Создание новой картины мира

Отличительной чертой этого периода было экстенсивное исследование, охватывающее всю область природы и созданного человеком, и конструктив­ная теория в тех частях, где могли быть применены математические методы. Не было больше необходимости, как в предыдущий период, сосредоточивать все усилия на ниспровержении физики Аристотеля пли физиологии Галена. Теории Коперника, Галилея и Гарвея признавались новыми «виртуозами» почти единодушно. Однако в отличие от своих предшественников они пытались придать им более глубокий физический и философский смысл. Первой в этой области была система Декарта, подчеркивающая простое протяжение, полное и непрерывное заполнение вселенной тонкой материей, движущейся путем удара от одной частицы к другой. Это была теория о заполненности простран­ства.

Корпускулярная философия. Гассенди

Однако в это время начинала давать о себе знать другая, более старая точка зрения. Нападки на Аристотеля открыли путь Демокриту и его атомистической теории (стр. 107). Внимание научного мира к этой проблеме привлек образованный и проницательный математик и философ, провансаль-

256

Рождение современной науки

ский священник Гассенди (1592—1655). Не будь он по природе таким скром­ным и застенчивым, его современнику Декарту не так-то легко было бы зат­мить его, ибо его влияние на науку было очень велико. Он был известным астрономом—первым, кто наблюдал движение планеты Меркурий, и одним из основателей метеорологии—первым, кто изучал паргелии (ложные солнца) и северное сияние, Гассенди сделал гораздо больше, чем воскрешение старых атомистических теорий в том виде, в каком они были созданы Эпикуром и Лук­рецием; он превратил их в учение, куда вошло все то новое в физике, что было найдено в эпоху Возрождения. Атомы Гассенди представляли собой частицы, обладающие массой и инерцией, и двигались они в пустоте, существование которой доказали последователи Галилея. Данное им определение атомов чуть ли не дословно такое же, как у Ньютона в его «Оптике», изданной пять­десят лет спустя. Гассенди так убедительно обосновал эту точку зрения, что она была принята всеми натурфилософами, не принадлежавшими к числу ревностных приверженцев декартовой заполненности с ее вихрями.

Было очевидно, что корпускулярная гипотеза соответствует математико-механическим наклонностям того времени. Следуя динамике Галилея и Де­карта, было значительно легче разработать теорию движения таких малень­ких, подобных точке, частиц, чем части гомогенного пространства. Благодаря набожности Гассенди атомы были также очищены от их атеистических, раз­рушительных ассоциаций (стр. 108). Он сделал явным то, что подразумевалось новой механикой, приписывая богу не извечное управление материальным миром, а только толчок, который он дал всем атомам в начале времени и кото­рый по воле провидения должен был определить все их будущие движения и сочетания.

Философские инструменты. Оптические стекла

То, что новая наука опиралась на экспериментирование, предполагает применение приборов и, в частности, инструментов, изготовленных специально для этой цели. Тем не менее материальное оснащение учения новой эпохи было попрежнему самым простейшим. Только телескопы должны были иметь большие размеры и стоили очень дорого. Чуть ли не в любом доме можно было устроить элабораторию (или возведенную в этот высокий ранг рабочую ком­нату), где могли разместиться несколько реторт и перегонных кубов, весы, микроскоп и несколько инструментов для анатомирования, один из новых воздушных насосов, термометр и барометр. Все остальное мастерили сами ученые. И с таким оборудованием могли совершаться величайшие открытия во всех отраслях науки. Для удобства изложения, прежде чем перейти к цен­тральному вопросу того времени—механике небесных тел, целесообразно рассмотреть открытия в области оптики, пневматики, химии и физиологии.

Именно практическое и случайное открытие телескопа в начале XVII века вызвало новый интерес к оптике, ибо, поскольку этот инструмент уже суще­ствует, необходимость его усовершенствования привела к поискам объясне­ния того, как он работает. В процессе таких поисков открываются научные принципы, ведущие к созданию других инструментов. Оптика XVII века выросла главным образом из попытки уяснить природу рефракции, на кото­рой был основан телескоп, и устранить дефекты, обнаруженные в нем вскоре после его изобретения.

При разрешении первой проблемы—природы рефракции—оказалось не­обходимым начать с того, на чем за 400 лет до того остановились Альгазеи (стр. 165) и его средневековые последователи—Дитрих фон Оренбург и Вител-лои (стр. 180). Они установили, что прн встрече с более плотной средой лучи отклоняются или преломляются—рефрактируются. Однако этим ученым не удалось найти закона рефракции, и поэтому они не могли вычислить дей­ствие линзы. Голландец Снеллиус (1591—1626) открыл правильный закон преломления, который Декарт присвоил себе и объяснил его движением

Научная революция

частиц света, по необходимости вынужденных перемещаться в преломляющем теле быстрее, чем в воздухе, что было неверным выводом, приведшим позднее к большой путанице. С открытием закона Снеллиуса оптика, повидимому, становилась нераздельной частью геометрии, что должно было бы привести к созданию совершенных телескопов. Однако действующие телескопы оста­вались раздражающе несовершенными. В частности, звезды через телескоп казались окруженными цветными ореолами. Тот факт, что свет, проходя через прозрачные тела, появляется в цветах "радуги, был уже давно известен. Для объяснения радуги ученые средневековья проводили даже многочисленные опыты с призмами, однако они ие пошли дальше установления того факта, что красный цвет преломлялся меньше, а синий больше всех других*-¹*. Декарт, со своей стороны, не смог внести в изучение радуги ничего нового. Решение проблемы цвета предстояло иайти только Ньютону, и именно оно явилось его первым общепризнанным достижением в области физики (о его жизни и деятельности будет сказано ниже, см. стр. 264 и далее, в связи с его рабо­той по изучению тяготения).

«Оптика» Ньютона. Теория цветов

Ньютон первым попытался избежать помехи окрашивания объекта при рассмотрении его через телескоп (явление хроматической аберрации.— Ред.). Он создал первый рефлекторный телескоп (рис. 11), прототип современных гигантов, а также и более позднего прибора—рефлекторного микроскопа. Ие довольствуясь этим, он взялся за решение проблемы цвета, продолжив опыты Декарта над призмой там, где он их оставил. Благодаря блестящему сочетанию экспериментальной техники и логики он смог показать, что цвета создаются не призмой или радугой, а являются компонентами обычного белого света. Изыскания Ньютона ие помогли ему, однако, решить свою первоначаль­ную задачу; по сути дела, он, к своему собственному неудовольствию, смог показать, что устранить рассеивающие или цветообразующие свойства линз невозможно. В этом Ньютон ошибался, но авторитет его задержал практиче­ское усовершенствование телескопов примерно на восемьдесят лет. Шведский математик Клипгемстьерн (1698—1765) был, повидимому, первым, кто доста­точно тщательно повторил опыты Ньютона, чтобы показать его ошибку. Только в 1758 году, услышав о работе Клингенстьерна, оптик Доллонд смог использовать идею комбинации двух видов стекол с различной степенью пре­ломления и рассеивания цветов, создав таким образом ахроматическую линзу, явившуюся основой всех современных оптических приборов.

Свет как частицы или волны. Гюйгенс

Исследуя оптические явления, Ньютон рассматривал не цвета радуги, а другие виды цветов, в частности те, которые порождались отражением от тонких слоев, как, например, от слоя жидкого масла на воде. Именно здесь он нашел первый намек на прерывность или «зернистость» как материи, так и света. Это открытие укрепило в нем убеждение в атомистическом строении материи, к которому он пришел еще раньше благодаря философским склонно­стям и математическому удобству. К сожалению, то же самое убеждение заставило его пойти по стопам Декарта и считать, что свет имеет атомистиче­ское строение, лучи которого представляют собой траектории частиц, отра­жающихся так же, как мяч отскакивает от стены. Другие явления, порождаю­щие цвет, приводили к иному выводу. Гримальди (1618—1663) задолго до Нью­тона изучал цвета, обнаруживаемые по краям теней, в частности по краям узких щелей или волос. Он также обнаружил, что при прохождении вблизи какого-либо предмета лучи света были не абсолютно прямыми, а слегка изо­гнутыми—дифрагированными. Он приписал оба эти явления волновым коле­баниям, подобным хорошо всем знакомой ряби на поверхности воды, или зе\^г-

1 7 Дж Бери ал

258

Рождение современней науки

ковым колебаниям, причем различные цвета имели различную длину волн, подобно музыкальным звукам.

Гюйгенс развил эту идею математически и показал, каким образом вол­новая теория света объясняет как диффракцню, так и цвета тонких пласти­нок. Кроме того, он объяснил, гораздо лучше Ньютона, любопытное свойство исландского шпата (кальцита), который, если смотреть через него, удваивает предметы. Однако и в этом случае победил авторитет Ньютона, и волновая теория света должна была ожидать своей реабилитации более чем сто лет (стр. 321, 341).

Микроскоп. Новый мир малых частиц

Подобно тому как в руках Галилея телескоп обнаружил тайну звезд, так и другое оптическое стекло, микроскоп, в руках ряда наблюдателей XVII сто­летия, таких, как Мальпиги, Гук, Сваммердам (1637—1680) и несравненный голландский суконщик Левснгук (1632—1723), открыло двери в новый мир бесконечно малого⁴-³⁹. Насекомые, части растении, небольшие создания, живущие в воде, даже микроскопические бактерии и сперматозоиды, носящие в себе начало жизни,—все это наблюдалось и становилось предметом удивле­ния, размышления и доказательства. Уточнялась также и анатомия более крупных животных, и созданная Гервеем теория кровообращения получила свое полное подтверждение. Однако если телескоп, будь то навигационный или астрономический, с самого же начала нашел себе практическое приме­нение, то микроскоп был применен только двумя столетиями позднее, и в руках Коха и Пастера он показал всю свою ценность как средство борьбы с бакте­риологическими заболеваниями. Главным образом именно по этой причине проводимые вначале исследования микроскопических тел не привели сразу же к сколько-нибудь серьезному развитию микроскопии или биологии; то, что наблюдалось [в микроскоп], продолжало оставаться скорее занимательным и поучительным, в философском смысле слова, чем научно или практически ценным.

Пустота и барометр

Развитие пневматики, значительно превзошедшее достижения древних греков (стр. 124), явилось первым крупным шагом вперед в области физики, который должен был привести к последствиям, важным скорее для промышлен­ности, чем для астрономии и мореплавания. Решающее открытие, обусловившее эти успехи—фактическое получение пустоты, было само по себе непосред­ственным результатом развития практической гидравлики. До этого времени вопрос о существовании пустоты являлся философским вопросом, который должен был решаться путем умозрительной аргументации (стр. 107); начиная с 1643 года он становится делом практического доказательства. Галилеи в последние годы своей жизни много думал над тем, почему невозможно под­нять воду с помощью обычных поршневых насосов более чем на тридцать два фута. Этот факт, давно известный шахтерам и строителям колодцев, не привлекал к себе до тех пор внимания образованных людей. Галилей припи­сывал его неспособности столба воды выдерживать собственный вес, хотя он не мог найти удовлетворительного объяснения того, почему, будучи разор­ван, столб воды не падает прямо вниз, а приписывал это явление ограничен­ной horror vacui (боязнь пустоты.— Ред.).

Только через год после смерти Галилея его ученику, Торричелли (1608— 1647), пришла в голову остроумная мысль использовать вместо воды ртуть; это дало ему возможность работать со столбом жидкости небольшой высоты, поскольку ртуть в опрокинутой трубке поднималась не выше чем на тридцать дюймов, показывая таким образом давление, равное тому, какое производил столб воды весом в пятнадцать фунтов на один квадратный дюйм. Торри­челли имел интеллектуальную смелость реально объяснить это явление

Научная революция

давлением воздуха, поддерживающего столб ртути, так что прибор этот стал барометром —средством измерения атмосферного давления. Простран* ство над столбиком ртути было настоящей пустотой, которой, как предпола­галось, природа не терпит. По сути дела, как мы видели (стр. 119), еще Ари­стотель доказал невозможность существования пустоты, поскольку насиль­ственное движение невозможно без воздуха, открывающегося впереди и смы­кающегося сзади. Открытие пустоты нанесло аристотелевской механике последний, роковой удар, несмотря на все попытки отрицать или как-то оправ­дать это открытие. Однако объяснение Торричелли было вскоре подтверждено опытом Паскаля (1623—1662), который поднялся с барометром на вершину горы и отметил падение давления.

Воздушный насос фон Герике

Дальнейший шаг вперед в этой области сделан замечательной личностью, предшественником высокоодаренных ученых наших дней Отто фен Герике (1602—1686), мэром Магдебурга и экс-квартирмейстером Густава Адольфа, человеком со значительными средствами и большой предприимчивостью. Фон Герике ставил все на широкую ногу; он израсходовал на свои опыты 4000 фун­тов стерлингов—сумму по тому времени астрономическую. Он первым попы­тался получить пустоту прямым способом—выкачивая воду из закупоренной бочки. Бочка была раздавлена, поэтому он сделал более прочный сосуд из латуни. Позднее он изобрел воздушный насос, с помощью которого ему удалось полу­чать пустоту в больших сосудах. Один из них он использовал для знамени­того опыта, проведенного им в присутствии императора и его двора, когда для того, чтобы оторвать друг от друга два полусферических сосуда, потребо­валась упряжка в шестнадцать лошадей с каждой стороны. Магдебургские полушария явились нагляднейшим доказательством материальной истинности новой науки. Однако значение этого опыта было еще более далеко идущим: он показал людям, что пустота под давлением воздуха имела огромную силу и что нужна была только творческая мысль, чтобы заставить ее служить на благо человека. Сам фон Герике думал о передаче энергии по эвакуированным трубкам; идея эта нашла впоследствии свое развитие в воздушных тормозах, используемых на железных дорогах.

Насос фон Герике был значительно усовершенствован Бойлем или, что более вероятно, Гуком, работавшим тогда у него. С помощью этого насоса Бойль продемонстрировал много новых и странных явлений. Он показал, например, что звук не может передаваться без воздуха, но что на свет и магне­тизм отсутствие воздуха такого влияния не оказывает. Бойль открыл также то, чего можно было ожидать, но что, тем не менее, не удавалось продемон­стрировать—невозможность как жизни, так и горения в пустоте, создав тем самым первые предпосылки для великой химической и физиологической рево­люции следующего столетия.

Использование воздушного насоса, в частности то усилие, которое было необходимо затрачивать на накачивание, побудило Бойля изучать поведение воздуха, как сжатого, так и разреженного. Таким образом, он открыл первый научный закон, выходивший за пределы законов элементарной механики, то, что он назвал «упругостью воздуха», закон, ныне известный нам как закон Бойля, а именно, что произведение давления на объем данной массы воздуха есть величина постоянная, или, как было найдено позднее, прямо пропор­ционально степени нагрева.

Идея использования вновь открытых сил природы для удовлетворения потребностей человека никак не умирала, и она неизбежно должна была появиться и в эпоху научной предприимчивости, какой был XVII век, когда все сильнее ощущалась нужда в материальной силе для откачки воды из шахт н вращения колес расцветающей промышленности. Одним из видов такой силы, совершенно очевидно, был огонь, особенно с тех пор, как изобретение

17*

260

Рождение современной науки

пушки показало всю его мощь. Одной из первых материальных идей была мысль о создании двигателя внутреннего сгорания, использующего порох вместо применяемого нами сейчас бензина. Затем изобретатели обратились к способности пара расширяться. Эти непосредственные методы были неизбеж­но обречены на провал не потому, чтобы они были ошибочны по своему суще­ству, но по той причине, что техника того времени не могла обеспечить созда­ние достаточно прочных сосудов для работы с давлениями подобной величины. Ассистенту Гюйгенса Дени Папену (1647 —1712), позднее работавшему в течение некоторого времени с Бойлем, удалось создать автоклав, в котором он разваривал кости до жидкого состояния, но его котел, основанный на исполь­зовании давления пара, нашел себе применение только в наши дни. Он также сделал первые практические шаги к созданию паровой машины. Как будет показано в следующей главе, открытие пустоты должно было проложить путь к использованию энергии пара.

Ложная заря рациональной химии

Открытие пустоты дало тот первый ключ, который мог бы привести к раз­витию рациональной химии уже в XVII веке, а не столетием позже. Вакуум­ный насос показал, насколько воздух был необходим как для горения, так и для дыхания, и сосредоточил внимание ученых на родственных между собой проблемах пламени и жизни. Бойлю, Гуку и Мэйо, исходившим в поисках решения этих проблем из догадки, высказанной Парацельсом, удалось близко подойти к доказательству того факта, что воздух содержит нечто существенно необходимое для горения и придающее артериальной крови ее красный цвет. Бойль говорил об этом как «о маленькой жизненной квинтэссенции (если мож­но так ее назвать), служащей для освежения крови и восстановления наших жизненных духов». Мэйо называл его «селитряным воздушным спиртом», связывая таким образом с порохом то, что должно было стать впоследствии кислородом Лавуазье. Однако дальше этого они не смогли пойти по двум основ­ным причинам: вследствие отсутствия надлежащей научной теории и несовер­шенства технических приборов и материалов.

Химия никогда не входила в классический канон, и элементы Аристоте­ля—земля, вода, воздух и огонь—всегда имели скорее метеорологический и физический, чем химический аспект (стр. 103). Однако арабская и средне­вековая химия, или скорее алхимия, тесно переплеталась с астрологией, связывавшей металлы с планетами. Крушение картины мира Аристотеля и Платона означало, что без своих воздушных н планетных влияний химия, как указывал в «Химике-скептике» Бойль, оказалась лишенной всяких разум­ных оснований. Не лучше обстояло дело и со «спагирической» химией ара­бов-Пар аце л ьса, основанной на трех началах—ртути, сере и соли (стр. 218). Эти начала были слишком туманными и изменчивыми, чтобы их можно было приспособить к корпускулярной философии, которая специально предназна­чалась для того, чтобы исключить «тайные силыъ. Самому Бойлю удалось дать хотя и негативнее, но точное определение понятия элемента:

«Ни одно тело, которое не является совершенно однородным, а может быть дальше разложено на любое число отдельных субстанций, как бы малы они ни были... не представляет собой подлинного начала или элемента».

К несчастью, технология химии не позволяла определить, исключая неко­торые металлы, действительно ли данное вещество является элементом или нет; и критерий Бойля оставался неприменимым в течение еще сотни лет. Он сам признал это обстоятельство в своем очерке «Безуспешность экспери­ментов».

Ньютон, занимавшийся химией гораздо дольше, чем физикой, не пошел в своей практике дальше этого. В области теории, как показал Вавилов⁴-^85;4-¹⁰⁸, он разработал модель атома, состоящего из корпускул, находящихся внутри более крупных агрегатов, последовательнее и теснее сцепленных друг с другом.

Научная революция

Это было изумительное и совершенно логическое предвосхищение современ­ного атома с его электронами и ядрами, однако о нем не вспоминали в течение почти 300 лет. В XVII веке химия не достигла еще такого состояния, когда было бы возможным применение корпускулярного анализа. Для этого ей необходимо было упорно накапливать новые, добытые опытным путем факты, что должно было осуществиться в следующем столетии. В отличие от физики, химия требует многократного экспериментирования и не содержит самооче­видных начал. Без таких начал она должна оставаться «оккультной» наукой, зависящей от реальных, но необъяснимых тайн.

До тех пор пока химия обращалась с одними и теми же материалами, которые были известны еще древним, она имела тенденцию стать стереотип­ной. Но после XV века химический мир быстро расширялся. Случайно полу­чали новые вещества с замечательными свойствами, такие, как, например, фосфор; в странах Старого н Нового Света открывали новые металлы, как, например, висмут и платину. Для того чтобы объяснить их свойства, необхо­димы были новые теории, постоянно проверявшиеся новой практикой. В пер­вое время эти теории были по необходимости качественными и туманными. но они образовали существенную основу для более точных теорий. Потреб­ности все более специализировавшихся ремесел и промышленности вызывали постоянную нужду в определенных химикалиях—селитре, квасцах, железном купоросе (сульфате железа), купоросном масле (серной кислоте), соде, что породило химическую промышленность, из опыта и проблем которой должна была вырасти рациональная химия позднейших времен.

Биология XV11 века

Объяснить мир живых вещей, неизмеримо более сложный, было, конечно, значительно труднее, чем мир химических преобразований. Поэтому не удиви­тельно, что новая механическая, корпускулярная философия, несмотря на ее претензии, приносила мало реальной пользы. Санторио (1561—1636) взве­шивал себя на весах во время еды и сна, но не мог объяснить наблюдавшихся им при этом изменений. Представление Декарта о животном-машине и человеке-машине, отличавшихся друг от друга только наличием у последнего особого приспособления в виде разумной души, управляющей им через шишковидную железу, мало сделало для того, чтобы продвинуть вперед физиологию. Борел-ли (1608—3678) еще продолжил эту аналогию, создав механистическую тео­рию объяснения движения конечностей людей и животных. Гидравлика была хороша для сердца и крови, однако оказалась бесполезной для мозга и нерв­ной жидкости,

В чем XVII век действительно сделал решающий шаг вперед, так это в обла­сти наблюдения, в особенности в использовании микроскопа (стр. 258), который впервые показал человеку, что сперматозоиды—источник зарождения жизни. Более непосредственное и серьезное значение имела, однако, работа Неемии Грю (1641—1712), заложившего основы физиологии растений, и Джона Рэя (1627—1705), сына кузнеца, сделавшего первые шаги для научной классифи­кации растений и, с меньшим успехом, животных.

Исследования в области биологии, проводившиеся в конце XVII века, практически непосредственной роли в развитии земледелия не сыграли. Происходившие здесь изменения, а они были велики, особенно в области садо­водства, были результатом весьма тщательного м медленного усовершенство­вания традиционной практики при исключительно благоприятных экономи­ческих условиях. Именно во Фландрии и Голландии можно было найти зажи­точных людей, которые имели возможность и охотно были готовы вложить в свои фермы капитал, в форме орудий и удобрений, и которые могли быть вто же время уверены в наличии широкого и постоянно растущего рынка для улучшающейся продукции. Голландия была питомником новых методов

262

Рождение современной науки

в сельском хозяйстве, откуда благодаря трудам любителей-энтузиастов, вроде Джона Эвелина (1620—1706), они были впоследствии перенесены в Англию. Метод непосредственного наблюдения и опыта должен был быстрее при­нести свои плоды в области медицины, хотя прогресс был здесь досадно мед­ленным. Представление о медицине как о науке, которая должна была раз­виваться благодаря изучению пациентов, а не как о теории» которую следовало применять к ним, хотя оно и восходило еще к Гиппократу, было, однако, почти совсем забыто. В данный период идея эта была воскрешена такими вра­чами, как, например, Сиденхмап (1624—1689), который, будучи выдающимся клиницистом, одновременно сохранил контакт со всей наукой своего времени в целом.

7.9. НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА. СИНТЕЗ НЬЮТОНА

Хотя все эти достижения свидетельствуют о значительном расцвете науч­ной деятельности во многих областях, основным вопросом и величайшим науч­ным 7риумфом XVII столетня, несомненно, явилось завершение общей си­стемы механики, способной объяснить движение звезд в рамках наблюдаемого поведения материи иа земле. Здесь современники фактически раз и навсегда сводили свои счеты с древними греками. Как древние греки, так и люди XVII ве­ка придерживались одного мнения о важности изучения небес. Однако по­скольку интерес к этому вопросу со стороны последних носил скорее практи­ческий, чем философский характер, они нуждались в ответе совершенно иного порядка. Поисками такого полного и удовлетворительного по форме ответа занимался ряд математиков и-астрономов, в том числе почти все выдающиеся имена в науке того периода—Галилей, Кеплер, Декарт, Борелли, Гук, Гюй­генс, Галлей, Рен,—но все должно было привести к ясному объединению механики в «De Philosophiae natural is Principia Mathematical («Математи­ческие начала натуральной философии».'— Перев.) Ньютона, где он изложил и обосновал свою теорию всемирного тяготения.

Интерес к самим проблемам движения солнечной системы был попреж-иему очень велик, хотя фактически с разрушением космологии древних его философское и теологическое значение исчезло. Суд над Галилеем, несом­ненно, носил характер бесполезного прощального выстрела клерикального аристотелизма. Однако новое сооружение, которое должно было занять его место, было бы незавершенным, если бы не удалось найти приемлемого физи­ческого объяснения системы Коперника и Кеплера. Это было одной из причин того, что почти каждый натурфилософ занимался размышлениями, экспери­ментами и вычислениями с целью найти это объяснение. Некоторые из них, в частности Гук, подошли к нему очень близко, пока, наконец, успех Ньютона не сделал дальнейшие поиски ненужными.

Определение долготы

Астрономы имели и другую, даже еще более настоятельную причину поисков законов движения солнечной системы. Этой причиной была потреб­ность в значительно более точных астрономических таблицах, чем те, которые были достаточно хороши тогда, когда астрономия была нужна главным обра­зом для астрологических предсказаний. Требования мореплавания стали значительно более суровыми. Определение положения судна в море, и в част­ности наиболее трудно определимой части этого положения—долготы, пред­ставляло насущную проблему. Она становилась все более и более настоятель­ной по мере того, как различные страны, и особенно те страны, которые сами представляли собой центры научного прогресса, такие, как Англия, Франция и Голландия, вкладывали в заморские предприятия все большую долю эко­номических и военных усилий. Определение долготы было вопросом, кото­рому суждено было интересовать как ученых астрономов, так и моряков-

Научная революция

практиков в течение многих десятилетий и даже веков. Именно с целью ока­зать помощь в решении этой практической проблемы и были созданы первыефинансируемые государством научные учреждения—Королевская обсерва­тория в Париже в 1672 году и Королевская обсерватория в Гринвиче в 1675 году.Задача определения долготы является по своей сущности задачей опре­деления абсолютного времени, или, как мы сказали бы сейчас, гринвичского времени, в любом месте. При сравнении с местным временем это время дает интервал времени, который можно непосредственно перевести в долготу. В любом месте имеется, или до изобретения радио имелись, только два метода определения времени по Гринвичу: один—с помощью наблюдения движений Луны среди звезд,—часы, уже закрепленные на небе; другой—с помощью точных часов, всегда находящихся при себе и первоначально поставленных по этому времени. Первый метод требовал исключительно точных таблиц для предсказания положения небесных тел, второй—абсолютна надежных часовых механизмов. На протяжении всего XVII и значительной части XVIII веков работа велась по двум этим линиям, но ни по одной из них не было достигнуто решающего успеха. Здесь был непосредственный стимул для мысли, наблюдения и эксперимента в обоих направлениях, стимул отчасти просто материального порядка, но также и вопрос национального и личного престижа.

Хронометр

На первый взгляд оба эти метода были совершенно различны: один отно­сился к движению некиих регулирующих механизмов, другой—к движению сфер в пустом пространстве; однако по мере их изучения было обнаружено, что оба имеют одну общую основу— в динамике. Еще Галилей обнаружил, что идеальным регулятором, отбивающим постоянное время, является pen­dulum (маятник.— Перев.). Гук внес существенный практический вклад в это открытие, заменив маятник Галилея круговым пружинным маятником, на который движение судна не оказывало никакого влияния. В обоих слу­чаях точный отсчет времени зависел от знания законов колебательного движения тел, и именно эту проблему решил Гюйгенс, заложивший основы первого хронометра, как они изложены в его книге «De Horologium Oscilla torium» (1673)*. Однако должно было пройти еще много времени, прежде чем эти принципы нашли себе эффективное применение на практике благодаря усовершенствованию мастерства часовщиков; и в 1765 году хронометр Гарри-сона мог, наконец, завоевать премию, назначенную Адмиралтейством за созда­ние метода определения долготы.

Движение планет. Теория тяготения

И тем не менее именно чисто астрономический подход к этой проблеме, хотя с его помощью и не удалось дать практического ее решения, должен был оказаться значительно более ценным для науки будущего. Это объясня­лось тем стимулом, который давал такой подход для поисков математического и динамического решений проблемы движения планет. Многие люди задумы­вались над тем, почему планеты движутся вокруг Солнца по орбитам, которые, как это впервые показал Кеплер, представляют собой эллипсы; они даже догадывались, что их, быть может, удерживает в этих орбитах какая-то сила притяжзния. Фактически идея притяжения получила общее признание с тех пор, как Гильбгрт занялся изучением магнита (стр. 237), и даже еще ранее. Магнит показал возможность притяжения на расстоянии, и сам Гильберт вы юинул предположэние, что имамно магнетизм мог быть тем, что удерживало планэты в их положении и действительно обусловливало их движение по своим орбитам.

* «М-штниконые часы». Здесь приводится дата И издания зтой книги.— Перев.

264

Рождение современной науки.

Бореллн выдвинул в 1666 году важную мысль о том, что движение планет предполагало наличие необходимости уравновесить центробежную силу— вроде той, которая действует на камень, привязанный к веревке во время его вращения,—какой-то другой силой; эту силу он охарактеризовал как силу тяготения, действие которой выходит за пределы непосредственной близости Земли к Луне и Солнца к планетам. Для объяснения эллиптической формы орбит, учитывая, что по мере приближения к Солнцу планета движется все быстрее, с;;ла тяготения должна возрастать, чтобы уравновесить возросшую центробежную силу. Поэтому сила тяготения является какой-то функцией энергии, действующей на расстоянии. Теперь вставал вопрос: какой функцией? Гук уже предположил, что с расстоянием тяготение уменьшалось, и пытался найти подтверждение этой мысли в тщетных поисках каких-либо изменений в весе тела при нахождении его на земле, в колодце шахты и на самом верху колокольни.

Преобладающей теорией тяготения продолжала оставаться теория Декар­та, а именно, что тяжелые тела, говоря словами Ньютона, который до 1679 года придерживался этой теории, притягивались к своим центрам притяжения «каким-то тайным источником необщительности их вихревых эфиров»⁴*"⁹. Дело не могло сдвинуться с места до тех пор, пока эти общие идеи не были сведены к математической формуле и проверены наблюдениями. Пер­вый шаг в этом направлении предстояло сделать в 1673 году Гюйгенсу, когда в связи со своей работой над часами с маятником он вывел закон о центробеж­ной силе, показав, что она прямо пропорциональна радиусу [круга, по кото­рому движется тело! и обратно пропорциональна квадрату скорости [дви­жущегося тела]. По третьему же закону Кеплера квадрат периода прямо про­порционален кубу радиуса, а отсюда следует, что для уравновешивания центробежной силы гравитационное тяготение или центростремительная сила должны зависеть от радиуса, деленного на его куб, то есть от обратного квад­рата радиуса. Гук, Галлей и Рен пришли к этому заключению в 1679 году. Оставалось решить две проблемы: объяснить эллиптическую форму орбит и образ действия больших притягивающихся тел. Гук написал Ньютону, изла­гая ему эти проблемы, но не получил ответа, а в 1684 году Галлей предложил премию за их решение» Было совершенно ясно, что решение это было не за горами, и хотя много людей подготовили для него почву, но только один из них имел математическую способность найти его и сделать вытекающие из него революционные выводы.

Исаак Ньютон

Этим человеком был Исаак Ньютон, один из представителей младшего поколения членов Королевского научного общества (Ньютон родился в 1642 году, в год смерти Галилея), но уже широко известный своими иссле­дованиями в области математики и оптики Он происходил из нового класса средней сельской буржуазии, уже давшей Кромвеля и парламентских чинов­ников. Родился он вскоре после смерти своего отца, мелкого фермера из Лин­кольншира, с достаточно хорошими связями, чтобы сын его мог попасть в Кембридж, где за время своей учебы он ничем особенно не отличался. В 1663 году Ньютон познакомился с просвещенным и много путешествовав­шим новым профессором математики в колледже св. Луки Исааком Бар­роу (1630—1677), который оценил его способности и в 1669 году добился наз­начения Ньютона, которому было в то время 26 лет, на свою кафедру, хотя до этого времени тот еще ничего не опубликовал и не привлек к себе особого внимания. Ньютон оставался в Кембридже до тех пор, пока в 1696 году, в зените своей славы, не был назначен смотрителем, а позднее—директором Королевского монетного двора с жалованьем в 400 ф. ст. в год—пест, кото­рый, по мнению многих, ему очень повезло получить и обязанности по кото­рому он выполнял добросовестно.

Научная революция

В Кембридже Ньютон работал над оптикой, многими другими отраслями физики, над химией, библейской хронологией и теологией еретического, арианского типа. Он. повидимому, не оказал сколько-нибудь серьезного влияния на университет и так и не создал своей школы. Именно здесь он под­пал под влияние глубоко религиозной группы платоников во главе с Генри Муром, и через них в его философию, а следовательно, и в науку того времени проникли элементы платонизма⁴-²⁸. Вообще он сообразовался со взглядами своего класса, представлял Кембриджский-университет в парламенте и под­держивал компромиссную политику вигов. Это способствовало тому, что таящиеся в его идеях революционные возможности обнаружились лишь после, а вначале они выглядели вполне благонамеренными. В личной жизни Ньютон представлял собой чрезвычайно странную фигуру, был очень необщителен, склонен к уединению и даже скрытен. Он так и не женился и не хотел дать согласия на посвящение в духовный сан ввиду имевшихся у него сомнений насчет троицы. Ньютон знал достаточно для того, чтобы стать весьма само­критичным; однако это заставляло его быть тем более чувствительным к кри­тике со стороны других людей.

Ньютон сравнительно поздно публично включился в дискуссии о тяго­тении. Весьма возможно, что он совсем неплохо рассмотрел этот вопрос, когда в 1665 году, будучи дипломником, был вынужден в связи с чумой уехать к себе домой в Вульсторв, и, вероятно, случай с яблоком действительно имел место. Однако либо у него существовали какие-то сомнения на этот счет, либо он не считал вопрос достаточно важным, но он так ничего и не опубликовал на эту тему и в течение двадцати лет занимался другими вопросами. Его более поздние работы показывают, что он был способен строить множество несов­местимых друг с другом гипотез, прежде чем останавливался на одной, и, как показывает его картезианская теория 1679 года (стр. 264), быть может, то же самое произошло и на этот раз. Во всяком случае, то, что он думал в 1565 году, не могло оказать влияния на ход развития науки, и закон обратного квадрата был, несомненно, открыт некоторыми другими учеными раньше, чем он его опубликовал.

И тем не менее вклад Ньютона в науку имел решающее значение. Он состоял в открытии математического метода обращения физических законов в количественно измеримые результаты, которые могли быть подтверждены наблюдениями, и, наоборот, в выводе физических законов на основе таких наблюдений. Выражаясь его собственными словами из предисловия к «Нача­лам...»;

«...сочинение это нами предлагается как математические основания физики. Вся трудность физики, как будет видно, состоит в том, чтобы по явле­ниям движения распознать силы природы, а затем по этим силам объяснить остальные явления... 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, пока 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».

Исчисление бесконечно малых

Средство, с помощью которого Ньютон это осуществил, было исчисление бесконечно малых, или, как он называл его, метод диф4еренциального исчис­ления (равномерного течения непрерывной функции). Это знаменовало куль­минационный пункт труда многих поколений математиков, восходивших

266

Рождение современной науки

к Архимеду и Евдоксу и еще далее—к их вавилонским предшественникам (стр. 109). В XVII столетии метод этот благодаря работе Ферма и Декарта быстро развивался. К той форме, которую мы знаем, он был приведен Лейб­ницем (1646—1716) (стр. 287). Является ли это заслугой Ньютона или Лейб­ница? Вопрос этот, в свое время служивший предметом ожесточенных споров, не имеет с точки зрения прогресса науки особого значения. Важен тот факт, что Ньютон применил свой метод математического анализа для разрешения жизненно важных проблем физики и научил его применению других.

С помощью этого метода удается определить положение тела в любое данное время, зная отношения между этим положением и скоростью тела или величину ускорения в любое другое время. Иными словами, стоит только познать закон силы, как можно вычислить траекторию. Взятый в обратном отношении, открытый Ньютоном закон силы тяготения непосредственно выте­кает из закона движения Кеплера. С точки зрения математики они предста­вляют собой два различных способа выразить одну и ту же мысль; но в то время как законы движения планет кажутся абстрактными, представление о планете, удерживаемой в ее орбите мощным притяжением, является вполне доступным уму даже в том случае, если сама сила тяготения продолжает оставаться полной тайной.

Математический анализ, как его развил Ньютон, мог быть использован и фактически использовался им для решения множества разнообразных меха­нических и гидродинамических проблем. Он сразу же стал математическим средством понимания всех проблем переменных величин и движения, а отсюда и всех вопросов механической техники и продолжал оставаться почти един­ственным таким средством чуть ли не вплоть до настоящего века, да и то далеко не первых его лет. Во вполне реальном смысле оно явилось таким же инстру­ментом новой науки, каким был в свое время телескоп.

«Начала...»

Галлею потребовалось, повидимому, использовать всю силу убеждения, на которую он был способен, чтобы заставить Ньютона в течение двух лет, с 1685 по 1635 год, воплотить найденное им решение проблемы движения пла­нет в его труде «Philosophiae Naturalis Princtpia Mathematica». Труд этот был опубликован для Королевского общества, и на нем стоит штамп президента этого Общества, каковым был, как это ни удивительно, Самюэль Пепис; но общество не имело средств, и Галлей был вынужден уплатить за издание этой книги из собственного кармана. По убедительности аргументации, подкреп­ленной физическими доказательствами, книга эта не имеет себе равных во всей истории науки. В математическом отношении ее можно сравнить только с «Элементами» Эвклида, а по глубине физического анализа и влиянию на идеи того времени—только с «Происхождением видов» Дарвина. Она сразу же стала библией новой науки, не столько как благоговейно чтимый источник догмы, хотя известная опасность этого и существовала, особенно в Англии, сколько как источник дальнейшего расширения изложенных в ней методов.

В своих «Началах...» Ньюгон не только установил законы движения планет. Его главной целью, несомненно, было наглядно показать, каким образом всемирное тяготение может поддерживать систему мира. Однако Ныогон хотел сделать это не старым философским путем, а с помощью новой, количественной физики. При этом он должен был выполнить еще две другие задачи: прежде всего разрушить прежние философские концепции, старые и новые, и, во-вторых, утвердить свою собственную концепцию не только как истинную, но и как самый точный способ объяснения явлений.

Значительную часть «Начал...» составляет тщательное, количественное опровержение самой популярной системы того времени, с которой Ньютон и сам в свое время заигрывал, а именно системы Декарта с ее комплексом вихрей, в которых держалась каждая планета. Эго была гениально интуитив-

Ийцмийя революция

вая идея» однако идея, совершенно неспособная, как показал Ньютон, дать точные количественные результаты. В ходе этого доказательства он пришел к созданию науки гидродинамики, рассматривая и уточняя идеи внутрен­него трения и сопротивления воздуха и, по сути дела, закладывая основу для механики жидких тел, которой предстояло занять подобающее ей место только в эпоху появления самолетов.

Хотя для получения своих результатов Ньютон н использовал исчисле­ние бесконечно малых, однако он нашел' целесообразным изложить свои 1Начала...» в форме классической греческой геометрии, понятной для других математиков и астрономов. Непосредственным практическим следствием опу­бликования этой книги явилось создание новой системы исчисления» дающей возможность определять положение Луны и планет на основе минимума наблюдений более точно, чем могли это сделать предшественники Ньютона путем эмпирического удлинения бесконечных рядов. Так, например, для того, чтобы установить положение небесного тела на бесконечное время вперед, было достаточно трех наблюдении.

Доказательство этому было дано вскоре после смерти Ньютона его дру­гом Галлеем на примере его знаменитой кометы, возвращение которой он пра­вильно предсказал на основе теорий Ньютона. Как результат применения этих теорий навигационные таблицы стали значительно более точными. К несчастью, небесным телом, наиболее подходящим для наблюдения с целью определения долготы, является Луна, а движение Луны, безусловно, самое сложное во всей солнечной системе. Оно так никогда и не было сведено в дос­таточно точные формулы для того, чтобы служить надежным путеводителем для моряков, и премию, или хотя бы ту ее часть, с которой им удалось убедить Адмиралтейство расстаться, в конце концов перехватили у механистически настроенных астрономов склонные заниматься наукой часовщики.

Ньютон приходит на смену Аристотелю. Динамическая вселенная против статической

Созданная Ньютоном теория тяготения и его вклад в астрономию знаме­нуют последний этап преобразования аристотелевской картины мира, нача­того Коперником, Ибо представление о сферах, управляемых перводвигате-лем или ангелами по приказу бога, Ньютон успешно заменил представлением о механизме, действующем на основании простого естественного закона, кото­рый не требует постоянного применения силы и нуждается в божественном вмешательстве только для своего создания и приведения в движение.

Сам Ньютон был ие совсем в этом уверен и оставил лазейку для боже­ственного вмешательства, чтобы сохранить стабильность этой системы. Однако данную лазейку закрыл Лаплас (стр. 286), н с божественным вмешательством было покончено. В своем решении, содержащем все величины, необходимые для практического определения положения Луны и планет, Ньютон воздер­живается от прямого ответа на вопрос о наличии божественного промысла. По сути дела, он считал, что открыл этот промысел, и не хотел дальше вда­ваться в этот вопрос.

Ньютон отказался от щекотливого предположения, сделанного им в отно­шении существования абсолютного движения, заявив вслед за своими друзья­ми-платониками, что пространство представляет собой сексориум — созна­ние или мозг—бога и поэтому должно быть абсолютным. Таким путем он избе­жал опасности запутаться в релятивистских теориях. Его собственная теория не давала объяснения, почему все планеты находятся примерно в одной пло­скости и обращаются одинаковым образом, что легко объясняла вихревая тео­рия Декарта. Ньютон тщательно маскировал свое незнание происхождения этого явления, постулируя, что такова была воля бога при начале мироздания.

К этому времени разрушительная фаза Возрождения и Реформации уже закончилась; новы^ компромисс между религией и наукой был столь же

268

Рождение современной науки

необходим, как и компромисс между монархией и республикой, а также между крупной буржуазией и дворянством. Ньютонова система вселенной действительно представляла собой значительную уступку со стороны рели­гиозной ортодоксальности, ибо в ней уже нельзя было столь ясно видеть руку божью в каждом небесном и земном явлении, а только в общем созда­нии и организации всего целого. Фактически бог, как и его помазанники на земле, превратился в конституционного монарха. Со своей стороны ученые обязались не нарушать границ собственно сферы действия религии—мира человеческой жизни с ее чаяниями н обязанностями. Этот компромисс, мудро предложенный епископом Спратом и проповедовавшийся грозным д-ром Бент-ли в его бонлевскнх проповедях 1692 года, оставался в силе до тех пор, пока в XIX столетни не был опрокинут Дарвином.

Хотя система всемирного тяготения казалась в то время, и продолжает оставаться сейчас, величайшей работой Ньютона, его влияние на науку и за ее пределами было даже еще более действенным благодаря тем методам, кото­рыми он пользовался для достижения своих результатов. Его исчисление бес­конечно малых дало универсальный способ перехода от определения изме­нений величии к определению самих величии, и наоборот. Ньютон дал мате­матический ключ, который был пригоден для решения физических проблем еще в течение 200 лет. Изложением своих законов движения, связывавших силу не с самим движением, но с изменением движения, он окончательно пор­вал со старым традиционным взглядом, утверждавшим, что для поддержания движения нужна сила, и отвел трению, делающему применение такой силы необходимым во всех действующих механизмах, лишь второстепенную роль, устранение которой было делом каждого хорошего инженера. Одним словом, Ньютон раз и навсегда установил динамический взгляд на вселенную вместо удовлетворявшего древних статического. Это преобразование, в соединении с его атомизмом, показало, что взгляды Ньютона, чего он сам не сознавал, полностью соответствовали экономическим и социальным условиям его вре­мени, когда индивидуальная инициатива, где каждый отвечает сам за себя, заменяла окостеневший иерархический порядок позднего классического и феодального периода, при котором каждый человек знал свое место.

Совершенно независимо от этих действительных достижений работа Ньютона, сама являвшаяся венцом достижений века эксперимента и вычисле­ния, создала надежный метод, который мог быть с успехом использован учеными последующих времен. В то же время она еще раз убедила как ученых, так и людей, не принадлежавших к миру науки, что вселенная управляется про­стыми математическими законами. Так, например, законы электричества и магнетизма, как мы увидим ниже (стр. 337), были построены по образцу законов Ньютона, а атомистическая теория химии явилась непосредственным продуктом его атомистических выводов.