Стивен Вайнберг. Объясняя мир. Истоки современной науки

Книга одного из самых известных ученых современности, нобелевского лауреата по физике, доктора философии Стивена Вайнберга — захватывающая и энциклопедически полная история науки. Это фундаментальный труд о том, как рождались и развивались современные научные знания, двигаясь от простого коллекционирования фактов к точным методам познания окружающего мира. Один из самых известных мыслителей сегодняшнего дня проведет нас по интереснейшему пути — от древних греков до нашей эры, через развитие науки в арабском и европейском мире в Средние века, к научной революции XVI–XVII веков и далее к Ньютону, Эйнштейну, стандартной модели, гравитации и теории струн. Эта книга для всех, кому интересна история, современное состояние науки и те пути, по которым она будет развиваться в будущем.

После смерти Александра Македонского его империя развалилась на несколько частей. С точки зрения истории науки наибольший интерес из образовавшихся в тот момент государств представляет Египет. Там правила династия царей греческого происхождения, которую основал Птолемей I, один из главных военачальников армии Александра. Закончилась династия на Птолемее XV, сыне Клеопатры и (возможно) Юлия Цезаря. Последний из царствовавших Птолемеев был убит вскоре после поражения флота Антония и Клеопатры у мыса Акциум в 31 г. до н. э., после чего Египет был поглощен Римской империей.

Эпоху от Александра до битвы при Акциуме¹ принято называть Эллинистическим периодом. Это понятие (в немецком языке — Hellenismus) было введено в употребление в 1830-х гг. Иоганном Гюставом Дройзеном. Не уверен, так ли задумал Дройзен, но, с моей точки зрения, по-английски слова с суффиксом «-ический» звучат как понятия с оттенком вторичности, в отличие от слов без него. Например, «архаический» используется для имитации чего-либо из эпохи архаики, и в этом отношении напрашивается мысль, что эллинистическая культура была вторична по отношению к культуре непосредственно Эллады, как если бы она лишь воспроизводила достижения Классического периода, длившегося с V по I в. до н. э. Эти достижения действительно были значительны, особенно в области геометрии, драматического искусства, историографии, архитектуры, скульптуры и, возможно, в иных областях искусства Классического периода, таких как музыка или живопись, которые не дошли до нашего времени. Но именно наука достигла в Эллинистический период таких высот, которые не только затмили научные успехи Классической эры, но и не были превзойдены вплоть до научной революции XVI–XVII вв.

Особенно важным центром науки эллинизма был город Александрия, столица династии Птолемеев, основанная самим Александром недалеко от устья Нила. Александрия стала крупнейшим городом в греческом мире, и даже потом, в Римской империи, уступая размером и роскошью лишь самому Риму.

Около 300 г. до н. э. Птолемей I основал Александрийский Мусейон — им стала часть царского дворца. Вначале Музей, названный так, потому что был посвящен девяти музам, был местом, где изучали литературу и языки. Но после восшествия на престол Птолемея II в 285 г. до н. э. он превратился также и в центр по изучению наук. Над литературой знатоки продолжали работать и в Музее, и в Александрийской библиотеке, но теперь в Музее муза астрономии Урания засияла ярче своих сестер, отвечающих за различные искусства. Музей и наука Древней Греции пережили падение династии Птолемеев, и, как мы увидим, некоторые наиболее значительные достижения в науке совершались в греческой половине Римской империи — в основном в Александрии.

Миграция интеллектуалов того времени между Египтом и греческой метрополией напоминала миграцию между Америкой и Европой в XX в.² Богатство Египта и щедрость по отношению к грамотным людям, по крайней мере первых трех правителей из династии Птолемеев, привлекали в Александрию уже прославившихся в Афинах ученых, точно так же как Америка притягивала к себе европейскую интеллигенцию начиная с 30-х годов XX в. и по сей день. Начиная с 300 г. до н. э. бывший участник афинского Ликея Деметрий Фалерский стал первым директором Музея, перевезя в него свою афинскую библиотеку. Примерно тогда же Птолемей I вызвал из Афин другого участника Ликея, Стратона из Лампсака, чтобы тот стал учителем его сына. Возможно, именно ему принадлежит заслуга в том, что Музей превратился в научный центр после того, как сын Птолемея унаследовал престол.

Путешествие морем из Афин в Александрию в эпоху эллинизма и во времена Рима занимало примерно то же время, какое требовалось пароходу в XX в., чтобы дойти из Ливерпуля в Нью- Йорк. Поэтому люди массово перемещались в обоих направлениях между Египтом и Грецией. К примеру, Стратон не остался в Египте насовсем — он вернулся в Афины, чтобы стать третьим главой Ликея.

Стратон был ученым-наблюдателем. Он сумел установить, что падающие тела движутся вниз с ускорением, наблюдая, как ведет себя струя воды, стекающей с крыши во время дождя, когда она разбивается на отдельные капли. Он заметил, что эти капли удаляются друг от друга по мере падения. Так происходит потому, что капля в нижней части струи падает дольше и в силу того, что ускоряется, проходит большее расстояние, чем непосредственно следующая за ней капля, которая в тот же момент времени падала не столь долго (см. техническое замечание 7). Также Стратон обратил внимание, что тело, падающее с небольшой высоты, лишь слегка ударяется о землю, тогда как оно же, упавшее со значительной высоты, бьется о землю гораздо сильнее, и это означает, что его скорость увеличивается за время падения³ .

Вероятно, не случайно Александрия, как и другие центры древнегреческой натуральной философии — Милет и Афины, была и центром коммерции. Оживленный рынок привлекает выходцев из иных культур и вносит разнообразие в сельское хозяйство. Коммерческие связи Александрии простира- лись очень далеко: товары из Индии попадали морским путем в Средиземноморье, путешествуя на судах через Аравийское море, далее — на север вдоль Красного моря, потом караваном до Нила и затем вниз по реке до Александрии.

Однако в интеллектуальном климате Афин и Александрии были существенные различия. В частности, ученые из Музея обычно не занимались созданием всеобъемлющих теорий, так привлекавших греческих мыслителей от Фалеса до Аристотеля. Как отмечает Флорис Коэн, "афиняне мыслили о всеобщем, а александрийцы — о частном«⁴ . Ученые из Александрии сосредоточились на изучении отдельных явлений, в чем они действительно могли добиться реальных успехов. Их тематика включала оптику, гидростатику и, прежде всего, астрономию — предмет второй части этой книги.

То, что древнегреческие мыслители Эллинистической эры не пытались создать «теорию всего», вовсе не говорило об их ущербности. И тогда, и сейчас для развития науки крайне важно отличать, какие задачи созрели для изучения, а какие — еще нет. Например, на рубеже XIX–XX вв. некоторые ведущие физики того времени, такие как Хендрик Лоренц и Макс Абрахам, затратили массу усилий на то, чтобы понять структуру открытого незадолго до того электрона . Все было напрасно: никто не смог добиться лучшего понимания природы электрона до тех пор, пока два десятилетия спустя не была изобретена квантовая механика. Создание и развитие Специальной теории относительности Альбертом Эйнштейном стало возможно благодаря тому, что он решил не принимать во внимание, чем на самом деле являются электроны. А затем, в преклонном возрасте, Эйнштейн обратился к вопросу объединения известных природных взаимодействий и не достиг никакого успеха, поскольку в то время еще не было накоплено достаточно знаний для новой теории.

Другое важное отличие ученых эпохи эллинизма от ученых эпохи классицизма было в том, что, в отличие от своих предшественников, они с гораздо меньшим снобизмом относились к делению предмета науки на чистое знание как таковое и на знание, используемое в прикладных целях: в греческом языке — противопоставление понятий ἐπιστήμη и τέχνη (в латыни — scientia и ars). История свидетельствует, что мно гие философы рассматривали изобретателей примерно так же, как распорядитель увеселений Филострат в шекспировской пьесе «Сон в летнюю ночь», говоря об участниках афинской актерской труппы: «Здешний мелкий люд, мастеровые с жесткими руками, вовек не изощрявшие мозгов». Как физик, чья область интересов — исследование элементарных частиц и космология, не имеющая немедленного практического применения, я, разумеется, не собираюсь утверждать, что чистое знание — это что-то плохое, но проведение научных исследований на благо человека — это чудесный способ заставить ученых перестать витать в эмпиреях и вернуться к реальности⁵ .

Естественно, что люди были заинтересованы в усовершенствованиях техники еще с тех времен, как научились использовать огонь для приготовления пищи и делать инструменты, ударяя одним камнем по другому. Но устойчивый интеллектуальный снобизм таких мыслителей Классического периода, как Платон или Аристотель, прочно отгораживал их теоретические работы от реального применения.

И хотя этот предрассудок не исчез и при эллинизме, он перестал быть столь влиятельным, как раньше. Некоторые люди, даже не аристократического происхождения, в это время смогли прославиться, создав технические изобретения. Хорошим примером служит Ктезибий Александрийский, сын цирюльника, который в середине III в. до н. э. изобрел гидравлические насосы и водяные часы, измеряющие время более точно, чем их предшественники, за счет поддержания постоянного уровня жидко- сти в сосуде-измерителе, из которого вытекала вода. Ктезибий снискал такую известность, что его упоминал два столетия спустя римский автор Витрувий в своем трактате «Об архитектуре».

Важно то, что некоторые технические изобретения века эллинизма были созданы теми же учеными, которые занимались систематическими научными исследованиями, в свою очередь служившими почвой для изобретений. К примеру, Филон Византийский, живший и работавший в Александрии примерно в 250 г. до н. э., был военным инженером, написавшим сочинение под названием «Механика», посвященное устройству гаваней для судов, укреплений, осадных приспособлений и катапульт (частично его работа была основана на трудах вышеупомянутого Ктезибия). Но в книге «Пневматика» Филон приводит экспериментальные доводы, подтверждающие взгляд Анаксимена, Аристотеля и Стратона на то, что воздух является реальной субстанцией. Например, если пустую бутылку опустить в воду открытым горлышком вниз, вода не станет ее наполнять, поскольку ее не пустит воздух, которому некуда выйти из такой бутылки. Но если позволить воздуху уйти, проделав отверстие в донце, то вода заполнит сосуд⁶ .

Стратон пронаблюдал, что падающие одна за другой капли одной струи отдаляются друг от друга все больше и больше по мере падения. Из этого факта он заключил, что капли падают ускоренно. Если одна капля в какой-то момент падения оказалась ниже другой, это значит, что первая из них прошла большее расстояние. К тому же, раз капли по мере падения отдаляются, то та из них, которая падает дольше, падает быстрее, демонстрируя ускоренное падение. Хотя Стратон не знал этого, ускорение в этом случае постоянно, и, как мы увидим, результатом является то, что разрывы между каплями в цепочке капель, в которую превращается струя, возрастают пропорционально времени падения.

Как упоминалось в техническом замечании 6, если сопротивлением воздуха можно пренебречь, то ускорение падающего тела равно g, ускорению свободного падения , которое вблизи поверхности Земли равно 9,8 м / с за секунду. Если в начальный момент падения тело находилось в покое, то по истечении интервала времени τ (тау) его скорость будет равна gτ. Таким образом, если две одинаковые капли 1 и 2 срываются со среза одного и того же сливного лотка в различные моменты времени t₁ и t₂ , то в какой-то более поздний момент времени они приобретут скорости v₁ = g (t — t₁) и v₂ = g (t — t₂) соответственно. Разность их скоростей, таким образом, составит:

Несмотря на то что и v1 , и v2 растут со временем, их разность не зависит от конкретного момента t, поэтому расстояние s между двумя каплями просто увеличивается прямо пропорционально времени:

Например, если вторая капля срывается со среза сливного лотка на одну десятую долю секунды позже первой, то половину секунды спустя две капли окажутся на расстоянии 9,8 × 1 / 2 × 1 / 10 = 0,49 м одна от другой.

1. Это наименование я позаимствовал из ведущей современной работы по этому периоду: Alexander to Actium (University of California Press, Berkeley, 1990).

2. Я считаю, что это замечание первоначально принадлежало Джорджу Сартону.

3. В английском переводе Симпликий о работах Стратона см.: M. R. Cohen and I. E. Drabkin, A Source Book в Greek Science (Harvard University Press, Cambridge, Mass., 1948), pp. 211–212.

4. H. Floris Cohen, How Modern Science Came into the World (Amsterdam University Press, Amsterdam, 2010), p. 17.

5. О новейших исследованиях взаимосвязи технологии с физикой см.: Bruce J. Hunt, Pursuing Power and Light: Technology and Physics from James Watt to Albert Einstein (Johns Hopkins University Press, Baltimore, Md., 2010).

6. Описание экспериментов Филона см.: G. I. Ibry-Massie and P. T. Keyser, Greek Science of the Hellenistic Era (Routledge, London, 2002), pp. 216–219.