Математика. Поиск истины. - Клайн Морис

Белое или красное, горькое или сладкое, звучащее или безмолвное, приятно или дурно пахнущее — все это лишь названия для различных воздействий на наши органы чувств. Никогда не стану я от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество и более или менее быстрые движения, для того чтобы объяснить возникновение ощущений вкуса, запаха и звука; я думаю, что если бы мы устранили уши, языки, носы, то остались бы только фигуры, числа, движения, но не запахи, вкусы и звуки, которые, по моему мнению, вне живого существа являются не чем иным, как только пустыми именами.

Форма (фигура), количество (размеры) и движение — первичные, или физически основополагающие, свойства материи. Они реальны и внешни по отношению к чувственному восприятию человека.

Суть идеализации, необходимость которой отстаивал Галилей, сводилась к пренебрежению случайными или второстепенными эффектами. В выделении главного он начал с наблюдений, а затем мысленно представил себе, что произошло бы, если устранить всякое сопротивление, т.е. если бы тела падали в пустоте, и пришел к заключению, в котором распознал общий принцип: в пустоте все тела падают по одному и тому же закону. Заметив, что сопротивление воздуха слабо сказывается на колебаниях маятника, Галилей провел опыты с маятниками, подтвердив установленные им принципы. Заподозрив, что трение также относится к числу вторичных эффектов, Галилей осуществил серию экспериментов с гладкими шарами, скатывающимися по гладкой наклонной плоскости, пытаясь вывести законы, в соответствии с которыми двигались бы тела в отсутствие трения. Таким образом, Галилей не просто ставил опыты и на основе полученных данных делал выводы — при интерпретации экспериментов он заранее исключал все несущественное. Величие Галилея проявилось, в частности, в том, что он ставил правильные вопросы относительно природы.

Разумеется, реальные тела падают в среде, обладающей сопротивлением. Что мог сказать Галилей о таких движениях? Его ответ гласил:

Дабы рассмотреть этот вопрос научно, следует отбросить все указанные трудности [сопротивление воздуха, трение и т.д.] и, сформулировав и доказав теоремы для случая, когда сопротивление отсутствует, применять их с теми ограничениями, какие подсказывает нам опыт.

Пренебрегая сопротивлением воздуха и трением, пытаясь найти законы движения в пустоте, Галилей вступал в противоречие с Аристотелем и даже с Декартом, мысленно представляя тела, движущиеся в пустом пространстве, а также использовал метод идеализации, или абстрагирования от второстепенных свойств. Именно так поступают математики, изучая реальные фигуры. Математик абстрагируется от молекулярной структуры, цвета и толщины линий, чтобы дойти до некоторых фундаментальных свойств, а затем сосредоточивает все внимание на изучении этих свойств. Аналогичным образом действовал и Галилей, пытаясь за внешним разнообразием явлений разглядеть физические факторы, лежащие в основе явления. Математический метод идеализации, несомненно, следует рассматривать как шаг, уводящий нас от реальности, но, как ни парадоксально, именно этот шаг позволяет нам приблизиться к реальности в гораздо большей степени, чем учет всех имеющихся на лицо факторов.

Мудрость Галилея проявилась и в еще одном тактическом ходе. Он не пытался, как это делали естествоиспытатели и философы до него, охватить все явления природы, а выбрав несколько наиболее существенных явлений, принялся упорно и последовательно их изучать. Галилей счел разумным действовать осторожно и осмотрительно, продемонстрировав сдержанность, достойную мастера.

Выношенный Галилеем план изучения природы включал четыре пункта. Во-первых, получить количественные описания физических явлений и облечь их в математические формулы. Во-вторых, выделить и измерить наиболее фундаментальные свойства явлений. Эти допускающие количественное выражение свойства надлежало принять за переменные в формулах. В-третьих, построить физику дедуктивно на основе фундаментальных физических принципов. В-четвертых, при изучении явления непременно прибегать к его идеализации.

Чтобы претворить этот план в жизнь, Галилею было необходимо выявить фундаментальные законы. Можно, например, получить формулу, устанавливающую зависимость между числом браков в Таиланде и ценой на подковы для лошадей в Нью-Йорке, поскольку и та, и другая величина меняются из года в год. Но такая формула не имела бы научной ценности, ибо не содержала бы, ни прямо, ни косвенно, никакой полезной информации. Поиск фундаментальных законов был еще одной грандиозной задачей, поскольку и в этом Галилей резко расходился со своими предшественниками. При избранном им подходе к изучению движущейся материи нельзя было не принимать во внимание Землю, движущуюся в пространстве и одновременно вращающуюся вокруг своей оси, и уже одно это в значительной мере обесценивало ту единственную заслуживающую внимания систему механики, которой обладал мир в эпоху Возрождения, — механику Аристотеля.

Сначала Галилей был склонен принять гипотезу Аристотеля, согласно которой тяжелые тела падают на землю быстрее, чем легкие. Затем Галилей задался вопросом: «Предположим, я разделю тяжелое тело на две части. Будут ли они падать как два легких тела? А что если снова соединить или склеить их? Будут они вести себя как две части или как одно целое?» И после подобных размышлений Галилей пришел к выводу, что, если пренебречь сопротивлением воздуха, все тела падают с одинаковой скоростью.

Как утверждал Аристотель, чтобы тело двигалось, к нему должна быть приложена сила. Следовательно, чтобы автомашина или шар двигались даже по очень гладкой поверхности, необходима какая-то толкающая сила. Галилей глубже проник в суть этого явления, чем Аристотель. Катящийся шар или едущий автомобиль испытывают сопротивление воздуха и тормозятся вследствие трения между ними и поверхностью, по которой движутся. Не будь сопротивления воздуха или трения, для того чтобы шар катился, а автомобиль ехал, не нужно было бы никакой толкающей силы. Они бы двигались с постоянной скоростью неограниченно долго,причем двигались прямолинейно. Этот фундаментальный закон. движения, гласящий, что тело, свободное от действия сил, движется равномерно и прямолинейно в течение сколь угодно большого промежутка времени, был впервые замечен Галилеем (и сформулирован также Декартом); ныне он известен как первый закон Ньютона, который придал ему четкую математическую формулировку. Этот закон утверждает, что тело изменяет скорость только в том случае, если на него действует сила. Таким образом, тела обладают свойством сопротивляться изменению скорости. Это свойство тела, обусловливающее его способность сопротивляться изменению скорости, называется инерциальной массой, или просто массой.

Как видим, уже самый первый принцип физики Галилея противоречит аналогичному принципу физики Аристотеля. Означает ли это, что Аристотель допустил грубые ошибки или что его наблюдения были слишком примитивны и малочисленны, чтобы привести к открытию правильного принципа? Отнюдь. Аристотель был реалистом и учил тому, что подсказывали наблюдения. Метод Галилея был более утонченным и поэтому более успешным. Галилей подошел к решению проблемы как математик. Он идеализировал явление, игнорируя одни факты и подчеркивая другие, подобно тому как математик идеализирует натянутую струну или край линейки, сосредоточивая внимание на одних пропорциях и игнорируя другие. Пренебрегая трением и сопротивлением воздуха и предполагая, что движение происходит в абсолютно пустом евклидовом пространстве, Галилей открыл правильный фундаментальный принцип.

А что можно сказать о движении тела, на которое действует какая-нибудь сила? Пытаясь ответить на этот вопрос, Галилей совершил второе фундаментальное открытие: постоянно действующая сила вынуждает тело либо увеличивать, либо уменьшать скорость. Назовем увеличение или убыль скорости за единицу времени ускорением. Если скорость тела каждую секунду возрастает или уменьшается на 9 м/с, то мы скажем, что его ускорение составляет 9 м/с за секунду, или кратко 9 м/с 2.