Страница:
3 Boyle R. Tractatus de ipsa natura. Genevae, 1688, p. 20-22.
4 Ibid., p. 75.
Взгляды Спинозы на сохранение тел и их состояний имеют особое значение для идейных истоков теории Эйнштейна. Классический принцип относительности, однородность пространства и сохранение скорости предоставленного себе тела были для Эйнштейна не просто одной из физических идей XVII в. Они были для него воплощением мировой гармонии, объективным ratio мира, подчиненного всеобщей причинной зависимости и свободного от всяких некаузальных воздействий. Именно поэтому Эйнштейн сосредоточил свои интеллектуальные силы (они оказались гигантскими!) на обобщении указанной идеи. Истоки подобного понимания инерции и относительности инерционного движения идут от Спинозы.
91
Излагая философию Декарта, Спиноза связывает инерцию с сохранением состояния каждой вещи, поскольку она рассматривается как нечто единое [5]. Отсюда следует, что "тело, раз пришедшее в движение, продолжает вечно двигаться, если не задерживается внешними причинами" [6].
Для Спинозы характерна связь понятия инерции (вернее, более общего понятия сохранения состояния) с понятием сохранение самого бытия вещи, ее тождественности самой себе. "Всякая вещь, поскольку от нее зависит, стремится пребывать в своем существовании (бытии)" [7]. Но бытие вещи состоит в длящемся сохранении ее внутренних свойств. Если в качестве вещи фигурирует система тел, то бытие этой системы, ее индивидуальное существование, означает зависимость поведения тел от внутренних взаимодействий.
5 Спиноза Б. Основы философии Декарта, доказанные геометрическим способом, ч. II. Теорема 14. - Избранные произведения. М., 1957, с. 238.
6 Там же, с. 239.
7 Спиноза. Этика, ч. III. Теорема 6. - Там же, с. 463.
В переводе на язык механики это значит, что в системе, движущейся по инерции, сохраняются соотношения между движениями и вызвавшими их взаимодействиями тел. Отсюда следует, что внутренние соотношения в движущейся по инерции системе не могут свидетельствовать о ее движении. Движение состоит только в изменении расстояний от других тел, причем мы с тем же правом можем говорить o движении данной системы относительно этих других тел и о движении этих других тел относительно данной системы.
Выдвинув идею инерции, т.е. движения, не требующего силы и сохраняющегося в качестве неизменного состояния тела, Галилей приписал такому движению относительный смысл. В системе, движущейся по инерции, т.е. без ускорения, сохраняется неизменный ход механических событий, и мы можем судить о движении системы без ускорения и только по изменению ее расстояний от тел отсчета. С таким же правом мы можем приписать данной материальной системе неподвижность, тогда движущимися окажутся другие тела, которые раньше мы принимали за неподвижные. В этом и состоит классический принцип относительности - обобщение наблюдений, аналогичных наблюдениям в каюте корабля, о которых писал Галилей.
92
Принцип относительности Галилея - Ньютона кажется естественной основой классической картины мира, в которой не должно быть ничего, кроме тел, движущихся одно относительно другого и действующих одно на другое. С этой точки зрения выделение систем, движущихся с ускорением, кажется произвольным. Объяснение сил инерции абсолютным движением не вытекает из картины движущихся и взаимодействующих тел. Они, эти силы инерции, объясняются не взаимными отношениями тел, а отношением тела к пространству. Ускорение относительно пустого пространства - источник сил инерции. Эта мысль вводит пустое пространство в число агентов, определяющих ход событий в природе.
С такой точки зрения Мах критиковал ньютоново понятие абсолютного движения ускоренных систем. В противовес ньютоновой концепции сил инерции как доказательства абсолютных ускорений Мах выдвинул принцип: "все в природе объясняется взаимодействием масс". Как мы увидим, Эйнштейн в конце концов перестал считать принцип Маха универсальным; он допустил возможность таких процессов природы, для которых принцип Маха теряет смысл. Идеи Эйнштейна исходили из понятия поля как реальной среды, воздействующей на поведение движущихся в этом поле тел. Оказалось далее, что события, происходящие в поле, не сводятся к взаимодействиям указанных тел. Сейчас уже нельзя, реформируя механику Ньютона, перейти к другой механике, в которой также в основе всего находятся тела и их взаимодействия. По словам Эйнштейна, мысль Маха о том, что силы инерции объясняются взаимодействием масс, "пеявным образом предполагает, однако, что теория, на которой все основано, должна принадлежать тому же общему типу, как и ньютонова механика: основными понятиями в ней должны служить массы и взаимодействия между ними..." [8]. Но когда речь идет о механике Ньютона или о механике того же типа, негативная сторона критики, направленной против ньютоновых абсолютных ускорений, сохраняет свое значение: допустить, что па поведение тел влияют не другие тела, а пустое пространство, в котором они движутся, значит внести в картину мира некоторое чуждое ей, произвольное допущение. Такое допущение противоречило универсальной гармонии и единству мироздания.
8 Эйнштейн, 4, 269.
93
Эйнштейн отрицает воздействие пустого пространства на поведение тел. Их поведение зависит только от взаимодействий масс. Но, как мы сейчас увидим, этот принцип стал у Эйнштейна исходным пунктом концепции, совершенно несовместимой с общими гносеологическими идеями Маха.
Для Маха критика ньютоновой концепции абсолютного ускорения - повод для критики самого понятия объективной реальности. Для Эйнштейна критика понятий абсолютного ускорения и абсолютного пространства служит восстановлению нарушенной этими понятиями рационалистической схемы мироздания как постижимой реальности. Для Эйнштейна абсолюты Ньютона противоречат основному смыслу системы Ньютона, Эйнштейн борется с Ньютоном за Ньютона, против ньютоновских абсолютов, за основное, главное содержание ньютоновой системы.
В целом Ньютон был для Эйнштейна символом борьбы за объективную истину. Самой важной чертой ньютоновой системы является принципиальная возможность выведения из исходных физических принципов заключений, подтверждаемых опытом. Такая возможность прорывает и разбивает все аргументы агностицизма. Если выводы разума совпадают с наблюдениями, значит посылки разума отображают реальность.
В статье "Исаак Ньютон" (1927) Эйнштейн писал о создателе классической механики:
"Думать о нем, значит думать о его творчестве. Такой человек может быть понят, только если представлять его как сцену, на которой разворачивалась борьба за вечную истину. Задолго до Ньютона находились сильные умы, полагавшие, что возможно дать убедительные объяснения явлений, воспринимаемых нашими чувствами, путем чисто логической дедукции из простых физических гипотез. Но Ньютон был первым, кому удалось найти ясно сформулированную основу, из которой с помощью математического мышления можно было логически прийти к количественному согласующемуся с опытом описанию широкой области явлений. Он в действительности мог надеяться, что фундаментальная основа его механики могла бы со временем дать ключ для понимания всех явлений. Так думали его ученики и последователи вплоть до конца XVIII в., причем с гораздо большей уверенностью, чем сам Ньютон" [9].
94
У Ньютона некоторые явления не были связаны с исходным постулатом утверждением о зависимости процессов природы от взаимодействия масс. Теория относительности была примирением всей совокупности явлений с этим постулатом. Впоследствии оказалось, что теория относительности прорывает его рамки. Но все это не колеблет основного: совпадение выводов из ньютоновой механики с наблюдениями доказывает способность разума к адекватному познанию мира. Это познание не бывает окончательным, оно бесконечно развивается, но при этом приближается к объективной истине. Поэтому Эйнштейн начинает свою статью о Ньютоне апологией разума и, что крайне характерно для мировоззрения Эйнштейна, социологическими и моральными выводами из могущества разума.
"Несомненно, что разум кажется нам слабым, когда мы думаем о стоящих перед ним задачах; особенно слабым он кажется, когда мы противопоставляем его безумству и страстям человечества, которые, надо признать, почти полностью руководят судьбами человеческими как в малом, так и в большом. Но творения интеллекта переживают шумную суету поколений и на протяжении веков озаряют мир светом и теплом", - продолжает Эйнштейн. И он призывает человечество обратиться к памяти Ньютона как к доказательству силы разума.
Эта апология разума, столь характерная для философских, социологических и моральных идей Эйнштейна, тесно связана с его позицией по отношению к классической механике. Эйнштейн не стремился погасить осветившее мир солнце ньютоновой мысли. Он хотел освободить это солнце от пятен метафизических абсолютов. Развитие теории относительности заменило светило ньютоновой мысли иными светилами. Непоколебимой осталась основная идея: разум освещает своим светом объективный, гармоничный и познаваемый мир.
9 Эйнштейн, 4, 78.
Броуновское движение
Термодинамика - вто единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута.
Эйнштейн
В 1905 г., непосредственно перед публикацией статьи, содержавшей изложение специальной теории относительности, Эйнштейн закончил серию работ, посвященных классической теории молекулярного движения. Заключительная статья в "Annalen der Physik" давала ответ на вопрос о природе наблюдаемого в микроскоп движения небольших тел, взвешенных в жидкости, - так называемого броуновского движения.
Термодинамические исследования Эйнштейна, и в частности теория броуновского движения, имеют самостоятельный интерес. Но в научной биографии творца теории относительности их следует рассматривать в связи с лейтмотивом всей жизни Эйнштейна.
Только что мы познакомились с первыми тактами этого лейтмотива. Теории относительности еще нет. Но мы уже начинаем угадывать тенденцию, которая ведет к теории относительности. Эйнштейн ищет максимально общую, максимально естественную ("внутренне совершенную") теорию, описывающую самые основные процессы природы. Указанные процессы лежат за пределами "чистого описания", они образуют внутреннюю каузальную основу явлений. Такими процессами служат относительные перемещения материальных тел и состоящих из них материальных систем. Субстанциальной подосновой явлений природы служит относительное движение тел. Это понятие превращает хаос отдельных фактов в гармоничную картину мироздания.
96
Такая концепция может быть, как мы увидим, согласована со всякой механикой "типа механики Ньютона", т.е. с картиной мира, в которой элементарными процессами признаются движения и взаимодействия тождественных себе тел. Генезис теории относительности связан именно с классическим идеалом науки, в которой исходным понятием служит относительное движение. Генезис теории относительности связан с обобщением, уточнением такого идеала, с освобождением от всего того, что ему противоречило в исторически сложившихся классических теориях физики.
В термодинамике к классическому идеалу приближались модели кинетической теории газов - представления о движениях и соударениях молекул как о субстанциальной основе тепловых явлений. Но эти модели сделали возможным действительное объяснение только в сочетании с макроскопическими законами, определяющими ход процессов, в которых отдельные молекулы и их движения уже не учитываются. В числе таких макроскопических законов - закон перехода тепла от тела к телу.
В своих "Размышлениях о движущей силе огня" Сади Карно выдвинул принцип необратимости: тепло переходит от теплого тела к холодному, но обратно, от холодного тела к теплому, оно само по себе, без затраты энергии со стороны, не может перейти. Такой необратимый переход теплоты служит характерным примером термодинамических процессов, заставивших науку XIX в. далеко отойти от механицизма предшествующего столетия. Может ли точная регистрация положений, скоростей и ускорений молекул объяснить необратимость перехода тепла от горячего тела к холодному? Так же мало, как сколь угодно точная регистрация положений частиц воздуха в каждый момент может объяснить содержание произносимых речей, которые все же не всегда сводятся к акустическим эффектам волнообразных движений частиц воздуха. Не нужно знать координаты и скорости всех частиц металла, из которых состоит стержень, чтобы объяснить, почему теплота распространяется в определенном направлении - от горячего конца стержня к холодному. Законы механики (которым подчинены столкновения молекул, их движения от одного столкновения до другого - вообще микроскопическая картина) не знают необратимости.
97
Кинетическая теория тепла рассматривает его как результат беспорядочных движений и столкновений молекул. Каждое столкновение описывается исчерпывающим образом в терминах механики. Но чтобы перейти к термодинамическим законам (которым подчинено поведение больших множеств молекул, т.е. макроскопические процессы), нужно отказаться от прослеживания индивидуальных судеб отдельных молекул. Макроскопические закономерности термодинамики - вероятностные, статистические законы; они исходят из вероятности той или иной судьбы молекул, а действительность следует за вероятностью только тогда, когда перед нами большое число индивидуальных судеб. Если взять классический пример теории вероятности - выпадение "герба" и "решки" при бросании монеты, то примерно равные числа выпадений того и другого (соответствующие равенству вероятностей выпадения при каждом бросании) получатся при сотне или тысяче бросаний. Если бросать монету десять раз, такой реализации равенства вероятностей не получится, монета может падать десять раз подряд "горбом" кверху - никакой закономерности тут не обнаружится. Таким же образом не определено никакой термодинамической закономерностью поведение десятка молекул. Они могут обладать самыми различными скоростями, а в следующий момент другими, и никакого закономерного перехода мы тут не обнаружим. Но когда перед нами очень большое число беспорядочно движущихся молекул, мы твердо знаем, что распределение их скоростей с течением времени будет все больше соответствовать вероятности. В металлическом стержне, который никто в данный момент не подогревает, наиболее вероятной будет одинаковая средняя скорость молекул, т.е. одинаковая температура по всей длине стержня. Если стержень нагрет с одного конца и средняя скорость молекул тут больше, то с течением времени температура выравняется. Это макроскопическая закономерность, свойственная лишь большому числу молекул.
Существование макроскопических закономерностей термодинамики, которые отличаются от чисто механических закономерностей поведения отдельных молекул, доставило перед наукой ряд принципиальных вопросов. В каком отношении находится макроскопическая термодинамика к механике молекул? Аналогичный вопрос можно поставить для макроскопических статистических закономерностей биологии, т.е. для закономерностей развития вида, и закономерностей, определяющих в каждом отдельном случае судьбу данной особи.
Очевидно, сложные макроскопические закономерности не сводятся к микроскопическим закономерностям. Мы не поймем необратимого перехода тепла от одного тела к другому и его распространения в данном теле, не поймем хода макроскопических термодинамических процессов вообще, если ограничимся законами механики и попытаемся непосредственно свести к ним более сложные, чем простое перемещение, ряды явлений. В этом смысле термодинамика указывает некоторые границы объяснения природы с позиций ньютоновой механики. Границы эти можно перейти, если включить в систему понятий, служащих для объяснений сложных процессов, некоторые новые понятия, не свойственные механике Ньютона. К числу таких понятий принадлежит, в частности, необратимость. Подобные понятия специфичны для каждого конкретного ряда явлений и создают естественную основу классификации наук, некоторые относительные границы между дисциплинами. Указанные границы являются границами непосредственного применения ньютоновых законов и понятий к другим, помимо механики, разделам естествознания. Мы будем их называть частными границами.
Их существование было открыто в XIX в., что и отличает науку этого столетия от предшествующего. Великие открытия XIX в. показали, что физика с ее статистическими закономерностями и необратимостью не сводится к механике, химия не сводится к физике, биология не сводится к совокупности механических, физических и химических явлений, поскольку сущность органической жизни отнюдь не в механических, молекулярных, химических и тому подобных процессах, без которых, она, впрочем, невозможна. Идея несводимости высших форм движения к более общим и простым была высказана в общем виде Энгельсом в "Диалектике природы". В ней подчеркнут относительный характер несводимости, то обстоятельство, что высшие формы движения неотделимы от низших, что из несводимости отнюдь не следует, "будто каждая из высших форм движения не бывает всегда необходимым образом связана с каким-нибудь действительным механическим (внешним или молекулярным) движением" [1].
1 Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 20, с. 563.
99
Идея несводимости физических - именно термодинамических закономерностей к механике и их неотделимости от механики, от перемещения частиц вещества позволяет понять действительные истоки некоторых научно-философских дискуссий конца прошлого века.
Забвение несводимости вело к рецидиву механицизма, забвение неотделимости термодинамических процессов от движения отдельных молекул - к попыткам освободить понятие движения от его материального носителя. Оствальд предложил освободить энергию, фигурирующую в термодинамике, от какой-либо связи с движением молекул и затем вообще потребовал замены понятия материи понятием энергии. К сходным воззрениям пришел и Мах, объявивший "верой" убеждение в существовании атомов вещества.
В 1827 г. Броун наблюдал под микроскопом цветочную пыльцу, плававшую в воде. Отдельные пылинки все время находились в беспорядочном движении. Пылинка каждый раз сдвигается на незначительное, почти неулавливаемое глазом расстояние, и происходит это в течение ничтожного интервала времени. Если фотографировать движущуюся пылинку с очень большой экспозицией, на пластинке получится пятно совершенно случайной размазанной формы результат многократного попадания пылинки на то же самое место перед объективом аппарата. Если фотографировать пылинку, например, через каждые 30 секунд и соединить получившиеся на пластинке изображения пылинки, т.е. почерневшие точки, мы получим ломаную линию.
После этих предварительных замечаний можно перейти к работам Эйнштейна о броуновском движении и к значению указанных работ.
Эйнштейн объяснил броуновское движение исходя из кинетической теории тепла, из картины беспорядочно движущихся и сталкивающихся молекул. Он учитывал неизбежные флюктуации в беспорядочных ударах, которые наносят телу окружающие молекулы жидкости.
100
Под флюктуацией, как мы знаем, следует понимать нарушение наиболее вероятного распределения различных событий во времени или в пространстве. Когда мы увеличиваем число событий, например бросаем монету десять, сто, тысячу раз и т.д., фактическое распределение событий "решка" и "герб" стремится к наиболее вероятному распределению - к равному числу выпадений "герба" и "решки". Когда мы уменьшаем число событий (число бросаний монеты), мы всё с большим основанием можем ожидать нарушений вероятности, ожидать "невероятного" выпадения "решки" подряд несколько раз и такого же выпадения "герба" подряд. Когда мы совершим двадцать бросаний, одна и та же сторона монеты может выпасть даже все двадцать раз подряд, но это будет очень редким случаем, а когда мы имеем пять бросаний, то аналогичная флюктуация будет сравнительно частой. При беспорядочных движениях молекул число ударов, нанесенных взвешенной в жидкости пылинке с одной стороны, может значительно превысить число ударов с другой стороны. Если пылинка велика, такая флюктуация маловероятна, на пылинку действует очень большое число молекул и их толчки соответствуют наиболее вероятному распределению; толчки в целом уравновешивают друг друга. Но при очень малых размерах пылинки возможны флюктуации, нарушения равновесия, избыток толчков в одну сторону по сравнению с числом толчков в противоположную сторону. Подобная несимметричность воздействий молекул на пылинку в течение очень короткого промежутка времени вызывает сдвиг пылинки, который можно увидеть при помощи микроскопа.
Представим себе большой резервуар с жидкостью, в котором достигнуто наиболее вероятное, равномерное распределение температуры, т.е. скорость частиц в среднем одна и та же во всех частях резервуара. В этом резервуаре нет потоков жидкости, нет никаких длительных нарушений беспорядочного движения молекул. Небольшие, микроскопические нарушения все время происходят. Такие флюктуации становятся заметными, когда мы переходим к очень малым масштабам. Они вызывают "микроскопические" (в самом прямом смысле, видимые лишь под микроскопом) сдвиги пылинок, плавающих в нашем резервуаре.
101
Теперь представим себе, что на эти микроскопические закономерности (чисто механические закономерности движений молекул) накладываются макроскопические закономерности. Мы подогрели жидкость у одного края резервуара.
Наблюдая теперь броуновское движение пылинок, можно обнаружить несимметричность броуновских сдвигов. Сдвиги, соответствующие направлению потоков, вызванных подогревом, будут многочисленнее, чем сдвиги в противоположную сторону. На фотографии мы увидим, что пылинка после большого числа броуновских сдвигов не останется вблизи исходного пункта, а уйдет на некоторое расстояние в направлении увлекшего ее потока жидкости.
Чтобы сделать яснее соотношение между микроскопическими закономерностями кинетической теории, описывающей движения молекул, и термодинамическими закономерностями, определяющими поведение больших, макроскопических масс, мы коснемся не физической, а биологической естественнонаучной теории XIX в. - теории Дарвина. Его теория исходит из индивидуальных судеб отдельных организмов. Эти судьбы определяются в каждом случае чисто случайными с точки зрения судьбы всего вида причинами. Пусть внешняя среда, в которой обитает вид, не меняется; вид достиг максимального соответствия среде. Тогда остаются отдельные, индивидуальные изменения и флюктуации - серии одинаково направленных изменений у различных организмов. Такие флюктуации будут встречаться тем чаще, чем меньшие числа особей мы наблюдаем. Флюктуации не нарушают неподвижности вида в целом, так же как флюктуации, вызывающие броуновское движение, не нарушают равномерности и отсутствия макроскопических потоков в резервуаре, о котором недавно шла речь. Если среда, в которой обитают организмы данного вида, требует изменения видовых признаков, симметрия индивидуальных вариаций и флюктуаций нарушается: изменения, направленные в одну сторону, наследуются, накопляются, приводят к изменениям вида в большей степени, чем вариации, направленные в противоположную сторону. Но эти закономерности отбора действуют только статистически; они как бы накладываются на закономерности индивидуальных судеб, определяют лишь вероятность той или иной судьбы организма, и этой вероятности соответствует действительный ход событий, когда мы переходим к большим множе
102
ствам организмов - к судьбе вида в целом. Идея подобных статистических макроскопических закономерностей (определяющих в отдельных случаях лишь вероятность некоторого хода событий, вероятность, которая превращается в достоверность лишь в большой массе случаев) - одна из самых центральных идей естествознания XIX в. Она не покушалась на основной образ классического естествознания - движение, которое с полной точностью, для каждого атома, в каждый момент и в каждой точке определено (не вероятность того или иного движения, а само движение) первоначальным импульсом и взаимодействием с другими телами в данный момент. За любыми статистическими закономерностями стоит движение частицы, подчиненное подобным не статистическим, а динамическим закономерностям, описанным в "Началах" Ньютона.
Эйнштейн в своей теории броуновского движения сосредоточил внимание на учете этих динамических, нестатистических (можно сказать, "застатистических" или "субстатистических" - они стоят за кулисами статистических закономерностей термодинамики) закономерностей. Вернее было бы сказать, что Эйнштейн показал средствами статистики, при помощи понятий статистики, существование "застатистических" динамических закономерностей движения отдельных молекул.
4 Ibid., p. 75.
Взгляды Спинозы на сохранение тел и их состояний имеют особое значение для идейных истоков теории Эйнштейна. Классический принцип относительности, однородность пространства и сохранение скорости предоставленного себе тела были для Эйнштейна не просто одной из физических идей XVII в. Они были для него воплощением мировой гармонии, объективным ratio мира, подчиненного всеобщей причинной зависимости и свободного от всяких некаузальных воздействий. Именно поэтому Эйнштейн сосредоточил свои интеллектуальные силы (они оказались гигантскими!) на обобщении указанной идеи. Истоки подобного понимания инерции и относительности инерционного движения идут от Спинозы.
91
Излагая философию Декарта, Спиноза связывает инерцию с сохранением состояния каждой вещи, поскольку она рассматривается как нечто единое [5]. Отсюда следует, что "тело, раз пришедшее в движение, продолжает вечно двигаться, если не задерживается внешними причинами" [6].
Для Спинозы характерна связь понятия инерции (вернее, более общего понятия сохранения состояния) с понятием сохранение самого бытия вещи, ее тождественности самой себе. "Всякая вещь, поскольку от нее зависит, стремится пребывать в своем существовании (бытии)" [7]. Но бытие вещи состоит в длящемся сохранении ее внутренних свойств. Если в качестве вещи фигурирует система тел, то бытие этой системы, ее индивидуальное существование, означает зависимость поведения тел от внутренних взаимодействий.
5 Спиноза Б. Основы философии Декарта, доказанные геометрическим способом, ч. II. Теорема 14. - Избранные произведения. М., 1957, с. 238.
6 Там же, с. 239.
7 Спиноза. Этика, ч. III. Теорема 6. - Там же, с. 463.
В переводе на язык механики это значит, что в системе, движущейся по инерции, сохраняются соотношения между движениями и вызвавшими их взаимодействиями тел. Отсюда следует, что внутренние соотношения в движущейся по инерции системе не могут свидетельствовать о ее движении. Движение состоит только в изменении расстояний от других тел, причем мы с тем же правом можем говорить o движении данной системы относительно этих других тел и о движении этих других тел относительно данной системы.
Выдвинув идею инерции, т.е. движения, не требующего силы и сохраняющегося в качестве неизменного состояния тела, Галилей приписал такому движению относительный смысл. В системе, движущейся по инерции, т.е. без ускорения, сохраняется неизменный ход механических событий, и мы можем судить о движении системы без ускорения и только по изменению ее расстояний от тел отсчета. С таким же правом мы можем приписать данной материальной системе неподвижность, тогда движущимися окажутся другие тела, которые раньше мы принимали за неподвижные. В этом и состоит классический принцип относительности - обобщение наблюдений, аналогичных наблюдениям в каюте корабля, о которых писал Галилей.
92
Принцип относительности Галилея - Ньютона кажется естественной основой классической картины мира, в которой не должно быть ничего, кроме тел, движущихся одно относительно другого и действующих одно на другое. С этой точки зрения выделение систем, движущихся с ускорением, кажется произвольным. Объяснение сил инерции абсолютным движением не вытекает из картины движущихся и взаимодействующих тел. Они, эти силы инерции, объясняются не взаимными отношениями тел, а отношением тела к пространству. Ускорение относительно пустого пространства - источник сил инерции. Эта мысль вводит пустое пространство в число агентов, определяющих ход событий в природе.
С такой точки зрения Мах критиковал ньютоново понятие абсолютного движения ускоренных систем. В противовес ньютоновой концепции сил инерции как доказательства абсолютных ускорений Мах выдвинул принцип: "все в природе объясняется взаимодействием масс". Как мы увидим, Эйнштейн в конце концов перестал считать принцип Маха универсальным; он допустил возможность таких процессов природы, для которых принцип Маха теряет смысл. Идеи Эйнштейна исходили из понятия поля как реальной среды, воздействующей на поведение движущихся в этом поле тел. Оказалось далее, что события, происходящие в поле, не сводятся к взаимодействиям указанных тел. Сейчас уже нельзя, реформируя механику Ньютона, перейти к другой механике, в которой также в основе всего находятся тела и их взаимодействия. По словам Эйнштейна, мысль Маха о том, что силы инерции объясняются взаимодействием масс, "пеявным образом предполагает, однако, что теория, на которой все основано, должна принадлежать тому же общему типу, как и ньютонова механика: основными понятиями в ней должны служить массы и взаимодействия между ними..." [8]. Но когда речь идет о механике Ньютона или о механике того же типа, негативная сторона критики, направленной против ньютоновых абсолютных ускорений, сохраняет свое значение: допустить, что па поведение тел влияют не другие тела, а пустое пространство, в котором они движутся, значит внести в картину мира некоторое чуждое ей, произвольное допущение. Такое допущение противоречило универсальной гармонии и единству мироздания.
8 Эйнштейн, 4, 269.
93
Эйнштейн отрицает воздействие пустого пространства на поведение тел. Их поведение зависит только от взаимодействий масс. Но, как мы сейчас увидим, этот принцип стал у Эйнштейна исходным пунктом концепции, совершенно несовместимой с общими гносеологическими идеями Маха.
Для Маха критика ньютоновой концепции абсолютного ускорения - повод для критики самого понятия объективной реальности. Для Эйнштейна критика понятий абсолютного ускорения и абсолютного пространства служит восстановлению нарушенной этими понятиями рационалистической схемы мироздания как постижимой реальности. Для Эйнштейна абсолюты Ньютона противоречат основному смыслу системы Ньютона, Эйнштейн борется с Ньютоном за Ньютона, против ньютоновских абсолютов, за основное, главное содержание ньютоновой системы.
В целом Ньютон был для Эйнштейна символом борьбы за объективную истину. Самой важной чертой ньютоновой системы является принципиальная возможность выведения из исходных физических принципов заключений, подтверждаемых опытом. Такая возможность прорывает и разбивает все аргументы агностицизма. Если выводы разума совпадают с наблюдениями, значит посылки разума отображают реальность.
В статье "Исаак Ньютон" (1927) Эйнштейн писал о создателе классической механики:
"Думать о нем, значит думать о его творчестве. Такой человек может быть понят, только если представлять его как сцену, на которой разворачивалась борьба за вечную истину. Задолго до Ньютона находились сильные умы, полагавшие, что возможно дать убедительные объяснения явлений, воспринимаемых нашими чувствами, путем чисто логической дедукции из простых физических гипотез. Но Ньютон был первым, кому удалось найти ясно сформулированную основу, из которой с помощью математического мышления можно было логически прийти к количественному согласующемуся с опытом описанию широкой области явлений. Он в действительности мог надеяться, что фундаментальная основа его механики могла бы со временем дать ключ для понимания всех явлений. Так думали его ученики и последователи вплоть до конца XVIII в., причем с гораздо большей уверенностью, чем сам Ньютон" [9].
94
У Ньютона некоторые явления не были связаны с исходным постулатом утверждением о зависимости процессов природы от взаимодействия масс. Теория относительности была примирением всей совокупности явлений с этим постулатом. Впоследствии оказалось, что теория относительности прорывает его рамки. Но все это не колеблет основного: совпадение выводов из ньютоновой механики с наблюдениями доказывает способность разума к адекватному познанию мира. Это познание не бывает окончательным, оно бесконечно развивается, но при этом приближается к объективной истине. Поэтому Эйнштейн начинает свою статью о Ньютоне апологией разума и, что крайне характерно для мировоззрения Эйнштейна, социологическими и моральными выводами из могущества разума.
"Несомненно, что разум кажется нам слабым, когда мы думаем о стоящих перед ним задачах; особенно слабым он кажется, когда мы противопоставляем его безумству и страстям человечества, которые, надо признать, почти полностью руководят судьбами человеческими как в малом, так и в большом. Но творения интеллекта переживают шумную суету поколений и на протяжении веков озаряют мир светом и теплом", - продолжает Эйнштейн. И он призывает человечество обратиться к памяти Ньютона как к доказательству силы разума.
Эта апология разума, столь характерная для философских, социологических и моральных идей Эйнштейна, тесно связана с его позицией по отношению к классической механике. Эйнштейн не стремился погасить осветившее мир солнце ньютоновой мысли. Он хотел освободить это солнце от пятен метафизических абсолютов. Развитие теории относительности заменило светило ньютоновой мысли иными светилами. Непоколебимой осталась основная идея: разум освещает своим светом объективный, гармоничный и познаваемый мир.
9 Эйнштейн, 4, 78.
Броуновское движение
Термодинамика - вто единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута.
Эйнштейн
В 1905 г., непосредственно перед публикацией статьи, содержавшей изложение специальной теории относительности, Эйнштейн закончил серию работ, посвященных классической теории молекулярного движения. Заключительная статья в "Annalen der Physik" давала ответ на вопрос о природе наблюдаемого в микроскоп движения небольших тел, взвешенных в жидкости, - так называемого броуновского движения.
Термодинамические исследования Эйнштейна, и в частности теория броуновского движения, имеют самостоятельный интерес. Но в научной биографии творца теории относительности их следует рассматривать в связи с лейтмотивом всей жизни Эйнштейна.
Только что мы познакомились с первыми тактами этого лейтмотива. Теории относительности еще нет. Но мы уже начинаем угадывать тенденцию, которая ведет к теории относительности. Эйнштейн ищет максимально общую, максимально естественную ("внутренне совершенную") теорию, описывающую самые основные процессы природы. Указанные процессы лежат за пределами "чистого описания", они образуют внутреннюю каузальную основу явлений. Такими процессами служат относительные перемещения материальных тел и состоящих из них материальных систем. Субстанциальной подосновой явлений природы служит относительное движение тел. Это понятие превращает хаос отдельных фактов в гармоничную картину мироздания.
96
Такая концепция может быть, как мы увидим, согласована со всякой механикой "типа механики Ньютона", т.е. с картиной мира, в которой элементарными процессами признаются движения и взаимодействия тождественных себе тел. Генезис теории относительности связан именно с классическим идеалом науки, в которой исходным понятием служит относительное движение. Генезис теории относительности связан с обобщением, уточнением такого идеала, с освобождением от всего того, что ему противоречило в исторически сложившихся классических теориях физики.
В термодинамике к классическому идеалу приближались модели кинетической теории газов - представления о движениях и соударениях молекул как о субстанциальной основе тепловых явлений. Но эти модели сделали возможным действительное объяснение только в сочетании с макроскопическими законами, определяющими ход процессов, в которых отдельные молекулы и их движения уже не учитываются. В числе таких макроскопических законов - закон перехода тепла от тела к телу.
В своих "Размышлениях о движущей силе огня" Сади Карно выдвинул принцип необратимости: тепло переходит от теплого тела к холодному, но обратно, от холодного тела к теплому, оно само по себе, без затраты энергии со стороны, не может перейти. Такой необратимый переход теплоты служит характерным примером термодинамических процессов, заставивших науку XIX в. далеко отойти от механицизма предшествующего столетия. Может ли точная регистрация положений, скоростей и ускорений молекул объяснить необратимость перехода тепла от горячего тела к холодному? Так же мало, как сколь угодно точная регистрация положений частиц воздуха в каждый момент может объяснить содержание произносимых речей, которые все же не всегда сводятся к акустическим эффектам волнообразных движений частиц воздуха. Не нужно знать координаты и скорости всех частиц металла, из которых состоит стержень, чтобы объяснить, почему теплота распространяется в определенном направлении - от горячего конца стержня к холодному. Законы механики (которым подчинены столкновения молекул, их движения от одного столкновения до другого - вообще микроскопическая картина) не знают необратимости.
97
Кинетическая теория тепла рассматривает его как результат беспорядочных движений и столкновений молекул. Каждое столкновение описывается исчерпывающим образом в терминах механики. Но чтобы перейти к термодинамическим законам (которым подчинено поведение больших множеств молекул, т.е. макроскопические процессы), нужно отказаться от прослеживания индивидуальных судеб отдельных молекул. Макроскопические закономерности термодинамики - вероятностные, статистические законы; они исходят из вероятности той или иной судьбы молекул, а действительность следует за вероятностью только тогда, когда перед нами большое число индивидуальных судеб. Если взять классический пример теории вероятности - выпадение "герба" и "решки" при бросании монеты, то примерно равные числа выпадений того и другого (соответствующие равенству вероятностей выпадения при каждом бросании) получатся при сотне или тысяче бросаний. Если бросать монету десять раз, такой реализации равенства вероятностей не получится, монета может падать десять раз подряд "горбом" кверху - никакой закономерности тут не обнаружится. Таким же образом не определено никакой термодинамической закономерностью поведение десятка молекул. Они могут обладать самыми различными скоростями, а в следующий момент другими, и никакого закономерного перехода мы тут не обнаружим. Но когда перед нами очень большое число беспорядочно движущихся молекул, мы твердо знаем, что распределение их скоростей с течением времени будет все больше соответствовать вероятности. В металлическом стержне, который никто в данный момент не подогревает, наиболее вероятной будет одинаковая средняя скорость молекул, т.е. одинаковая температура по всей длине стержня. Если стержень нагрет с одного конца и средняя скорость молекул тут больше, то с течением времени температура выравняется. Это макроскопическая закономерность, свойственная лишь большому числу молекул.
Существование макроскопических закономерностей термодинамики, которые отличаются от чисто механических закономерностей поведения отдельных молекул, доставило перед наукой ряд принципиальных вопросов. В каком отношении находится макроскопическая термодинамика к механике молекул? Аналогичный вопрос можно поставить для макроскопических статистических закономерностей биологии, т.е. для закономерностей развития вида, и закономерностей, определяющих в каждом отдельном случае судьбу данной особи.
Очевидно, сложные макроскопические закономерности не сводятся к микроскопическим закономерностям. Мы не поймем необратимого перехода тепла от одного тела к другому и его распространения в данном теле, не поймем хода макроскопических термодинамических процессов вообще, если ограничимся законами механики и попытаемся непосредственно свести к ним более сложные, чем простое перемещение, ряды явлений. В этом смысле термодинамика указывает некоторые границы объяснения природы с позиций ньютоновой механики. Границы эти можно перейти, если включить в систему понятий, служащих для объяснений сложных процессов, некоторые новые понятия, не свойственные механике Ньютона. К числу таких понятий принадлежит, в частности, необратимость. Подобные понятия специфичны для каждого конкретного ряда явлений и создают естественную основу классификации наук, некоторые относительные границы между дисциплинами. Указанные границы являются границами непосредственного применения ньютоновых законов и понятий к другим, помимо механики, разделам естествознания. Мы будем их называть частными границами.
Их существование было открыто в XIX в., что и отличает науку этого столетия от предшествующего. Великие открытия XIX в. показали, что физика с ее статистическими закономерностями и необратимостью не сводится к механике, химия не сводится к физике, биология не сводится к совокупности механических, физических и химических явлений, поскольку сущность органической жизни отнюдь не в механических, молекулярных, химических и тому подобных процессах, без которых, она, впрочем, невозможна. Идея несводимости высших форм движения к более общим и простым была высказана в общем виде Энгельсом в "Диалектике природы". В ней подчеркнут относительный характер несводимости, то обстоятельство, что высшие формы движения неотделимы от низших, что из несводимости отнюдь не следует, "будто каждая из высших форм движения не бывает всегда необходимым образом связана с каким-нибудь действительным механическим (внешним или молекулярным) движением" [1].
1 Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 20, с. 563.
99
Идея несводимости физических - именно термодинамических закономерностей к механике и их неотделимости от механики, от перемещения частиц вещества позволяет понять действительные истоки некоторых научно-философских дискуссий конца прошлого века.
Забвение несводимости вело к рецидиву механицизма, забвение неотделимости термодинамических процессов от движения отдельных молекул - к попыткам освободить понятие движения от его материального носителя. Оствальд предложил освободить энергию, фигурирующую в термодинамике, от какой-либо связи с движением молекул и затем вообще потребовал замены понятия материи понятием энергии. К сходным воззрениям пришел и Мах, объявивший "верой" убеждение в существовании атомов вещества.
В 1827 г. Броун наблюдал под микроскопом цветочную пыльцу, плававшую в воде. Отдельные пылинки все время находились в беспорядочном движении. Пылинка каждый раз сдвигается на незначительное, почти неулавливаемое глазом расстояние, и происходит это в течение ничтожного интервала времени. Если фотографировать движущуюся пылинку с очень большой экспозицией, на пластинке получится пятно совершенно случайной размазанной формы результат многократного попадания пылинки на то же самое место перед объективом аппарата. Если фотографировать пылинку, например, через каждые 30 секунд и соединить получившиеся на пластинке изображения пылинки, т.е. почерневшие точки, мы получим ломаную линию.
После этих предварительных замечаний можно перейти к работам Эйнштейна о броуновском движении и к значению указанных работ.
Эйнштейн объяснил броуновское движение исходя из кинетической теории тепла, из картины беспорядочно движущихся и сталкивающихся молекул. Он учитывал неизбежные флюктуации в беспорядочных ударах, которые наносят телу окружающие молекулы жидкости.
100
Под флюктуацией, как мы знаем, следует понимать нарушение наиболее вероятного распределения различных событий во времени или в пространстве. Когда мы увеличиваем число событий, например бросаем монету десять, сто, тысячу раз и т.д., фактическое распределение событий "решка" и "герб" стремится к наиболее вероятному распределению - к равному числу выпадений "герба" и "решки". Когда мы уменьшаем число событий (число бросаний монеты), мы всё с большим основанием можем ожидать нарушений вероятности, ожидать "невероятного" выпадения "решки" подряд несколько раз и такого же выпадения "герба" подряд. Когда мы совершим двадцать бросаний, одна и та же сторона монеты может выпасть даже все двадцать раз подряд, но это будет очень редким случаем, а когда мы имеем пять бросаний, то аналогичная флюктуация будет сравнительно частой. При беспорядочных движениях молекул число ударов, нанесенных взвешенной в жидкости пылинке с одной стороны, может значительно превысить число ударов с другой стороны. Если пылинка велика, такая флюктуация маловероятна, на пылинку действует очень большое число молекул и их толчки соответствуют наиболее вероятному распределению; толчки в целом уравновешивают друг друга. Но при очень малых размерах пылинки возможны флюктуации, нарушения равновесия, избыток толчков в одну сторону по сравнению с числом толчков в противоположную сторону. Подобная несимметричность воздействий молекул на пылинку в течение очень короткого промежутка времени вызывает сдвиг пылинки, который можно увидеть при помощи микроскопа.
Представим себе большой резервуар с жидкостью, в котором достигнуто наиболее вероятное, равномерное распределение температуры, т.е. скорость частиц в среднем одна и та же во всех частях резервуара. В этом резервуаре нет потоков жидкости, нет никаких длительных нарушений беспорядочного движения молекул. Небольшие, микроскопические нарушения все время происходят. Такие флюктуации становятся заметными, когда мы переходим к очень малым масштабам. Они вызывают "микроскопические" (в самом прямом смысле, видимые лишь под микроскопом) сдвиги пылинок, плавающих в нашем резервуаре.
101
Теперь представим себе, что на эти микроскопические закономерности (чисто механические закономерности движений молекул) накладываются макроскопические закономерности. Мы подогрели жидкость у одного края резервуара.
Наблюдая теперь броуновское движение пылинок, можно обнаружить несимметричность броуновских сдвигов. Сдвиги, соответствующие направлению потоков, вызванных подогревом, будут многочисленнее, чем сдвиги в противоположную сторону. На фотографии мы увидим, что пылинка после большого числа броуновских сдвигов не останется вблизи исходного пункта, а уйдет на некоторое расстояние в направлении увлекшего ее потока жидкости.
Чтобы сделать яснее соотношение между микроскопическими закономерностями кинетической теории, описывающей движения молекул, и термодинамическими закономерностями, определяющими поведение больших, макроскопических масс, мы коснемся не физической, а биологической естественнонаучной теории XIX в. - теории Дарвина. Его теория исходит из индивидуальных судеб отдельных организмов. Эти судьбы определяются в каждом случае чисто случайными с точки зрения судьбы всего вида причинами. Пусть внешняя среда, в которой обитает вид, не меняется; вид достиг максимального соответствия среде. Тогда остаются отдельные, индивидуальные изменения и флюктуации - серии одинаково направленных изменений у различных организмов. Такие флюктуации будут встречаться тем чаще, чем меньшие числа особей мы наблюдаем. Флюктуации не нарушают неподвижности вида в целом, так же как флюктуации, вызывающие броуновское движение, не нарушают равномерности и отсутствия макроскопических потоков в резервуаре, о котором недавно шла речь. Если среда, в которой обитают организмы данного вида, требует изменения видовых признаков, симметрия индивидуальных вариаций и флюктуаций нарушается: изменения, направленные в одну сторону, наследуются, накопляются, приводят к изменениям вида в большей степени, чем вариации, направленные в противоположную сторону. Но эти закономерности отбора действуют только статистически; они как бы накладываются на закономерности индивидуальных судеб, определяют лишь вероятность той или иной судьбы организма, и этой вероятности соответствует действительный ход событий, когда мы переходим к большим множе
102
ствам организмов - к судьбе вида в целом. Идея подобных статистических макроскопических закономерностей (определяющих в отдельных случаях лишь вероятность некоторого хода событий, вероятность, которая превращается в достоверность лишь в большой массе случаев) - одна из самых центральных идей естествознания XIX в. Она не покушалась на основной образ классического естествознания - движение, которое с полной точностью, для каждого атома, в каждый момент и в каждой точке определено (не вероятность того или иного движения, а само движение) первоначальным импульсом и взаимодействием с другими телами в данный момент. За любыми статистическими закономерностями стоит движение частицы, подчиненное подобным не статистическим, а динамическим закономерностям, описанным в "Началах" Ньютона.
Эйнштейн в своей теории броуновского движения сосредоточил внимание на учете этих динамических, нестатистических (можно сказать, "застатистических" или "субстатистических" - они стоят за кулисами статистических закономерностей термодинамики) закономерностей. Вернее было бы сказать, что Эйнштейн показал средствами статистики, при помощи понятий статистики, существование "застатистических" динамических закономерностей движения отдельных молекул.