ума, поэтому само собою ясна та польза, которую всякий может извлечь из изучения этого произведения», - так начинает «Предисловие переводчика» к изданию труда Ньютона на русском языке академик А.Н.Крылов - знаменитый механик, математик, теоретик кораблестроения.

К сожалению, в наше время мало кто открывает «Начала» Ньютона и знакомится хотя бы с предисловиями к этой книге. Более того, имеется огромное множеств книг и статей, в которых принципы физики Ньютона объявляются устаревшими, а ему приписываются воззрения, которых он не только не принимал, но против которых решительно возражал, например введение сил, мгновенно действующих на расстоянии.

Нужно сказать, что фальсификация важнейших идей Ньютона началась еще при его жизни - при подготовке второго издания его труда, которой занимался кембриджский профессор Роджер Котс под руководством директора Тринити-колледжа Кембриджа богослова Ричарда Бентли. Поэтому в юбилейной статье лучше не пересказывать известные слова о «Началах», а дать некоторое представление об идеях этой книги.

Над своим великим трудом Ньютон начал работать летом 1684 года. К этому времени он 15 лет был профессором математики Тринити-колледжа и 12 - членом Лондонского королевского общества, куда был избран за изобретение отражательного (зеркального) телескопа. Ньютон также создал метод исчисления бесконечно малых величин и выполнил известные исследования по оптике. Полемика по поводу этих исследований надолго отбила у него желание публиковать новые результаты и втягиваться в дискуссии. Неизвестно, когда и в какой форме увидели бы свет результаты его исследований в области механики, если бы не его друг астроном Эдмунд Галлей.

В августе 1684 года Галлей задал Ньютону вопрос: какой будет траектория движения небесных тел, которые притягиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними? Ньютон не задумываясь ответил: «Эллипс» и добавил, что знает об этом с 1679 года. В ноябре 1684-го он передал рукопись Галлею. Королевское общество получило ее в феврале 1685 года, однако по желанию Ньютона ее не опубликовали.

19 мая 1686 года было принято решение напечатать труд Ньютона на средства Общества, однако незадолго до этого оно издало книгу «История рыб» (авторы Willughly и Ray), которая не пользовалась спросом, и исчерпало свой бюджет. Тогда Галлей решил напечатать «Начала» на свои деньги. Издание труда (в трех книгах) тиражом 300 экземпляров завершили в июле 1687 года.

В поисках метода

Это был первый обобщающий труд по механике. В первой книге Ньютон дал определения основных понятий механики, а также сформулировал ее главные законы. Во второй рассмотрел движение тел в среде. Третья книга содержала теорию движения небесных тел. Книга породила горячие споры, в частности потому, что ее идеи противоречили воззрениям основных в то время философских школ.

В предисловии к первому изданию Ньютон ясно изложил замысел своего труда и сформулировал грандиозную программу исследования природы, которую потом выполняло не одно поколение исследователей. Он писал: «Новейшие авторы, отбросив субстанции и скрытые свойства, стараются подчинить явления природы законам математики... Древние рассматривали механику двояко: как рациональную (умозрительную), развиваемую точными доказательствами, и как практическую. К практической механике относятся все ремесла и производства, именуемые механическими, от которых получила свое название и сама механика... Рациональная механика есть учение о движениях, производимых какими бы то ни было силами, и о силах, требуемых для производства каких бы то ни было движений...

Вся трудность физики, как будет видно, состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим силам объяснить остальные явления. Для этой цели предназначены общие предложения, изложенные в книгах первой и второй. В третьей же книге мы даем пример вышеупомянутого приложения, объясняя систему мира... Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы, рассуждая подобным же образом, ибо многое заставляет меня предполагать, что все эти явления обусловливаются некоторыми силами, с которыми частицы тел, вследствие причин, покуда неизвестных, или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются и удаляются друг от друга. Так как эти силы неизвестны, то до сих пор попытки философов объяснить явления природы и оставались бесплодными. Я надеюсь, однако, что или этому способу рассуждения, или другому, более правильному, изложенные здесь основания доставят некоторое освещение».

Более подробно метод исследований Ньютона изложил Р.Котс в «Предисловии издателя ко второму изданию». Он писал: «Пытавшихся излагать физику можно отнести к трем категориям. Прежде всего, выделяются приписывавшие предметам специальные скрытые качества, от которых неизвестно, каким образом, и должно было происходить, по их мнению, взаимодействие отдельных тел. В этом заключалась сущность схоластических учений, берущих свое начало от Аристотеля и перипатетиков...

Другие... утверждали, что все вещество во Вселенной однородно и что все различие видов, замечаемое в телах, происходит в некоторых простейших и доступных пониманию свойствах частиц, составляющих тела. Они предоставляют себе право допускать какие им вздумается неведомые виды и величины частиц, неопределенные их расположения и движения, а также измышлять различные неощутимые жидкости, свободно проникающие через поры тел и обладающие всемогущею тонкостью и скрытыми движениями...

Остается третья категория - те, кто является последователями экспериментальной философии (экспериментального метода исследования явлений природы). Они также стремятся вывести причины всего сущего из возможно простых начал, но ничего не принимают за начало, как только то, что подтверждается совершающимися явлениями. Они не измышляют гипотез и не вводят их в физику иначе, как в виде предположений, коих справедливость подлежит исследованию. Таким образом, они пользуются двумя методами - аналитическим и синтетическим. Силы природы и простейшие законы их действия они выводят аналитически из каких-либо избранных явлений и затем синтетически получают законы остальных явлений. Вот этот-то самый лучший способ исследования природы и принят преимущественно перед прочими нашим знаменитейшим автором».

Следует подчеркнуть, что метод Ньютона - это не индукция, как утверждали многие философы, а соединение анализа и синтеза, когда на основе изучения явлений высказываются предположения об их причинах (силах), используемые для объяснения других явлений, и только успех этих объяснений дает основания для заключения об истинности предположений.

Непонимание сути метода Ньютона дало основания некоторым философам, начиная с Гегеля, заявить, будто закон всемирного тяготения, по сути, открыт И.Кеплером, поскольку его можно математически вывести из третьего закона Кеплера. Ньютон ответил на это обвинение еще тогда, когда Гегеля не было на свете (отвечая на претензию Гука на открытие закона всемирного тяготения). Поскольку существуют погрешности измерений, никто не докажет, анализируя движение небесных тел, что в законе всемирного тяготения расстояние между небесными телами стоит в степени 2, а не, например, в степени 2,0000006.

Более того, поскольку планеты притягиваются не только к Солнцу, но и друг к другу, точные наблюдения показывают, что движение планет противоречит законам Кеплера. Ньютон же, проанализировав движение Луны, планет, тел у поверхности Земли, путем индукции получил предположение о том, что все тела притягиваются друг к другу силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Положив это предположение в основу теории движения различных небесных тел и получив совпадение результатов расчетов с наблюдениями, Ньютон сделал вывод об истинности закона обратных квадратов.

В своем предисловии Р.Котс делает вывод: «Мир, отличающийся прекраснейшими формами и разнообразием движений, мог произойти не иначе, как только по свободной воле все предопределяющего и всем управляющего божества». Чтобы обосновать этот тезис, он постарался представить тяготение таким изначальным свойством тел, объяснять которое движениями среды (эфира) не нужно. Эти воззрения необоснованно приписывают Ньютону.

В своей книге Ньютон написал: «Я перехожу теперь к изложению учения о движении тел, притягивающихся взаимно, рассматривая центростремительную силу как притяжение, хотя следовало бы, если выражаться физически, именовать ее более правильно напором».

В письме Бентли 25 февраля 1693 года Ньютон писал: «Предполагать, что тяготение является существенным, неразрывным и врожденным свойством материи, так что тело может действовать на другое на любом расстоянии в пустом пространстве, без посредства чего-либо передавая действие и силу, - это, по-моему, такой абсурд, который немыслим ни для кого, умеющего достаточно разбираться в философских предметах. Тяготение должно вызываться агентом, постоянно действующим по определенным законам».

Относительно этого агента в «Началах» говорится: «Теперь следовало бы кое-что добавить о некотором тончайшем эфире, проникающем все сплошные тела и в них содержащемся, коего силою и действиями частицы тел при весьма малых расстояниях взаимно притягиваются, а при соприкосновении сцепляются; наэлектризованные тела действуют на бóльшие расстояния, как отталкивая, так и притягивая близкие малые тела, свет испускается, отражается, преломляется, уклоняется и нагревает тела... Но это не может быть изложено вкратце, к тому же нет и достаточного запаса опытов, коими законы действия этого эфира были бы точно определены и показаны».

Неверным является утверждение, будто Ньютон создал методологии «чистого описания природы», введя понятие силы. На самом деле он подчеркивал, что сила - это временный шаг, математическая фикция, которая упрощает движение вперед в познании природы.

Многие повторяют слова Эрнста Маха по поводу ньютоновского абсолютного пространства и времени: их надо отбросить как чисто абстрактные вещи, которые не могут быть обнаружены на опыте. По такой логике следует отказаться от всех абстракций - чисел, геометрических фигур, общих понятий, которые тоже не обнаруживаются никакими опытами. А еще Мах назвал неправильным ньютоновское определение массы как произведение плотности на объем, не разобравшись, что под плотностью Ньютон понимал количество атомов в единице объема.

Сегодня все чаще можно прочитать о кризисе физики в ХХ - начале XXI вв. На несколько языков переведены книги Джона Хоргана «Конец науки» (1996) и Ли Смолина «Неприятности с физикой» (2006), авторы которых пишут о кризисе физики, однако даже не представляют, в каком направлении искать выход из него. Думается, потому, что не знакомы с подлинными идеями и методом исследования Ньютона, обусловившими прогресс теоретической физики в течение двух веков. Читайте «Математические начала натуральной философии»!