Дорфман Я.Г. Всемирная история физики:
С древнейших времен до конца XVIII века. Кн.1. Изд. стереотип.

Оглавление

Предисловие

Мы живем в эпоху бурной научно-технической революции, в период необычайно быстрого развития физики. А чем быстрее совершается смена научных событий, тем большее значение приобретает исторический элемент в их изучении, тем более эффективным становится диалектический метод их анализа для правильной оценки состояния науки в данный момент и особенно для прогнозирования направлений физических исследований хотя бы на ближайшее будущее. Поэтому желательно вооружить научного работника – физика не слишком громоздкой монографией, которая бы помогла ему ориентироваться в историческом процессе развития физики.

В советской литературе имеются два вполне современных учебных пособия по истории физики, написанных на основе принципов марксистской исторической науки, – курсы П.С.Кудрявцева и Б.И.Спасского, рассчитанные на студентов. На русский язык переведены очень краткая книга М.Лауэ и популярная – Льотти. Однако ни в советской, ни в зарубежной литературе, насколько нам известно, не существует монографии, тем более написанной с историко-материалистических позиций, отвечающей потребностям физика-исследователя. Автор поставил себе целью восполнить этот пробел.

Отметим некоторые особенности, отличающие нашу монографию от названных учебных пособий. Поскольку она рассчитана в основном на научно подготовленных читателей, мы не приводим в ней математических выводов общеизвестных теоретических положений. Далее, при изложении экспериментальных исследований мы останавливаемся более подробно на условиях эксперимента и анализе опытных данных. Мы уделяем внимание как успехам физических исследований, так и разбору неудач и заблуждений. Наконец, мы свели к минимуму число упоминаемых имен и не приводим никаких биографических сведений об ученых, чтобы не отвлекать читателя от научного содержания.

Кроме того, наша монография существенно отличается от большинства книг по истории физики своим принципиальным подходом к научным воззрениям далеких эпох. Изложение этих концепций обычно ограничивается описанием натурфилософских учений. В результате этого у читателя создается впечатление, будто элементы научного физического мышления в том смысле, как мы его понимаем теперь, возникли неожиданно, и притом только в самое новейшее время. Это ошибочное впечатление до известной степени обесценивает в глазах современного физика-исследователя само изучение упомянутых древних воззрений, как бы не имеющих прямого отношения к физике.

Мы попытались по возможности выделить из древних натурфилософских учений содержащееся в них рациональное зерно – зачатки подлинно научных методов подхода к явлениям и подлинно научных физических представлений. Такой анализ позволил нам обнаружить ряд прежде неизвестных фактов и представить многовековую эволюцию физического мышления как некий приблизительно связный процесс, безусловно представляющий интерес для вдумчивого читателя. Настоящая книга охватывает историю физики с древнейших времен до конца XVIII в. Автор подготавливает к печати продолжение этого труда. В следующей книге будет отражена история физики от начала XIX до середины XX в. Почти все разделы этого труда в самом процессе нашей работы подробно обсуждались в коллективе научных сотрудников Института истории естествознания и техники, и автор обязан многим товарищам полезными замечаниями и ценными советами. В особенности я хотел бы выразить свою глубокую признательность Э.И.Березкиной, И.Д.Рожанскому, Б.А.Розенфельду и А.В.Ахутину. Я приношу также свою благодарность О.В.Кузнецовой за просмотр рукописи этого тома и сбор некоторых материалов.

Введение

История физики, ее предмет и задачи

История физики изучает процесс развития физических знаний в связи с историей человечества; являясь разделом самой физики, она в то же время тесно соприкасается с общественными науками.

Всякое научное исследование проходит три этапа. Первый этап – фактологический – заключается в сборе, проверке и систематизации фактов; второй – аналитический – представляет собой изучение взаимосвязи между фактами и выяснение причин, влияющих на них; третий – синтетический – состоит в обобщении результатов и выявлении основных законов данной науки.

Исследования по истории физики находятся пока преимущественно на первом этапе своего развития, т.е. ограничиваются фактологической стороной. Имеются лишь отдельные попытки анализа причин, влиявших на исторические факты, но и эти попытки немногочисленны и зачастую односторонни.

Большая часть этих исторических исследований концентрирует внимание на анализе внутренней логики самой науки или рассматривает ее взаимосвязь с философскими воззрениями данного исторического периода. Эти исследования во многих случаях игнорируют открытый К.Марксом и Ф.Энгельсом фундаментальный факт, что не только идеологические и чисто логические факторы оказывают влияние на человеческое мышление, но еще в гораздо большей степени внешние социально-экономические условия. Авторы трудов по истории физики лишь изредка вскользь касаются этого вопроса. Между тем социально-экономические условия воздействуют прежде всего на организацию и материальную базу научной деятельности, а через нее, разумеется, и на самое науку. Но это не единственный путь их воздействия на науку. Социально-экономические условия самыми различными косвенными путями оказывают влияние на тематику, методологию и темпы научных исследований, направляя научную деятельность на удовлетворение запросов общества. Выяснение всех этих путей представляет значительный интерес, однако оно еще не проведено в достаточной мере. Между тем именно изучение законов воздействия внешних факторов на развитие физики позволило бы постепенно подойти к разработке принципов управления этим процессом. Таково ожидаемое в будущем практическое значение исследований по истории физики.

Изучение истории физики имеет в любой момент огромное теоретическое значение. Дело в том, что физика перерабатывает и использует два вида информации – о новейших результатах научных исследований и об истории развития физических знаний. Информация о новейших результатах физических исследований и их критический анализ имеют практическое значение в том смысле, что этот материал непосредственно питает развертывание дальнейшей исследовательской работы. Информация же об историческом процессе развития физики и научный анализ факторов, прямо или косвенно влиявших на него, имеют важное теоретическое значение, так как создают основу для правильной оценки и более глубокого понимания новых успехов и всего статуса современной физики и для предвидения путей ее дальнейшей эволюции.

Значение истории физики порой недооценивается, поскольку успехи современной физики поистине грандиозны, а конкретные результаты, добытые в минувшие века, представляются относительно незначительными. Последнее обстоятельство не должно нас вводить в заблуждение, ибо теоретическое значение истории физики как науки отнюдь не измеряется перечнем открытий, сделанных в прошлом. Теоретическое значение истории физики заключается, как уже отмечалось, в критическом анализе всего накопленного веками опыта исследований и в формировании на основе этого опыта правильной концепции современной физики.

Вспомним, как в самом начале нашего века быстрое чередование новых открытий физики, опрокидывавших общепризнанные и привычные для того времени представления, привело к серьезному философскому кризису, к замешательству в среде самих физиков, к их неверию в результаты и возможности нашей науки и способствовало распространению и усилению реакционных, идеалистических взглядов, тормозивших прогресс науки. В.И.Ленин отчетливо показал, что все эти "шатания мысли" явились прежде всего результатом незнания диалектики. Последовавшие в первой половине XX в. дальнейшие, еще более крупные и головокружительные успехи физики и непрерывно возраставшее воздействие этих открытий на прогресс техники полностью рассеяли возникший было пессимизм даже у тех ученых, которые все еще продолжали оставаться на философских позициях, близких к позитивизму.

Гигантские завоевания физики нашего времени зачастую увлекают философски не подготовленных ученых в другую, не менее опасную и не менее ошибочную крайность: воззрения, представления и даже гипотезы современной нам физики они склонны объявлять окончательной незыблемой абсолютной истиной. "Реакционные поползновения порождаются самим прогрессом науки", справедливо отмечал Ленин. Эти поползновения сейчас проявляются уже по-новому, и философски не подготовленные физики повторяют теперь не ошибки растерянных ученых начала XX в., а, наоборот, они порой повторяют скорее заблуждения физиков конца XIX в., ослепленных блестящими успехами классической физики, с той лишь разницей, что на место устаревшей классической физики ставится квантовая релятивистская физика. Только научно обоснованный анализ исторического процесса создает необходимые предпосылки для формирования диалектической концепции. Вот почему изучение истории физики сейчас еще более необходимо, чем когда-нибудь.

История нашей науки неопровержимо документально показывает, что современная физика не возникла внезапно, что она не явилась, подобно Афине-Палладе, во всем своем блеске и великолепии из голов гениальных ученых новейшей эпохи. Она не выросла на пустом месте, а развилась из относительных истин, посеянных и взращенных поколениями ученых. Путь этого развития восходит к древнейшим временам истории человечества, и был он сложен, многообразен и тернист. Научные открытия вовсе не следовали церемониальным маршем одно за другим, как это может иногда показаться при чтении сжатых научных обзоров и научно-популярных очерков. Линия развития физики нисколько не походит на ту лихо взмывающую вверх показательную кривую, которую вычерчивают авторы статистических подсчетов числа заглавий, количества печатных листов и библиографических ссылок. Научные идеи, методы, представления имеют свои замысловатые траектории развития, не сходные с этими экспоненциальными кривыми. В.И.Ленин справедливо отмечал, что "познание человека не есть (respective не идет по) прямая линия, а кривая линия, бесконечно приближающаяся к ряду кругов, к спирали". Этот спиралеобразный путь познания можно обнаружить в истории развития многих отдельных проблем и областей физики. Поэтому история всей физики в целом представляет собой сложнейшее переплетение подобных спиралей, к тому же не изолированных, а взаимодействующих между собой и влияющих друг на друга. Вот почему в каждой современной физической теории или гипотезе, почти в каждом методе, приборе, формулировке закона, словно в куске горной породы, сохранились напластованные веками отпечатки представлений, предвидений, догадок, домыслов и заблуждений, бытовавших или только блеснувших в незапамятные времена.

Даже в очень старых физических учениях, давно уже признанных ошибочными, можно найти отдельные зерна мысли, словно высказанные нашим современником или даже, возможно, нашим потомком. И наоборот, немало старого и даже очень древнего повторяется и утверждается в самых новейших научных трудах сегодняшнего дня. Одни из этих древних идей и представлений, повторяемые из поколения в поколение, стали условным рефлексом нашего научного мышления и принимаются нами теперь за незыблемые аксиомы. Другие, напротив, были в свое время отвергнуты по тем или иным мотивам, действовавшим в ту давнюю эпоху, и либо давно позабыты, либо продолжают по привычке признаваться a priori неприемлемыми и немыслимыми. Но не исключено, что некоторые из них могут внезапно воскреснуть в соответственно видоизмененном виде в ближайшем или далеком будущем.

Понимание наличия этих особенностей у науки, имеющей более чем двухтысячелетнюю историю, и умение распознать исторические корни понятий, методов и представлений было, разумеется, всегда необходимо для правильной критической их оценки. Но в особенности это стало безусловно актуальным в XX в., когда темпы развития физики убыстрились и каждому самостоятельному исследователю оказалось необходимым уметь быстро ориентироваться в бурном потоке новинок и когда сама аксиоматика физики сделалась предметом пристального изучения. Значение истории физики состоит, понятно, вовсе не в том, чтобы уметь вовремя припомнить, что такую же идею, дескать, уже высказал X или Y тогда-то. Вопрос о приоритете вообще не имеет в истории науки того нарочитого значения, которое ему зачастую придают, распространяя соревнование между ныне здравствующими учеными на их роль в истории науки. Вопрос о приоритете в истории науки представляет известный интерес только тогда, когда он способствует лучшему пониманию духа эпохи или хода развития научных знаний. Но, повторяем, физика нашего времени не может быть понята и осознана во всей своей глубине без изучения ее исторических основ и корней, без научного анализа условий, определявших ход ее развития на отдельных исторических этапах.

Структура и динамика развития физики

Для систематического исследования исторического развития любого объекта в прошлом, будь то наука или государство, вид животных или растений, солнечная система или отдельное небесное тело, полезно исходить из ныне существующей внутренней структуры данного объекта, т.е. из выявления его отдельных частей, чтобы проследить постепенное развитие каждой из них, эволюцию их взаимодействия и их сочетания между собой. Без первоначального выявления внутренней структуры объекта в его настоящем состоянии мы всегда рискуем пропустить в историческом исследовании существенное или гипертрофировать второстепенное.

В области истории отдельных наук, в частности истории физики, на это обстоятельство до сих пор не обращалось внимания, хотя вопрос о структуре научного знания в целом обсуждался неоднократно. Фактически структура каждой отдельной науки должна отражать специфику этой науки на определенном этапе ее развития. Поэтому следует ожидать, что структура данной науки должна изменяться, отражая в той или иной степени эволюцию самой науки. Но необходимо, разумеется, со всей категоричностью подчеркнуть, что эволюция структуры физики ни в какой степени не может охватить важнейших сторон истории самой физики и призвана служить лишь каркасом для ее более тщательного изучения. Эволюция структуры физики может быть наглядно отображена в виде отдельных "структурных разрезов", соответствующих различным историческим этапам. Поскольку этот метод до сих пор еще никогда не применялся при изложении истории физики, мы сочли необходимым разъяснить его здесь более подробно.

Структурная схема физики. В каждый данный момент физика, как и любая другая отрасль естествознания, может быть охарактеризована общей схемой, содержащей:

1) методы, применяемые в физических исследованиях, и полученные с их помощью важнейшие результаты;

2) основные понятия, выработанные физикой к данному моменту, а также теории, развитые на их фундаменте;

3) основные проблемы и направления исследований;

4) ответвления физики, ведущие в другие отрасли наук и в практику. Каждый из элементов этой схемы, разумеется, содержит в себе как общие черты, свойственные любой отрасли естествознания, так и специфические особенности, присущие исключительно физике. Нас интересуют не столько те особенности, которые отличают физику от других отраслей естествознания, сколько те черты, которые являются неотъемлемыми особенностями структуры физики.

Рассмотрим более подробно элементы приведенной общей схемы, не останавливаясь в дальнейшем на сходстве или отличии между структурой физики и прочими отраслями естествознания. Такая постановка вопроса вполне оправданна, поскольку структура других отраслей естествознания пока еще столь же недостаточно исследована, как и структура физики.

Методы. В физике существуют методы исследования двоякого рода: эмпирические и теоретические.

Эмпирические методы. Эти методы можно разбить на отдельные виды по тем общим задачам, которые они себе ставят. С этой точки зрения естественно выделить четыре основных вида эмпирических методов физики:

а) методы наблюдения физических явлений, ставящие себе целью изучение и описание их общей качественной картины;

б) методы измерения физических величин, преследующие задачу количественного определения параметров, характеризующих физические процессы и явления, а также разработка способов, методики и аппаратуры, служащих для этой цели;

в) методы воздействия физических факторов на вещество, имеющие целью изменение состояния вещества, и разработка способов, методики и аппаратуры, служащих для этой цели (например, методы получения вакуума, высоких или низких температур, высоких давлений, скоростей и т.д.);

г) методы специальной подготовки образцов исследования, направленные на то, чтобы изучаемый объект заранее отвечал некоторым наперед заданным условиям (например, методы получения монокристаллов, тонких пленок, изотопов, материалов сверхвысокой чистоты или материалов, содержащих строго дозированные добавки, и т.д.).

Каждый из этих четырех основных видов эмпирических методов может быть, в свою очередь, разбит на множество подвидов по своим качественным и количественным характеристикам.

Теоретические методы. В настоящее время не существует общепринятой классификации методов теоретических исследований физики. Мы следуем здесь классификации, предложенной Э.Маделунгом, с некоторыми видоизменениями, поскольку она представляется нам наиболее последовательной, хотя и не лишенной недостатков.

Маделунг делит физические теории по используемым ими "средствам описания " на следующие виды:

1) точечные теории (или теории дальнодействия), в которых физические величины определены лишь в дискретных точках трехмерного пространства, а поля используются как вспомогательные математические образы;

2) континуальные теории (теории поля, или теории близкодействия), в которых физические величины определены в каждой точке пространства, а поля имеют физический смысл;

3) комбинации точечных и континуальных теорий, в которых одновременно применяются полевые и точечные величины, причем оба рода величин функционально связаны в точках, точечные величины могут рассматриваться как сингулярности поля, для которых действуют особые законы;

4) системные теории, в которых физические величины ставятся в соответствие не точкам, а пространственно-протяженным системам;

5) статистические теории, в которых физические величины, характеризующие совокупность однотипных систем, ставятся в зависимость от конечного или бесконечного числа точно определенных возможностей для каждой из этих систем.

Помимо этих пяти видов теорий, Маделунг допускает существование еще:

6) квазиточечных теорий, в которых величины, характеризующие непрерывные или дискретные системы, представляются в виде точечных величин, образуя среднее значение по пространству;

7) квазиконтинуальных теорий, в которых континуальные величины, характеризующие многоточечные системы, определяются путем "сглаживания" и представляются полями.

По нашему мнению, эти два последних вида представляют собой лишь варианты уже перечисленных видов теорий, которым вряд ли требуется приписывать специальные названия. Так, Маделунг считает гидродинамику квазиконтинуальной теорией, а механику твердого тела – квазиточечной, между тем как гидродинамика может с таким же правом рассматриваться как один из вариантов континуальной теории, а механика твердого тела – как вариант системной теории, в которой, в отличие, например, от термодинамики, физические величины являются функциями координат. Поэтому мы полагаем, что пяти видов вполне достаточно для описания основных видов теорий, если, разумеется, допустить возможность различных вариантов внутри каждого вида.

Таким образом, используемые в теоретической физике методы нами разбиваются на следующие основные виды: 1) точечный, 2) континуальный, 3) точечно-континуальный, 4) системный, 5) статистический.

Понятия и принципы. Вопрос о том, какие понятия и принципы характеризуют состояние физики в каждый данный момент, конечно, очень сложный. В основе физики лежат такие фундаментальные понятия, как движение, материя, пространство и время. Эти понятия изменяются в процессе развития науки. При этом возникает множество других новых понятий, которые, в свою очередь, также видоизменяются. Так же обстоит дело и с эволюцией принципов. Отразить весь этот сложный процесс развития понятий и принципов может только сама история физики. В силу этих обстоятельств мы попытались ввести в характеристику структуры физики лишь такие понятия и принципы, которые могут быть схематически представлены, но которые в то же время репрезентативны для каждого данного исторического момента. Мы выбрали понятия и принципы, которыми характеризуются: 1) классификация видов материи; 2) классификация видов физических процессов; 3) внутреннее подразделение физики на области.

Классификация видов материи, которая считается общепринятой в данный момент, косвенно отражает целый комплекс представлений о строении, видах, состояниях и превращениях материи и теоретические воззрения, лежащие в ее основе. Разумеется, классификация видов материи – лишь внешнее проявление всей совокупности воззрений на материю, господствующих в данный момент. Так, конкретные представления о жидком, твердом и газообразном агрегатном состояниях существенно изменились за последние 50 лет. Эта классификация отличает физику XIX в. от физики XVIII в., но если мы хотим охарактеризовать различия в этом вопросе между более близкими по времени моментами, то требуется ввести более тонкие критерии. Например, следует ввести в нашу схему дальнейшие ступени классификации каждого из этих состояний; так, окажется, что в 1920 г. твердые тела классифицировались на аморфные и кристаллические, а в 1969 г. – на аморфные, частично упорядоченные и кристаллические и т.д. Но классификация видов материи при таком ее гибком использовании становится чувствительным, хотя и внешним, критерием воззрений каждой данной эпохи. То, что было сказано о классификации видов материи, относится соответственно и к классификации видов физических процессов.

Далее, мы вводим в число понятий и принципов внутреннее подразделение физики на отдельные области. М.Планк считал само внутреннее подразделение достаточно чувствительным критерием для каждого исторического момента. Под "внутренним подразделением физики на области" следует понимать тот каркас, который характерен для способа изложения физики в капитальных трудах, охватывающих всю физику в целом, изданных и распространенных примерно к этому моменту.

Надо заметить, что еще со времен Ньютона, положившего начало развитию теоретических методов в физике, возникло разделение физики по методам на экспериментальную и теоретическую. Это разделение сохраняется, как известно, и по сей день, главным образом для целей преподавания или для справок, ибо позволяет собрать воедино и изложить в наиболее последовательной, изящной и компактной форме как эмпирические, так и теоретические методы. Такой способ изложения физики сохраняется на всем протяжении ее истории.

Поскольку мы уже заранее разбили все методы физики на эмпирические и теоретические, повторение здесь этого же подразделения не представляет интереса. Поэтому в данном разделе нашей схемы мы рассматриваем подразделение физики на области по объектам исследований, осуществляемых всеми методами в совокупности.

Основные проблемы и направления исследований. Содержание проблем, признанных в данный момент основными, характеризует главные направления ведущихся научных исследований. Это очень чувствительная и важная характеристика творческой деятельности физиков, и она может быть сформулирована достаточно однозначно. Основные проблемы, изучаемые в физике в данный момент, могут быть теоретическими, экспериментальными и прикладными. Они отражают как уровень развития физики, так и потребности общества.

Ответвления. Под ответвлениями физики мы понимаем те ее области, которые постепенно выделяются из состава физики в другие отрасли науки или техники, образуя более или менее самостоятельные разделы.

История физики. История физики образует самостоятельный элемент структуры физики, объединяющий все ее части на основе их взаимной генетической связи и исторической последовательности возникновения. История физики замыкает структурную схему физики со стороны общественных наук.

Периодизация истории физики

Научная периодизация физики должна, очевидно, опираться на ее фактическую структуру. Смена периодов определяется фундаментальными изменениями элементов структуры физики, происходящими в процессе ее эволюции. Но этот критерий может применяться, разумеется, лишь к оформившейся науке. Первоначальную фазу развития физики естественно разбить на две эпохи.

Эпоха возникновения отдельных физических учений. Она начинается с древнейших времен и продолжается примерно до XVI в. н.э. В нее включаются элементы физики в странах шумеро-вавилонской и египетской культуры, зачатки физических учений в странах Юго-Восточной Азии, появление и развитие физических учений в античных Греции и Риме, зарождение новых физических учений в эпоху Средневековья и их развитие в эпоху Возрождения.

Эпоха формирования физики как науки. Она простирается приблизительно с начала XVII в. до конца XVIII в. и состоит из двух периодов: закладка фундамента физики (XVII в.), развитие физики как самостоятельной науки и освоение ньютоновского метода (XVIII в.).

Дальнейшее развитие физики разбивается согласно указанному критерию на следующие три эпохи.

Эпоха "классической" физики (приблизительное 1800 по 1912 г.). Она заканчивается периодом революционных открытий и философского кризиса в физике (приблизительно с 1890 по 1912 г.).

Эпоха квантово-релятивистской и субатомной физики (приблизительно с 1913 г.).

Об авторе