Механика от античности до наших дней - Ашот Григорьян

Нужно ли говорить, что успешная разработка динамики в XVII в., в частности в трудах Ньютона, была бы невозможна без астрономических наблюдений, сыгравших в становлении новой механики не меньшую (если не большую) роль, чем «земные» эксперименты, зачастую неточные из-за отсутствия хорошей экспериментальной базы и точных приборов. Наблюдения Тихо Браге послужили отправной точкой для Кеплера при открытии законов движения планет, носящих его имя, а эти последние не только получили свое объяснение в трудах Ньютона, но и явились одним из важных эмпирических подтверждений правильности теоретических выводов великого английского ученого. В дальнейшем мы несколько подробнее коснемся того, как, наоборот, неточные эмпирические данные затормозили на время ход теоретической мысли Ньютона, которая получила новый стимул лишь после точных градусных измерений Пикара.

Интересно проследить древние атомистические истоки классической механики.

Известно, что механика Галилея — Ньютона во многом примкнула к физике Демокрита — Эпикура. В основе ньютонова понятия массы лежит атомистическое представление о материи. Атомисты рассматривали тела как совокупность элементарных, однородных и неизменяемых частиц материи. Атомы неуничтожимы и несоздаваемы, они лишены всяких внутренних состояний и обладают единственным свойством — подвижностью. В этом учении уже содержалось по существу классическое представление о массе, которое нашло выражение у Ньютона (масса как мера количества материи определяется через плотность распределения частиц материи, заполняющих данный объем) и в несколько иной формулировке у Герца (масса определяется как относительное число атомов, содержащихся в данном объеме в данный момент времени).

Атомистический взгляд на строение материи Ньютон выразил следующим образом: «Бог вначале дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур и с такими свойствами и пропорциями в отношении к пространству, которые более всего подходили бы к той цели, для которой он создал их… Природа их должна быть постоянной, изменения телесных вещей должны проявляться только в различных разделениях и новых сочетаниях и движениях таких постоянных частиц».

Постоянство массы вытекает из постоянства атомов: так как атомы однородны и тождественны, то их массы пропорциональны объему. Удельные же веса, или плотности, сложных тел, представляющих собой комплексы одинаковых атомов, могут различаться, так как не все объемы заполнены атомами равномерно. Поэтому Ньютон и определяет массу сложных тел как меру количества материи, устанавливаемую пропорционально плотности ее и объему. Это определение массы, данное Ньютоном в его «Началах», представлялось многим критикам бессодержательным, ибо, по их мнению, само понятие плотности должно определяться через готовое понятие массы. Однако критика эта теряет основание, если согласиться, что в соответствии с атомистической концепцией Ньютон в приведенном выше определении имеет в виду не плотность массы, а плотность распределения атомов. Именно такое понимание массы, принятое Ньютоном, выражено точным образом в определении Герца.

К учению атомистов примыкают в значительной мере также классические представления времени, пространства и движения. Понятия пространства и времени атомисты совершенно отделяли от понятия материи: время и пространство существуют сами по себе, к материальным процессам, протекающим в них, они имеют чисто внешнее отношение. Эту концепцию целиком разделял Ньютон, выразивший ее следующим образом:

«Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью…

Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным…

Место есть часть пространства, занимаемая телом…

Абсолютное движение есть перемещение тела из одного его места в другое…

Как неизменен порядок частей времени, так неизменен и порядок частей пространства. Если бы они переместились из мест своих, то они продвинулись бы (так сказать) в самих себя, ибо время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения»{86}.

Нельзя, впрочем, забывать, что конкретно-исторический генезис идей Ньютона был значительно сложнее и наряду с отражением идей древних атомистов в ньютоновом учении об абсолютном пространстве можно найти отголоски позднеантичных концепций, которые дошли до Ньютона через кембриджских платоников.

Однако не только античная атомистика и позднеантичные концепции пространства воздействовали на развитие механики XVII в. Здесь особенно важно было древне-греческое представление о непрерывном движении. У Галилея эта концепция была тесно связана с воззрениями Архимеда. Дискретная часть вещества — античный атом — движется в непрерывном пространстве, и каждый отрезок его пути может быть разделен на сколь угодно большое число сколь угодно малых отрезков. Эта навеянная механикой Архимеда концепция Галилея открывает дорогу идее непрерывного ускорения и другим фундаментальным идеям классической механики.

В конце жизни Галилей писал о сложении криволинейного и прямолинейного движений у Архимеда как о непосредственном истоке своей теории движения.

«Я не предполагаю ничего иного, кроме определения движения, я хочу трактовать и рассматривать это явление в подражание Архимеду в его «Спиральных линиях», где, заявив, что под движением по спирали он понимает движение, слагающееся из двух равномерных, одного — прямолинейного, а другого — кругового, он непосредственно переходит к демонстрации выводов. Я заявляю о намерении исследовать признаки, присущие движению тела, начинающемуся с состояния покоя и продолжающемуся с равномерно возрастающей скоростью, а именно так, что приращения этой скорости возрастают не скачками, а плавно, пропорционально времени».{87}

Идея непрерывного приращения скорости — это не только исходная идея динамики Галилея, но и исходная идея всей динамики XVII в., «Математических начал» Ньютона и динамики следующего столетия. Более того, это центральная идея классической науки в целом. В механике Аристотеля рассматривалась лишь интегральная схема «естественных мест» и «естественных» движений и «насильственных» движений. Но при этом движение не рассматривали от точки к точке и от мгновения к мгновению. Теперь дело изменилось. В науке появилось дифференциальное представление о движении, об изменении скорости в данной точке, об ускорении. Отсюда изучение проблем динамики с помощью анализа бесконечно малых.

Как уже говорилось, для динамики XVII в. характерно сочетание логико-математического выведения одного понятия из другого и эмпирического изучения мира. Последнее приобретает характер эксперимента, в котором исследуется, проверяется, устанавливается рационально постижимый механизм процесса. В свою очередь логико-математический путь проходит через экспериментально постигаемые понятия.

Такое сочетание выражается в появлении аксиом, которые говорят не о геометрических понятиях, образах и объектах, а о поведении движущихся тел. Это аксиомы механики. К ним ведет долгий путь от интуитивного не-аксиоматизированного положения, молчаливо полагаемого в основу тех или иных выводов, до четко формулированной, логически осознанной аксиомы.

В этом отношении наиболее интересен, пожалуй, принцип сохранения, к которому в разной форме на разных этапах подходили ученые XVII в., принцип инерции как принцип сохранения «состояния», принцип сохранения количества движения, живых сил и т. д.

ИСТОРИЯ ПРИНЦИПОВ СОХРАНЕНИЯ

Современный историк механики не случайно начинает свою общую характеристику развития механики в XVII в. со следующего положения: «От ожерелья, надетого на наклонную плоскость, до первой подлинно математической физики мировой системы, через законы падения и движения брошенных тел в пустоте, законы удара, теорию колебаний маятника, гидростатику и тяжесть воздуха, сопротивление жидкостей и движение в сопротивляющейся среде — таков путь, пройденный механикой XVII века»{88}.

При доказательстве теоремы о равновесии на наклонной плоскости Стевин исходит из верного интуитивного принципа — невозможности вечного движения, возникновения движения из ничего. Мах называл этот еще неаксиоматизированный опыт инстинктивным познанием — определение вряд ли удачно, поскольку здесь налицо некое первичное обобщение повседневного практического опыта, презумпция здравого смысла, лежащая в основе деятельности каждого ремесленника. В этом отношении весьма показательны более ранние высказывания Леонардо да Винчи, проникнутые презрением к искателям вечного движения, а также взгляд Кардано, согласно которому для того, чтобы имело место вечное движение, нужно, чтобы передвигающиеся тяжелые тела, достигнув конца своего пути, могли вернуться в свое начальное положение, а это невозможно без наличия перевеса, как невозможно, чтобы в часах опустившаяся гиря поднималась сама.