Логика построения развитых теорий в классической физике

Пятая аксиома Н. Коперника  как бы раскрывает и дополняет  первую аксиому, утверждая, что из положения об относительности наблюдателя вытекает и положение об относительности движения – важнейшее положение всей последующей физики.

Свой капитальный труд «Об обращении небесных сфер»  Н. Коперник опубликовал лишь в год  своей кончины, описав сомнения в целесообразности публикации своего труда в следующем, весьма поучительном и, безусловно, полезном для современной социологии науки посвящении папе Павлу III: «...знаю, что мысли философа довольно далеки от суждения народного, так как первый обязан во всем доискиваться истины настолько, сколько дано от бога уму человеческому... По этой причине, рассуждая сам с собою о том, сколь нелепо покажется всем, знакомым с утвердившимся в продолжение стольких веков мнением о неподвижном положении Земли в центре Вселенной, если я, наоборот, стану утверждать, что Земля движется, я долго колебался, обнародовать ли в печати мои исследования или же следовать мне примеру пифагорейцев и других, которые передавали тайны философии не письменно, а словесно, и то одним лишь родственникам и друзьям. Так поступали они, конечно, не из недоброжелательства, как думают некоторые, но с той целью, чтобы прекрасные плоды трудных исследований великих мыслителей не были пренебрегаемы теми, которые или не желают заниматься наукой без корыстных целей, или же, будь они примером или увещеваниями других побуждены к занятиям философией, тем не менее, по недосягательности своей, играют между философами такую же роль, как трутни между пчелами» [8].

Продолжили дело Н. Копреника  в создании современной науки Тихо Браге, ставший примером и прототипом современного скрупулезного ученого-экспериментатора-систематизатора, и Иоган Кеплер, последователь Тихо Браге, применивший экспериментальные данные последнего для получения своих эмпирических законов движения планет, носящих теперь имя Законов Кеплера. Без открытия этих законов, заменивших круговые движения планет с эпициклами, оставшимися и в системе Коперника, согласно уже упоминавшейся логике ряда Фурье, но в количестве, в два раза меньшим по сравнению с системой Аристотеля-Птолемея, на движение по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце, было бы не возможно открытие Закона Всемирного Тяготения И. Ньютона, вскрывшего сущность планетарного движения. Соотношение между Законами Кеплера и Законом Всемирного Тяготения И. Ньютона, вскрывшего сущность планетарного движения, в последующем было определено как отношение закона эмпирического (или феноменологического) к закону сущностному, или в современной терминологии Законы Кеплера – это закономерности, представляющие из себя проявление Закона Всемирного Тяготения И. Ньютона. Заканчивая рассмотрение открытия И. Кеплера, необходимо особо подчеркнуть, что суть его достижения в методологическом плане состоит прежде всего в получении замкнутого конечного решения математической задачи, которую до этого возможно было решить только приближенно. Отныне этот важнейший этап в решении научных проблем станет неизбежной составной частью всех истинно научных исследований. И во всех исследованиях, где станет возможным собрать бесконечный ряд в единое целое, как это, например, произойдет в современной квантовой теории поля, последует научный прорыв в решении проблемы [2].

Открытие Закона Всемирного Тяготения И. Ньютоном явилось моментом завершения процесса рождения современной науки. Но это стало возможным лишь вместе с созданием математического аппарата, адекватно описывающего процесс движения. С другой стороны, совещание «математического аппарата движения» – интегрального и дифференциального исчисления – у И. Ньютона было подчинено главной задаче – открытию Закона Всемирного Тяготения, так что открытие этого математического аппарата явилось и одновременным практическим применением его к задачам изучения механических движений, т.е. движений материальных тел в пространстве [2].

Открытие Закона Всемирного Тяготения подсказало И. Ньютону  форму аксиом или законов движения созданной им же классической механики, явившейся первой научной физической теорией. Как это чет вытекать из дальнейшего изложения, важнейшим из аксиом или законов движения И. Ньютона является первый Закон, открытый еще Галилео Галилеем (1564-1642) в виде: «...степень скорости, обнаруживаемая телом, нерушимо лежит в самой его природе, в то время как причины ускорения или замедления являются внешними; это можно заметить лишь на горизонтальной плоскости... Отсюда следует, что движение по горизонтали является вечным, ибо если оно является равномерным, то оно ничем не ослабляется, не замедляется и не уничтожается», указывающим на его непосредственный экспериментальный характер, вытекающий из опытов на гладкой горизонтальной поверхности и принятый в свою систему Р. Декартом в виде: «Первый закон природы: всякая вещь пребывает в том состоянии, в каком она находится, пока ничто ее не изменит... Второй закон природы: всякое движущееся тело стремится продолжать свое движение по прямой» [2].

И. Ньютон формулирует первый Закон  движения в следующем виде: «Всякое  тело продолжает удерживаться в своем  состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние». Приведенный закон, с одной стороны, порожден непосредственными экспериментами с физическими телами и может быть отнесен к разряду закономерности, или эмпирического (феноменологического) закона. Но, с другой стороны, этот и только этот закон позволяет рационально подойти к определению понятия силы, или движущей причины, что и позволяет рассматривать Закон Инерции как первейший сущностный Закон [3].

Двойственность первого Закона движения проявляется в его экспериментальном характере, подтверждаемом со все большей и большей степенью точности, с одной стороны, и принципиальной невозможностью провести эксперимент с бесконечной степенью точности до конца, что вынуждает устанавливать окончательный вывод умозрительно, с другой стороны. Уникальность первого Закона движения состоит в этой его двойственности, позволяющей также рассматривать его как проявление особого Философского Закона, подтверждающего формулу Аристотеля о невозможности отдельного друг от друга существования «Сущности» и «Явления». И именно на примере этого первого Закона движения (Закона Инерции) отчетливо видно, каким образом Древнегреческая философия в буквальном смысле порождала современную науку. Ибо «Единое» Парменида могло быть неподвижным, вечным и неуничтожимым лишь постольку, поскольку рассматривалось как Универсум, как Мир в целом, охватывающий все, что еще можно помыслить, и вследствие этого просто не обладающий возможностью взаимодействия с чем-либо еще. В этом смысле Г. Галилей экспериментально доказал справедливость абстракции Парменида, с одной стороны, а «Единое» Парменида явилось философско-теоретической предпосылкой опытов Г. Галилея, с другой стороны [5].

Этот глубочайший результат  возводится И. Ньютоном в ранг атрибута материи, или присущего материи свойства, получившего у него название «Врожденной силы материи»: «Врожденная сила материи есть присущая ей способность сопротивления, по которой всякое отдельно взятое тело, поскольку оно предоставлено самому себе, удерживает свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения... «врожденная сила» могла бы быть весьма вразумительно названа «силою инерции».

Учитывая изложенное, становится понятным подход И. Ньютона к вопросу о роли в механике понятия «Сила», которое он вводит в рассмотрение следующим образом: «Причины происхождения, которыми различаются истинные и кажущиеся движения, суть те силы, которые надо к телам приложить, чтобы произвести эти движения». Здесь И. Ньютон начинает вскрывать сущность движения через философскую категорию причинности, проявляющуюся в силах природы. Но дать определение самого понятия «Сила» И.Ньютон в состоянии только через категорию «Врожденная сила материи» или, что то же самое, категорию «Инерции»: «Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения [6].

Сила проявляется единственно  только в действии и по прекращении  действия в теле не остается. Тело продолжает затем удерживать свое новое состояние вследствие одной только инерции». В этом своем определении силы И. Ньютон вводит в рассмотрение эквивалентный термин «Действие». Впоследствии Г. В. Лейбниц, вечный соперник И. Ньютона, воспользуется этим термином «Действие» при попытке создания собственных основ механики, которые действительно и будут созданы, но уже усилиями таких гигантов современной науки, как Л. Эйлер и Ж. Л. Лагранж.

Здесь же необходимо обратить особое внимание на тот факт, что уже  сам И. Ньютон хорошо понимал относительность  «абсолютных» пространства, времени, движения и покоя. Необходимость и возможность использования понятий абсолютного пространства, времени, движения определяется самой логикой любого исследования, направленного на изучение условно замкнутой и изолированной системы, осуществляющей как свое внутреннее, так и целостное движение на некотором «фоне», движением которого в интересах исследования можно пренебречь. Таковыми исследованиями можно, например, считать: исследование движения корабля по отношению к «неподвижному» берегу, исследование движения воды по отношению к «неподвижному» кораблю и т. п. Точно так же возможно и исследование движения планет по отношению к «неподвижным» Солнцу и звездам. Мало того, без использования подобной «абсолютизации» в данных исследованиях решение поставленной задачи может быть вообще недосягаемым или, по крайней мере, необозримым. Поэтому методологический прием «абсолютизации» неизбежен в современной науке и является ее неотъемлемой характерной чертой, указывающей, что изучению подлежит некоторая замкнутая и ограниченная часть материи. При этом, безусловно, конечно нужно помнить, что вместе с расширением границ прикладного исследования неизбежно расширяется и граница возможной «абсолютизации» [2].

Будучи истинным ученым, И. Ньютон хорошо понимал относительность подобного шага «абсолютизации», остающегося условно справедливым лишь до тех пор, пока не будут вскрыты новые связи первоначально представлявшейся замкнутой системы с окружающим ее миром, что неизбежно приведет к переносу точки отсчета. Свои сомнения по вопросу определения абсолютного покоя, движения и пространства И. Ньютон выразил следующим образом: «...полные абсолютные движения могут быть определены не иначе, как при помощи мест неподвижных, почему я и относил их выше к местам неподвижным, относительные же движения – к местам подвижным. Места же неподвижные не иначе, как если они из вечности в вечность сохраняют постоянные взаимные положения и, следовательно, остаются всегда неподвижными и образуют то, что я называю неподвижным пространством ... Возможно, что какое-нибудь тело в области неподвижных звезд, а может быть, и много далее находится в абсолютном покое, но узнать по взаимному положению тел в наших областях, не сохраняет ли какое-нибудь из них постоянное положение относительно этого весьма отдаленного, нельзя. Невозможно также определить истинный их покой по относительному их друг к другу положению» [5].

Относительность наблюдаемого времени  И. Ньютон, приверженец реляционной модели времени Аристотеля, охарактеризовал так: «Возможно, что не существует (в природе) такого равномерного движения, которым время не могло бы измеряться с совершенной точностью. Все движения могут ускоряться или замедляться, течение же абсолютного времени изменяться не может».

И. Ньютон подводит итог этим своим размышлениям в следующем отрывке, который напрочь снимает с великого физика обвинения в «абсолютизме»: «Таким образом вместо абсолютных мест и движений пользуются относительными; в делах житейских это не представляет неудобства, в философских необходимо отвлечение от чувств. Может оказаться, что в действительности не существует покоящегося тела, к которому можно было бы относить места и движения прочих» [1].

Этими приведенными здесь положениями  И. Ньютона, по сути дела, К ставится под сомнение возможность выделения абсолютно изолированной системы, поведение которой в целом подчиняется первому Закону движения. Но раз такие системы крайне редки и неизвестно, есть ли они вообще, то почему же первый Закон движения столь знаменит? На этот Вопрос научных вопросов ответ будет давать вся последующая физика в своем развертывании на фоне первого Закона движения, что и будет вскрыто в последующем изложении. Но уже сам И. Ньютон приступил к формированию искомого ответа, создав основы Небесной механики, с одной стороны, и Классической механики – с другой.

При создании Небесной механики И. Ньютон принял для практических целей возможным  применение абсолютной системы отсчета  с центром вблизи Солнца при условии, что такое допущение будет соответствовать допустимым погрешностям измерения. А экспериментальные данные, доступные И. Ньютону, с лихвой позволяли принять такое допущение за приемлемое для построения первой научной теории тяготения – Закона Всемирного Тяготения, оказавшегося справедливым и в межзвездном пространстве, когда изначальное условие неподвижности (т. е. абсолютизации) Солнца уже не выполняется. Пройдет более 200 лет интенсивного развития науки, когда новейшие эксперименты не заставят А. Эйнштейна пересмотреть положение И. Ньютона. Но что очень важно здесь отметить, так это тот замечательный факт, что к возможности такого пересмотра оснований Небесной механики и Закона Всемирного Тяготения, как это было выше убедительно показано, был готов и сам И. Ньютон, изложивший в своем основном труде сомнения по поводу принципа «абсолютизации». Неразвитость математики и необходимость получения конкретного результата, однако, принудили И. Ньютона остановиться на постигнутом Законе Всемирного Тяготения [5].

При создании Классической механики И. Ньютон воспользовался первым Законом движения для определения понятия «Сила» или движущей причины и, используя открытый им же Закон Всемирного Тяготения, получил математическую формулировку второго Закона движения в виде: «Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует». Правда, здесь было бы вернее сказать, что второй Закон движения и Закон Всемирного Тяготения открывались И. Ньютоном одновременно, поскольку только их одновременное использование позволяет в качестве следствия получить Законы Кеплера.

И. Ньютону впервые в истории  науки удалось решить так называемую «обратную задачу», или, словами  самого И. Ньютона: «... по явлениям движения распознать силы природы». Отныне в истории науки именно решение «обратных задач» позволяло получать фундаментальные результаты и по-настоящему развивать науку. Первым же ученым, сумевшим решить такую «обратную задачу», распознав силу тяготения и познав ее числом, и тем самым открывшим глаза своим последователям на способ получения и сущность результата научного исследования, в котором могут принимать участие порой целый ряд поколений ученых (как это, в частности, и случилось с Небесной механикой от Н. Коперника до И. Ньютона), был Сэр Исаак Ньютон – первейший физик на Земле за всю известную историю Человечества [2].

Второй Закон движения И. Ньютона  предназначен для объяснения наблюдаемых движений по уже распознанным силам природы, и это его вторая важнейшая задача. Но, согласно первому Закону движения, состояние тела не может измениться, если оно изолированно, т. е. предоставлено самому себе. Таким образом, второй Закон движения имеет смысл лишь при наличии минимум двух тел, взаимодействующих друг с другом, т. е. второй Закон движения изначально вводится в рассмотрение для описания и предсказания движения составных частей внутри системы или взаимодействующих друг с другом систем и в случае изолированного тела, или рассмотрения системы как единого целого, изолированного от окружающего мира, неизбежно переходит в первый Закон движения.