Критика основ ньютоновской динамики

Если математики критиковали Евклида, то физикам пришлось критиковать Ньютона. Им пришлось заняться не только критикой действительного неясного понятия силы, но и критикой самой концепции абсолютного пространства и времени Ньютона.

В 1870 г. немецкий математик Карл Нейман, сын известного физика Фр. Неймана, написал книгу "Принципы теории Галилея-Ньютона". В ней он со всей ясностью выдвинул идею системы отсчета, в которой справедливы законы механики Ньютона. Эта система, которая нынче называется "инерциальной" системой отсчета, Нейманом названа "системой альфа". В 1883 г. вышло первое издание книги "Механика" известного физика и философа Эрнста Маха, бывшего в это время профессором Пражского университета. Эта книга носила подзаголовок "Историко-критический очерк ее (механики) развития" и представляла философскую историю развития принципов механики. Эта книга от начала до конца проникнута махистской философией "экономного описания". Весьма удивительно, что Маху, человеку, даже занимающемуся историей науки, не бросилась в глаза действительная историческая тенденция развития науки: приближение к все более точному отражению реальных взаимосвязей природы и он заменил ее фиктивной тенденцией "экономного описания".

Однако в ряде мест своей механики Мах дает острую и в целом правильную критику догм, укоренившихся в науке. Критикуя концепцию абсолютного времени Ньютона как метафизическую, Мах указывает, что "время есть абстракция, к которой мы приходим через посредство изменения вещей".

"Абсолютное время,- пишет Мах,- не может быть измерено никаким движением и поэтому не имеет никакого, ни практического, ни научного, значения, никто не вправе сказать, что он что-нибудь о таком времени знает, это - праздное "метафизическое" "понятие". "В наших представлениях времени находит свое выражение самая глубокая и самая общая связь вещей".

В. И. Ленин писал, что "Мах забывает свою собственную теорию и, начиная говорить о различных вопросах физики, рассуждает попросту, без идеалистических выкрутас, т. е. материалистически"^*. Это высказывание Ленина целиком относится к приведенным выше утверждениям Маха, в которых Мах высказывает правильную мысль, что нельзя рассматривать время независимо от вещей и их изменений. В объективном существовании вещей и их взаимосвязей Мах в данном случае не сомневается". "Мы не должны забывать того,- пишет он,- что все вещи неразрывно связаны между собой и что сами мы со всеми нашими мыслями составляем лишь часть природы". Это совершенно правильное, материалистическое утверждение. Но идеалистическая философия дает себя знать, и, в конце концов, Мах сводит понятие времени и пространства к "упорядочению рядов ощущений", лишая их объективного физического содержания, за что и подвергается В. И. Лениным сокрушительной критике. Эта идеалистическая тенденция Маха мешала физикам разглядеть рациональное зерно в его критике.

^* (В. И. Ленин. Полн. собр. соч., т. 18, стр. 60. В дальнейшем ссылки в тексте также даются по Полному собранию сочинений В. И. Ленина, изд. 5, т. 18. Для краткости будем указывать в тексте только страницы.)

Такой же критике Мах подверг ньютоновскую концепцию абсолютного пространства, "существующего само по себе". "Об абсолютном пространстве и абсолютном движении никто ничего сказать не может, это чисто абстрактные вещи, которые на опыте обнаружены быть не могут",- пишет Мах. В связи с этим он анализирует опыт с вращающимся ведром, в котором, по мнению Ньютона, обнаруживается абсолютное вращательное движение. Мах указывает, что в этом опыте измеряется вращение ведра относительно неподвижных звезд, а не относительно абсолютного пространства. "Можем ли мы удержать неподвижный сосуд с водой Ньютона, заставить вращаться небо неподвижных звезд и тогда доказать отсутствие центробежной силы?- спрашивает Мах и отвечает:- Опыт этот неосуществим, сама мысль о нем вообще не имеет никакого смысла, ибо оба случая чувственно не могут быть отличены друг от друга. Я считаю поэтому оба случая за один и тот же случай и различение Ньютона за иллюзию". Мах утверждает, что все основные принципы механики являются обобщением данных опыта об относительных положениях и движениях тел. Абсолютные движения Ньютона - иллюзия.

В том же, 1883 г. вышла книга немецкого философа Людвига Ланге "Историческое развитие понятия движения". В этой книге вводится название "инерциальная система" для систем отсчета, в которых выполняется закон инерции. По мнению Ланге, такая система может быть реализована, если из некоторой фиксированной точки выпустить по трем, не лежащим в одной плоскости направлениям свободные материальные точки. Если траектории этих точек - прямые линии, то система отсчета, образованная этими траекториями, будет инерциальной.

Наконец, в том же году вышло сочинение Штрейнца "Физические основы механики", в котором также критиковалась идея абсолютного равномерного прямолинейного движения. Он, однако, полагал, что для определения характера движения системы можно пользоваться гироскопом.

В 1899 г. в лекции, прочитанной в США, Л. Больцман коснулся этого вопроса.

"При установлении законов движения,- говорит Больцман,- Ньютон рассматривает движение тела как абсолютное движение в пространстве. Но абсолютное пространство недоступно нашему опыту. Экспериментально всегда даются только относительные изменения положения тел. Таким образом, мы как раз в самом начале полностью выходим за пределы опыта, что, конечно, очень сомнительно в такой науке, которая ставит своей единственной задачей представить факты опыта. Эта трудность, конечно, не могла ускользнуть от такого гения, как Ньютон. Однако он полагал, что без понятия абсолютного пространства нельзя прийти к простой формулировке закона инерции, имея целью выдвинуть его на первое место, и я полагаю, что здесь он также оставался правым, ибо сколько эта трудность ни освещалась, ни обдумывалась, однако едва ли был достигнут существенный прогресс. Нейман ввел вместо ньютоновского абсолютного пространства загадочное идеальное тело отсчета, тем самым так же, как и Ньютон, явно выходя за пределы опыта. Штрейнц поставил перед собой задачу такого рода понятия или тела устранить, поскольку он учил, как можно посредством гироскопа, на который не действует никакая сила или действует известная сила, решить вопрос о том, имеет ли место для этой системы закон движения Ньютона, является ли она подходящей системой отсчета. Однако эти соображения Штрейнца кажутся мало полезными для обоснования механики, так как уже для законов движения вращающегося волчка и обсуждения вопроса о том, действует ли на него сила или нет, необходимо предположить знание законов движения Ньютона. Ланге пытался, впрочем, формулировать закон инерции без какой-либо системы отсчета, только путем рассмотрения относительных движений. Хотя ему это и удалось, но таким сложным и многословным способом, что весьма трудно решиться поставить этот с трудом обозримый закон на место простой ньютоновской формулы. Само собой, что предложение Маха о прямых, определяемых всей совокупностью, масс Вселенной, или предложение поставить на место абсолютного пространства мировой эфир, также, хотя, конечно, каждое в своем роде, выходят за пределы опыта. Первое предложение опять-таки связано с чисто идеальным трансцендентным понятием, относительно последнего можно высказать то, что хотя его, может быть, и возможно экспериментально обнаружить, однако этого еще нет. Потому что для эфира имеет место совершенно иная механика, он должен, например, сам быть причиной инерции, а не подчиняться ей". "Аналогичные трудности встречаются и в понятии времени. Оно также было введено Ньютоном как абсолютное, тогда как нам таковое ни в коем случае не дано, а всегда дана лишь одновременность течения нескольких процессов. Однако здесь помочь легче, поскольку исходят из процесса, который всегда периодичен и при совершенно одинаковых обстоятельствах повторяется. Конечно, невозможно изготовить абсолютно одинаковые условия, однако можно сделать в высшей степени вероятным, что все условия, которые вообще имеют существенное влияние, одинаковы. Это можно подтвердить еще тем, что разнообразные процессы сравнивают с помощью этого свойства (вращение Земли, колебания маятника, пружина хронометра) друг с другом. Согласованность всех этих процессов в показаниях равных времен исключает всякое сомнение в применимости метода".

Наибольшее значение все же имела критика Маха. Его книга получила широкое распространение. Второе издание ее вышло в 1888 г. в Праге, третье в 1897 г. в Вене, четвертое издание, вышедшее также в Вене в 1901 г., Мах начинает предисловием, в котором с радостью отмечает обсуждение своих взглядов в работах Больцмана, Фёппля, Герца, Лове и др. До появления теории относительности вышло еще пятое издание 1904 г. В этом издании Мах подробно останавливается на своем учении о движении и законе инерции. Он подвергает критике взгляды Штрейнца и Ланге, хотя работу последнего он высоко оценивает. Мах указывает, что закон инерции есть только приближенное отражение факта влияния всех неподвижных звезд на движущееся тело. Изучение движения изолированных точек с полной абстракцией от всего остального мира кажется ему недопустимым. "Самая естественная точка зрения истинного естествоиспытателя,- пишет Мах,- остается такой: рассматривать сначала закон инерции как достаточное приближение, относить его пространственно к небу неподвижных звезд и временно к вращению Земли и поправок или развития наших знаний на этот счет ожидать от дальнейшего опыта". Мах мечтает "о принципиальной точке зрения, из которой равным образом вытекали бы и ускоренные движения, и движения по инерции".

Такая точка зрения и была найдена Эйнштейном, который высоко ценил критику Маха. При изложении общей теории относительности мы рассмотрим более подробно вопрос об отношении Эйнштейна к Маху. Во всяком случае, в критике Маха, несмотря на его в целом идеалистическую концепцию, содержалось рациональное зерно, благодаря которому она оказала существенное влияние на Эйнштейна.

В 70-х годах горячий интерес к принципиальным проблемам естествознания проявил Ф. Энгельс. В январе 1873 г. он набрасывает план "Диалектики природы". Работа над книгой продолжалась с перерывами 13 лет (1873-1886) и не была закончена. Рукопись "Диалектики" при жизни Энгельса не публиковалась. Среди различных вопросов, трактуемых в заметках Энгельса, имеется рукопись под заглавием "О негелиевской неспособности познавать бесконечное". Эта заметка посвящена докладу ботаника К. В. Негели на 50-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Мюнхене. Доклад Негели носил название "Границы научного познания". Критикуя взгляды Негели, Энгельс выделяет между другими следующее его утверждение: "Мы способны познавать только конечное, изменчивое, преходящее, только по степени различное и относительное, так как мы можем лишь переносить математические понятия на вещи природы и судить о последних лишь по тем меркам, которые сняты с них самих. Для бесконечного или вечного, для постоянного и устойчивого, для абсолютных различий у нас нет никаких представлений. Мы точно знаем, что означает один час, один метр, один килограмм, но мы не знаем, что такое время, пространство, сила и материя, движение и покой, причина и действие"^*.

^* (К. Маркс и Ф. Энгельс. Соч. изд. 2, т. 20, стр. 550.)

Выписав это место из доклада Негели, Энгельс замечает: "Это старая история. Сперва создают абстракции, отвлекая их от чувственных вещей, а затем желают познавать эти абстракции чувственно, желают видеть время и обонять пространство. Эмпирик до того втягивается в привычное ему эмпирическое познание, что воображает себя все еще находящимся в области чувственного познания даже тогда, когда он оперирует абстракциями. Мы знаем, что такое час, метр, но не знаем, что такое время и пространство! Как будто время есть что-то иное, нежели совокупность часов, а пространство что-то иное, нежели совокупность кубических метров! Разумеется, обе эти формы существования материи без материи суть ничто, пустые представления абстракции, существующие только в нашей голове"^* (курсив мой.- Л. К.).

^* (К. Маркс и Ф. Энгельс. Соч. изд. 2, т. 20, стр. 550.)

Это замечательное высказывание Энгельса в сжатой и яркой форме выражает сущность диалектико-материалистического взгляда на пространство и время. Это - форма существования материи, неразрывно связанная с материей, превращающаяся без материи в пустые абстракции. Измеряя время и пространство, мы тем самым познаем и время, и пространство. Поразительно, как в эпоху безраздельного господства взглядов Ньютона Энгельс глубоко и чисто физически сформулировал сущность пространства и времени.

В июле 1877 г. Энгельс опубликовал отдельной книгой, печатавшейся в 1877 г. в органе немецких социал-демократов "Vorwarts", первый раздел своей знаменитой книги "Анти-Дюринг" под заглавием "Переворот в науке, произведенный господином Евгением Дюрингом. I. Философия". Е. Дюринг был в 1863-1877 г. доцентом Берлинского университета. В истории науки он известен своей "Критической историей механики" и другими работами по истории науки.

В философии и общественных науках он оставил память величайшего путаника и метафизика. Нам уже приходилось встречать его имя в связи с защитой им приоритета Майера. Нападая на Гельмгольца за замалчивание последним работ Майера, Дюринг навлек на себя гнев берлинской профессуры и был уволен из университета в 1877 г. Этот акт встретил резкое осуждение в демократических кругах, в том числе и со стороны Энгельса. Относясь отрицательно к травле Дюринга реакционной профессурой, Энгельс тем не менее сам подверг сокрушительной критике философские и социологические воззрения Дюринга как противоречащие взглядам научного социализма.

В "Анти-Дюринге" Энгельс дает четкую формулировку материалистического понимания пространства, времени и движения. Возражая Дюрингу, он пишет: "Сколько бы понятие времени ни превращалось в более общую идею бытия, мы от этого не подвигаемся ни на шаг дальше. Ибо основные формы всякого бытия суть пространство и время (курсив мой.- П. К.); бытие вне времени есть такая же величайшая бессмыслица, как бытие вне пространства"^*.

^* (К. Маркс и Ф. Энгельс. Соч. изд. 2, т. 20, стр. 51.)

О движении Энгельс пишет: "Движение есть способ существования материи. Нигде и никогда не бывало и не может быть материи без движения"^*.

^* (К. Маркс и Ф. Энгельс. Соч. изд. 2, т. 20, стр. 59.)

Эти выработанные материалистической философией взгляды не были доступны естествоиспытателям, и физика переходила к ним ощупью, трудным, извилистым путем.

После знаменитой работы Эйнштейна 1905 г. история учения о пространстве и времени оказалась тесно связанной с развитием теории относительности.