«ГДЕ НАЧАЛО ТОГО КОНЦА?. ОТ философии науки ДО основания физики Издание второе, переработанное и дополненное Уфа, 2013 1 УДК 531.1 Черепанов О.А. Где начало того конца?. Геометрия и Арифмометрия. Изд. М.: Нефтегазовое ...»

Олег Черепанов

ГДЕ НАЧАЛО ТОГО КОНЦА?...

ОТ

философии науки

ДО

основания физики

Издание второе,

переработанное и дополненное

Уфа, 2013

1

УДК 531.1

Черепанов О.А.

Где начало того конца?... Геометрия и Арифмометрия. Изд.

«М.: Нефтегазовое дело», 2013. - 280 с. - 52.

ISBN 5-88541-010-0

ISBN 978-5-98755-165-6

В первой (критической) части книги с позиций философии естествознания рассмотрены попытки Ньютона, Герца и Эйнштейна найти смысловые (гуманитарные) основы небесной механики. Три известные теории движений-взаимодействий вещества в природе - классическая, релятивистская и квантовая – представлены как конгломерат суждений, содержащих «понятия», «представления», «измерения» и «уравнения» с аксиомами во главе. Примерами доказано, что естественнонаучные знания искажены антропоморфизмом понятий «пространство» и «время» и отягощены артефактным характером представлений о «силах» и «энергиях». Показано, что расчетно-экспериментальный и формально-математический компоненты системы, называемой общей физикой, неестественно сочетают две парадигмы - геометрическую и арифмометрическую, одна из которых исходит из непрерывности траекторий, а другая отвечает фактической дискретности массы.

Вторая часть книги (конструктивная) содержит решения ряда задач механики и физики способом, не требующим координат и времени, а также избавленным от движущих причин вроде сил и энергий. Примеры моделирования природных движений методом арифмометрической триангуляции (МАТ) и с помощью аппарата нормировки физико-арифметических связей (АНФАС) формируют математический язык, который по иному ставит вопросы инерциальности и относительности в связи с проблемами гравитации и распространения света. Обнаружены аналоги понятий квантовой теории в кинематике звезд и планет, а арифмометрическая парадигма апробирована расчетом наномолекулы.

Монография содержит методический материал, полезный для учителей и преподавателей математики и физики.

Черепанов Олег Алексеевич ISBN 5-88541-010- Черепанов Олег Алексеевич ISBN 978-5-98755-165-

СОДЕРЖАНИЕ

Вступление, а не Начало

Часть I.

В НАЧАЛЕ БЫЛИ «НАЧАЛА...»

(Небесная механика: понятия и представления.) Миф и теория

Время смены мифов

Куда ж ты нас влечешь, мифическая сила?!

Тела падают потому, что они... обессилели!

Сила есть - ума не надо

Не в силе - правда, а в правде - сила

Точка отсчета «пространства-времени»

Здрав ли релятивистский смысл?

Конфликт моделей

Массы и резонансы в системе Солнца

Химический бульон и незримая геометрия

Покушение на парадигму

Часть II.

В САМОМ КОНЦЕ «ПРОСТРАНСТВА» И «ВРЕМЕНИ»

(Скалярная механика: измерения и уравнения.) Парадоксы и парадигмы………………………………………... Числа и скорости………………………………………………... Единицы и сингулярность……………………………………… Дефекты и эффекты…………………………………………….. Пространство и метрики………………………………………... Кинематика: геометрия или арифмометрия?

Фотон: частица или волна?

Гравитация: тяжесть или невесомость?

Тяготение: сила или ускорение?

Зрение: кинематика или геометрия?

Арифмометрия: число или операция?

Гармония: вид и смысл

Фуллерен С60: геометрия и арифмометрия

Окончание, но не Конец

НЕ НАЗИДАЯ - ВДОХНОВЛЯЕТ!

НЬЮТОН

с задумчивым лицом из призмы лучезарной как мудрости маяк луч света шлет тому, кто в одиночку бороздит мышления таинственное море.

С англ.

В НАУКЕ ТОТ ПРАВ, КТО СОМНЕВАЕТСЯ

Молились трое - Юноша толковый, ученый Муж и Старец-академик. Последний Истины просил, второй - Удачи, первый - Славы. Все трое посвятили жизнь Науке... Но первый мнил ее богатою Вдовой, второй считал надежною Партнершей, а третий видел в ней Студенточку, сдающую экзамен. Так кто ж она - одна в трех лицах?

Во все времена возле Науки сновали расторопные Фантазии, первыми совершая повороты, которые потом неспешно преодолевала их сварливая матрона. Стоит ли поэтому удивляться замечательным открытиям, сделанным философами древности посредством умозрения?

Постановка Опыта - это отдых по сравнению с разбором причудливых измышлений Теоретика, вознамерившегося объяснить его результат. Так будет ли мне наградой за Терпение то, что одну из множества моделей мира я первый сочту следующим шагом Разума к Истине?

Я увидел мальчика... Он поднял камень, метнул его в цель и... попал! Вот тут-то и встала эта Проблема: что знает о сотворяемых природой Движениях свободный от всяких теорий Мозг ребенка и чего не ведает о них моя ученая голова, набитая множеством сложнейших формул?

Древнегреческие мыслители Зенон Элейский и Диогенкиник не занимались точными науками. Стезя, по которой они шли - философия. Но спорили два представителя любомудрия о предмете, принадлежащем другой отрасли знания - механике. И спорили, надо сказать, на самом высоком уровне. Ведь утверждение теоретика Зенона его оппонент тут же опроверг опытом.

«В том-то и мудрость, чтобы не перемудрить, отрицая очевидное!» - таков смысл возражения, бессловесно выраженного Диогеном. И для науки его ответ не менее ценен, чем доказательные рассуждения Зенона.

«Любую длительность слагают кратчайшие миги. Мгновение, в котором мы существуем, столь мало, что ни одна вещь за это время не успевает покинуть своего места. А так как в реке времени всему принадлежит лишь ничтожно малое "теперь", то я утверждаю, что стрела, которая представляется нам летящей, на самом деле покоится.»

В умозаключении Зенона нет ошибки. Но оно служит примером антиномии - непротиворечивого высказывания, связывающего взаимоисключающие понятия («покой» и «движение») логической цепью, ни одно звено которой не выглядит слабым.

Наши чувства свидетельствуют, что движение есть. И в то же время разум способен предполагать обратное. Отдельная точка в контуре движущегося предмета в силу своей малой величины не является объектом ощущаемым. Но в геометрии такие точки сливаются в линии, линии своим движением определяют поверхности, а поверхности разворачиваются в пространство. Так из ничего возникает целый мир.

Связаны ли между собой точки прямой или между ними остаются промежутки? В любом ли месте числовой оси можно поставить число или в их череде есть пробелы?

Проблема дискретного и непрерывного принадлежит математике, но философы тоже занимаются ею. Ведь именно философия обобщает опыт мышления, накопленный человечеством за тысячелетия. И хотя в важном строе научных дисциплин ей предписано следовать позади точных наук, вряд ли последние способны сами разобраться в таких понятиях, как «пространство» и «время», например. Ведь эти категории разума имеют гуманитарный смысл, недоступный техническим средствам, сотворенным руками человека.

Мышление - вот что выделяет нас из окружающей природы.

Ощущения - вот что связывает нас с ней. Человеку дано чувствовать тяжесть собственного тела и инертность тяжелых предметов. Но, преодолев инерцию и тяготение и достигнув космической невесомости, он так и остался на берегу океана тайн.

Наши нынешние представления о вселенной основаны на знакомстве с ничтожно малой ее частью. Пылинкой выглядит Земля в масштабе Галактики. И вряд ли человек достигнет противоположного края Млечного Пути. Потому-то и устремляет он вдаль свою мысль, постигая глобальное через локальное.

Отправными вехами на пути познания Вселенной стоят «Начала» Евклида и «Начала» Ньютона. Они - пример рафинированного рационализма, тем не менее, опирающегося на чувственный опыт. Странно, что лишь немногих, к тому же не поддающихся строгому определению понятий, таких, как «точка» и «масса», «прямая» и «сила», «плоскость» и «траектория» хватило для построения столь мощных количественных теорий как евклидова геометрия и ньютонова динамика.

Непостижимо парадоксальное соединение кинематики и геометрии в окружающем мире усугубляется тем, что в общемто невидимые орбиты, формализуемые алгебраически, как бы существуют еще до появления на них небесных тел. Законы физики и законы геометрии связаны. И мы только приближаемся к пониманию их единства. Ведь, несмотря ни на что, и те и другие «Начала» противоречивы. Математики, например, сконструировали немало геометрий, альтернативных евклидовой и, значит, противоречащих ей. Ньютонова физика также оказалась не всеобъемлющей: с ней конкурируют другие теории. Более того, классическая механика как основа старой физики и сейчас вызывает сомнения. Вот отголоски спора, случившегося в XX веке.

«К сожалению, в прошлом механику разрабатывали и преподавали обычно математики-теоретики, не имевшие дела за всю свою жизнь ни с одной реальной машиной или механизмом.

У них выработалось, подобно тому, как это было во времена Архимеда, пренебрежение к технике, как к чему-то низменному и второстепенному. Они забыли, что все человеческое знание связано с опытом, с жизнью и практикой. Они-то и создали путаницу в механике.»

«Вся вина не в теоретиках, а в так называемых практиках, которые подтверждают английскую поговорку, что неполное знание хуже незнания. Всегда же, когда представитель технического курса говорит о необоснованности теоретического курса, по моему опыту он всегда бывает неправ.»

В то время дискутировался вопрос о силах инерции. Механик-практик, апеллируя к ощутимому, а порой и катастрофическому действию инерции на движущиеся части машин, призывал к пересмотру основ механики. Теоретик, понятно, возражал.

Зенон и Диоген как будто бы поменялись местами. Теперь теоретик, вооруженный «Началами», советовал не мудрствовать.

В центр бурной полемики, однако, не попала проблема парадоксальной несовместимости восходящей к Ньютону силовой трактовки тяготения с его же учением об инертности как врожденном свойстве вещества. А ведь эта антиномия легла в основание общей теории относительности: локальная эквивалентность сил инерции и сил тяготения является ее постулатом.

Парадокс же заключается в том, что приложенная к телу гравитационная сила не может вывести его из состояния покоя, если масса тела обладает свойством инертности и сопротивляется ускорению.

На опыте это выглядит так. Из под покоящегося пробного тела мгновенно удаляют жесткую опору, например, отстреливая ее с помощью пиропатрона. Благодаря этому «сила тяготения», «действующая» на неподвижное тело, из «приложенной» тут же превращается в «движущую». Если верить формулам силовой механики, инерционное противодействие «ускоряющей силе»

пропорционально массе тела и его гравитационному ускорению.

Таким образом, в данном опыте «сила инерции» по величине в точности равняется «действительной силе» и противонаправлена ей. Вот только при равенстве действия и противодействия тело, инертная и тяжелая массы которого совпадают, обязано оставаться в покое. Но оно падает. И падает, казалось бы, под действием «силы тяготения».

Апория Зенона, на примере стрелы «доказавшего», что движения нет, менее неприемлема, чем данный парадокс силовой механики. Несмотря на ее успехи в описании многих и многих явлений природы, одно из них - тяготение - до сего времени загадка. Не менее неясно и инертное свойство массы. Везде ли оно связано с ней? Быть может, масса сопротивляется лишь техническому действию от контакта с другой массой и остается безразличной к силе, передаваемой через пустоту?

Как бы там ни было, человеческое сознание направлено на постижение реальности. Ведь мы не только замечаем парадоксы, но и стремимся их разрешить. Противоречия между покоем и движением, дискретным и непрерывным, локальным и бесконечным, рациональным и чувственным преодолимы, поскольку порождены нашим разумом, а не природой. Биполярный мозг, правое полушарие которого дифференцирует геометрические образы, отыскивая в них беспокоящие различия, а левое нащупывает общее в вещах и явлениях, на первый взгляд несхожих, призван постичь логику образов, бездумно сотворенных ею. Тем более, что основа процесса, творящегося под бескрайним сводом неба и под хрупким куполом человеческого черепа, одна вечное движение вещества.

(Небесная механика: понятия и представления) Закономерность - это наиболее стабильная характеристика постоянно меняющегося Полный исторический очерк понятия естественного закона явился бы историей человеческого разума.

МИФ И ТЕОРИЯ

В геометрии мы должны принять существование небольшого количества вещей, именно точек и линий. Существование всего остального должно быть доказано.

Сколько существует человечество, столько и занимает человека проблема окружающей его материальной действительности. Первые смелые попытки найти подход к ее решению можно обнаружить в космогонических мифах древних мудрецов.

Мифы отражали реальность, искажая последнюю невероятно. Но действительность была неумолима. Она неизменно оказывалась сложнее всего многообразия мифов. Практическая деятельность обнажала ее ранее невидимые грани. Мифы ничего не давали практике, но эксплуатировались религией. Древняя религия учила, что стихию можно умилостивить, а ее жрецы существовали за счет подносимых богам жертвоприношений.

Но уже тогда зарождалась наука.

Первой значительной теорией стала геометрия Евклида. К жизни ее вызвала практика строительства и землепользования.

Но если мифы были окрашены всеми человеческими эмоциями от страха до восторга, то теория содержала в себе бесстрастные элементы - формулы.

Правда, кроме символов, связанных арифметическими знаками, да необходимого изобразительного материала в практической геометрии есть кое-что еще. В ней можно выделить понятия и представления - составляющие, без которых не обходится ни один даже самый далекий от реальности миф.

То, что понятия, вслух выражаемые словами, содержат в себе известную долю воображаемого, хорошо видно на примере геометрических терминов - «точка», «прямая», «плоскость» и т.д. Геометрические понятия возникли как отражение реальности, но идеализируют ее.

Термин только тогда закрепляется в языке, когда он необходим для общения людей между собой. Обозначая предмет, действие или чувство, любое слово несет в себе определенную смысловую нагрузку, не требующую разговорного пояснения. С этой стороны понятия объективны. Ведь слова-термины родила сама жизнь.

Однако смысл некоторых часто употребляемых слов, таких, например, как «небо» и «Земля», в древние времена был загадочным и нуждался в определении. Для постижения сложных понятий требовалось усилие ума. Это рождало представления, которые, хоть и кажутся нам фантазийными, но чаще всего опираются на аналогию с простым и давно известным.

Для древних представления выглядели тем основательнее, чем больший круг явлений они охватывали. Если же находился рациональный - изобразительный способ выражения однажды возникших представлений, то они почитались незыблемыми и сохранялись на века. Как видно, воображение упорно не желало выходить за рамки изображения.

И все же воображать - значит фантазировать. Ведь слово только определяет нечто, но ничего не объясняет. Оно есть звучный образ вещи, действия или состояния. А объяснить значит понять механизм явления, творящегося на глазах. Между тем, наблюдая природу, можно лишь догадываться о ее скрытом механизме. И без фантазии тут не обойтись.

Итак, воображение рождает некое предположение. Это предположение, отыскав опору в аналогиях, оформляется в представление. Выраженное вслух или письменно, представление становится мнением. Уверенный тон делает мнение утверждением. Согласие большинства с данным утверждением превращает его в аксиому. И хотя аксиома тоже ничего не объясняет, она концентрирует в себе удовлетворительные на данный момент представления.

Но у аксиоматической мудрости, рожденной прямо из чьейто умной головы, есть все шансы оказаться ограниченной - в лучшем случае, или просто неверной - в худшем.

Взять, к примеру, пятый постулат Евклида. Представление о том, что через точку вне прямой проходит лишь одна прямая, параллельная данной, как выяснилось, справедливо только в рамках евклидовой геометрии. А утверждение, что Земля пребывает в центре концентрических небесных сфер, каждая из которых вращается вокруг своей оси, в итоге оказалось ложным.

Планетарий, сперва сконструированный Гиппархом, затем усовершенствованный Евдоксом и, наконец, возглавленный Птолемеем, работал и объяснял странные попятные движения блуждающих звезд - планет. Но, простояв две тысячи лет, он рухнул. И было бы ошибкой думать, что геоцентрические представления продержались так долго усилиями церкви да из-за научного авторитета Аристотеля, признававшего их верными.

Нет. Просто модель вселенной с Землей в центре была достаточной для своего времени.

Более того, ее подкрепляла настольная геометрическая конструкция из кинематически независимых сфер, вращавшихся одна в другой. Эта конструкция находилась в известном согласии с наблюдениями. Опыт ее эксплуатации давал положительные результаты. А большего и не требовалось.

Экзотические термины «эпицикл», «деферент», «эксцентрик» и «эквант», имевшие хождение в среде средневековых астрономов, родились в рамках неверных геоцентрических представлений. Но поскольку у них есть рационально-математический смысл, то геометры пользуются ими и поныне.

Образно говоря, священнодействие по сотворению мифа, хоть как-то отвечающего объективной реальности, разворачивается в пространстве четырех плоскостей, на каждую из которых с известной долей определенности можно нанести одну из надписей: «понятия», «представления», «уравнения» и «измерения». Но нет возможности сориентировать воображаемый тетраэдр так, чтобы выделить у него главную грань. Казалось бы, ею должна быть плоскость «аксиом», «принципов» и «постулатов». Однако данная схема в такой грани не нуждается и аксиомы выведены за пределы объема знаний, надписи на оболочке которого относятся к его содержимому, определяя состав четырехкомпонентной смеси, каковой является количественная теория. В итоге каждая модель физической реальности строится из понятий и представлений, составляющих ее гуманитарную (смысловую) часть, и не обходится без измерений и уравнений, образующих ее сторону, обращенную к действительности.

И в самом деле весьма похоже, что геометрия и счет, представленные формулами из букв и цифр, связанных знаками действий, вернее всего высвечивают и внешность и глубину материального мира. Ведь они вроде бы чужды всякому мифу. Надежно прислуживая практике, математика, являясь рациональным способом обработки данных измерений, теснее примыкает к объективной реальности, чем смысловые составляющие знаний - понятия и представления. Поэтому расчетно-математическая фракция в смеси, объединяющей все естественно-научные теории в парадигму, до поры до времени кажется основной.

Итак, аксиомы не вписаны в систему сведений, составляющих парадигму точных наук, а гуманитарная сторона последней по важности не уступает измерительно-вычислительной. При этом мифы о мироздании отличаются от теорий отсутствием расчетно-измерительной части, а мифологические представления имеют форму постулатов, понятийно-терминологические корни которых уходят в наблюдаемую действительность, откуда как влага, необходимая древу познания, вытянуты образы, скажем, трех китов, несущих Землю как остров.

И наоборот, понятия естественно-научных теорий в значительной мере порождены математикой, абстрактные продукты которой отдельные личности оформляют как представления об устройстве Вселенной, якобы твердо опирающиеся на предложенные ими принципы. Но сколь бы ни были устойчивы аксиоматические основания мифов и теорий, их роль преходящая.

И модель мира с неподвижной Землей в центре однажды потеряла опору. Центр вселенной оказался в другом месте.

ВРЕМЯ СМЕНЫ МИФОВ

Гелиоцентрическое откровение Коперника не прозвучало внезапным громом с безоблачного неба: книга «Об обращении небесных сфер» была запрещена католической церковью лишь 70 лет спустя после ее напечатания. Известную роль здесь сыграло посвящение труда папе римскому Павлу III и анонимное предисловие, в котором говорилось, что в физическом смысле Земля, конечно же, не обращается вокруг Солнца, а гелиоцентрические рассуждения - это всего лишь математический прием, позволяющий точно определять день весеннего равноденствия, к которому привязывали праздник Святой Пасхи.

Первый неприязненный отзыв исходил от основателя протестантского движения Мартина Лютера: «Глупец хочет перевернуть все искусство астрономии с ног на голову, но в Священном Писании черным по белому сказано, что именно Солнцу, а не Земле повелел Бог остановиться.» Так народившаяся реформация прежде древнего католицизма расписалась в религиозной косности...

Ученые авторитеты нового времени - Тихо Браге и Галилео Галилей - поначалу сочли модель Коперника неубедительной.

Однако именно Галилей после первых телескопических наблюдений неба стал ее убежденным сторонником и энергичным пропагандистом.

Новые представления захватили и Кеплера. Благодаря ему в длинной цепи противоречивых умозаключений заблистали рациональные звенья - основные законы гелиоцентрической геометро-кинематики. В результате поистине адской вычислительной работы, отказавшись от птолемеевых эпициклов, деферентов, эксцентриков и эквантов, Кеплер обнаружил небольшое всего каких-нибудь восемь угловых минут - рассогласование между наблюдаемым положением Марса и его должным расположением в звездах после одного оборота вокруг Солнца.

Таким образом, небесный круг, совершаемый одной из известных в то время планет, оказался незамкнутым. Это подрывало веру в идеальное устройство небес. Представилось, что планеты обращаются не по окружностям, как думал Коперник, а по эллипсам. Центр мира снова переместился. На этот раз в один из фокусов замкнутой двуцентральной линии. И эта странность в его поведении требовала какого-то объяснения.

Почти одновременно по движению солнечных пятен было установлено, что главное тело Солнечной системы вращается вокруг собственной оси и является сферическим как Земля и Луна. Логика вещей обязывала к подозрениям, что какую-то роль в закономерном движении планет играет тяготение.

Это физическое понятие не было новым. Ведь еще Аристотель различал тяжесть (гравитацию) и легкость (левитацию).

Первую он считал свойством некоторых тел, обязывающим их перемещаться вниз, а вторую определял как врожденное качество материи, стремящейся вверх. Такой материей, по его мнению, был огонь.

Аристотель не только нашел убедительную аргументацию для современной ему астрономии, но и создал первую систему наземной механики. Ясно, что центральное место в ней занимали рассуждения о причинах движений, наблюдаемых вокруг.

Колесница катится, пока ее тянет лошадь. Стрела летит, пока есть поддерживающая движение сила. Это не рассекаемый воздух, схлопываясь позади стрелы, толкает ее вперед, как считал «друг Платон», а действует сила, передаваемая от дрожащей тетивы через воздушные слои. Пустоты нет. Иначе бы тело, не встречая сопротивления, достигало бесконечной скорости.

Может показаться, что древние творили свои фантазии налегке, с веселой непринужденностью. Однако заметно, что первоначальные механические представления не выходят за рамки видимого и ощущаемого. Святой Дух не мог поддерживать каждодневно творившееся движение. Эта работа была для него слишком мелкой. Иррациональное не занимало много места в механистических воззрениях тех далеких времен. Ну, разве что небесные сферы вращает некий «перводвижитель»...

Как видно, целенаправленный полет стрелы или камня не считался перемещением естественным. Околоземные движения выглядели насильственными. Земное бытие казалось таким плоским, что всерьез утверждалось, будто стрела летит вверх лишь до тех пор, пока действует сила, передаваемая ей от тетивы. Как только эта сила исчерпывала себя, стрела тут же поворачивала вниз и падала, стремясь к естественному месту всего тяжелого возле центра вселенной.

Идеальные круговые движения, понятно, принадлежали замыкающим мир небесам.

Истине понадобилось чуть ли не два тысячелетия, чтобы мелкими шажками подойти к моменту, когда Галилей высказал предположение, что равномерное прямолинейное движение будет продолжаться до тех пор, пока не появится действие, ему препятствующее. К такому выводу Галилея подтолкнули опыты со свободным падением тел. С этих опытов начиналось научное исследование проблемы движения, не завершенное и поныне.

Эксперименты, проведенные Галилеем, свидетельствовали, что предмет, получивший толчок в сторону горизонта, хоть и летит по кривой, но в горизонтальном движении сохраняет неизменной полученную скорость. То есть, за равные промежутки времени летящее тело преодолевает равные интервалы длины, отложенные на Земле. А вот в перпендикулярном направлении к Земле скорость предмета со временем увеличивается.

Наблюдения обязывали думать, что горизонтальное перемещение тела, падающего по параболе, не надо поддерживать.

Оно происходит как бы само собой, что называется «по инерции». Тем более, что грек Филопон еще в раннем средневековье высказал мысль о переселении силы из спущенной тетивы в стрелу в конечный миг их совместного движения. Восемьсот лет спустя эту идею развил француз Буридан, который за два века до опытов Галилея ввел в механику понятие «количества движения», передаваемого от одного тела к другому.

Правда, буриданову меру надо понимать как произведение веса тела на его скорость. Но Галилей решил, что именно она является сохраняющейся величиной в горизонтальном передвижении предмета, запущенного под углом к земной поверхности.

Так возникло представление о перемещениях, для осуществления которых не надо никаких движущих причин кроме первоначального толчка. На фоне этого мнения природа ускоренного полета к Земле требовала иного объяснения. Но на его поиски Галилею не хватило всей жизни. Однако термины «инерция», «количество движения» и, какое-то время спустя, «ускорение»

были запущены в оборот.

О разнице между весом тела и его массой первым догадался французский натурфилософ (так в те времена называли физиков) Эдм Мариотт. Он предположил, что масса соответствует содержанию вещества в теле, то есть ее количество зависит от его объема и плотности. И хотя такое определение массы ученые не считают строгим, в фокус внимания механиков, наконецто, попала самая главная составляющая мироздания - вещество.

Так, благодаря Мариотту, наука о движении обрела свой единственный объект.

Наблюдательный Мариотт, кроме того, заметил, что любой массивный предмет заметно сопротивляется попытке резко изменить его местоположение. И это сопротивление было прямо пропорциональным объему тела и его плотности, а значит массе ускоряемого объекта. Так обозначилось свойство вещества, называемое инертностью. Тяжесть (вес) Мариотт считал иным качеством физических тел. Но об отношении тяжелых и инертных составляющих материального объекта механики можно было лишь догадываться.

Один из персонажей галилеева «Диалога о двух главнейших системах мира», приверженец геоцентрической модели мира, выведенный под именем Симплицио (Простачок), на вопрос, что заставляет предметы падать на Землю, отвечал: «Всем известно, что тяготение!» Однако смысловая нагрузка, которую несло это понятие, была двойной. Слово «тяготение» отвечало как состоянию покоя тела (тяжесть), так и состоянию его движения (полет, падение). Это делало околоземную гравитацию не таким уж простым явлением.

Однако то, что в свободном падении тело перемещается ускоренно, а попытка сообщить движение покоящейся массе требует протяженного усилия, направленного на преодоление ее инертности, наводило на мысль, будто любое ускорение, и в том числе природное, надо поддерживать силой.

Термин «сила», издревле укоренившийся в человеческом сознании, до этого обозначал всем знакомое напряжение мышц или субъективное (сенсорное) чувство, возникающее при попытке поднять тяжесть. И точно такое же мышечное чувство человек испытывал при отталкивании объекта от себя. Причем в дальнейшем отторгнутый предмет обязательно падал на Землю сам. И, как оказалось, ускоренно.

Но Земля влекла к себе поднятую ношу тем сильнее, чем больший объем однородной массы человек взваливал на свои плечи. Поэтому Аристотель решил, что чем весомее предмет, тем быстрее он падает. И только Галилей сумел опровергнуть это ошибочное мнение: его опыты по сбрасыванию пушечных ядер с Пизанской башни и тонкие рассуждения доказали независимость гравитационного ускорения от массы пробного тела, небольшого в сравнении с Землей.

Таким образом, во времена Галилея и Кеплера древнее понятие «сила» потребовало, чтобы его употребили в новом смысле. И однажды антропоморфной силе досталась сомнительная роль агента, ответственного за взаимное притяжение массивных тел. Тогда-то у Солнечной системы и объявился еще один центр - центр инерции.

КУДА Ж ТЫ НАС ВЛЕЧЕШЬ,

Если Вы критически посмотрите на законы Ньютона, то придете к заключению, что первый закон природу, а второй закон определяет способ измерения или силы, или массы. Так, может быть, эти Ослепительный свет ньютоновых «Начал…» озарил темную мешанину старых и новых понятий, разрозненных фактов и немногих математических формул с одобрения и при поддержке Эдмунда Галлея, занимавшего высокий пост королевского астронома и занимавшегося проблемой движения комет. Приехав в Кембридж за консультацией по ряду математических вопросов, Галлей спросил Ньютона, по какой траектории вокруг центра притяжения должно, по его мнению, двигаться небесное тело, на которое действует сила, обратно пропорциональная квадрату расстояния до этого центра. Профессор математики незамедлительно ответил, что по эллипсу. Для кометной астрономии это было крайне важно. Поэтому ученый-администратор предложил Ньютону изложить имеющиеся у него доказательства, не стесняясь объемом текста, и все заботы по их напечатанию взял на себя. В итоге летом 1687 года наука получила «Математические начала натуральной философии», ставшие теоретической базой новых представлений о природе вещей.

Ньютон строил свою механику как небесную. Но она успешно сработала и работает в технике. А вот в описании планетных движений однажды обнаружилась ее недостаточность.

Аномальное по отношению к силовой модели тяготения вращение перигелия орбиты Меркурия по-своему объяснила теория относительности. Однако то, что сейчас именуют классической механикой, много шире «Начал» трехсотлетней давности. После Ньютона его теория и развивалась, и совершенствовалась. Она вбирала в себя все новые и новые понятия. Цепочка принадлежащих ей уравнений становилась все длиннее и длиннее. Неизменными оставались лишь аксиомы.

Но это не значит, что постулаты верны сами по себе. Ведь истинность аксиом не доказывается. Она признается большинством. Это значит, что некий набор качественных суждений об известном круге природных явлений (система принципов) держится на консенсусе - соглашении считать их суть понятной.

Правда, ревностным приверженцам старых аксиом, не допускающим и мысли о нарушении консенсуса, постулаты представляются твердой стороной трехмерного пространства научной парадигмы - ее горизонтальной плоскостью, насильно увлекающей вниз любую попытку свежего взгляда далее их привычного и потому вроде бы понятного содержания.

А смысл такого, например, утверждения - «тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующая сила не выведет его из этого состояния» - как будто бы ясен. Мучился ли кто-нибудь сомнением по поводу этого закона классической механики? Безусловно.

И в первую очередь сам Ньютон, вероятно, не сразу решившийся поставить во главу угла столь общее суждение.

Первый постулат классической механики и в самом деле самый странный из всех ее аксиом. Не закон, а так - мнение какое-то. И не только потому, что в приведенной формулировке он не имеет математического выражения. В конце концов закон инерции можно понимать как правило сохранения импульса, однажды полученного телом, и записывать его в виде произведения из массы и скорости.

Но если у массы есть абсолютный смысл (в классической механике), то скорость всегда относительна. Поэтому закон инерции лучше представлять в форме правила сложения скоростей при переходе из одной системы отсчета, перемещающейся прямолинейно и равномерно, в другую такую же. И это алгебраическое правило соответствует принципу относительности Галилея, по которому нет опыта, позволяющего избрать одну из инерциальных систем в качестве главной. А от этого принципа лишь один шаг до линейных преобразований координат.

Так что первый закон ньютоновой механики имеет несколько математических формулировок. И в этом смысле он скорее похож на закон геометрии, чем физики.

А нет ли каких-нибудь опытов, которые заставили бы самого Ньютона отречься от его представлений о беспричинных (инерциальных) перемещениях? Как известно, в прошлом веке такие опыты состоялись. Недоумение, поразившее ученых, убедившихся, что абсолютное пространство Ньютона - всего лишь фантазия, попыталась развеять теория относительности. Эксперименты Физо и Майкельсона-Морли, в которых не выполнялся галилеев закон сложения скоростей, она приняла в качестве основополагающих и возвела на них новое учение о пространстве и времени, материи и движении, массе и энергии.

Но в результате релятивистской атаки на классические воззрения наиболее существенный урон понес именно ньютонов закон инерции. В итоге возникшего мнения о его неполноте старое понятие инерциальности было заменено более широким понятием относительности. Как оказалось, кроме галилеевых есть еще одни преобразования пространственно-временных процессов - лоренцевы. В приложении к простейшему равномерному прямолинейному движению они приводят к новому пониманию механики инерциальных перемещений. Если скорость движущейся массы по величине сравнима со скоростью света, то классические представления об абсолютности и обособленности пространства и времени становятся неприемлемыми. И это лишь на том основании, что, как показал опыт, световая скорость не складывается с галилеевыми скоростями по проверенному классическому правилу сложения инерциальных движений.

Но откуда же взяться скоростям, сравнимым со световой?

Теоретически макроскопическое тело (ньютонова масса) достигает гигантского ускорения и околосветовой скорости вблизи плотного, сильно гравитирующего космического объекта. Вот там-то будто бы и начинают заметно сказываться релятивистские эффекты вроде сокращения длин деформируемых тел и замедления темпов жизни отдельных частиц. Так теория относительности отвоевала у классической механики обширную область для своего приложения, оставив законы Ньютона бытовать в инженерных расчетах, к которым теперь относятся и аэрокосмические.

Но почему же в сильных гравитационных полях нельзя обойтись ньютоновой физикой? Что, там другие массы? Или иные силы распоряжаются их движениями? Нет. Однако силовой механикой и впрямь не стоит ограничиваться. По той простой причине, что даже такое обыденное явление, как свободное падение предметов, она объяснить не в состоянии. Наверное, потому, что ускоренный полет по вертикали расценивается ею как движение неинерциальное, то есть неестественное или, иначе говоря, насильственное. Вот и попробуем понять, что же собой представляет сила, совершающая незаметное насилие над падающим телом. Для этого попытаемся дать ей определение.

Первое, что приходит в голову: сила - это то, что тянет предмет. Второе, более точное: сила - это то, что ускоряет массу, которая сопротивляется этому из-за присущей ей инертности. Третье уже требует каких-то количественных представлений: увлекаемые одинаковыми силами неравные массы ускоряются по-разному. Четвертое несколько сложнее предыдущего:

две неодинаковые массы падают с одинаковым ускорением, так как их ускоряют пропорциональные силы. Пятое определение чисто математическое: сила есть произведение массы предмета на его ускорение. А шестое совсем сложное: сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния между взаимно притягивающимися телами.

Согласимся, что ни одно из приведенных определений не является неверным. И тем не менее ни одно из них не дает определения самой силе. Ведь речь скорее идет о свойствах последней - тянуть, ускорять, зависеть от расстояния и т.п. Но если с происхождением некоторых сил дело обстоит более или менее ясно (груженый состав, например, тянет локомотив, а сани трогает с места лошадь), то с силой, зависящей от расстояния, все не так-то просто. Потому-то Ньютон и выразился однажды с немалым раздражением:

«Предполагать, что тело действует на другое на любом расстоянии в пустом пространстве, передавая действие и силу, это, по-моему, такой абсурд, который не мыслим ни для кого, умеющего достаточно разбираться в философских предметах.»

Похоже, что в данном вопросе основателю силовой теории тяготения изменяла обязательная для него британская выдержка. Да и как можно оставаться спокойным, если природа «открывшейся» тебе «силы всемирного тяготения» столь загадочна, что не находит никакого разумного объяснения?

Между тем, ускоренное перемещение тела в сторону центра притяжения - свободное падение - совсем не обязательно считать результатом силового действия. Ведь наблюдаемое движение можно рассматривать как проявление присущего массе свойства притягиваться и притягивать себе подобное. В этом смысле свободный полет пробного тела по вертикали вниз выглядит процессом естественным в той же мере, как и прямолинейное равномерное движение вдали от тяготеющих масс.

Но если гравитация - всего лишь априорное качество консолидированной массы, то свободное падение не есть результат действия мифической ньютоновой силы и, значит, гравитационное ускорение не является процессом, связанным с динамическими законами Ньютона - вторым и третьим. Тем более, что в падающей лаборатории пробные тела невесомы точно так же, как и в лаборатории, перемещающейся в далеком космосе по инерции. И наоборот, при всем формальном сходстве второго закона динамики и закона всемирного тяготения, масса, увлекаемая вниз гравитацией, и точно такая же масса, ускоряемая такой же по величине реактивной тягой, ведут себя по-разному.

ТЕЛА ПАДАЮТ ПОТОМУ,

Проведем простой опыт. Свяжем тросиком две одинаковые тележки. Пусть одна из них легко передвигается по горизонтальным рельсам, а другая скользит вдоль вертикальной стены, натягивая трос своим весом. Понятно, что сооруженная сцепка, «отпущенная на свободу», будет перемещаться ускоренно, а трос, перекинутый через блочок, будет растянут постоянным усилием, которое легко подсчитать, пользуясь элементарными формулами ньютоновой теории движущих сил.

Пригласим двух смельчаков занять сидячие места в одинаковых по весу тележках. Прикрепив испытателей-близнецов ремнями безопасности к мягким креслам, предоставим сцепке возможность двигаться, следуя известному ей кинематическому правилу. Что при этом ощутят пилоты?

Нижний, сдержано падающий по вертикали, повиснет на ремнях и будет справедливо считать, что это он своим неполным весом тянет за собой напарника. Верхний, перемещающийся с таким же ускорением, что и нижний, будет прижат к спинке кресла инерцией, а к его сиденью собственным весом.

Допустим, что у верхнего гонщика есть реактивный двигатель, смонтированный на шасси его вагонетки. Пусть тяга двигателя подобрана так, что, став самоходной, верхняя тележка перемещается по горизонтали вслед за падающей с ускорением свободного падения. Понятно, что для нижнего испытателя это чревато ничем не сдерживаемым падением вниз. Поэтому после перехода в невесомое состояние он не будет ощущать ни тяжести, ни инертности своего тела. Трос, связывающий тележки, при этом совершенно ослабнет и оба испытателя будут перемещаться независимо, но с одним и тем же ускорением.

Но что же нас так настораживает в ситуации, когда мышечная масса верхнего гонщика напряжена и весом и инертностью, а нижний исследователь совершенно «себя не ощущает»? Ведь, казалось бы, тут все ясно. Да, ясно. Но лишь до тех пор, пока не возникнет мысль, что на нижнего испытателя никакие силы не действуют, поскольку он пребывает в невесомости. Поэтому стоит ли удивляться, что формулу силы притяжения критически мыслящие ученые склонны рассматривать не иначе как четвертый постулат Ньютона из-за невозможности понять: а что, собственно, она собой представляет?

По второму закону Ньютона, равно как и по закону всемирного тяготения, «приложенная» к телу сила «вызывает» его ускоренное перемещение. Если известны масса тела и его ускорение, то «количество внешней силы» находится легко. Достаточно перемножить две заданные величины. Если же «действующую силу» поделить на известную массу объекта, стремительно набирающего движение, то ускорение, хоть это и абсурдно, следует рассматривать как силу, приходящуюся на единицу массы.

Так что же такое ускорение? Удельная сила или мера движения? Что такое масса? Количество вещества или мера инертности объекта? И, наконец, что такое сила - причина свободного падения или формальная мера действия, оказываемого тяготением на падающий предмет, который пребывает в невесомости, то есть в состоянии, понимаемом как бессиловое?

Эти вопросы дискутируются давно. Впрочем, в основе дискуссии, на наш взгляд, лежит недоразумение. Ведь почему-то принято думать, что неинерциальное (ускоренное) движение всегда можно ощутить и, значит, так или иначе измерить «действующую силу». Но представьте, что с пружинным динамометром в руках и с гирькой на его подвесе Вы стремительно приближаетесь к земной поверхности - свободно падаете. Можно ли в таких условиях провести определение «ускоряющей силы» взвешиванием? Нет! Значит по показаниям пружинного прибора нельзя сказать, что Вы с ним перемещаетесь ускоренно? Да! Так является ли сила причиной Вашего неравномерного движения? Кто знает...

А теперь вспомним, что вдали от тяготеющих масс, в условиях, так сказать, «чистой» невесомости, когда отсутствие «внешних сил» не надо доказывать, взвешивание тоже невозможно. Но это значит, что «две невесомости» в первую очередь отличаются кинематическими характеристиками - скоростью и ускорением, а вовсе не присутствием или отсутствием притягивающего тела на пути движущегося. Причем в процессе ничем не сдерживаемого стремления к центру притяжения со временем закономерно растет не только мгновенная скорость движущегося объекта, но и его ускорение.

Соорудим столбик из монет одного достоинства. Понятно, что верхняя монетка имеет меньший вес, чем нижняя, точно такая же по массе. Ведь она отстоит от земной поверхности чуть дальше нижней и, значит, на нее «действует» иная сила. И эта сила будет тем меньше, чем выше составной цилиндрик.

А теперь представим, что цилиндрическое сооружение с осью симметрии, сориентированной на притягивающий центр, свободно падает в так называемом центральном поле сил. В таком случае нижняя монета, «ускоряемая» большей силой, в своем движении опередит остальные и в особенности верхнюю. При этом столбик из одинаковых по массе невесомых элементов со временем будет вытягиваться за счет увеличения зазоров между ними.

Но ускорения верхней и нижней монет различаются не только из-за несходства их пространственных положений относительно центра притяжения: «ускоряющая сила гравитации», стягивающая воедино два больших космических тела, при закономерном убывании дистанции между ними растет тем быстрее, чем больше их массы. Ведь падающий объект тоже служит «центром притяжения», к которому стремится первый центр, покоящийся лишь условно.

Как видно, силовое понимание ускоренного взаимосближения двух космических тел как будто бы подтверждает Аристотеля, считавшего, что тяжелый предмет падает быстрее легкого.

Однако ученые не хватаются за голову: им-то давно известно, что «ускоряющая сила» не является минимумом, позволяющим хоть как-то разобраться в природе всемирного тяготения.

(Вспомним, к примеру, о таком понятии, как «энергия тяготения».) Поэтому гравитация и по сей день загадка. А отсюда избыток всякого рода предположений о ее качественной стороне.

Но эту загадку Ньютон попытался разгадать с помощью силовой гипотезы. Правда, он и сам знал, что «действие сил», столь «очевидное» при растяжении пружины, например, не является окончательным объяснением тяготения и такого связанного с ним явления, как свободное падение.

Великий математик и физик, вероятно, согласился бы с тем, что на самом деле доподлинно верными выглядят установленные им математические начала, а не та натурфилософия, которую некоторые его не особенно вдумчивые последователи развели вокруг небезупречных представлений об «активных», «ускоряющих», «приложенных», «действующих», «действительных», «внешних», «физических», «природных», «всемирных» и тому подобных силах.

А раз так, то попытка отделить ускорение от силы и отказаться от последней хотя бы в теории тяготения, представляется оправданной. Но легко ли это сделать, если в предельно математизированном втором законе Ньютона и в одной из его модификаций, относящейся к тяготению, ускорение, умноженное на массу («инертную» в первом случае и «тяжелую» во втором), дает силу, которую, в зависимости от знака произведения, можно считать и действием, и противодействием?

Знакомясь с небесной механикой Ньютона, мы просто обязаны задаться вопросом - а всегда ли масса сопротивляется «действующей силе», не желая ускоряться? Ведь для одной из сил все же можно сделать исключение. Это знакомая всем «сила тяготения». Судите сами.

Представьте, что на ровной горизонтальной поверхности без движения лежит абсолютно твердое шарообразное тело или «материальная точка», если хотите. Из активных сил на тело «действует» лишь «гравитационная сила», уже являющаяся «приложенной», но еще не ставшая «движущей». В любой момент эта сила вроде бы готова рывком принять на себя инертность пробной массы. Если из под шара мгновенно удалить опору, то он начнет падать. И с самого начала его движение будет неинерциальным - ускоренным. Но окажись у пробной массы свойство противиться «ускоряющему действию силы» инертность, она бы и с места не сдвинулась. Так бы и осталась висеть без опоры в сомнительном «силовом равновесии».

Правда, никто и никогда не узнает, понимал ли сам Ньютон, что сконструировал науку о движении, по которой движения быть не должно? Похоже, что понимал... Ведь о чем-то он предпочел не строить предположений... Однако на поверку «открытая» им «сила тяготения» сама оказывается гипотезой. Быть может, самой гениальной из всех, давшихся человеку.

Вот только отказ от силовых представлений о гравитации автоматически влечет за собой еще один пересмотр классического учения об инерции, сложенного из двух, казалось бы, взаимоувязанных представлений: об инерции как о бессиловом процессе и об инертности как о реакции массы на ускоряющее действие. Да и как обойтись без пересмотра, если налицо парадоксальная несовместимость ньютоновой теории «движущих сил» с сопротивляемостью массы их «активному» влиянию!

В том, что при определенных условиях инерционное противодействие ускорению есть, сомневаться не приходится. Взять хотя бы такой опыт.

Соединим ниткой два одинаковых бруска. Пусть один из них лежит на лабораторном столе, прижатый к столешнице гирькой, а другой висит на нитке, перекинутой через блочок.

Снимем пригруз с верхнего бруска. Сцепка начнет двигаться с ускорением. Легко перечислить факторы, определяющие ее закономерное движение.

Верхний брусок тормозится трением, зависящим от его веса и скорости. Нельзя сбрасывать со счета и трение в блоке. Но если к верхнему бруску привязать нить не непосредственно, а через пружинный динамометр, то в движении измерительный прибор зарегистрирует сопротивление, превышающее трение во много-много раз. И ничего удивительного тут нет. Ведь в рассматриваемом ускоренном перемещении негативную роль играет не только трение, но и инерция верхнего бруска.

Однако нам никогда не удастся понять, а что же растягивает стальную пружинку - инертное качество массы, скользящей по столу, или постоянный по величине вес нижнего бруска (за вычетом трения), увлекаемого тяготением вниз к полу. Ведь в данном опыте одна великая тайна - «сила тяготения» - сцепилась с другой неразрешимой загадкой - «силой инерции». Какая из этих сил сильнее - гравитационная или инерционная?

Латинское слово «инерция» означает «покой», «бездействие». Житейский смысл данного перевода нам вроде бы понятен. Однако в механике суть этих терминов до сих пор не ясна.

«Движущееся тело», «покоящееся тело»... Простота этих фраз обманчива. Ведь за каждой парой закавыченных слов маячит вселенская масса. Указать на силу как на причину ее движения - еще не значит создать механику. Законы механики должны устанавливать правила изменения расстояний между телами за расчетное время.

А если вселенная вечна и бесконечна? В каких координатах и временных рамках изучать беспрестанно перемещающееся вещество? Не являются ли абсолютное пространство классической механики и математическое время, распространенное Ньютоном на всю вселенную в целом, формами субъективного восприятия природы человеческим сознанием, как считал первый серьезный критик «Начал...», философ и высокопоставленный служитель церкви Джордж Беркли?

Отдавая должное силовой теории своего соотечественника, епископ Беркли при этом оспаривал утверждение Ньютона, что сила инерции берет свое начало в пустоте. Правда, сам автор «Математических начал...» так до конца своих дней и не решил, является ли пустым давшееся его воображению «абсолютное пространство» или же в нем есть некая слабо ощутимая среда.

СИЛА ЕСТЬ - УМА НЕ НАДО

«Ньютон знал слабости построенной им теории лучше, чем последующие поколения ученых. Это всегда вызывало во мне чувство почтительного удивления.» - замечал Эйнштейн, по долгу соавтора релятивистской теории, ответственного за ее логико-гносеологическую часть, тонко разобравшийся в гуманитарных тенденциях, преследуемых «Математическими началами натуральной философии». Так какие же стороны ньютонова учения о вселенной слабо обоснованы? Таких сторон, по мнению Эйнштейна, как минимум три.

«1. Хотя повсюду заметно стремление Ньютона представить свою систему как необходимо вытекающую из опыта и вводить возможно меньше понятий, не относящихся непосредственно к опыту, он тем не менее вводит понятие абсолютного пространства и абсолютного времени.»

Но что же побудило творца силовой модели мира к разделению и абсолютизации пространственной и временной компанент движения? Мнение предшествовавших поколений мыслителей? Или христианская космогония - неотъемлемая часть богословия, не позволявшая сомневаться в существовании «чегото» еще до сотворения мира?

Как бы там ни было, но абсолютное пространство не казалось Ньютону необходимым фоном для равномерных прямолинейных движений, относительный характер которых был очевиден. Создателю силовой модели вселенной виделся абсолютный смысл в движениях ускоренных, в которых небесные массы якобы обнаруживают инертное противодействие силам, вызывающим искривление их инерциальных траекторий.

В подтверждение силовых причин криволинейных движений, наблюдаемых в небесах, Ньютон указывал на опыт с ведром, поверхностный слой воды в котором принимал вогнутую форму, стоило ведру задать вращение вокруг оси симметрии.

То, что жидкая масса взбирается по стенкам сосуда вверх, объяснялось присущим весомой материи стремлением перемещаться только прямолинейно. Это якобы и побуждало воду к поискам выхода из замкнутого объема.

Однако столь же приемлемым выглядит и более поздний тезис Маха, согласно которому изгиб водной поверхности во вращающемся ведре есть результат тяготения со стороны материи, рассеянной в бескрайнем пространстве. И это действие, сводящее инертность к гравитации, сказывается тем сильнее, чем быстрее вращается сосуд.

Итак, указывая на параболическое искривление водной глади во вращающемся ведре, творец классического учения об инерции призывал видеть в этом опыте доказательство абсолютного характера насильственного вращательного движения.

При этом абсолютность ускоренного движения вдоль прямой под действием какой-нибудь силы подразумевалась сама собой.

Абсолютным считалось и инертное свойство материи, охарактеризованное Ньютоном как врожденное.

Напротив, тезис Маха вольно или невольно предполагал относительный характер данной нам в ощущениях инертной массы. В самом деле, при неравномерном распределении вещества в бескрайних просторах космоса одна и та же сила должна поразному ускорять две одинаковые (в ньютоновом смысле) массы. Ведь если бы под действием единичной силы пробное тело перемещалось в направлении пространственного сгущения космического вещества, то его инертность была бы не столь же велика, как если бы оно под влиянием той же силы двигалось в противоположном направлении. Поэтому во втором случае ускорение пробной массы должно быть меньше.

Трудно сразу решить, противоречит принцип Маха только ньютоновой механике или здравому смыслу тоже. У физиков нет о нем единого мнения. Одни, например, считают этот принцип надуманным, а другие пытаются подтвердить его экспериментально. Но вот на что хотелось бы обратить внимание.

Незыблемо верной считается связь между ускорением и «действующей силой», на которую масса якобы всегда реагирует инерционным противодействием. Между тем, совсем не обязательно думать, будто в свободном падении движущееся тело противится «приложенной» к нему «гравитационной силе». Давайте вновь обратимся к шаровой массе, из под которой мгновенно ушла опора.

Инертность пробного шара можно ощутить, толкая его от плеча как легкоатлет толкает спортивное ядро. Но если накрыть шар рукой и дать ему возможность свободно падать по вертикали, то никакого давления на ускоренно преследующую его ладонь не будет до тех пор, пока она перемещается вниз точно так же, как ядро. И стоит руке начать двигаться побыстрее, как масса шара, получив дополнительное ускорение, тут же продемонстрирует свою инертность в виде давления на ладонь, до того отсутствовавшего.

Выходит, на разные по природе ускоряющие действия - гравитационное и мускульное (техническое) - объект механики реагирует неодинаково... Так есть ли инертное свойство, вокруг которого происходит столько споров, у тела, падающего ускоренно под влиянием гравитационного фактора? И правильно ли все ускорения считать динамическими? Ведь «гравитационная сила» совсем не то же самое, что и «упругая сила» мышц...

И действительно, любой желающий может убедиться, что при броске масса камня сопротивляется ускорению, задаваемому рукой. А вот продолжает ли камень противиться «действующей силе тяготения» после того, как он выскользнул из пальцев и полетел по параболе? Это трудный вопрос. И принципиальный. Ведь если, следуя Маху, сводить инерционное противодействие каменной массы к притяжению со стороны удаленных галактик, то кто возьмется подсчитать их количество позади падающего предмета с тем, чтобы рассчитать его величину?

Но, так или иначе, и Ньютоном и Махом молчаливо подразумеваются и «движущие качества» силы тяготения и стремление массы противостоять ее «ускоряющему действию». Хотя при трезвом анализе эти свойства сил и масс не выглядят безоговорочными из-за гипотетического характера гравитационной силы, количественные (мерные) качества которой заслоняют тяготение как физический процесс.

А если говорить прямо, то слабость силовой теории тяготения заключается в... силе, необоснованно навешиваемой на любое небесное тело, сошедшее с пути истинного - прямолинейного. И пускай со временем размерность сил стали выражать в Ньютонах. Силы от этого не обрели реальности. Ведь любая из них получается умножением массы на ускорение. Но если масса реальна, а ускорение наблюдаемо, то кто сказал, что их мультипликативная комбинация (произведение) тоже действительна?

К чести создателя силовой теории гравитации, он и сам догадывался об ирреальности силы как причины искривления траекторий небесных тел.

«2. Введение мгновенно действующих на расстоянии сил для представления гравитационных эффектов не соответствует характеру большинства явлений, знакомых нам из повседневного опыта. Ньютон предупреждает эти возражения, указывая, что на его законы следует смотреть не как на окончательное объяснение, а как на выведенное из опыта правило.» - замечает Эйнштейн, продолжая разбор слабостей ньютоновой теории небесных движений.

Подчеркнем, что круг опытов, на которые Ньютон мог опереться в своих теоретических построениях, был ограничен. И в конце концов он был разорван экспериментами, ставшими прелюдией теории относительности. Но, отдавая должное стремлению родоначальников великих теорий отталкиваться от опытных фактов, не надо забывать, что ни один из них не испытал на себе состояния инерциального движения, характеризуемого полным отсутствием «внешних сил». Иначе пришлось бы сосредоточиться на проблеме: почему в свободном падении по вертикали чувствуется та же невесомость, что и в бессиловом движении по прямой где-нибудь в далеком космосе?

Однако до анализа собственных ощущений большим физикам опускаться не пристало. Гораздо важнее умозрительно понять, как две взаимно гравитирующие массы «умудряются знать» о присутствии друг друга на расстояниях, несравнимо более значительных, чем размеры человеческого тела? Ведь представление о силах гравитационного взаимодействия не допускает мысли о влиянии массы на своего контрагента без проводящей среды.

Поэтому, отводя в сторону навязчивую идею о силопередающей среде, Ньютон изрек знаменитое «гипотез не измышляю» и указал магистральный путь развития физики на все последующие времена: «нет достаточного запаса опытов, коими законы действия этого эфира были определены и показаны.»

Впрочем, и мы должны спросить себя: «А достаточно ли показательны опыты, определяющие так называемые действительные силы?» Ведь бездумное оперирование наглядностью таит в себе опасность серьезных заблуждений. Вот какая история случилась однажды.

Некая мама-студентка, завершавшая педагогическое образование по физике, как-то решила, что ее трехлетний сынишка с раннего возраста не должен питать никаких иллюзий по части устройства вселенной. Она подозвала к себе мальчика, катавшего мячик по асфальтовой площадке, и сообщила ему, что наша Земля круглая. «Как твой мячик», - пояснила она, - «но только очень большой!» Малыш был несколько удивлен, но в конце концов он видел, что асфальт не везде ровный. Что такого, если вдали он плавно загибается?

Настоящее потрясение мальчик испытал через несколько дней. Мамаша, вспомнив об однажды начатом уроке, стала объяснять ему механизм смены дня и ночи. И сын вдруг узнал, что живем мы снаружи Земли-мячика, а не внутри, как он сперва подумал. Ведь опыт убедил его, что на выпуклой поверхности устоять невозможно. Достаточно попробовать уравновесить на мячике тяжелый камень. А вот внутри мяч похож на чашку. В этом юный исследователь уже убедился: однажды он распорол резиновую игрушку, желая дознаться до причин ее прыгучести.

Посмеемся над наивностью маленького мальчика, в несколько дней совершившего путь познания, который человечество прошло за тысячелетия. Но не будем забывать и о собственной неразумной вере в «силы природы». Ведь ореолом загадочности они обязаны тому, что на самом деле их нет. Хотя можно написать не одну сотню уравнений, члены которых будут иметь размерность силы.

Но разобраться в том, что же такое «сила тяготения», всетаки можно. Достаточно понять, что гравитация - это явление, а «гравитационная сила» - некая искусственная конструкция, существующая лишь в нашем воображении и позволяющая решать некоторые задачи статики, кинематики и динамики.

Впрочем, бездумным последователям Ньютона предстоит разбираться не только с проблемой определения «гравитационной силы». Как отмечал Эйнштейн, наперечет знавший слабости классической механики, «3. Учение Ньютона не давало никакого объяснения тому в высшей степени замечательному факту, что вес и инерция тела определяются одной и той же величиной (массой).»

Более того, добавим, что учение данный факт порождало.

В самом деле, почитаемое неотъемлемым свойство массы сопротивляться ускоряющему действию - инертность - является самой большой трудностью классической физики. Ведь если инертность массивного тела очевидна в том случае, когда причиной его ускоренного движения, к примеру, является распрямляющаяся пружина, то в свободном падении то же самое тело уверенно награждать этим свойством нельзя. А ведь оно числится за ним с тех самых пор, как «...Ньютон вынужден был ввести в качестве гипотезы силу притяжения, обратно пропорциональную квадрату расстояния между взаимодействующими материальными точками.» (А. Эйнштейн.) Но даже если «гравитационная сила» и в самом деле играет роль движителя, то все равно не мешало бы прикинуть, подчиняется ли масса ее воле без сопротивления или все-таки чутьчуть упирается, не желая запросто выходить из состояния покоя? Не здесь ли истоки многочисленных недоразумений с силами инерции, вопрос об источнике которых навсегда останется открытым для тех, кто безоговорочно верит в реальность «физических сил» и первой среди них - «силы тяготения»?

Так уж повелось со времен Ньютона, что за любым ускоренным перемещением нам мнится «движущая сила», воображаемый характер которой тут же становится очевидным, стоит лишь как следует присмотреться к физической натуре.

Силы - это бестелесные математические модели. Поэтому тот, кто первым решил, что подброшенный предмет падает обратно под действием «силы тяготения», невольно обманулся сам и ввел в заблуждение других. Но если тяготение все-таки можно понять без силы, то трудность с инертным свойством массы в его классическом понимании вряд ли преодолима.

Вспомним, что вводится сомнительная инерция первым постулатом Ньютона, в законодательном порядке утверждающим, что единственное в природе бессиловое движение - равномерное и прямолинейное. Но если однажды «инерциальное перемещение» вдруг обрывает «действительная сила», то сначала следовало бы разъяснить, что она фактически из себя представляет.

Странная ситуация с основами механики сохраняется уже долгое время. Силы, вводимые в расчеты, по сути абстрактны.

Не имеет значения, «физические» они или «инерционные». И те и другие незримы. Но их можно измерить, так как вроде бы они ответственны за деформацию материалов и сокращение мышечных волокон. Взаимодействие масс через пустоту объективно как явление, но его как будто бы нельзя понять без абстрактного агента - силы, антропоморфизм которой настораживает.

Ключом к проблеме является высказывание Ф. Энгельса:

«Это старая история. Сперва создают абстракции, отвлекая их от чувственных вещей, а затем желают познать эти абстракции чувственно... 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.»

Но кто же он - этот заблудший эмпирик? Механик-практик или теоретик-вычислитель? А может быть, оба - выговаривающие друг другу за путаницу с основами силовой механики?

Похоже, что в первую очередь практик, ратующий за реальность инерционных сил. Ведь он не может не учитывать инерцию при конструировании движущихся частей машин и механизмов. Поэтому для него сила инерции - существительное, существующее, правда, лишь в его ощущениях и чуть выше них в его воображении.

Однако будем осторожны с ярлыками. Теоретику, уверенно оперирующему символами, тоже следует отвести глаза от бумаги, оглядеться вокруг и задуматься: а способны ли его чернильные векторы-силы, прекрасно зарекомендовавшие себя в практике вычислений, ускорять вселенские массы и удерживать в органическом единстве живую ткань вечной и бескрайней матери-природы? Ведь Ньютон не только начертал для него формулу силы, но и не забыл предупредить, что на этом, похоже, заканчивается возможное знание о ней. Гений был строг к себе и даже собственной фантазии не позволял буйствовать. И потому глубоко сомневался в том, что подброшенный предмет падает обратно под действием «приложенной» к нему силы.

«Причину этих свойств тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений... Все же, что не выводится из явлений, должно называться гипотезой. Но гипотезам метафизическим, механическим, скрытым свойствам не место в экспериментальной философии. Гипотез я не измышляю. Довольно того, что тяготение на самом деле существует и действует согласно изложенным нами законам и вполне достаточно для объяснения движений всех небесных тел.»

Есть доля пессимизма в этом признании творца первой механической модели мира... И все же до сих пор на силовую механику мы смотрим как на высочайшее достижение человеческой мысли! Ведь пока ей нет достойной замены, несмотря на неясность ее физических основ.

Считать силу движущей причиной можно лишь по недомыслию. Ведь, заглядывая далее силы с желанием дознаться до первопричины перемещения, происходящего на наших глазах, мы всегда обнаружим какой-нибудь вещественный фактор, будь то струйное истечение газа из реактивного сопла (или его давление на поршень), упругость твердого тела (восстанавливающего свою первоначальную форму или расширяющегося за счет подводимого извне тепла) или реализуемое в падении взаимное притяжение двух тел, силовая (потенциальная) модель которого не лишена недостатков.

Но если гравитационное ускорение - очевидный факт, а сила тяготения фактически ничего из себя не представляет, то непонятно, почему массе, являющейся единственным объектом инженерной механики, отводится в ней лишь роль коэффициента пропорциональности в формуле второго закона Ньютона?

Достаточно ли считать массу мерой инертности тел в одних случаях и мерой их способности гравитировать в других? Быть может, стоит сделать массу мерой всех вещей, в том числе пространства и времени?

Такую попытку однажды предпринял Генрих Герц, не остановившийся на критике ньютоновых представлений о мире, а смело предложивший свою альтернативу.

НЕ В СИЛЕ - ПРАВДА, А В ПРАВДЕ - СИЛА

Я отказался от движущих причин и полностью изгнал из механики силы, представляющие собой туманные понятия, способные После Ньютона небесная механика развивалась, совершенствовалась и трудами нескольких поколений ученых превратилась в мощнейшую вычислительную систему. Зыбкими и неясными оставались лишь ее основания. Поэтому Герц и озаглавил свой труд «Принципы механики, изложенные в новой связи».

Так что же не устраивало первооткрывателя электромагнитных волн в расстановке постулатов ньютоновой науки о движениях?

«Введение в механику очень трудно излагать вдумчивым слушателям, не ощущая при этом необходимости то тут, то там приносить этим слушателям, конечно, не без некоторого смущения, извинения, и не испытывая желания поскорее перейти к примерам, которые говорят сами за себя.» - замечал Герц в предисловии к своей последней работе. И подчеркивал, что силовое моделирование взаимодействий космических масс позволяет ответить на вопрос, как происходит то или иное движение. Но на вопрос: «почему оно происходит?» ни в коем случае нельзя отвечать: «потому, что действует сила!»

Моделируя, например, тяготение силами, нет никакой возможности разобраться в их природе. Быть может, потому, что мы отвлеклись от действительной причины движений в небе?

Не эфир ли гоняет звезды по пространству? Может быть, эфирной круговерти следуют небесные тела?

Надо знать, что во времена Герца закон всемирного тяготения уже несколько поблек. Выяснилось, что «движущую силу тяготения» можно проинтегрировать или получить из потенциальной энергии дифференцированием. И в том, что понятие энергии запоздало со своим рождением, оказался виноват... Галилей, не заметивший, что в свободном падении скорость тела возрастает пропорционально пройденному пути, а не только времени, которое он поначалу отсчитывал по ударам собственного пульса.

«Именно этому ничтожному историческому обстоятельству следует приписать то, что понятие работы с таким трудом приобрело современное свое значение.» - писал на рубеже веков Э.

Мах, один из немногих знатоков классической механики, умевший видеть ее в движении, то есть в историческом развитии.

«В самом деле, вследствие того, что зависимость между скоростью и временем была случайно найдена раньше, соотношение v = gt должно было показаться первоначальным уравнеgt 2 v нием, h - ближайшим и уравнение gh - более отдаленным следствием. С введением понятия массы m и силы F основные уравнения механики.

Таким образом, понятия силы и количества движения (mv) должны были показаться первоначальнее, чем понятия работы (Fh) и живой силы (mv2). Нет поэтому ничего удивительного в том, что везде, где появлялось понятие работы, делались попытки заменить его понятием исторически более старым... Если бы падение тел исследовал Кеплер, не останавливавшийся и перед сложными допущениями..., ход развития динамики оказался бы существенно иным.» Или же астродинамики не было бы вовсе, добавим мы от себя, имея в виду сомнительность приложения сил к описанию небесных движений.

Итак, исторический приоритет оказался за силой как бы случайно. Энергия несколько поотстала. Но пришли иные времена. Настал век использования различных видов энергии, паровой, например. Однако споры о природе «движущих сил» не прекратились, несмотря на то, что сил в природе нет. Удачно смоделировав некоторые процессы абстрактными величинами силами, мы почему-то упорно стремимся разобраться с ними, отвлекаясь при этом от действительных причин движений, каждодневно творящихся вокруг.

Поэтому, когда говорят, что «силы работают», не надо понимать это буквально. Никакой работоспособности у них нет.

Их деятельные свойства ограничены рамками математических формул и далее не распространяются. Но именно «действующие силы» питают фантазии о вечном двигателе. Кроме того, фантазийные силовые представления возбуждают несбыточные надежды на преодоление тяготения с помощью антигравитации. Не лишне добавить, что так называемые «физические силы» по индукции породили проблему сил инерции, неопределенные качества которых иногда даже пытаются запрячь в работу.

Мы считаем силу движущей причиной только по традиции.

И эта традиция возникла потому, что антропоморфное представление о силе дается легко и сложилось гораздо раньше более глубоких понятий работы и энергии. Кроме того, математизировать абстракцию - силу тяготения - не составило труда.

Ведь, сбрасывая пушечные ядра с Пизанской башни, Галилей, предшественник Ньютона, убедился, что при приближении к Земле они перемещаются все быстрее и быстрее. Так было обнаружено пропорциональное времени увеличение скорости падающего предмета и возникло понятие ускорения. А произведение массы на это ускорение получило название «сила».

Между тем, как-то осталось незамеченным, что в падении скорость тела нарастает пропорционально пройденному им пути. Это упущение и обусловило приоритетное положение силы.

А свою геометрическую плоть воображаемая сила обрела в рамках векторной алгебры и дифференциальной геометрии.

Правда, при ближайшем рассмотрении видно, что векторнодифференциальному определению поддается не cила, а ускорение, причиной которого она якобы является. Мощь математического аппарата, безусловно, сыграла ведущую роль в том, что силу стали воспринимать как некую реальность. Математика в известной мере прикрыла собой вторичный, то есть производный характер силы. И тут надо заметить, что как скорость, так и ускорение можно определять не только дифференциально.

В рамках ньютоновой теории скорость выступает как производная от пути по времени. Однако в равномерном прямолинейном перемещении простейшую из мер движения надо понимать как фиксированное отношение длины к длительности.

В самом деле, какой бы долгий путь ни пробежало пробное тело, двигаясь вдоль прямой, любому отрезку этого пути (числу) можно поставить в соответствие некоторый период времени (тоже число). Тогда скорость будет отношением этих чисел.

Мы привыкли думать, что значение скорости нельзя найти без линеек и часов. Однако в технике, например, скорость измеряют спидометром, а физики, занимающиеся экспериментальным изучением элементарных частиц, давно умеют оценивать скорость одной частицы скоростью другой, принимая одну из этих скоростей в качестве единичной.

В свободном падении постоянное по величине ускорение пробного тела тоже допускает числовое определение, альтернативное аналитическому. Ведь Галилей, исследуя процесс падения, и не подозревал, что ускорение - это предел отношения элементарного приращения скорости к элементарному приращению времени, когда последнее стремится к нулю. Он экспериментально установил, что падающее тело пробегает 1, 3, 5, 7 и т.д. единиц длины в каждую следующую одна за другой секунду. При этом полный путь тела по истечении счетного количества секунд равнялся 1, 4, 9, 16 и т. д. единицам расстояния.

Ясно, что Галилей принимал за единицу путь, который падающее тело проходит в первую секунду полета вниз. И он заметил, что расстояние от начала этого пути увеличивается пропорционально квадрату времени, тогда как скорость падения за каждую секунду прирастает на одну и ту же величину. А это говорит о том, что дифференциальное определение ускорения, постоянного по своему значению, не является единственным.

В том, что гравитационное ускорение не связано с силой, мы уже удостоверились. И падение вниз, и полет по параболе процессы кинематические. Силы в них не участвуют, чего не скажешь о тяготении. А раз так, то нужно думать, что наблюдаемые движения - прямолинейное и параболическое - происходят как бы по инерции, то есть ненасильственно.

Хотя в целом концепция «гравитационной силы» сработала успешно. Правда, из-за того, что она порождала ряд псевдопроблем (с источником сил инерции, например), делались попытки избавить небесную механику от понятия силы.

Подчеркивая законность высказанных Герцем сомнений по поводу естественности главного понятия ньютоновой механики, Анри Пуанкаре, один из ведущих конструкторов теории относительности, еще в конце прошлого века задавался резонным вопросом: «...не являются ли силы, которые мы вынуждены ввести, на самом деле бесполезным механизмом, работающим вхолостую?» И добавлял: «...система, которая освободит нас от них, уже этим одним будет лучше нашей.» Такая система и была предложена Герцем, причем своевременно.

Кризисная ситуация вокруг восходящих к Ньютону силовых представлений в небесной механике, возникшая через два столетия после появления «Математических начал...», была вызвана не только тем, что эксперименты со светом не подтвердили галилеева правила сложения скоростей. Как сказано в статье А.

Григорьяна и Л. Полака «Основные идеи механики Герца», «...до середины XIX века полным объяснением явлений природы считалось сведение этих явлений к бесчисленным, действующим на расстоянии силам между атомами материи. Но в конце XIX века, под влиянием резко возросшего значения принципа сохранения энергии, физика стала предпочитать рассматривать «относящиеся к ее области явления как превращение одной формы энергии в другую и считать своей конечной целью сведение явлений к законам превращения энергии.» Тогда в механике понятие силы уступает место понятию энергии.»

Немного времени спустя в рамках теории относительности получила жизнь идея эквивалентности массы и энергии. Тогда масса-энергия, вырвавшись из-под спуда сил, вновь попала в центр внимания науки о природных движениях. Но понятие «энергия» оказалось не менее неясным, чем понятие «сила», не имевшее отношения к механике до появления теории Ньютона.

Проследим логику, что привела автора натурфилософской модели тяготения к известным представлениям о гравитационной силе, в итоге оказавшейся математическим артефактом.

Издревле деятельный человек ощущал вес как мышечное напряжение. А для его обозначения люди придумали слово.

(Этот шаг, обязательный при становлении и развитии языковой культуры, ученые-лингвисты называют номинализацией.) Обиходное слово «сила», сначала произносимое, а потом записываемое, внедрилось в синтаксис, став членом предложения. В предложениях вроде «сила удерживает» и «сила перемещает»

данное имя оказалось на месте существительного. Но по смыслу, то есть семантически, «сила» – это несуществующее существительное, поскольку обозначает не предмет, а ощущение предмета, воспринимаемого как вес, поддающийся измерению.

Таким образом, по происхождению «сила» антропоморфна, что, однако, не помешало Ньютону сделать это нейрофизиологическое понятие физическим термином, обозвав его именем заглавный символ формулы, объявленной законом тяготения.

Как видно, история, начавшаяся в глубокой древности номинализацией мышечного напряжения, была продолжена формализацией веса, как его причины. А завершением этой долгой истории должно стать всеобщее осознание того факта, что по сути (то есть онтологически) антропоморфная сила не только несуществующее существительное, но и артефакт теории тяготения. Ведь под влиянием гравитационного фактора масса (как единственный объект механики, обладающий свойством движения) может быть невесомой (например, в свободном падении).

Поэтому силу, склоняемую в рамках синтаксиса, но беспредметную по семантике, нельзя считать категорией физики по причине отсутствия онтологического содержания.

В наступившем космическом веке любознательному человеку нетрудно вообразить себя космонавтом, парящим в невесомости где-нибудь в межгалактическом пространстве в отсутствие каких бы то ни было внешних сил. Допустим, что система жизнеобеспечения космонавта представляет собой большую прозрачную сферу, о вращении которой он и не догадывается.

Пусть на экваторе, выделяющемся благодаря вращению, в материал сферы вмонтирован некий предмет. Увидев нечто, пролетающее мимо него, космонавт протягивает руку, ловит заинтересовавшую его вещь и... испытав рывок и удар о прозрачную стенку оказывается в мире искусственной «силы тяжести». Причем в скачкообразном переходе из вселенной, где никаких сил не было, в мир «сил инерции» есть что-то неприятное, как во внезапном появлении из пустоты телесной вещи, представляющей немалую опасность.

Покинуть мир искусственного притяжения у пленника инерции есть две возможности. Он может отправиться пешком к одному из полюсов сферы и в конце концов где-то возле него «упадет» обратно в невесомость. С другой стороны, космонавт может попробовать разбежаться по экватору в направлении, противоположном вращению полого шара. И тогда он, может быть, сумеет оторваться от его внутренней поверхности, совершив напоследок отчаянный прыжок. Но при этом он затратит определенную энергию на разгон и толчок.

Вот только против каких сил будет совершена немалая мышечная работа по «подъему» тела в невесомость? Против сил инерции? Но ведь они фиктивны! Правда, так считают те, кто уверен, что тыл этого мнения прочно обеспечивают «действительные силы» и первая среди них - сила тяготения. А с ней, как мы убедились, не все чисто.

Напротив, приведенная задача о космонавте, перекочевывающем из невесомости в мир искусственной тяжести и обратно, заставляет думать в первую очередь об энергии. Ведь ни о каком поле сил инерции говорить не приходится. И, значит, никогда не удастся решить, какая энергия в данном случае переходит в какую - кинетическая в потенциальную или наоборот?

Векторному изображению силы, действующей на космонавта, следует противопоставить его напряженные мышцы. А это делает сомнительной наглядность любых демонстрационных опытов с силами и обязывает считать физические качества последних придуманными. Но уж совсем не наглядными являются представления об энергии.

«Разделение энергии на две существенно различные части кинетическую и потенциальную энергию - должно восприниматься как нечто неестественное... Герц счел это таким неудобством, что в своей последней работе даже пытался освободить механику от понятия потенциальной энергии (то есть силы).» отмечал Эйнштейн, не оставивший без внимания смелую попытку Герца по-своему реорганизовать основы науки о движении космического вещества.

Высказывал недоумение по поводу потенциальной энергии и Анри Пуанкаре: «Чтобы материализовать энергию, нужно ее локализовать; в отношении кинетической энергии - это просто, но не так обстоит дело с энергией потенциальной. Где локализовать потенциальную энергию, вызванную притяжением двух небесных тел? В одном из двух? В обоих? В промежуточном пространстве?»

А ведь связь потенциальной энергии с силой и в самом деле обязывает к осторожности. Тем более, что определение потенциальной энергии, по словам Пуанкаре, вызывает трудности, почти такие же, как и определение силы. Детально разбирая новые для механики идеи Герца, он отмечал: «Материальная точка, кажущаяся нам свободной, не описывает, тем не менее, прямолинейной траектории. Прежние механики говорят, что точка отклоняется от прямой потому, что она подчиняется какой-то силе; Герц говорит, что она отклоняется потому, что не свободна, но связана с другими невидимыми точками.»

И, сопоставляя теорию Герца с предшествовавшими ей системами - силовой и энергетической, а те друг с другом, Пуанкаре подчеркивал: «Обсуждение показывает, что переход от классической системы к энергетической является прогрессом, но одновременно оно показало, что этот прогресс недостаточен...»

Поэтому, считая силу «математической вспомогательной конструкцией» и стремясь найти выход из не укладывавшейся в воображение ситуации с потенциальной энергией, Герц отождествил энергию положения материального тела в потенциальном поле с... кинетической энергией перемещающихся в пространстве эфирных масс.

Ну, что же... Теоретик может позволить себе бездоказательное утверждение с тем, чтобы потом получить из него следствие, поддающееся проверке.

Однако побудительным моментом, заставившим Герца искать альтернативу силовой (получившей завершение в учении Лагранжа об «обобщенных силах») и энергетической (гамильтоновой) механикам, было то, что «...старые теории... вынуждены предполагать кроме видимых тел какие-то невидимые сущности; классическая теория вводит силы, энергетическая - энергию; но эти невидимые сущности, сила и энергия, имеют неизвестную таинственную природу...»

Из неприятия загадочных сущностей и вытекал эфирный постулат Герца: «...гипотетические сущности, которые предлагаю я, имеют, наоборот, совершенно такую же природу, как и видимые тела. Не проще ли это и естественнее?»

Но в том-то и дело, что аргументация такого рода может быть принята наукой лишь после того, как будут обнаружены явления, предсказанные новой аксиоматической теорией, или на ее основе получат объяснение факты, не укладывающиеся в рамки старых представлений. Ведь, как считал Д. Менделеев, «у научного изучения предметов две основные цели: предвидение и польза.» Вот только ни до одной из этих целей теория Герца не дотянула. Его эфир, по-видимому, такая же фикция, как и ньютонова «действительная сила». Как среда, в которой и вместе с которой происходят движения тел, он уверенно забракован экспериментальной физикой... Однако и сейчас гипотеза незримой среды некоторым ученым представляется состоятельной.

И вот что интересно. Из специалистов, отдающих ей предпочтение, большинство занимаются электромагнетизмом, как Герц в свое время. В силу профессиональной принадлежности эти люди постоянно имеют дело с колебаниями и частотами, которые объединяет понятие волны. Волна распространяется, а для ее распространения необходима некая среда.

Таков один из немудреных вариантов гносеологии эфирной концепции. Волновые уравнения, которые формализуют некоторые физические процессы, усиливают ощущение ее справедливости. Поэтому в наше время предпринимаются попытки обнаружить волновые свойства у гравитации. Но удастся ли на этом пути свести воедино локальное и глобальное, инерцию и тяготение, слабое и электромагнитное взаимодействия?

Историография науки приписывает Ньютону «открытие»

силы тяготения. Сколько восторженных фраз сказано по этому поводу! А ведь Ньютон, сам не зная того, сделал открытие, несомненно, более важное. Он смог количественно определить массу - такую характеристику объекта классической механики, которая сохраняется за ним независимо от места пребывания и обстоятельств движения.

Правда, по этому поводу восхищение не выражается. Наверное, потому, что масса - это все видимое и ощущаемое человеком. Она - несомненно существующее существительное, быть может, единственное в этом мире, построенном на гравитационном и электромагнитном взаимодействиях.

Теория взаимодействий вселенского вещества - недописанная страница физической науки. И ученым известно, что можно составить обширнейший свод критических замечаний в адрес силовой механики, например. Правда, это не приостановит издания и переиздания ее учебных курсов. Ведь тиражировать критику бессмысленно, а выпускать учебники необходимо.

Теоретическая механика - рабочая дисциплина. Ее уравнения нисколько не страдают от того, что силу, строго говоря, нельзя отнести к понятиям физическим, таким, например, как «масса», «движение», «взаимодействие».

Однако критический анализ силовых представлений необходим. Аксиомы не вечны, хотя споры вокруг них могут продолжаться веками. Опровергнуть постулаты нельзя. И только опыт способен продемонстрировать ограниченность старой аксиоматической системы.

Правда, при попытке отыскать новые основания небесной механики неизбежно встанет вопрос: а какие понятия совершенно необходимы для описания такого сложного процесса, как движение вещества? Ведь излишнее их количество существенно отягощает наши представления о физической реальности (достаточно вспомнить о силе), а их недостаток вообще не поддается оценке. Тем не менее, один только акт изгнания сил из круга основных физических понятий сразу меняет многое.

Несомненно, что критика силовых представлений Ньютона, предпринятая Беркли, Махом, Герцем и другими, заметно повлияла на формирование нового мировоззрения, называемого теорией относительности. Ведь эта теория вместо концепции дальнодействующей силы взяла на вооружение идею геометризации пространства-времени, искривленного неизвлекаемой из него массой-энергией.

ТОЧКА ОТСЧЕТА

«ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ»

Коперник доказал, что Птолемей был неправ... Галилей доказал, что Аристотель Сжатая в точку Вселенная ждала подходящего момента, чтобы взорваться. И этот миг настал...

Что унаследовала релятивистская теория от своих предшественниц? Как она интерпретировала опыты, противоречившие ньютоновым представлениям об абсолютности и неуничтожимости пространства и времени? Об этом понаписано столько, что без скучных повторений здесь вряд ли удастся обойтись... И только критический анализ релятивистских воззрений на мир может чуть-чуть взбодрить просвещенное сознание.

Но надо бы знать, что критических атак на релятивизм в физике (в том числе и неприязненных) было немало. Однако, какой бы вызывающей ни выглядела та или иная критическая поза это еще не позиция, достойная внимания, а тем более - уважения. Так какая же позиция может послужить твердой опорой желающему внести свои поправки в теорию относительности?

Прежде всего заметим, что любая большая теория тем и сильна, что самые разные явления нанизывает на единый метод, подводя под них свою оригинальную концепцию. Ведь «преобразования Лоренца, закон эквивалентности массы и энергии, красное смещение, искривление световых лучей вблизи больших масс или вращение перигелия Меркурия - все это можно вывести и без теории относительности.» (Э. Кольман).

Но раз одинаковые количественные результаты получаются различными способами, то бесполезно искать ошибки в решениях задач, включенных в релятивистский канон.

Но с другой стороны даже верные вычисления не являются доказательством всеохватности аксиоматических устоев той или иной расчетной модели. Поэтому вряд ли кому удастся поколебать теорию относительности новыми решениями отдельных задач, и без того подвластных ее математическому аппарату.

Но, может быть, в релятивистской теории есть недоработки и обнаруживаются трудности, преодолеть которые она не в состоянии? Не сыграют ли они роль Троянского коня, скрывающего в своем темном чреве грядущего разрушителя?

Конечно же, внутренние проблемы имеются, равно как существует проблема соответствия между теорией относительности и физической реальностью. Иначе эта теория скоро перестала бы быть актуальной и ее развитием никто бы не занимался. А так нет-нет, да и соберутся ученые подискутировать. Понятно, что их сообщения носят сугубо специальный характер, маловразумительный для «человека с улицы». Ведь обсуждаются вопросы, не угодившие в фарватер технической мысли, вытекающей иногда, как это ни прискорбно, из академической заводи, в которую схоласты со временем превращают логические истоки любой теории, выдаваемой за основание техники.

А поскольку начала определенной системы знаний принято столбить аксиомами, то призыв разобраться в принципах адепты воспринимают не иначе как неразумную попытку повернуть течение научной мысли вспять. Хотя консерватизм, не доведенный до крайности, безусловно служит зароком устойчивого развития некоей теоретической предпосылки в строгую научную дисциплину.

Так уж повелось, что постулаты любой теории являются наиболее охраняемой ее частью. Поэтому в среде специалистов сомневаться в чистоте начал вслух не принято. Правда, трезвые мыслители сознают смутность первоосновных положений той или иной упорядоченной системы знаний и при этом волейневолей принимают их на веру.

Но именно вероисповедальный характер принципов, как свечной огонь бабочек-однодневок, притягивает неопытных любителей налегке порассуждать на труднейшие темы, лишь иногда затрагиваемые фундаментальной наукой, не знающей определено, в каком месте ее переднего края произойдет следующий прорыв разума к истине. И дилетанты облюбовывают давно обойденные ею тупики...

Так к настоящему времени успели оформиться по крайней мере пять идей, проглатывающих своих энтузиастов без следа.

Речь идет о вечном двигателе, об инерциоиде, якобы воплощающем двигательные свойства сил инерции, о преодолении тяготения посредством противонаправленного силового вектора, о машине времени и об эфироплавании всего того, что не является эфиром. (В отношении последнего хочется узнать - если эфир никак не влияет на движения в нем, сам будучи носителем этого движения, то зачем он нужен, а если влияет, то почему до сих пор этого не заметили?) Не питает ли сама физическая наука отброшенные ею псевдоидеи тем, что до сего времени не решила проблему собственных оснований, продолжая оперировать такими смутными понятиями как «пространство», «время», «действительная сила» и «потенциальная энергия», например? И на какие сущности может твердо опереться нынешняя физика, так и не решившая, что в окружающем нас мире является подлинно реальным?

Если о чем-то можно говорить определенно, то без сомнения существуют лишь масса да движение. Все остальное - «сила», «потенциальное поле», «пространство», «время» и т.д. возникает лишь как нечто вспомогательное в рамках известных методов математического моделирования природных процессов.

Между тем, может быть именно из-за зыбкости своих гуманитарных (гносеологических) основ, неотработанности понятийно-терминологической базы, а также из-за усложненности методологии, разлагающей известные кинематические характеристики природных движений на пространственный и временной компоненты, теория относительности не всегда адекватна физике тех процессов, которые она сносно описывает, но невразумительно объясняет, порой выходя за рамки здравого (инженерного) смысла. И это при том, что еще в пору становления релятивистской механики одним из ее апологетов - Г. Минковским было заявлено:

«Отныне пространство само по себе и время само по себе уходят в мир теней, и сохраняет реальность лишь их своеобразный союз.»

Тогда между пространством и временем впервые был поставлен знак «плюс»... И оставалось лишь приравнять записанную сумму чему-то объективному - движению, например. Но...

продолжим поиск минусов теории относительности.

Если внимательно присмотреться к релятивистской механике, опирающейся на расширенное за счет преобразований Лоренца понятие галилеевой относительности, то можно заметить, что она строит свои рассуждения так, как если бы эфир - та самая абсолютная система отсчета - был. Только в специальной теории относительности (СТО) за абсолют принимают скорость света, а в общей (ОТО) - потенциал тяготения, к которому привязывают частоту электромагнитных колебаний.

Как видно, теория относительности достаточно эфиронаполнена и эфир, выступая под именем «пространства-времени», является ее тайным постулатом.

Однако примут ли ОТО и СТО этот упрек в свой адрес?

Пусть даже нет... Но некоторым непоследовательным противникам релятивистской теории до сих пор кажется, что достаточно к ее принципам пристыковать постулат о светоносной среде, как эта теория тут же придет в соответствие с реальностью. Им кажется, что, признав существование эфира, наука далее может не заботить себя трудными поисками истины. Особенно если вдруг будут обнаружены гравитационные волны...