Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали

«Завершение» Аристотеля




Теория Аристотеля о материи, как и все остальные его мысли, стала догмой. Однако это не остановило постоянно увеличивавшийся поток критики. Вспомните, Аристотель думал, что объект состоит из двух частей, материи и формы, которые сосуществовали в объекте, тем самым создавая его. Они не только давали форму объекту, но также и определяли его физические и химические свойства.

Проблема здесь вот в чем: независимо от объекта и его особенностей, каждый вынужден прийти к заключению, что субъект обладает определенными свойствами просто по той причине, что они заложены в него изначально. Так почему же тогда небо «голубое»? Оно «голубое», поскольку это врожденная часть его формы. Почему золото блестит? Потому что «блеск» – часть его формы. Вы видите здесь проблему? Мы останавливаемся на том, что ничего не узнаем об основных принципах или механизмах, которые действительно управляют свойствами рассматриваемого объекта.

Атомная теория Демокрита значительно пострадала от критических замечаний Аристотеля, но не была забыта полностью. Наоборот, в эпоху Средневековья[125] атомные теории Демокрита и Эпикура (341 – ок. 270 до н. э.)[126] были известны и вызывали определенный интерес даже тогда.

Более того, во время итальянского Ренессанса[127] произошел скачок благодаря открытию Поджо Браччолини (1380–1459)[128] в 1417 году единственной уцелевшей рукописи большой работы De Rerum Natura («О Природе вещей») римского поэта Лукреция (99–55 до н. э.).

Лукреций был современником Юлия Цезаря (100–44 до н. э.) и Цицерона (106–43 до н. э.). Он полагал, что атомы – чрезвычайно мелкие частицы материи, имеющие те же свойства, что и вещество, частью которого они были. Его взглядов придерживались приблизительно до XIX века, когда выяснилось, что у атомов есть некоторые уникальные свойства, отличающие их от самого вещества, например электрический заряд. Сегодня мы знаем, что объемные свойства предметов зависят от большого количества атомов, составляющих вещество данного объекта, и, таким образом, свойства единственного атома не определяют его объемные свойства.

Поэма Лукреция, в которой ярко описаны работы Демокрита, Левкиппа и Эпикура, была очень популярной в XV и XVI веках и как художественная, и как философская работа. Работа Диогена Лаэртского, которого не принимали во внимание в Средневековье, вновь получила популярность, особенно десятая книга «Жизни философов». Эта работа имела особое значение для развития атомных теорий и включала три письма Эпикура (письмо Геродоту[129] было самым важным из них) в дополнение к жизнеописанию Эпикура.

В течение XVI века понятие атома рассматривали в физических и философских теориях. К середине XVI века идея, что вещество может действительно состоять из атомов, получала все более широкое распространение. Вот что говорил об этом Николай Коперник[130]: «Это крошечные, незаметные, неделимые частицы, называемые атомами. Сами по себе они незаметны, и если два или несколько атомов отделить от объекта, то они не сформируют мгновенно видимое тело, но их можно умножать, пока они не соединятся, чтобы сформировать общую массу». Однако именно XVII веку случилось увидеть полное переосмысление древних теорий материи.

XVII век был временем значимых достижений в математике и физике, которые дали ученым инструменты, чтобы те могли получше вглядеться во многие нерешенные физические проблемы, например о настоящей природе вещества, что выдвинуло ранние атомные теории, особенно Демокрита, на первый план. Атомная теория Демокрита, даже при всех ее недостатках, все еще предлагала «механическое» объяснение материи: материя состоит из атомов, находящихся в движении, которым управляют определенные (тогда неизвестные) физические законы, и сами атомы определяют физические и химические свойства рассматриваемого объекта.

Для ученых XVII века эта картина вещества была более привлекательной, чем доктрина Аристотеля о материи и форме (в конечном счете ее начали высмеивать), потому что она определила фундаментальные особенности, которые можно было использовать в экспериментах и теоретически глубже понять законы природы. Таким образом, природу рассматривали как своего рода великую «машину», состоящую из определенных «деталей», которые работают только по физическим законам (а не по велению некоей вселенской силы). На самом деле в XVII веке законы природы часто сравнивали с механическими часами, как метко сформулировал Роберт Бойль (1627–1691):

«Несколько частей, из которых состоит этот любопытный двигатель, устроены и подогнаны таким образом, что они приводят в движение множество шестеренок и деталей, двигаются несколькими способами, и все это без знаний и плана; и при этом каждая из них отлично выполняет свою роль для разных целей, ради которых ее создали, так размеренно и равномерно, как будто она знает это и беспокоится о выполнении своего долга».

Это новое представление о природе как механизме для ученого XVII века было существенным шагом вперед, к свободе от доктрины Аристотеля. Оно утверждало потрясающую веру в то, что каждый может систематически познавать явления природы вместо того, чтобы искать прибежища у неопределенных объяснений о скрытой цели, врожденных качествах или тайных силах, управляющих этими процессами. Этот новый способ познания природы называли механистической философией.





Мировая машина




В очень ярком эпизоде из «Мира» (написанного между 1629 и 1633 годами) [131]Рене Декарт (1596–1650) поясняет, что он – сторонник механистической философии и считает аристотелевское понятие формы и связанных с нею качеств неспособным объяснить физические явления:

«Если вы находите странным, что я не использую качества, которые называют теплом, холодом, влажностью и сухостью…, как делают различные философы, я говорю вам: эти качества, как мне кажется, нуждаются в объяснении, и, если я не ошибаюсь, не только эти четыре качества, но также и все другие – и даже все формы неодушевленных предметов могут быть объяснены без иных предположений об их материи, кроме движения, размера, формы и расположения их частей».

Несомненно, как и многие его современники, Декарт придерживался механистической философии во многом из-за желания опровергнуть философию Аристотеля. Декарт ссылался на механизмы в моделях, которыми он объяснял поведение мира. На самом деле для него не было никакого принципиального отличия между рукотворными механизмами и законами природы: «Нет никакой разницы между машинами, созданными людьми, и разнообразными предметами, которые создает сама природа».

Единственным исключением в идеях Декарта был тот факт, что детали искусственных машин должны быть достаточно большими, чтобы их можно было видеть и работать с ними, тогда как «детали», из которых состоит природа, могут быть очень маленькими – невидимыми для нас. Как мы узнали из части 1, Декарт утверждал, что «движение» в природе сохраняется[132]. Так что для Декарта, даже если Бог когда-то привел в движение все, например планеты, то после, чтобы мировая машина продолжала работать, он не нужен[133].

Таким образом, Бога представляли как архитектора и создателя «мировой машины», и эта машина, когда-то приведенная в движение, всегда будет работать без вмешательства Бога. Эта идея привлекла многих ученых XVII века, потому что теперь природа должна была поддаваться описанию с помощью четко определенных математических принципов и физических законов – в конце концов, это ведь машина.

Возможно, никакой другой человек не сделал больше, чтобы заложить фундамент и привести эту концепцию к успеху, чем Ньютон. Тем не менее – и это один из самых ироничных поворотов истории – по существу он опроверг свою собственную теорию. В 1678 году Исаак Ньютон (1643–1727) написал «Начала», которые описывали (среди прочего) три основных закона движения и действие сил в их рамках.

Первый закон Ньютона гласит:

«Объект будет оставаться в состоянии покоя (его скорость будет равняться нулю), а объект, который движется с постоянной скоростью, будет продолжать движение по прямой линии, пока приложенная сила не подействует на любой из них».

Другими словами, если объект не двигается, то он не придет в движение без приложения к нему какой-либо силы – толчка или удара, который подействует его в движение.

Более того, объект, который движется по прямой с определенной скоростью, продолжит движение, если, опять-таки, какая-то сила не вмешается, внеся изменения. Поскольку пребывание в состоянии неподвижности – просто частный случай движения с постоянной скоростью (скорость равна нулю), мы можем утверждать, что естественное стремление объекта – поддерживать свою скорость и движение по прямой линии. Эту особенность называют инерцией, и это – фундаментальная особенность материи.

И Галилео, и Декарт работали над понятием инерции, а формализовано оно было в первом законе Ньютона[134]. Сегодня это не кажется нам чем-то грандиозным, но в конце XVII века Галилео первым предложил ввести это понятие. До этого большинство людей думало (благодаря Аристотелю), что естественное состояние объекта – состояние покоя. Идея заключалась в следующем: чтобы поддерживать объект в движении, необходима постоянная сила, иначе он перейдет в состояние покоя. Действительно, кажется, это лучше согласуется с повседневным опытом.

Например, когда вы ведете автомобиль, необходима постоянная сила (от подачи топлива), чтобы продолжать движение. Однако на ваш автомобиль воздействует внешняя сила, создавая трение между дорогой и шинами. Именно эта сила заставляет автомобиль замедляться, иначе бы он продолжал движение благодаря инерции.

Эксперименты Галилео с движением объектов вниз по наклонной плоскости (как мы узнали из части 1) позволили ему разобраться с понятием инерции. И объекты, и наклонная поверхность были сделаны из твердых материалов, и возникавшее в результате трение было минимальным[135]. Таким образом, поскольку Галилео наблюдал за объектом, проходящим значительное расстояние после движения по наклонной поверхности, он вообразил такую ситуацию, в которой трение абсолютно отсутствовало, и пришел к заключению, что при этих обстоятельствах объект будет двигаться без остановки по инерции. Именно эти «мысленные эксперименты» привели Галилео ко многим проницательным выводам.

Второй закон Ньютона описывает эффект, который оказывает внешняя сила, действующая на движущийся объект:

«Ускорение объекта прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе объекта».

Другими словами, если приложенная сила F производит ускорение a объекта с массой m, то второй закон Ньютона математически выглядит так:

F = ma,

где сила и ускорение – векторы (у них есть величина и направление), а масса – скаляр (есть только величина). Чтобы выразить ускорение, мы преобразовываем выражение и получаем:






Так, для данной массы, если приложенная сила увеличивается, скажем, вдвое, ускорение также увеличится вдвое, а если приложенную силу увеличить втрое, ускорение вырастет в три раза… и так далее. Ускорение объекта прямо пропорционально приложенной силе. Теперь для данной приложенной силы, если масса увеличивается вдвое, мы видим, что ускорение уменьшается вдвое; а если втрое, то ускорение уменьшится в три раза… и так далее. Ускорение обратно пропорционально массе объекта. Второй закон Ньютона также дает первое точное определение приложенной силы – до этого силу путали с импульсом или энергией (как мы говорили в части 1).

Наконец, есть третий закон Ньютона:

«Два объекта действуют друг на друга с силами, которые равны по величине, но противоположны по направлению».

Иногда мы называем эти силы силой действия и силой противодействия. Мы можем утверждать, что для каждого действия есть равная и направленная в противоположную сторону сила противодействия. Третий закон Ньютона означает, что нет такой вещи, как «одинокая сила», – все силы во Вселенной существуют в «парах», где обе силы (данной пары) равны по величине, но направлены в противоположные стороны.

Например, книга, лежащая на столе, за счет своего веса действует на стол с силой, направленной вниз[136], а стол, в свою очередь, действует на книгу с силой, которая равна по величине, но направлена вверх. Некоторые примеры кажутся немного менее очевидными. Представьте себе, что вы ехали на машине и в ваше лобовое стекло врезался жук. Даже при том, что последствия для жука стали явно намного более плачевными, чем для автомобиля, приложенные силы были равны.

Законы движения Ньютона по существу объясняли теорию, по которой мир работает как хорошо смазанная машина. Однако Ньютон видел это не совсем так. В «Оптике» он пишет:

«В то время как кометы движутся по самым разнообразным вытянутым орбитам, одна лишь воля случая не может заставить все планеты двигаться одинаковым образом по орбитам с общим центром, и некоторые незначительные отклонения в движении планет могут возникать из-за взаимодействия комет и планет, и эти возмущения будут стремиться расти до тех пор, пока система не начнет нуждаться в исправлении».

Ньютон просто не мог поверить в рискованный «вариант» мировой машины, где Бог был всего лишь архитектором и создателем, как считал Декарт (и многие другие). Например, он боялся, что пролетающая комета может заставить планету отклониться от орбиты, таким образом требуя, чтобы «рука Бога» исправила эту небольшую астрономическую ошибку.

Это может казаться противоречащим законам движения Ньютона, но Ньютон не видел противоречия. Он рассматривал свои законы как применимые после того, как Бог привел все в движение, и до тех пор, пока все не станет настолько неправильным, что потребуется его вмешательство. Неудивительно, что отказ Ньютона (или, скорее, упрощенная версия механистической философии) навлек на себя критику, в особенности со стороны его вечного соперника, Лейбница.

В письме, написанном в 1715 году и вскоре опубликованном, Лейбниц говорит:

«У сэра Исаака Ньютона и его последователей также есть очень странное мнение относительно того, что делает Бог. Согласно их теории, Господь Всемогущий хочет время от времени “заводить” Вселенную как часы: иначе она прекратит работать. Похоже, он не осознавал, что следует создать мир по принципу вечного двигателя. Нет, Божественная машина, по словам этих господ, столь несовершенна, что время от времени ее приходится заводить… и даже чинить, как часовщик поправляет свою работу…»

Однако Ньютон, пославший свой ответ Лейбницу через Сэмюэла Кларка (1675–1729), считал, что Бог не только архитектор и создатель, но и хранитель. Таким образом, его необходимое вмешательство не является отражением несовершенства конструкции, а скорее «его мастерства, ничто не работает без его непрерывного управления и контроля».

Итак, в то время как Декарт, Лейбниц, Бойль и многие другие видели в механистической философии с мировой машиной объяснение и дополнение существования Бога, Ньютон настаивал, что все это ничто иное как атеизм, который он просто не мог принять.

Пока математики и ученые XVIII и начала XIX века – в частности, Пьер-Симон Лаплас (1749–1827), Леонард Эйлер (1707–1783), Жозеф Луи Лагранж (1736–1813) и Симеон Дени Пуассон (1781–1840) – развивали Ньютоновы законы движения, вера в то, что божья воля необходима для поддержания баланса, прошла. Император Наполеон I прокомментировал «Трактат о небесной механике»[137] Лапласа, заявив, что, хотя он и описывает Вселенную, он не упоминает ее создателя. Лаплас самодовольно ответил: «У меня не было нужды в этой гипотезе».

Удивленный его ответом, Наполеон поделился этим фактом с Лагранжем, который прокомментировал: «Ах, это прекрасная гипотеза; она объясняет множество вещей».

Ньютон, казалось, был в меньшинстве относительно принятия механической философии, исключавшей вмешательство Бога. Возможно, это частично вынудило его исследовать иные науки, включая алхимию.





Свинец в золото




В то время как XVII век увидел начало механистической философии и ее растущую популярность, уже существовала другая «философия» – алхимия. На самом деле к тому времени алхимия уже существовала в множестве форм.

Одно из самых ранних упоминаний алхимии нашли в китайском императорском указе, выпущенном императором Цзином в 144 году до н. э., который установил, что тех, кто изготавливает поддельное золото, например фальшивомонетчиков и алхимиков, следует карать публичной казнью. По-видимому, предыдущий император, Вэнь, позволил алхимикам создавать золото. Это было проблемой для императора Цзина. Проблема заключалась в том, что алхимики создавали поддельное золото, растрачивая деньги (не говоря уже о трате времени), и, следовательно, совершали преступление, чего император Цзин допустить не мог.

Ранняя история алхимии также проявляется в 200 году до н. э. с «Физикой и мистикой» Болоса из Мендеса[138] (грека, жившего в Египте). Тем не менее основное направление развития алхимии пошло из Эллинистического Египта[139], городов дельты Нила, особенно Александрии[140]. Основным вопросом эллинистической алхимии было превращение веществ, в особенности производство золота и серебра из «простых металлов». Это отличало ее от китайской алхимии, которая искала эликсиры долговечности, бессмертия и совершенства человеческой души.

Китайская алхимия была тесно связана с даосизмом и существовала примерно с 300 года до н. э. Подобные мысли присутствовали и в индийской алхимии, возможно, уже в VIII веке до н. э., – санскритская Атхарваведа описывает использование золота как средства продления жизни. Тексты тантрической хатха-йоги, написанные после VIII века, c их мистическим подтекстом сходны по смыслу с китайскими. Действительно, большинство видов алхимии были пронизаны мистицизмом.

Мистика, окружающая алхимию, часто приводила к ее осуждению как вклада в раннюю экспериментальную химию. Тем не менее можно обоснованно утверждать, что определенные аспекты алхимии переходили из одного времени в другое и стали впоследствии экспериментальной химией, которую мы знаем сегодня. Таким образом, алхимия в некотором смысле была скромным началом экспериментальной химии[141].

Большинству из нас знакома основная задача алхимика – преобразование «простых» неблагородных металлов (ртути, свинца, олова, меди и железа) в драгоценные – золото и серебро (в процессе, известном как chrysopoeia, от греч. chryso – «золото», и poeia – «создание»), эту цель преследовали до 1720-х годов. В то время как идея преобразовать один материал в другой сегодня кажется нам смешной, эта идея, по существу, вытекала из философии Аристотеля. Аристотель принял теорию Эмпедокла о четырех элементах, изменив ее и присвоив «качества» каждому из элементов: земля была холодной и сухой; огонь был горячим и сухим; вода была холодной и влажной; воздух был горячим и влажным.

Для алхимика это означало следующее: чтобы превратить одно вещество в другое, нужно поменять одно или оба его свойства на свойства другого. Например, если мы рассмотрим воду (холодную и влажную), то, нагрев ее, алхимик, казалось бы, преобразовал ее в воздух (горячий и влажный), так как вскипяченная вода в конечном итоге испаряется. Аристотель действительно верил в такие преобразования элементов. Кроме того, он полагал, что каждое вещество состояло из всех элементов, отличие было только в соотношениях элементов в этих веществах.

Эту идею развил в своей работе алхимик Джабир ибн Хайян (ок. 721–815)[142]. Джабир последовал примеру Аристотеля, но заменил его концепцию свойств «природами». Однако большая часть его работы была посвящена ртутно-серной теории металлов. Джабир думал, что металлы состоят из ртути и серы. Заметьте, не из любой ртути и серы, а скорее их форм, которые были схожи с обычной ртутью и серой, известным нам сегодня. Джабир считал, что металлы отличаются только чистотой серы и ртути, которую они содержат. Поэтому золото было проявлением самой чистой формы серы и ртути в идеальном отношении.

Однако, так как все металлы содержат серу и ртуть, должно было быть возможно преобразовать любой из них в золото при помощи катализатора, или эликсира, который Джабир назвал по-арабски «al-iksir». Поколения алхимиков унаследовали эту теорию, и в западной алхимии этот эликсир стал известен как философский камень, который обладал силой разделять и перераспределять фундаментальные составляющие материи, тем самым позволяя создавать нечто совершенно новое.

В Средневековье философский камень стал чем-то бо2льшим, чем просто инструментом для преобразования неблагородных металлов в драгоценные золото и серебро. Его стали связывать с эликсиром жизни, который возвращает больному телу идеальное здоровье, обеспечивая долгую жизнь. Поэтому философский камень стали связывать со способностью преобразовать «низшее качество» в «идеальное качество»: обычный сплав – в драгоценный металл, больное тело – в здоровое.

Для средневекового алхимика эта дуальность хорошо вписывалась в представление о «макромире и микромире» (или герметическую философию), в котором человек (микрокосм) был тесно связан со Вселенной (макрокосмом). Таким образом, процесс превращения обычного металла в золото, как верили, имел ту же природу, что и процесс очищения души.

Парацельс (1493–1541)[143], который доработал ртутно-серную теорию металлов Джабира до версии tria prima, утверждал, что вся материя (не только металлы) состоит из «духовных основ»: соли, серы и ртути. Они также были символическими категориями (как и четыре элемента в теории Аристотеля, они обладали приписываемыми качествами), поскольку были основными составляющими материи. Опять-таки, Парацельс говорил не о соли, сере и ртути, которые мы знаем сегодня.

Парацельс первым применил алхимию в медицинских целях, которые он считал главными для этой науки: «Многие считают, что алхимия нужна для создания золота и серебра. Для меня нет иной цели, кроме как изучить, какие действие и сила могут быть скрыты в медицине».

Парацельс считал, что здоровье и болезни имеют отношение к связи человеческого тела и Вселенной. Парацельс рассматривал медицину как средство для достижения «гармонии» между телом и Вселенной. Алхимиков часто воспринимали как воров, жуликов или негодяев, но все же эту науку практиковали люди всех профессий, и ей нередко покровительствовали короли.

Образованный и талантливый Исаак Ньютон начал изучать алхимию приблизительно в 1669 году и продолжал в течение приблизительно тридцати лет. Его алхимические манускрипты насчитывают больше миллиона слов (для сравнения: в Библии 773 692 слова), и частью его личной библиотеки были 138 книг по алхимии. Таким образом, хотя мы знаем его по работам в области физики, называемой классической механикой, или ньютоновской механикой (обсуждаемой в его «Началах»), по сути, он написал больше книг и провел больше времени, изучая алхимию.

Алхимия привлекала Ньютона тем, что, в отличие от механистической философии, которая по существу исключала необходимость существования Бога, алхимия фактически требовала некоего его духовного присутствия. Мы можем это понять из взглядов средневекового алхимика на микромир – макромир и основываясь на точке зрения Парацельса на здоровье и медицину. Кроме того, Ньютон, вероятно, рассматривал алхимию как дающую дополнительное по отношению к механистической философии и менее ограничивающее представление о природе[144].

В XVII веке наука, которую мы теперь называем (экспериментальной) химией, только зарождалась, тогда как алхимию все еще практиковали многие ученые. Однако исторически очень трудно, даже почти невозможно четко разграничить, когда закончилась алхимия и началась экспериментальная химия. На самом деле эти слова были в значительной степени взаимозаменяемыми приблизительно до конца XVII века. Только в начале XVIII века «алхимия» и «химия» приобрели их современные значения. Под «алхимией» теперь понимали исключительно попытки превратить «простые» металлы в золото и серебро.