«В мире нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве и во времени. Дело за наукой – определить истинную структуру мира», – высказался как-то философ, революционер В. И. Ленин. Давайте попробуем по возможности наших сил определить эту самую «истинную структуру мира». Для начала нам надо определиться, что же такое «материя», что включает в себя это понятие.
Исследователи физики пришли к выводу, что начало физике как науке положил Аристотель. В древности не было точного разграничения наук и все рассуждения о жизни, о природе считались философией. Выделение из всей этой философии физики как отдельной науки приписывают древнему философу Аристотелю (384–322 гг. до н. э.). Аристотель был выдающимся наблюдателем и большим знатоком природы. В своей книге «Метафизика» он заявляет, что существование всякой вещи обусловлено четырьмя причинами: 1) материальной причиной (субстрат), 2) формальной причиной (формой), 3) целевой причиной (энтелехия) («внутренняя цель» – слово, очень похожее на наше слово «интеллект»). Четвёртая причина – это ДУХ… Не имеющее формы вещество под действием силы может принять форму и стать пригодной для конечной цели. Движение по Аристотелю – это переход вещества в форму. Движение не имеет начала и конца, а его первопричиной является Дух (или Бог) – вечный РАЗУМ. Движение, согласно Аристотелю, – это цель существования. В труде «Вопросы механика» отражены физические представления Аристотеля. Закон свободного падения тел на землю по Аристотелю выглядит так: «В безвоздушном пространстве все тела падают бесконечно быстро. Скорость падения тела пропорциональна его весу. Железный слиток, падающий с высоты 100 локтей, достигнет земли одновременно со слитком весом в 1 фунт, падающий с высоты 1 локоть». Научные воззрения Аристотеля на физические явления природы, какими бы они не казались нам наивными, продержались более 2000 лет.
Лишь через 2000 лет итальянский учёный Галилео Галилей заложил начало новому учению, которое, хотя и было основано на физике Аристотеля, привело к результатам, которые вновь и вновь обнаруживали слабые места прежней теории. Во главу угла Галилео Галилей поставил новый метод исследования – систематический эксперимент. С помощью экспериментов он искал возможность выразить физические закономерности, пользуясь имеющимися тогда довольно скромными математическими средствами – в основном пропорциями и геометрическими образами. Исчисление бесконечно малых величин тогда ещё не было известно. Даже метод использования уравнений только-только зарождался. И всё же попытка Галилея математизировать физику явилась революционным шагом в науке. Благодаря Галилею мы располагаем таким мощным орудием познания, каким является мысленный эксперимент, сыгравший столь важную роль для Эйнштейна. Под этим понимается мысленное проведение такого эксперимента, который нельзя поставить на практике, однако, предугадав исход такого опыта на основании глубокого понимания природных явлений, можно ещё глубже постичь законы природы. Свои физические воззрения Галилей изложил в двух опубликованных книгах. 1) «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой» (Флоренция, 1632 г.). Эта книга вызвала недовольство инквизиции и послужила поводом для обвинения на возбуждённом церковью процессе против Галилея. 2) «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящиеся к механике и местному движению» (Лейден, 1638 г.).
Несмотря на то, что Николай Коперник (1473–1543), Галилео Галилей и Иоганн Кеплер (1571–1630) смутно догадывались о бесконечности Вселенной, в своих суждениях они не выходили за рамки античных представлений о системе мироздания по Платону и Аристотелю, согласно которым Вселенная представляет собой замкнутую сферу. Галилею принадлежат любопытные рассуждения, в которых он на примерах (главным образом построенных на свободном падении тел) в словесной форме раскрывает закон сохранения механической энергии, хотя понятие энергии Галилею ещё не было знакомо. Галилею принадлежат также два открытия, сыгравшие важную роль в развитии физики. В результате наблюдений и размышлений он пришёл к выводу, что свободно падающее тело движется с постоянным ускорением и что движение тела, брошенного под углом к горизонту, складывается из прямолинейного равномерного движения по горизонтали и равноускоренного движения по вертикали. Так что траектория этого тела представляет собой параболу. Закон свободного падения тел и движение тела, брошенного под углом к горизонту, навсегда связаны с именем Галилея. Исследуя труды Галилея нельзя не поражаться широте его взглядов, глубине его мышления. Его учение – это то основание, это тот фундамент, на котором стоит современная физика.
Исаак Ньютон и его физические законы
Исаак Ньютон был тем гением, который сумел понять законы, управляющие движением земных и небесных тел. Для него за падением яблока на землю и за движением планет по околосолнечным орбитам стояла одна и та же причина: существование силы тяжести. В своём труде «Математические начала натуральной философии», изданном при содействии Галлея Королевской академией в 1687 г., Ньютон заложил основы классической физики со всеми её философскими приложениями. Для того чтобы сформулировать свои теоретические положения, Ньютону пришлось создать математический аппарат – исчисление бесконечно малых величин. По поводу приоритета в создании бесконечно малых величин у Ньютона были неприятные столкновения с Лейбницем (1646–1716). Для развития своего учения Ньютон старался исходить из самых первооснов. Прежде всего он определил понятия «пространства» и «времени», которые относил к абсолютным категориям и которые до наших дней остаются фундаментом физической науки. Пространство и время Ньютон определил следующим образом:
