Механика от античности до наших дней - Ашот Григорьян

Механика Герца представляет в высшей степени ясную, математически обоснованную картину механики. Единственным недостатком этой картины является ее… иллюзорность. Герц доказал лишь, что скрытые или адиабатически-циклические системы, дополняющие обычную систему до свободной, обладают всеми свойствами обычных консервативных систем. Но отсюда еще не следует, что реальные консервативные системы являются такими, какими они представляются в механике Герца.

Носителем скрытых циклических систем, по мнению Герца, является мировой эфир, но так как скрытым системам Герц приписывает общепринятые свойства механических движений, то эфир в механике Герца имеет характер чисто механической системы; частицам эфира приписываются свойства обычной инертной материи, обычные механические движения и кинетическая энергия, движения частиц эфира подчиняются законам классической механики и т. д.

Главный недостаток механики Герца не в ее конкретных механических конструкциях, а в универсализации развитой им интерпретации сил. Утверждение Герца, что мнимое действие сил на расстоянии сводится исключительно к процессам механического движения в наполняющей пространство среде, Между мельчайшими частицами которой существуют неподвижные связи, было опровергнуто последующим развитием физики, и прежде всего механикой Эйнштейна. Механическая теория эфира, на которой основана система Герца, оказалась несостоятельной. Однако в некоторых важных идеях теории относительности и механики Герца имеется много общего. В теории относительности движение планет вокруг Солнца объясняется без привлечения действующих сил, при помощи представления об инерции как о фундаментальном свойстве тел. В механике Герца планеты движутся аналогично телам по кратчайшим линиям в римановом пространстве. В этом отношении отличие теории относительности от механики Герца состоит в том, что в первой материальные движущиеся тела определяют метрику пространства — времени, его геометрию, в то время как у Герца такое движение определяется кинематическими условиями, создаваемыми скрытыми массами системы. Несмотря на историческую ограниченность, связанную с механической картиной мира, механика Герца сыграла значительную роль в развитии одной из основных проблем физики — проблемы пространственно-временной формы движения материи.

VIII.

ПОНЯТИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ В ОЦЕНКЕ ЭЙНШТЕЙНА

После Лагранжа, в течение всего XIX столетия, шло совершенствование аналитического аппарата механики, но система ее основных понятий и законов оставалась неизменной. Развитие кинематики, оформившейся под влиянием запросов техники в самостоятельную дисциплину, и создание векторного исчисления, т. е. векторной алгебры и векторного анализа, дали возможность отчетливее формулировать и компактнее излагать основы механики. Во второй половине XIX в. анализ основ механики, которым физики занялись главным образом под влиянием затруднений, с которыми они сталкивались в попытках ввести в русло механических представлений электродинамику, привел к уточнению представлений об инерциальных системах отсчета и о методах измерения времени. По-прежнему загадочной была природа силы тяготения, необъяснимым был факт совпадения инертной массы и тяжелой массы, но ньютоновы законы движения оставались непоколебленными. Непоколебленными оставались и представления о пространстве и о безоговорочной справедливости для реального пространства геометрии Евклида, и о времени, течение которого никак не могло зависеть от физических процессов, происходящих в рассматриваемой системе тел, что давало возможность, не задумываясь, оперировать «наивным» понятием одновременности. Можно сказать, что на рубеже XIX и XX в. еще сохранилось представление о ньютоновых законах движения как об окончательном решении коренных вопросов бытия. «В начале (если таковое было) бог создал ньютоновы законы движения вместе с необходимыми массами и силами. Этим все и исчерпывается; остальное должно получиться дедуктивным путем, в результате разработки надлежащих математических методов»[33].

По мнению Эйнштейна, XIX век дал достаточно оснований для такого взгляда на ньютоновы законы движения. Особенно поразительными были успехи теорий, в которых применялись уравнения в частных производных. Первым классическим примером применения дифференциальных уравнений в частных производных была ньютонова теория распространения звука. Далее Эйлер написал дифференциальные уравнения гидродинамики. Но это были теории распространения деформаций в непрерывной среде. Для XIX в., по мнению Эйнштейна, характерно систематическое и детальное исследование движения дискретных тел, причем механика дискретных тел оказалась основой всей физики в целом.

Когда Эйнштейн познакомился с основами классической физики, наибольшее впечатление на него произвели не столько структура механики Ньютона и методы решения механических задач, сколько применение механики к собственно физическим и физико-химическим задачам. Эйнштейн перечисляет результаты механических концепций в физике: оптику как механику квазиупругого эфира, кинетическую теорию газов и атомистическую химию (которая, впрочем, в механическом естествознании XIX в. стояла особняком).

Эйнштейн писал о себе и о своих сотоварищах студенческих лет: «На студента наибольшее впечатление производило не столько построение самого аппарата механики и решение сложных задач, сколько достижения механики в областях, на первый взгляд совсем с ней не связанных: механическая теория света, которая рассматривала свет как волновое движение квазитвердого упругого эфира, и прежде всего кинетическая теория газов. Здесь следует упомянуть независимость теплоемкости одноатомных газов от атомного веса, вывод уравнения состояния газа и его связь с теплоемкостью, а главное, численную зависимость между вязкостью, теплопроводностью и диффузией газов, которая давала и абсолютные размеры атома. Эти результаты служили одновременно подтверждением механики как основы физики и подтверждением атомной гипотезы, которая тогда уже твердо укрепилась в химии.

Однако в химии играли роль только отношения атомных масс, а не их абсолютные величины, поэтому там атомную теорию можно было рассматривать скорее как наглядную аналогию, а не как познание действительного строения материи»{200}.

Классическая механика может служить основой термодинамики. Правда, для этого необходимо взять статистическую совокупность молекул, движения которых подчиняются соотношениям классической механики. Но факт остается фактом: за статистическими закономерностями термодинамики стоят непреложные законы движения и соударения тел, установленные механикой Ньютона. Поэтому классическая термодинамика считалась — да и действительно была — свидетельством универсального характера механики Ньютона. Эйнштейн пишет, что «глубочайший интерес вызывало и то, что статистическая теория классической механики была в состоянии вывести основные законы термодинамики; по существу это было сделано уже Больцманом»{201}.

Классическую механику Ньютона считали основой и электродинамики. Это было вполне естественным результатом универсального понимания классической механики. Сознательной тенденцией Максвелла и Герца было механическое обоснование электродинамики. В то же время объективная историческая тенденция, пробивавшая себе дорогу в классической электродинамике, состояла в отрицании классической механики как основы физических представлений.

«Нельзя поэтому удивляться, — пишет Эйнштейн, — что физики прошлого века видели в классической механике незыблемое основание для всей физики и даже для всего естествознания; они неустанно пытались обосновать на механике и максвелловскую теорию электромагнетизма, медленно пробивавшую себе дорогу. Максвелл и Герц и своем сознательном мышлении также считали механику надежной основой физики, хотя в исторической перспективе следует признать, что именно они и подорвали доверие к механике как основе основ всего физического мышления»{202}.

Один из создателей теории относительности; провел важные исследования в области квантовой теории света. Дал объяснение закономерностей фотоэлектрического эффекта, разработал теорию броуновского движения. 

Сознательную ревизию классической механики Эйнштейн увидел в книге Маха «История механики». Здесь необходимо строго разграничить: 1) мысль о невозможности построить здание науки на фундаменте классической механики; 2) так называемый принцип Маха, согласно которому силы инерции зависят от взаимодействия масс, и 3) философские взгляды Маха.

В части отказа от догматического и универсального понимания классической механики Эйнштейн прочел в «Истории механики» больше того, что в ней содержалось. Мах оспаривал идею абсолютно ускоренного движения в том виде, в каком эта идея была высказана в «Началах» Ньютона. Знаменитый пример с вращающимся ведром казался Маху неубедительным. Но замечания Маха не содержали, хотя бы в неявной форме, мысли о других, неклассических закономерностях механики и не приводили к мысли о немеханических исходных закономерностях природы.