Еще одна глава из моей будущей книги. В ней я рассматриваю ключевое представление для всей классической физики и механики - представление о "силе".
Рассматриваю, конечно, через проблематику пространства-времени и как проблему не чисто научную, а философскую - как проблему онтологическую.
В самом деле, ведь под "реальностью" мы можем понимать очень разные онтологические "слои". Наши сны и фантазии - это тоже реальность, реальность чисто субъективная, реальность нашего сознания. И "окружающий нас мир" (как мы его видим и воспринимаем) - это тоже реальность, при этом, как я показал в своих статьях, эта реальность также во многом носит субъективный характер (цвета, звуки, вкусы и запахи возникают и существуют только в нашем сознании, а не объективно). То есть это уже более сложная реальность - реальность субъективно-объективная, в которой объективное тесно переплетено с субъективностью нашего сознания, воспринимающего объективный мир. А за этой субъективно-объективной реальностью "окружающего нас мира" стоит уже совсем-совсем объективная реальность, которая уже никак не зависит от нашего сознания.
А "сила"? Существуют ли "силы", которые фигурируют в физике Ньютона, объективно, в самом объективном физическом мире? Или представление о "силе" - это только наша математическая абстракция?
Сила Ньютона
В 1686 году в Лондоне вышла книга Исаака Ньютона “Математические начала натуральной философии". В этой книге Ньютон изложил и обобщил все ключевые достижение натурфилософии того времени (включая свои собственные) и представил весьма стройную физическую картину Мироздания, дав строгое математическое объяснение многим природным явлениям. Наверное, не будет большим преувеличением сказать, что именно с этой книги Ньютона началась история современной физики, а “физика Ньютона” до сих пор лежит в основе “классической физики”, механики и других дисциплин.
Ключевым понятием в физике Ньютона является представление о силе – векторной величине, которая определяет меру воздействия одних тел на другие и которая всегда действует в пространстве в одном строгом направлении.
Правда, нужно заметить, что сам Ньютон не дал четкого определения, что такое “сила”, и он полагал, что каждая сила имеет свою особую природу. У Ньютона “сила тяготения”, “сила инерции”, внешняя приложенная сила и “центростремительная сила” – это все разные силы, и каждую из них Ньютон рассматривал отдельно.
Но само представление о “силе”, конечно, не было чем-то новым в натурфилософии: греческие философы часто говорили о силах, действующих в природе на материю, но называли эти силы по-разному. А у Аристотеля представление о “силе” очень близко к тому, что под “силой” понимал Ньютон – как то, что приводит тела в движение. Так, например, в “Физике” Аристотель писал:
“Далее, никто не сможет сказать, почему [тело], приведенное в движение, где-нибудь остановится, ибо почему оно скорее остановится здесь, а не там? Следовательно, ему необходимо или покоиться, или двигаться до бесконечности, если только не помешает что-нибудь более сильное”.
Более того, Аристотель даже попытался дать количественную меру силе, которая действует на предметы и придает им скорость:
“Так как движущее всегда движет что-нибудь, в чем-нибудь и до чего-нибудь (я разумею "в чем" - во времени, "до чего" - на какую длину, ибо движущее всегда одновременно движет и продвинуло, так что результатом движения будет некое количество, пройденное в [определенное] количество времени), то, если А будет движущее, В - движимое, Г - длина, на которую продвинуто [движимое], и Д - время, в течение которого [движимое] двигалось, тогда в равное время сила, равная А, продвинет половину В на удвоенную Г, а на целую Г в половину времени Д: такова будет пропорция. И если одна и та же сила движет одно и то же [тело] в определенное время на определенную длину, а половину в половинное время, то половинная сила продвинет половину движимого тела в то же время на равную длину”.
Здесь Аристотель, в сущности, сформулировал главную закономерность движения тел под действием внешних сил: от внешней силы, действующей на тело, зависит скорость, с которой будет двигаться тело. И при этом результат действия силы на какое-либо тело пропорционально зависит и от самого тела, на которое действует эта внешняя сила: половина силы продвинет “половину тела” на то же расстояние, что и полная сила продвинет “полное тело” за то же время.
Но Аристотель при этом допустил ошибку: он полагал, что внешняя сила придает телу равномерную скорость. А что такое “полное тело” или “половина тела”, Аристотель четко не определил.
Ньютон нашел правильное соотношение для действия внешней силы: внешняя сила придает телу не равномерную скорость, а ускорение (“количество движения”, в терминологии Ньютона), а “полное тело” или “половина тела” определяется массой этого тела.
И вот здесь возникает вопрос: а является ли “сила” какой-то объективной физической реальностью или это только чисто математическая и геометрическая абстракция, которую физики со времен Ньютона используют для описания и объяснения физических процессов, происходящих в нашем мире?
Вопрос этот, хотя он, возможно, выходит за пределы, собственно, физики и принадлежит уже больше к области натурфилософии и философии, вовсе не является праздным. Этот вопрос иногда и сегодня поднимается среди физиков, а во времена Ньютона многие натурфилософы сочли это представление о “силе” недостаточно научным: в те времена с понятием “силы” больше связывали представления из области богословия (“божественные силы”), магии и оккультизма.
А с появлением квантовой механики этот вопрос и вовсе не должен показаться надуманным: ведь в квантовой механике проблематичными стали и многие другие представления из классической физики. Даже представления о положении частицы и о траектории движения частицы в пространстве и времени в квантовой механике перестали быть чем-то ясным и определенным.
И проблема с представлением о “силе” здесь примерно та же, что и с представлением о траектории частиц в квантовой механике: мы никаких сил не видим, и как-то зарегистрировать саму силу во время опыта мы не можем. Мы всегда судим о присутствии какой-либо силы только по тому, как она себя проявляет при движении тел или в других физических процессах: если характер движения тела изменился – значит, тело подверглось воздействию какой-то внешней силы, со стороны других тел (при столкновении) или со стороны физических полей.
Но здесь можно возразить, что и никаких скоростей мы тоже никогда не видим. Как не видим никаких ускорений. Мы можем наблюдать только движение тел в пространстве, и о скорости и ускорении, как и о силе, мы можем судить только по движению тел в пространстве и времени. Определить скорость и ускорение тела во время опыта мы можем только косвенным образом – измеряя то расстояние, которое преодолевает тело по определенной траектории за определенный промежуток времени.
То есть, как нетрудно понять, во всех подобных случаях мы снова и снова упираемся в ключевую проблему физики – в проблему природы пространства и времени. Эту столь странную реальность пространства мы обнаруживаем только через положение тел в пространстве, а странную реальность времени мы обнаруживаем только через движение тел в пространстве. И если пространство и время обладают какими-то своими физическими свойствами, то они проявляются только через поведение тел в пространстве и времени. И эти физические свойства пространства и времени – которые мы никогда не можем наблюдать напрямую – мы описываем в нашей теоретической физике через физические величины, которые описывают движение тел в пространстве.
И поэтому всегда возникает вопрос: что описывают наши понятия и представления в физике? Объективную реальность в физическом пространстве и времени? Или мы лишь приписываем физической реальности наши чисто математические и геометрические представления, которые создает наш разум для более удобного и адекватного описания происходящих в реальности физических процессов?
В физике эта грань всегда очень тонкая – как мы видели, с подобными проблемами столкнулись еще греки в апориях Зенона. Но, как мы увидим далее, эта проблема сопровождала физику и позднее, на протяжении всей истории ее развития. И подобные вопросы уже, конечно, относятся не к физике – это вопросы уже философские, вопросы о сущности и методах нашего познания объективного мира. В частности, вопрос о том, как и почему мы можем при познании объективного мира использовать наши математические и геометрические представления и методы.