Формирование механистической концепции мира и основ классической механики

Для оправдания теории Коперника Галилей весьма успешно использовал механико-математический способ анализа, экспериментируя с земными телами. Следует помнить, что в физике Аристотеля пространство не однородно. Он разделял физическую реальность на две сферы: подлунную и надлунную. Подлунный (конечный, чувственный) мир характеризуется всеми формами изменения, среди которых доминируют зарождение и разложение. Небесам (надлунному миру) присуще «локальное движение», циркуляция. В небесных и звездных сферах нет места ни рождению, ни гибели, ни изменению, ни возрастанию, ни убыванию. Во все времена люди наблюдали те же небеса, что видим и мы, и тот же опыт подсказывает, что они не были рождены, и нерожденные они суть неразрушимы. Эти положения Аристотеля были восприняты средневековой мыслью и закреплены в христианской традиции.

Разделение мира на подлунный и надлунный исчезнет лишь с началом Нового времени. Во времена Галилея перенесение результатов изучения движения в земной плоскости на небесные тела еще считались ересью или просто безумием. Примером того служит, позиция одного из персонажей критической работы полемического характера («Диалог о двух главнейших системах»), где с помощью возражений механического типа опровергаются постулаты аристотелевской философии, выдвигаемые против теории Коперника. Гораздо позже Нильс Бор выскажет мысль, что новая теория, которая вносит переворот в прежнюю систему представлений о мире, чаще всего начинается с «сумасшедшей идеи». Для многих современников программа Галилея – изучать законы движения, которым подчиняются небесные тела, путем экспериментирования с механическими орудиями Венецианского арсенала – была действительно сумасшедшей идеей. Но истоки этой идеи лежали в предыдущем культурном перевороте, когда преодолевались прежние представления о неоднородном пространстве мироздания, санкционировавшие противопоставление небесной и земной сфер.

«Диалог о двух главнейших системах», осужденный католической церковью и помещенный в «Индекс запрещенных книг»[2], написан в форме диалога, который разворачивается в ходе четырехдневных встреч трех собеседников: Симпличио – философа аристотелевской школы, Сальвиати – последователя Коперника, Сагредо – представителя публики, открытой новым идеям, но желающей знать аргументы той и другой стороны. Первый день посвящен доказательству беспочвенности аристотелевского противопоставления надлунного и подлунного миров. Аристотель основывает на «совершенстве» круговых движений «совершенство»[3] небесных тел, а потом на основе последнего утверждает истинность первого. В действительности круговое движение характерно не только для небесных тел, но и для Земли. Отсутствие различий подтверждается чувствами, усиленными с помощью подзорной трубы. Поскольку для Аристотеля сенсорные данные лежат в основе рассуждений, то Сальвиати – сторонник коперниканской теории, возражает последователю Аристотеля: «Ваши рассуждения будут ближе к аристотелевским, если вы скажете, что небо изменчиво, ибо об этом мне говорит чувство, чем если Вы скажете, что небо неизменно, потому что так рассуждал Аристотель»[4]. Горы на Луне, солнечные пятна и движение Земли свидетельствуют, что есть одна единственная физика, а не две, одна из которых применима к небесам, а другая к земному миру.

«Диалог» второго дня содержит критику обвинений общего характера, выдвигаемых против теории Коперника. Существовали как древние, так и новые аргументы опровержения идеи движения Земли. Вот некоторые из них: тяжести падают перпендикулярно, чего не должно быть, если бы Земля перемещалась; предметы, которые «долго остаются в воздухе», например облака, должны были бы предстать нашему взору в быстром движении, если бы Земля действительно вращалась. Если выпустить два одинаковых ядра из одной и той же пушки, но одно в восточном направлении, другое – в западном, то ядро в последнем случае должно бы преодолеть большее расстояние, ведь в то время как ядро перемещается на Запад, пушка, в соответствии с движением Земли, должна перемещаться на Восток. Но этого не происходит, говорит Симпличио. Кроме того, продолжает он, если на корабле, находящемся в покое, уронить камень с верхушки мачты, камень упадет перпендикулярно к основанию мачты; но если это случиться на корабле, находящемся в движении, камень упадет вдалеке от мачты в сторону кормы. То же должно бы случиться, при падении камня с высокой башни, если предположить, что Земля движется. Но этого не происходит, следовательно, Земля неподвижна.

В противовес примеру с кораблем Симпличия, Галилей устами Сальвиати и Сагредо устанавливает принцип относительности движения, доказывая тем самым ложность выше выдвинутых положений, опровергающих теорию движения Земли. Он подбирает новые, не менее очевидные факты, иначе интерпретирует старые. На самом деле, кто бы ни проделал опыт с камнем на корабле, обнаружит «совершенно противоположное тому, что было описано». Сальвиати говорит: «Войдите с каким-нибудь другом в большую каюту под палубой большого корабля и туда поместите мух, бабочек и других летающих насекомых; возьмите большой сосуд с рыбками; подвесьте также высоко какое-нибудь ведерко, откуда будет по капле стекать вода в сосуд с узким горлышком, помещенный внизу; когда корабль будет находиться в покое, вы заметите, что все насекомые летают с одинаковой скоростью в разные стороны пространства; рыбки также будут двигаться в разных направлениях без какого-либо различия; все падающие капли попадут в сосуд внизу; и, бросая другу какой-нибудь предмет, вы это будете делать с одинаковым напряжением в разных направлениях на одинаковом расстоянии; даже если вы станете перемещаться, подпрыгивая на двух ногах, вы будете преодолевать в прыжке одинаковые расстояния во всех направлениях. Запомните хорошенько все эти факты, хотя пока корабль неподвижен, нет никакого сомнения, что должно быть именно так, затем приведите корабль в движение с какой вам угодно скоростью; необходимо только, чтобы движение было равномерным, в одном направлении. Вы не заметите никаких изменений во всех описанных явлениях и ни из одного из них не сможете понять, движется ли корабль или находится в покое; вы сами будете преодолевать те же расстояния, что и прежде, и оттого, что корабль движется с большой скоростью, не будете быстрее перемещаться в сторону кормы, нежели в сторону носа корабля, хотя пока вы находитесь во время прыжка в воздухе, пол под вами переместиться в сторону, противоположную направлению вашего прыжка; и когда вы станете бросать что-либо вашему товарищу, вам не придется делать это с разной силой, в зависимости от того, будет ли он находится от вас в сторону кормы или носа корабля; капли по-прежнему будут падать в сосуд внизу, и ни одна не упадет ближе к корме, хотя пока капля находится в воздухе, корабль переместиться на несколько пядей»[5].

Все это показывает, что на основе наблюдений за механическими перемещениями, осуществляемыми внутри определенной системы, невозможно установить, находится ли эта система в покое или в равномерном одностороннем движении. «Итак, основой нашего рассуждения является мысль, что, какое бы движение ни приписывалось Земле, мы, ее обитатели и, следовательно, принимающие участи в этом движении, не в состоянии воспринимать это движение, как если бы его не было вовсе, поскольку мы соотносимся только с земными вещами»[6].

Аргументами такого характера Галилею удалось нейтрализовать возражения, которые выдвигались против системы Коперника, и установить принцип относительности движения. Много позже Альберт Эйнштейн расширит понятие относительности, распространив его с механических явлений, наблюдаемых Галилеем, на все природные феномены, включая электродинамические и оптические.

Подобно многим своим современникам и собратьям по науке Копернику и Кеплеру, Галилей впитал с учением гуманистов-неоплатоников веру в то, что физический мир можно толковать в понятиях геометрии и арифметики. В работе «Пробирных дел мастере» (1623) находим: «Философия записана в этой огромной книге[7], которая постоянно открыта перед нашими глазами (я говорю о Вселенной), но чтобы ее понять, надо научиться понимать язык и условные знаки, которыми она написана. Она написана на языке математики, а ее буквы – треугольники, круги и другие геометрические фигуры; без них невозможно понять ни слова, без них – тщетное блуждание по темному лабиринту»[8]. Понять такой язык может только специалист, получивший математическое образование. С пифагорейской уверенностью Галилей заявил, что книга природы «написана языком математики». Однако математика представала у него не столько мистическим ключом к небесам, сколько прямым орудием для постижения материального мира и для нанесения удара академическим противникам – приверженцам Аристотеля.

У древних греков, в том числе и у Аристотеля понимание природы выражалось в категориях «фюсис» и «космос». Фюсис обозначал особую, качественно отличную специфику каждой вещи и каждой сущности, воплощенной в вещах. Это представление ориентировало человека на постижение вещи как качества, как оформленной материи, с учетом ее назначения, цели и функции. Космос воспринимался как особая самоцельная сущность со своей природой. В нем каждое отдельное «физически сущее» имеет определенное место и назначение, а весь Космос выступает в качестве совершенной завершенности[9]. У Аристотеля и его сторонников «надлунный мир» как раз и олицетворял эту завершенность – правильность и совершенство, математическую определенность. По этой причине стала возможной математическая астрономия, но не математическая физика. Другими словами, в этой системе мировоззренческих ориентаций логично было полагать, что «небесам» присущи математическая гармония и определенность, а «несовершенному» чувственно воспринимаемому миру, в котором отдельные части (вещи) имеют свои назначения и функции – качественная неоднородность, неподдающаяся математическому исчислению.

В эпоху научной революции и становления науки Нового времени природа начинает восприниматься как особое сочетание качественно различных вещей, которое обладает свойством однородности. Она предстает в качестве поля действия законосообразных связей, в которых как бы растворяются неповторимые индивидуальности вещей, следовательно, доступного математическому интерпретированию.

В научном мышлении и в университетах того времени господствовала физика Аристотеля, опирающаяся на доступные восприятию свойства и словесную логику. Последнее качество особенно усилилось у его позднейших последователей. Галилей прибегнул к новым способам анализа явлений и опытной проверки теорий. В произведении «Пробирных дел мастер» (1623) автор возвратился к положениям Демокрита о субъективности чувственных качеств. Физические тела характеризуются величиной, количеством, движением, как и фигурами. Ощущение же вкуса, запаха, звука и цвета возникают под их воздействием только в человеческих чувствах. Галилей выдвинул положение, согласно которому для вынесения четких суждений относительно природных явлений ученым следует учитывать только «объективные», доступные точному измерению свойства (размер, форма, количество, вес, движение). Свойства просто доступные восприятию (цвет, звук, вкус, осязание, запах) необходимо оставлять без внимания как субъективные. Речь идет о количественном анализе, с помощью которого наука может получать достоверное знание о мире и количественном методе проверки гипотез. В гносеологии Нового времени мы встретимся с более обстоятельным развитием этой позиции.

Представляя свой последний труд «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению» (издана в 1638 году), Коперник сделал поразительное для того времени заключение: причина ускорения движения падающих тел вовсе не обязательна для исследования. Это имело большое значение. Согласно Аристотелю, необходимо было искать причину отдельного явления, другими словами, почему оно произошло, каковы его смысл и цель. Из сказанного Галилеем следует, что надо изучать то, «как это произошло», а не «почему». Конечные причины тем самым устранялись из мира науки.

Чтобы глубже проникнуть в математические законы и постичь истинный характер природы, Галилей стал применять, совершенствовать и даже изобретать множество технических приборов. Ему потребовалось мужество, чтобы, несмотря на многочисленные препоны, внедрить в науку приспособление «презренных механиков» (подзорную трубу), которое в начале служило целям практическим, в частности, военным. Кроме телескопа он стал использовать и другой инструментарий – линзы, микроскоп, геометрический компас, магнит, воздушный термометр, гидростатический барометр. Важно то, что в ходе научной революции, инструменты, предназначенные для опытов, становятся неотъемлемой частью научного знания, восполняя слабость естественных органов чувств. Использование подобных приборов придавало эмпиризму новое, неведомое грекам измерение, которое на корню подрубило и теорию, и практику, принятых в среде профессоров – почитателей Аристотеля. По-новому предстает у Галилея также проблема соотношения опытно-чувственных и рационально-логических компонентов познавательной деятельности.