НЬЮТОН И СОВРЕМЕННОСТЬ [1]
Даже потрясения мировой войны, навязанной фашистскими поджигателями, но должны заглушить в культурном человечестве благодарной памяти о величайшем представителе точной науки Исааке Ньютоне. Еще современники Ньютона начертали на его памятнике слова Лукреция, сказанные про Эпикура: «Он разумом превзошел род человеческий». Сейчас, когда прошло три столетия со дня рождения творца нашей физики, механики и астрономии, с еще большим основанием можно вспомнить тот же стих Лукреция.
В истории есть очень немного имен и книг, пронизывающих века и даже тысячелетия и непрестанно влияющих на развитие культуры, техники и науки. В точном естествознании такими остались и на сегодняшний день геометрия Эвклида и гидростатика Архимеда. Они нужны современному человеку так же, как были необходимы древнему греку, римлянину и средневековому арабу.
Рядом с такими вечными достижениями, связующими прошлое с настоящим, многое в науке, казавшееся огромным и многозначительным для своего времени, сохранило для нас только исторический интерес. В архиве науки сложены системы Птоломея, вихри Декарта, флогистон, теплород, упругая теория света, так называемая «старая теория атома» Бора и многое другое. Поэтому прочность научного результата, его сохранность и действенность в течение громадных промежутков времени, в новых условиях и для новых задач — это самая строгая и жесткая мера ценности научного вывода.
Дело Ньютона выдержало испытание веков в изумительной степени. Все основное, созданное Ньютоном, сохранило для нас свое значение и актуальность почти полностью. Ньютонова наука — не историческая реликвия, а основа естествознания сегодняшнего дня.
Ньютон оставил миру «Оптику», «Математические начала натуральной философии» и математический метод бесконечно малых, «метод флюксий». В этих книгах и методе и сосредоточено главное научное исследование Ньютона.
Оптические исследования Ньютона продолжались не меньше 15 лет (1666-1680) и означали для своего времени полный переворот в учении о свете. Центральное открытие Ньютона состояло в том, что и бесконечно капризном разнообразии цветов существуют постоянные, неизменные элементы — простые, или монохроматические, лучи, не меняющиеся по цвету ни преломлением, ни отражением. На основе этого хаос цветовых явлений сразу упорядочился и вошел в прочные математические рамки.
Второе оптическое открытие Ньютона заключалось в установлении периодических свойств у простых, монохроматических, цветов. Периодичность с необходимостью следовала из так называемых «колец Ньютона». Вместо субъективных цветов простые световые лучи можно было с этих пор характеризовать численно, посредством «длины волны» (если применить современный термин), или световых «припадков», как говорил Ньютон. Учение о монохроматических световых лучах с определенной периодичностью на сегодня, и, без сомнений, навсегда, останется физической основой оптики.
Но значение «Оптики» Ньютона не только в конкретных открытиях, в ней содержащихся. Оптические работы Ньютона — замечательная школа физического эксперимента. Разумеется, опыт и наблюдение с незапамятных времен служили основой естествознания. Экспериментировали древние, Герон, Птоломей и многие другие, мастерами опыта были Леонардо да Винчи и Галилей, однако до Ньютона экспериментальный метод был пассивным приемом. Лишь в руках автора «Оптики» он стал подлинно живым, гибким, отвечающим на вопросы и позволяющим ставить новые неожиданные вопросы природе. Нужно прочитать «Оптику» Ньютона, чтобы понять, насколько могучим, всесторонним и разнообразным может быть физический эксперимент. И сейчас, несмотря на столетия, прошедшие со времени создания «Оптики», эта книга остается лучшей школой опыта. Из этой школы вышли Фарадей, Ампер, Резерфорд и, конечно, выйдут еще многие великие экспериментаторы.
Создавая цепь остроумных, качественных опытов с призмами, линзами, зеркалами, Ньютон научил вместе с тем последующие поколения и точному количественному опыту. Физику-экспериментатору трудно читать без волнения описание количественных опытов Ньютона. Самыми простыми средствами автор «анатомии света» достигал результатов, сохранивших свое значение в течение веков.
В учебниках физики создалась плохая традиция сообщать без проверки, что Ньютон будто бы был непреклонным приверженцем корпускулярной теории света. Это неверно. Сравнивая различные свойства света, Ньютон пришел к выводу, что свет имеет более сложное строение, что в нем действительно есть черты, которые проще всего понять как результат движения потоков частиц, но вместе с тем другие свойства (периодичность) легче всего объясняются на основе представления о волнах. Подлинное ньютоново представление о свете было сочетанием образа корпускул и волн. Предваряя сложное развитие учения о свете в последующие века, Ньютон усматривал истинную природу света в своеобразном синтезе корпускул и волн. Физика наших дней, к изумлению, подтвердила эту удивительную схему, хотя и совсем не в той конкретной форме, которая предположительно высказывалась Ньютоном.
Изложенные черты «Оптики» Ньютона делают ее не менее современной, чем оптические взгляды Френеля и до известной степени даже Максвелла.
Еще ближе к современности, чем «Оптика», другая книга Ньютона, его «Математические начала». На стенах физических аудиторий высшие учебных заведений по праву обычно висят знаменитые «Аксиомы или законы движения» Ньютона рядом с периодической системой элементов. Эти законы — вовсе не историческая памятка или украшение аудитории; это фундамент того, что должен усвоить студент в области физики, схема решения всех физических и механических задач в наше время.
Хорошо известно, что новая физика в теории относительности и квантовой механике пошла по дороге, не предусматривавшейся классикой Ньютона. Изменились физические представления о пространстве, времени, массе, действии. Этого потребовали явления, развивающиеся при громадных скоростях, близких к скорости света, и в ничтожных объемах внутри атомов и атомных ядер. Но физическая революция, прогремевшая за последние десятилетия, вовсе не сокрушила ньютоновской механики, она только надстроила, обобщила ее, обратив законы Ньютона из общих в предельные, справедливые для сравнительно небольших скоростей и больших объемов. И для нас, обитателей земного шара, эти небольшие скорости и большие объемы наиболее привычны и нормальны, они определяют нашу практику и технику. Строителю машин, домов, кораблей, самолетов, танков, пушек теория относительности и квантовая механика нужны в очень малой степени, они вместе внесли бы практически бесконечно малую поправку в расчеты на основе ньютоновской механики. Каждая новая машина и новое строение есть всегда в известной мере результат применения ньютоновской механики; законы механики при этом понадобились так же, как таблица умножения.
Величавое следствие законов механики — всемирное тяготение, выведенное автором «Начал» из движений небесных тел, сохранило свою универсальную роль в полной мере. Доказанный когда-то для земли и солнечной системы закон подтвердился на всем протяжении вселенной. В 1941 г., например, опубликованы результаты Кумпа и Хоффлейта, подтвердившие полную справедливость закона Ньютона для движения некоторых звездных систем, находящихся от Солнца на расстоянии 30 световых лет. Общая теория относительности истолковала явления тяготения совсем по-новому и несколько обобщила закон Ньютона, однако поправки настолько ничтожны, что астрономия во всех своих расчетах с полной надежностью продолжает пользоваться формулой Ньютона.
Незыблемость и актуальность дела Ньютона особенно очевидны в области математики. Великое открытие Ньютона и Лейбница — анализ бесконечно малых жив, развивается и нужен с каждым днем все больше. Это — основная форма современного естествознания и техники, и нет возможности учесть неисчислимые результаты, которые принес с собой анализ в область теории и практики. В символах дифференциальных и интегральных уравнений и так называемого вариационного исчисления нашли свое выражение самые общие принципы физики. Отвлеченная идея непрерывности естественных явлений, лежащая в основе анализа бесконечно малых, оказалась если и не всегда точной, то необычайно плодотворной. Новая физика иногда отказывается от идеи непрерывности; в современную науку глубоко проникла идея атомов, скачков, прерывностей в широком смысле. Атомизируется масса, электрический заряд, энергия, действие. Классические дифференциальные уравнения получают статистический смысл и являются верными только для средних значений большего числа отдельных элементарных процессов. Но это ни в какой степени не снижает могущества, пользы и необходимости математического метода Ньютона-Лейбница.
С изумлением склоняясь перед гением Ньютона, можно задать вопрос: в чем разгадка необычайной прочности его научного наследства и неувядающего значения для современности? Нередко ответ искали в том, что истина — одна и найти ее можно только один раз, и счастливцем, ее нашедшим, называли Ньютона. До известной степени это справедливо, но это, конечно, не ответ на вопрос. Остается неясным, почему же счастливцем не оказались Декарт, Гук или Гюйгенс, также искавшие истину? Ключ к ответу в значительной мере содержится в научном методе Ньютона.
Известно, что Ньютон с презрением и пренебрежением относился к гипотезам, т. е. произвольным предположениям в науке, непосредственно не вытекающим из опыта или рассуждения. Такими гипотезами были для него, например, вихри Декарта, эфир, разные варианты теории света и пр. Ньютон противопоставлял гипотезам то, что он назвал «принципами» или «началами». Принцип — это закон явлений, найденный из опыта или наблюдения и соответственно обобщенный. Примеры принципов — три закона механики Ньютона, закон всемирного тяготения, неизменность монохроматического света и т. д. Из принципов, как из аксиом геометрии, путем математического рассуждения получаются в применении к конкретным случаям бесчисленные следствия, охватывающие всю область явлений и составляющие безукоризненную теорию. «Математические начала» Ньютона — образец «метода принципов». Теории такого рода по существу дела необычайно прочны и незыблемы, они построены из самого добротного материала: верного опыта и точного математического рассуждения. В этом один из секретов бессмертия ньютонова научного наследства.
Последующее развитие физики дало целую цепь блестящих примеров применения метода Ньютона. Так построена термодинамика, электродинамика, теория относительности, теория квантов. Эти теории, так же как и физика Ньютона, созданы навсегда [2].
Было бы глубокой ошибкой, впрочем, разделять вместе с творцом «Начал» его презрение к гипотезам. Наряду с принципами, гипотезы имели и имеют громадное движущее значение в развитии науки. Стоит вспомнить гипотезу атомов, пребывавшую в виде произвольного предположения в течение тысячелетий, принесшую неисчислимый ряд важнейших научных результатов и, наконец, в наше время вполне подтвержденную опытом. На наших глазах атомизм из гипотезы превратился в принцип. Но даже отмирающие гипотезы, временные построения, впоследствии отбрасываемые наукой, вроде флогистона, эфира, упругой теории света, способны в соответствующих условиях приносить громадную пользу. На «лесах» таких гипотез выросла современная физика.
Сам Ньютон предложил немало гипотез, развивая их в вопросительной форме в «Оптике», в отдельных мемуарах и письмах. Но многие из таких гипотез Ньютона не выдержали испытания времени и сейчас интересны только в исторической перспективе. Неизменно прочными остаются ньютоновы принципы. Они определили бессмертие дела Ньютона и его значение для современности.
Источник: С.И.Вавилов. Собрание сочинений. Т.3,
М.: Изд-во АН СССР, 1956, с.278-285.
Первоначальная публикация: «Природа», 1943, № 1, 75-79.