Мировоззрение, опровергнутое открытиями современной физики, основывалось на ньютоновской механистической модели Вселенной. Она служила каркасом классической физики и основой всех наук и натурфилософии на протяжении почти трех столетий.
По Ньютону, все физические явления происходят в трехмерном пространстве, описываемом евклидовой геометрией. Это абсолютное пространство, всегда находящееся в состоянии покоя и неизменное. Как утверждал сам Ньютон: «Само абсолютное пространство, без учета внешних факторов, всегда остается неизменным и неподвижным»[46]. Все перемены в физическом мире описывались в терминах отдельного измерения, именуемого временем: абсолютного, не имеющего связи с материальным миром и равномерно текущего через прошлое, настоящее и будущее. «Абсолютное, истинное математическое время, по своей сущности, течет с постоянной скоростью, не подвергаясь внешним воздействиям», — утверждал Ньютон[47].
Ньютон считал, что в абсолютном пространстве и абсолютном времени движутся материальные частицы. В своих математических уравнениях он рассматривал их как «точечные массы» и считал маленькими, твердыми и неделимыми объектами, из которых состоит материя. Эта модель очень похожа на модель греческих атомистов. Обе различают полное и пустое, материю и пространство, обе исходят из того, что форма и масса частиц неизменны. Материя вечна и изначально пассивна. Важное отличие ньютоновской модели от демокритовой в том, что первая точно описывает силу взаимодействия между материальными частицами. Последняя очень проста и зависит только от масс и расстояний между частицами. Это сила притяжения. По мнению Ньютона, она тесно связана с телами, на которые действует, причем постоянно и на любом расстоянии. Подобные представления сегодня кажутся странными, но в те времена никто не пытался исследовать их глубже. Считалось, что частицы и силы созданы Богом и не подлежат анализу. В своем трактате «Оптика, или Трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света» Ньютон выдвигает следующее представление о том, как Бог создал материальный мир.
Мне кажется вероятным, что Бог вначале сотворил материю в виде твердых, обладающих массой, цельных, непроницаемых и подвижных частиц с такими размерами, пропорциями, формами и другими качествами, которые наилучшим образом отвечают той цели сотворения. И эти частицы, будучи цельными, несравненно плотнее, чем любое пористое тело, из них составленное. Они настолько плотны, что никогда не изнашиваются и не разбиваются; ни одна сила не может разделить то, что Бог сотворил единым при своем первотворении[48].
Согласно ньютоновской механике, все физические явления сводятся к движению материальных точек в пространстве, вызванному их взаимным притяжением (силой тяжести, гравитацией). Чтобы дать строгое математическое описание этой силы, Ньютону пришлось использовать абсолютно новые понятия и математические операции дифференциального исчисления. Это был гигантский интеллектуальный прорыв. Эйнштейн высоко оценивал значение трудов Ньютона, называя их «величайшим достижением мысли, которым мир обязан одному человеку».
Основа классической механики — ньютоновские уравнения движения. Считалось, что они отражают незыблемые законы, управляющие перемещениями материальных точек, а значит, и всеми природными явлениями. По мнению Ньютона, Бог создал материальные частицы, силы между ними и фундаментальные законы движения. Вся Вселенная была запущена в движение и движется до сих пор, как хорошо отлаженный механизм, подчиняющийся неизменным законам.
Механистический взгляд на природу был тесно связан со строгим детерминизмом. Огромный космический механизм подчинялся определенным законам. Всё происходящее имело причину и следствие. В принципе, досконально зная состояние системы в текущий момент, можно было с уверенностью предсказывать ее будущее. Эта уверенность выразилась в высказывании французского математика Пьера Лапласа.
Разум, располагающий точными и подробными сведениями о местонахождении всех вещей, из которых состоит мир, при условии, что он способен подвергнуть анализу столь огромное количество данных, смог бы объединить в одной формуле движение самых больших тел Вселенной и мельчайших атомов. Для него не оставалось бы неясностей, и будущее, как и прошлое, показалось бы ему настоящим[49].
Философской основой строгого детерминизма было фундаментальное разграничение между миром и человеческим «Я», введенное Декартом. Как следствие, возникла уверенность в возможности объективного описания мира, лишенного даже упоминаний о личности наблюдателя-человека. Наука видела в таком объективном описании мира свой идеал.
Ньютоновская механика переживала колоссальный успех в XVIII–XIX вв. Сам Ньютон при помощи своей теории объяснил движение планет и основные свойства Солнечной системы. Но его модель была сильно упрощенной и не учитывала, например, гравитационное воздействие планет друг на друга. Из-за этого Ньютон обнаружил в ней несообразности, которые сам не мог объяснить. Он решил проблему, предположив, что Бог всегда присутствует во Вселенной, чтобы исправлять нестыковки.
Великий математик Лаплас поставил перед собой амбициозную задачу уточнить и усовершенствовать вычисления Ньютона «и предложить окончательное решение проблемы механики Солнечной системы и настолько приблизить теорию к наблюдениям, чтобы в астрономических таблицах не осталось места эмпирическим вычислениям»[50]. Результатом стала большая работа в пяти томах, «Небесная механика». Лаплас в мельчайших деталях описал движение планет, их спутников и комет, причины приливов и других гравитационных явлений. Он показал, что из ньютоновских законов движения следует стабильность Солнечной системы, а Вселенная — саморегулирующийся механизм. Когда Лаплас продемонстрировал Наполеону первое издание своей книги, тот, по рассказам очевидцев, заметил: «Мсье Лаплас, мне сказали, что этот грандиозный труд об устройстве Вселенной не содержит ни одного упоминания о Творце». На что Лаплас резко ответил: «Я не нуждался в этой гипотезе».
Вдохновленные успехом ньютоновской механики в астрономии, физики использовали ее для описания непрерывного течения жидкостей и колебаний упругих тел и вновь добились хороших результатов. Даже кинетическая теория теплоты получила механистическое обоснование: теплота — энергия, порожденная сложным хаотическим движением молекул вещества. Так, при повышении температуры воды подвижность молекул растет, пока они не преодолевают сил взаимного притяжения и не разделяются. При этом вода превращается в пар. А при охлаждении движение молекул замедляется, между ними возникает более тесная связь, они соединяются в новую, более жесткую и неподвижную структуру, и образуется лед. Так же чисто механически можно объяснить множество других тепловых явлений (рис. 2).
Рис. 2. Три состояния воды
Триумф механистической модели Ньютона в начале XIX в. убедил физиков в том, что ее законы управляют движением всей Вселенной и лежат в основе законов природы, а явления природы не могут иметь другого объяснения. Но по прошествии менее 100 лет стало очевидно, что ньютоновская модель не может объяснить новые физические открытия, а ее законы не всегда верны.
Это понимание пришло к ученым не внезапно, а было подготовлено открытиями, состоявшимися еще в XIX в. и создавшими почву для недавней научной революции. Всё началось с открытия и исследования явлений электричества и магнетизма, которые не допускали механического толкования, свидетельствуя о существовании новых, неизвестных до того сил. Важный шаг сделали Майкл Фарадей и Клерк Максвелл — первый был одним из величайших экспериментаторов в истории науки, а второй — блестящим теоретиком. Когда Фарадей поднес к медной катушке магнит и вызвал в ней электрический ток, преобразовав тем самым механическую работу в электрическую энергию, он создал великий поворотный момент в истории науки. Этот фундаментальный эксперимент, с одной стороны, дал рождение электротехнике, а с другой — стал основой для теоретических размышлений Фарадея и Максвелла, плодом которых стала теория электромагнетизма. Фарадей и Максвелл не только исследовали действие сил электричества и магнетизма. Прежде всего они занялись самой их природой. Они заменяли понятие «силы» понятием «силового поля» и первыми вышли за пределы физики Ньютона.
Фарадей и Максвелл отрицали, что положительный и отрицательный заряды притягиваются друг к другу точно так же, как два тела в ньютоновской механике. Они утверждали, что каждый заряд создает вокруг себя особое «возбуждение», или «состояние», и противоположный заряд, находящийся поблизости, испытывает их воздействие. Состояние пространства, способное порождать силу, было названо полем. Поле создается каждым зарядом независимо от присутствия иного заряда, способного испытать его воздействие.
Это открытие в корне изменило наше представление о физическом мире. В ньютоновской модели силы непосредственно связаны с телами, на которые они воздействуют. Теперь же место понятия «силы» заняло более сложное понятие «поля», которое существует само по себе и не имеет отношения к материальным телам. Кульминацией этой теории, получившей название электродинамики, было понимание того, что сам свет — переменное электромагнитное поле высокой частоты, движущееся в пространстве в виде волн. Мы теперь знаем, что и радиоволны, и волны видимого света, и рентгеновские лучи — электромагнитные волны, колеблющиеся магнитное и электрическое поля, различающиеся только частотой колебаний, а видимый свет — незначительная часть электромагнитного спектра (рис. 3).
Рис. 3.