Восхождение Запада. История человеческого сообщества - Мак-Нил Уильям (читать книги полные txt) 📗

Западная наука переживала такой же период беспокойства, как и западное искусство. В период между Французской и Русской революциями физики и их научное окружение разработали мировоззрение исключительной силы и строгой красоты — мировоззрение, которое соединило огромность видения с мельчайшей точностью деталей и которое, более того, было подтверждено экспериментами и новыми технологиями. Главные направления этой научной структуры были установлены в XVII в., когда физики сконцентрировали внимание на изучении материи в движении, сперва в классической форме. Но в течение XIX в. размах и сложность их теоретических систем были так громадно расширены, что люди стали мечтать о возможности представить так же широко все знание.

Научные знания развивались в двух направлениях: 1) открытия новых законов, которые объединяли в одно большое целое ранее представлявшиеся несвязанными явления; 2) применения уже известных законов физики к новым классам явлений. Первое направление дало такие достижения, как закон Джеймса Джоуля (ум. 1889), установившего взаимоотношения между работой и теплом, и математическое обобщение Джеймса Кларка Максвелла (ум. 1879), который объединил различные формы уже известной лучистой энергии (свет, лучистое тепло и т.д.) в континуум электромагнитного излучения. Второй путь привел к применению методов и теорий экспериментальной физики к таким наукам, как химия, астрономия, биология, генетика и геология, — в каждом случае к сознательно ожидаемому успешному результату.

Эти достижения стремились свести явления к некоему количеству проявлений в пределах математически сконструированной вселенной, определяемой четырьмя основными условиями — материей, энергией, пространством и временем. До публикации в 1905 г. первой работы о теории относительности Альбертом Эйнштейном (ум. 1955) время и пространство оставались математически однородными и абсолютными сущностями, предложенными Галилеем и сформулированными Ньютоном. Концепция материи, с другой стороны, хоть и с различными затруднениями, к концу XIX в. подверглась значительному совершенствованию и потеряла свою незыблемость. В начале XIX в. ученые отделили понятие молекулы от понятия атома и к середине века разработали методы анализа атомной структуры молекул со все возрастающей точностью. К концу столетия химики и физики объединили усилия, чтобы проникнуть в атом, который все еще определялся как конечное, неделимое состояние материи. В первом десятилетии XX в. электроны (открытые Джоном Джозефом Томпсоном; ум. 1940) заменили атомы в роли конечных строительных блоков материи, и при этом «неделимый» атом превратился в миниатюрную Солнечную систему с электронами, двигающимися по планетным орбитам вокруг твердого (или сравнительно плотного) ядра.

Метод, благодаря которому ученые XIX в. превратили обычную твердую материю в облако все более мелких и всегда широко рассеянных частиц, соответствовал методу, с помощью которого они сделали саму энергию более осязаемой. Сам термин «энергия» потребовал совершенно нового определения. Точные вычисления [1114] установили энергетическую равнозначность между такими явно отличающимися явлениями, как химические реакции, движение видимых частиц, движение молекул и электронов, тепло, звук, свет, магнетизм и вновь открытыми видами излучения, такими как радиоволны и рентгеновские лучи. Принцип сохранения энергии при любых изменениях физического состояния был умозрительно предсказан Германом Людвигом Фердинандом фон Гельмгольцем (ум. 1894) в 1847 г. Каждое открытие, совершаемое в следующей половине XIX в., явно подтверждало этот принцип и предоставляло его новые примеры.

Метаморфозы неразрушимой материи, которые так успешно происходили под контролем химиков, кажется, имело явные параллели с преображением некогда считавшейся неразрушимой энергии, которая стала специальным объектом исследования физики. Разделение материи и энергии в пространстве и времени определяло мир физики в XIX в. Это был комфортабельный интеллектуальный мир, немного закрытый для эмоций. Осторожно определяемые термины и осторожно проводимые вычисления и экспериментальное подтверждение математически оформленных гипотез — все это было элегантно выражено в закрытых и логически самосогласованных системах, которые искусно и точно объясняли все физические явления — с некоторыми приводящими в замешательство общеизвестными исключениями.

К концу XIX в. эти приводящие в замешательство исключения начали множиться, и многие концепции классической физики стали совершенно неясны. В некоторых обстоятельствах энергия представала как излучение частиц, проявляясь только в постоянных «квантах» — термин, предложенный Максом Планком (ум. 1947) в 1900 г. Материя оказалась способна в некоторых случаях распадаться и в некоторых процессах излучать мощную радиацию — явление, впервые наблюдавшееся Антуаном Анри Беккерелем (ум. 1908) в 1896 г. И еще труднее было разобраться кому-либо, за исключением нескольких физиков, как связаны время и пространство. Впервые решение этой задачи предложил Эйнштейн в своей теории относительности (1905 г.), попытавшейся объяснить (помимо всего прочего) постоянство скорости распространения света в любом направлении, даже когда она рассчитывается наблюдателем, стоящим на быстро движущейся платформе, например на движущейся по своей орбите Земле. Такое постоянство скорости в 1887 г. наблюдал Альберт Михельсон (ум. 1931) и его коллега Эдуард Уильяме Морли (ум. 1923). Это казалось фундаментально несовместимым с концепцией Ньютона об абсолютности пространства и времени, ведь в соответствии с обычной логикой лучи света, распространяющиеся в том же направлении, в котором движется Земля, должны двигаться быстрее, чем лучи, распространяющиеся в противоположном направлении, поскольку скорость Земли должна быть прибавлена к абсолютной скорости лучей в одном случае и вычтена в другом.

Неожиданная развязка этих противоречий растворила элегантную ясность физики XIX в. Материя, энергия, время и пространство — четыре основные составляющие, на которых основывалась вся структура, — стали необъяснимы с точки зрения классической физики. В результате к моменту, когда Первая мировая война разорвала Европу, недостаточно хорошо понимаемая система материя-энергия, казалось, мистически превратилась в любую из различных пространственно-временных координат — евклидову, гиперболическую или сферическую, а может быть, и в несколько одновременно.

Более того, онтологический статус материи-энергии был далек от ясности. Электрон, открытый в 1897 г., быстро породил стаю других субатомных частиц. Квант энергии Планка оказался таким же плодовитым, и два переходящих друг в друга понятия — «волна-частица» и «частица-волна» слились так, что их невозможно было описать в привычных терминах трехмерного мира. Еще более сомнительной была применимость к действительно существующей Вселенной сети координат, разработанной для априорного вычисления пространства-времени.

Для человека, не принадлежащего к кругу физиков, все это выглядело так, будто метафизика и мистика перенеслись от алтарей в лаборатории, ловко подтвердив свое древнее превосходство над математикой. Для обычного здравомыслящего человека все это выглядело каббалистической бессмыслицей, противоречащей его интуитивному знанию о материальном мире и тем не менее продолжающей производить технологические чудеса. Здесь магия соединяла свои силы с математикой, и какая магия могла превзойти эту — Вселенная должна была покориться законам человеческой мысли и вести себя в соответствии со строгой математической логикой [1115].

Едва ли можно вообразить более экстраординарную революцию мысли, прошедшей от торжества конца XIX в. к растерянности XX в., даже при том, что новые перспективы, открытые физиками в первом десятилетии XX в., в действительности не опровергали классическую теорию, а только делали ее частным случаем более высокого уровня.