Дмитрий Александрович Фёдоров
Природа боится пустоты
Древнеиндийская физика
Особой оригинальностью отличаются и начатки физических воззрений, которые возникали с VII по II века до нашей эры у древнеиндийских мудрецов. В тот период территория современной Индии представляла собой пестрый конгломерат различных царств и княжеств. Основу экономики составлял труд свободных крестьян и искусных ремесленников, торговля процветала, а купцы ненамного уступали по влиянию земельной аристократии. Во многих государствах чеканилась своя монета, вес которой определялся с высочайшей точностью.
Как мы уже понимаем, описанные социально-экономические условия должны были способствовать интеллектуальному рассвету, и он действительно произошел – многочисленные школы брахманов обучали молодежь самым разным философским воззрениям. Наряду с древними традиционными текстами «Ригвед» и «Упанишад» иной раз излагались оригинальные учения, причем свободно развивались даже противоречащие друг другу точки зрения, в том числе и отрицавшие авторитет Вед. Постепенно в индийской философии сформировалось шесть основных ортодоксальных систем мысли – миманса, веданта, йога, санкхья, ньяя и вайшешика, а также две важнейших неортодоксальных – джайнизм и буддизм.
Наиболее полно физические воззрения отражены в системе вайшешика, а ее основатель, известный под прозвищем Канада (пожиратель частиц), изложил свои идеи в афоризмах текста «Вайшешика-сутра». Согласно учению Канады всё познаваемое основано на движении, которое способствует соединению и разъединению. Постулируется, что в каждый конкретный момент у субстанции возможен лишь один вид движения, причем оно может быть получено только извне и разрушается тем эффектом (сопротивлением), который оно само и создает. Причинами движения называются волевое действие, упругость и напор, причем последний создается толчком либо ударом. Напор поддерживает движение в заданном направлении и сохраняется, пока тело не встретит преграду. Иными словами, выпущенная из лука стрела, по мнению последователей Канады, приобретает движение от контакта с тетивой, а затем летит благодаря приобретенному напору.
Столь прозорливые и точные взгляды на природу движения могли бы лечь в основу глубоко проработанной механической теории, однако, в действительности вайшешика так и осталась исключительно абстрактной философской концепцией, положения которой не нашли никакого математического развития. При этом знания древнеиндийских математиков были весьма глубоки и немногим уступали, например, знанием египетских жрецов, а то и превосходили их. Тем не менее, Канада даже не пытался различать движения по их скоростям, останавливаясь исключительно на разнице в направлениях.
Подобным же образом обстояли дела и во взглядах на строение вещества. Согласно «Вайшешика-сутре», существует девять составляющих реальности: земля, вода, свет и воздух (все состоящие из атомов), а также пространство, время, направление, вечный дух и разум. Атомы идеальны, то есть сферичны, вечны, способны соединяться, образуя молекулы, и составляют в итоге весь доступный наблюдению материальный мир. Разнообразные вещества являются лишь преходящей формой существования вечных частиц, причем процесс их сочетания в доступные нашим чувствам предметы проходит поэтапно. Сперва два однотипных атома соединятся в диаду, а затем уже комбинация из трех (необязательно однотипных) диад образует триаду, которая уже есть минимальный объект доступные ощущениям. Возможны также сочетания и большего числа диад, тогда как простые сочетания из множества вечных атомов давали бы, по мнению Канады, лишь более крупные, но такие же вечные образования, а не привычные преходящие вещества, разнообразие которых объясняется различиями состава диад в триадах.
Разумеется, древнеиндийская атомная теория являлась чисто спекулятивным натурфилософским учением, построенным на умозрительных абстрактных аргументах. Едва ли возможно построить на такой основе какую-то работающую химическую систему, но, тем не менее, при иных исторических обстоятельствах данные взгляды могли бы стать надежным фундаментом для дальнейшего изучения строения вещества, чего, впрочем, так и не произошло. В силу социальных процессов Индия так и не сумела приступить к формированию истинно научного мышления.
Ранняя древнегреческая физика
Наиболее же глубокую систему древних физических взглядов дают нам именно античные источники. Необходимо, впрочем, согласиться с тем, что они во многом являются просто наиболее полно сохранившимися и хорошо изученными, по сравнению, например, с китайскими или индийскими. До известного момента греческое рабовладение способствовало разделению труда и некоторому развитию техники, поскольку у свободных граждан появлялся досуг – в том числе и для интеллектуальных занятий. Рабам, однако же, обычно поручались лишь самые примитивные занятия, требующие простых и грубых инструментов. Сложный механизм невозможно было доверить несвободным людям, которые совершенно не были заинтересованы в результате своего труда. Хозяевам же всегда оказывалось проще и дешевле купить еще нескольких рабов, чем облегчать труд уже имеющихся с помощью хитроумных машин.
Тем не менее, если говорить о механизмах, то к известным издревле рычагу и клину эллины добавили прессы для виноделия, вороты для подъема и перемещения грузов, блоки и полиспасты для строительства, а также зубчатые передачи для преобразования вращательного движения. Также грекам были известны водяные колеса, червячные передачи и насосы, однако применялись они редко, так как чаще всего (в силу своего несовершенства) проигрывали в эффективности рабам. А коль скоро такие механизмы использовались нечасто, то не копился опыт их эксплуатации, а значит, они не могли осознанно совершенствоваться. Невероятно трудоемкие сельское хозяйство, а также добыча камня или руды – те области человеческой деятельности, которые сегодня немыслимы без сложных машин и инструментов – ложились на плечи рабов, и потому оставались у греков технически слаборазвитыми.
Зато сложные приспособления активно развивались в интересах военного и морского дела, которые всегда оставалось уделом свободных граждан, а невольникам там отводилась разве что роль гребцов. Торговые суда и военные корабли античности представляли собой искусные и сложные инженерные конструкции. В сражениях греческие, а позже и римские воины использовали разнообразные метательные механизмы со специальными прицельными приспособлениями и приборами для измерения траектории. Обыкновенная для того времени баллиста могла метнуть камень массой в несколько килограммов на сотни метров.
Другим видом деятельности, где достаточно часто использовались механические устройства, было ремесленное производство, которым в существенной степени также занимались свободные греки – в собственных мастерских, либо же нанимаясь работать за плату. Гончарные круги, ножные токарные станки, разнообразные кузнечные инструменты, а также множество иных полезных устройств, помогающих в ткацком, ювелирном и кожевенном деле способствовали тому, что греческие товары ценились по всему Средиземноморью. Конечно, в мастерских трудилось немало рабов, однако торговая конкуренция все же заставляла вкладываться в сложные механизмы, если они помогали обеспечивать высокое качество продукции и, как следствие, получать прибыль. Сама торговля, требовавшая строго учета золота, серебра и драгоценных камней, привела к повсеместному распространению точных рычажных весов, а бесчисленные операции взвешивания довели понимание закона рычага до стадии очевидности.
Конечно же, все описанные достижения относились именно к эмпирической физике, знания которой складывались из многовекового практического опыта. Однако именно греческая мысль сумела выйти за пределы абстрактных рассуждений и двинуться в сторону настоящих физических теорий, которые позволяли, в том числе, производить инженерные расчеты (чаще всего – неверно). Впрочем, первые античные натурфилософские концепции мало отличались от того, что мы уже встречали в древнем Китае и Индии.
В предыдущих главах говорилось о том, как ранние греческие философы отвечали на вопрос о первичной субстанции, причем эта проблема оказалась тесно переплетена не только с религией, космогонией и теорией строения вещества, но также и с взглядами на справедливое устройство общества. Фалес из Милета, живший за двести лет до Платона, первым предположил, что любая вещь имеет в своей основе некоторое единое основание, и счел началом всего воду. Если говорить о первооснове всерьез, то вода подходит на эту роль ничуть не хуже других известных тогда веществ, однако мы не знаем, имелась ли в виду именно та самая жидкость, из которой состоят моря и реки, либо же просто некая умозрительная влага. Также неясно, должны ли были камни действительно состоять именно из воды, либо же просто у них отмечалось нечто общее со льдом. На самом деле не так важно, какие именно аргументы приводил Фалес, но, судя по всему, некоторые греки сочли его концепцию если не убедительной, то хотя бы разумной.
В любом случае уже Анаксимадр, друг и ученик Фалеса, посчитал, что жидкость не имеет никаких преимуществ перед газами и твердыми телами, а потому первоосновой должна быть некая особая бесконечная субстанция «апейрон», из которой состоят вода, земля, огонь и воздух. С одной стороны такой шаг выглядит достаточно разумным, но, если вдуматься, то он ничего не объясняет, а лишь отодвигает решение куда-то вглубь. Видимо, поэтому другой милетец, Анаксимен, начал развивать идею о том, что основной субстанцией является воздух, который, подобно человеческой душе, объемлет весь мир.
Хоть милетцев и принято называть физиками, но их учения (о которых мы на самом деле очень мало знаем) ничуть не напоминали современную науку, более того – можно только гадать, как эти философы вообще могли прийти к своим взглядам. Ясно лишь, что никто из них даже не пытался использовать свои рассуждения о первооснове для каких-то практических целей за исключением разве что политических. В этом смысле характерны воззрения обожествляющего войну представителя царского рода Гераклита из Эфеса (современника Анаксимена), который учил, что основой всего является вечно живой возгорающийся и угасающий мятущийся огонь. В какой мере диалектическая социально-философская концепция Гераклита вообще затрагивала реальные вопросы о структуре вещества – сказать сложно, ведь его тексты не сохранились. Скорее всего, там не было ни слова хоть о чем-то, что можно с натяжкой назвать современной физикой или химией.
Живший на Сицилии Эмпедокл сделал еще один шаг в сторону приближения философии к реальной науке. Этот философ первым высказал идею, что различные вещества состоят сразу из четырех элементов – воды, воздуха, земли и огня – смешанных в различных пропорциях. Такая концепция хоть и была неверной по своей сути, но уже вполне допускала как возможность построения химических теорий, так и эмпирическую проверку. О последней, впрочем, греки почти никогда не задумывались, что открывало дорогу для бесчисленных спекуляций и откровенных фантазий.
Первоэлементы и атомы
Здесь сразу необходимо сделать оговорку, что мы точно также не знаем, что именно понималось под четырьмя элементами: прямые значения их названий, абстрактные агрегатные состояния материи или же какие-то условные вещества, которые хотя бы в теории можно получить в своем чистом виде. Вероятно, каждый философ отталкивался от общепризнанных в быту четырех понятий, подразумевая далее то, что было нужно. Точно так же непросто определить, какой смысл вкладывали Эмпедокл или Анаксимандр в понятия «любовь», «ненависть», «справедливость» и «воздаяние», используя их для описания устройства мира. Сегодня мы говорим о «законах природы», используя слово «закон» как метафору его юридического значения, однако греки, похоже, считали, что структура человеческих взаимоотношений является прямым отражением общих космических правил. Все это свидетельствует о гигантской пропасти, которая отделяет древнегреческий взгляд на мир от современного.
Именно поэтому необходимо также с крайней осторожностью интерпретировать учение ранних атомистов. Читая сохранившиеся отрывки Демокрита (особенно в переводе) невероятно трудно удержаться от искушения увидеть там смыслы, которые никоим образом не могли быть туда вложены. Концепция гласящая, что первоэлементы не являются едиными средами, но состоят из неделимых частиц, кажется очень близкой к современной химии. Рассуждения о соединениях различных атомов, об их взаимодействии, происходящем лишь по необходимости – все это на первый взгляд выглядит вполне солидно даже по строгим физическим критериям. Однако нельзя забывать, что атомы Демокрита могли быть не только мельчайшими невидимыми глазу частицами, но и огромными глыбами размером с целый мир (но все еще неделимыми), также не менее экзотично выглядит и гипотеза, что сны возникают от воздействия на нас атомов, прилетающих из других миров. Никакого механизма подобного явления не предлагалось, хотя, казалось бы, следовало задуматься об очевидном вопросе: как один-единственный атом мог принести нам информацию о целом мире.
Важно понимать, что для Демокрита одинаково важными были все его мысли, а мы, отсекая «прогрессивное» от «очевидно неверного» совершаем кощунство, которое привело бы философа из Абдеры в ужас. В самом деле, атомистическая гипотеза помогла Демокриту прийти к интересным выводам в геометрии, механике и космологии, но не в химии. Во всех сочинениях, которые ему приписывают – а сохранились лишь малые отрывки – химические вопросы, судя по названиям, не затрагивались вовсе. Зато Демокрит немало рассуждал об этике, а самым важным принципом мироустройства считал изономию, то есть всеобщее равенство перед законом (тут имеются в виду одновременно и природные процессы, и жители греческого полиса). На самом деле атомизм понадобился Демокриту просто для того, чтобы сочинить непротиворечивое мироустройство, которое бы подчинялось принципам равенства (демократии) и могло выступить альтернативой в борьбе с общепринятым религиозным мифом, защищавшим права старой аристократии. Если ни у каких явлений природы нет преимуществ над другими, то и отдельные люди не должны быть выше остальных. Реальная проблема строения вещества сама по себе была маловажна.
Дух метафизики
Именно поэтому, когда Парменид из Элеи дошел в своих рассуждениях до крайности и, оспаривая Гераклита, начал доказывать, что всякое движение невозможно вовсе, а наши наблюдения суть иллюзии, он нашел многих почитателей и последователей. Зенон подвел под метафизические рассуждения своего учителя достаточно убедительную логическую и математическую базу – те самые знаменитые апории, о которых мы уже говорили выше. Удивительно тут не то, что Парменид и Зенон были неправы, и даже не то, что они взялись отстаивать заведомо абсурдный тезис. Дело в том, что дискуссия с ними велась в основном также в абстрактной метафизической плоскости. Кажется, что никого в Элладе вообще не волновала проблема движения настоящих тел. Важно было только лишь переспорить соперника, оставив за собой последнее слово. Ни один из ранних греческих мыслителей даже не пытался объяснять, как его теория об истинной реальности соотносится с нашими наблюдениями.
Полагалось само собой разумеющимся, что достаточно мудрый человек способен постигнуть сущность мира одним своим разумением, опираясь исключительно на общие представления о том, как всё должно быть. В самом деле, если уж у людей имеется интеллект, который позволяет некоторым из нас понимать что-то о некоторых вещах, то отчего бы самым умным не понять сразу всё и обо всем? У талантливых мыслителей получались красивые внутренне непротиворечивые системы, а проблема их соотнесения с действительностью казалась чем-то маловажным и второстепенным – если наблюдения противоречили фактам, то всегда можно придумать правдоподобное многословное объяснение либо просто объявить всё иллюзией.
Нам такая позиция может показаться странной и даже противоречащей здравому смыслу, ведь таким образом от изучения мира не будет никакой пользы. Но свободные греки, имеющие время на интеллектуальный досуг, по большей части не стремились изучать мир ради применения полученных знаний на практике. Именно поэтому Сократ разочаровался, когда узнал, что Анаксагор описывал небесные тела чисто механически, не делая выводов о том, какое из них лучше или хуже. И смысл тут не в том, что Солнце дает тепло и свет, а Луна полезна морякам. Сократа, как и большую часть греческого общества, интересовало именно на то, как движутся небесные светила, а как эти движения могут повлиять на поведение обычных людей.
Геометрическая химия Платона
В этом отношении особенно примечательно выглядят рассуждения Платона, который соединил концепцию о четырех первоэлементах с атомизмом, сформулировав в диалоге «Тимей» оригинальное молекулярное учение. В этом энциклопедическом тексте, наполненном метафорами и мистицизмом, излагаются платоновские взгляды на устройство Вселенной, которая является отражением невидимой идеальной модели мира. О чистых идеях можно судить только диалектически, тогда как в области наблюдаемой нами природы возможны лишь наиболее правдоподобные суждения. Именно такого рода представления (наиболее правдоподобные, как ему кажется) и приводит Платон касаемо структуры вещества.
Постулируется, что вся материя состоит из частиц, которые способны превращаться друг в друга. Тот простой факт, что вода может затвердеть или испаряться, позволяет Платону отказаться от названий самих первоэлементов, но вместо этого говорить о наличии у вещества свойств воды, земли, огня или воздуха. Исходные частицы состоят из первичной материи, которая вовсе не имеет никаких свойств кроме геометрических. Поскольку, по мнению Платона, частицы основных состояний материи непременно должны быть совершенны во всех смыслах, включая и эстетический, то на их роль были назначены правильные многогранники, учение о которых как раз тогда разработал Теэтет Афинский. Доказательство того, что правильных многогранников может быть только пять – тетраэдр, октаэдр, икосаэдр, куб и додекаэдр – произвело большое впечатление на современников Платана, и трудно было удержаться, чтобы не воспользоваться этой удивительной математической новинкой. Удобным оказалось еще и то, что у первых трех многогранников все грани являются равносторонними треугольниками, которые, впрочем, Платон из мистических соображений разбивает на шесть «более идеальных» прямоугольных треугольников с отношением сторон 1/30,5/2. Точно также квадратная грань куба дополнительно разделяется на четыре прямоугольных треугольника с отношением сторон 1/1/20,5. Составленный из пятиугольников додекаэдр разделить на подобные одинаковые треугольники нельзя. Платон полагает, что все такие пустотелые многогранники могут распадаться на составляющие фигуры и складываться заново, причем состоящие из одинаковых треугольников тетраэдр, октаэдр и икосаэдр способны превращаться друг в друга. А вот куб и додекаэдр не во что превратиться не могут.
Далее Платон рассуждает следующим образом. Поскольку куб наиболее крепкая и устойчивая форма (что при прочих равных на самом деле неверно), то земле следует придать именно кубическую форму, откуда мы можем заключить, что земля неспособна превращаться в другие виды веществ. То, что землеобразные тела способны плавиться или растворяться объясняется просто их временным расчленением из-за проникновения частиц огня или воды в промежутки между кубиками. Из трех оставшихся структур огонь наиболее подвижен, а вода – наименее подвижна, кроме того огонь явно самый легкий из них, а вода – самая тяжелая. Таким образом, у элемента огня должно быть меньше всего граней, а у воды – больше всего. Кроме того вода, воздух и огонь способны взаимно превращаться друг в друга, а потому частицы огня имеют форму острого тетраэдра, воздуха – октаэдра, а воды – икосаэдра. Разумеется, каждая отдельная частица столь мала, что заметить можно лишь множество из них, но никак не одну.
Хоть все приведенные умозаключения являются чистой воды спекуляцией, но сам Платон неоднократно подчеркивает, что лишь выдвигает предположения, которые ему лично кажутся наиболее правдоподобными. В более поздние времена подобная скромность суждений окажется уже не в чести.
Поскольку прямым текстом говорится, что вес многогранников складывается из числа составляющих их треугольников, то приходится заключить, что Платон полагает их вполне реальными и материальными, а вовсе не отвлеченными мысленными формами. При этом описанные многогранные частицы нигде в «Тимее» не называются «атомами», что вполне логично, ведь они разделяются на плоские фигуры, то есть в нашем понимании являются скорее молекулами. Сами же плоские фигуры также не считались неделимыми, но лишь возникающими из некоего непрерывного субстрата и в нем же растворяющимися. Под влиянием природной неоднородности они приходят в движение, сталкиваются и соединяются множеством незримых малых связей-штифтов. В однородной же среде не может возникать ни движения, ни вызываемых им изменений.
Поскольку каждая грань тетраэдра, октаэдра и икосаэдра содержит соответственно по 24, 48 и 120 прямоугольных треугольников, то Платон дает математическую формулу преобразования веществ
1·вода = 2·воздух + 1·огонь.
В самом деле, по числу первичных треугольников имеем 120 = 2·48+24, что, по сути, дает нам первое в истории человеческой мысли уравнение химического баланса. Большое разнообразие встречающихся в природе веществ Платон объясняет тем, что исходные треугольники, очевидно, могут иметь различные размеры, и это позволяет получать многогранники разного размера и веса. Так, например, Платон перечисляет несколько видов материи огня, как то – обычное пламя, видимый свет, а также то, что остается в телах после их нагревания.
Также в «Тимее» имеются некоторые попытки найти аналогии между числом граней многогранника и длинной струн, что в целом сводится к желанию Платона следовать заветам Пифагора и обнаружить фундаментальные математические законы устройства вселенной.