325 лет назад, летом 1687 года, вышел в свет фундаментальный труд Исаака Ньютона "Математические начала натуральной философии". При жизни автора труд издавался еще дважды - в 1713 и 1725 годах.
"Начала натуральной философии» Ньютона составляют незыблемую основу теоретической механики, астрономии и физики. Лагранж назвал это произведение "величайшим из произведений человеческого ума", поэтому понятна та польза, которую каждый может получить с изучения этого произведения ", - так начинает "Предисловие переводчика" к изданию труда Ньютона на русском языке академик А.М.Крилов - знаменитый механик, математик, теоретик кораблестроения.
В истории науки "Начала" Ньютона сыграли исключительную роль. По этой книги не только начинается история физики как науки. Эта книга оказала огромное влияние и на основоположника классической политэкономии Адама Смита, и на молодого Иммануила Канта, и на французских философов-просветителей ...
К сожалению, в наше время мало кто открывает "Начала" Ньютона и знакомится, хотя бы, с предисловиями к книге. Более того, в последние десятилетия вышло множество работ, где принципы механики Ньютона провозглашаются устаревшими, а ему приписываются взгляды, которых он не только не имел, но и против которых решительно выступал, в частности введения в физику действия на расстоянии.
Следует заметить, что фальсификация взглядов Ньютона началась еще при его жизни - во время подготовки второго издания «Начал», проводимого кембриджским профессором астрономии и экспериментальной физики Роджером Котсом под руководством инициатора издания директора Тринити-колледжа Кембриджа епископа Ричарда Бентли. Поэтому, по случаю юбилея великой книги Ньютона, думаю, лучше будет не повторять еще раз известные слова о ее исторической роли, которые можно найти в энциклопедиях, а коротко рассказать о некоторых изложенных в ней идеях - тех, благодаря которым эта книга стала началом новой эры в науке. Но сначала несколько слов об обстоятельствах появления этой книги.
Над своим большим произведением Ньютон начал работать летом 1684 года. К тому времени он уже 15 лет был профессором математики Тринити-колледжа и 12 - членом Лондонского королевского общества, куда был избран за изобретение зеркального телескопа. Ньютон также изобрел метод бесконечно малых и выполнил известные исследования по оптике. Следует заметить, что полемика по поводу этих исследований надолго отбила у него желание публиковать новые результаты и втягиваться в дискуссии. Неизвестно, когда и в какой форме увидели бы мир результаты исследований Ньютона по механике, если бы не его друг астроном Эдмунд Галлей.
Летом 1684 года Е.Галлей, Роберт Гук - секретарь Королевского общества, Кристофер Рен - член Общества и знаменитый архитектор во время встречи в одной из лондонских кафе обсуждали вопрос о траектории движения небесных тел, что притягиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Р.Гук утверждал, что знает решение этой задачи и пообещал представить его, однако обещание не выполнил. Тогда Галлей, находясь в августе 1684 г. в Кембридже, обратился с этим вопросом к Ньютону, который, не раздумывая, ответил: "Эллипс" и добавил, что знает это с 1679 года. В ноябре 1684 г. он передал рукопись Галлею, о чем тот доложил Королевскому обществу 10 декабря. Рукопись с решением задачи Общество получило в феврале 1685 г., но, по желанию Ньютона, его не отдали в печать, а только зарегистрировали на случай защиты приоритета.
Через год в протоколах заседаний Общества появилась исторический запись: "28 апреля 1686 г. д-р Винсент передал манускрипт Ньютона под названием" Principia mathematica philosophiae naturalis ", где дается математическое доказательство гипотезы Коперника в том виде, как она была предложена Кеплером, и все небесные движения объясняются на основании единого предположения о тяготении к центру Солнца, обратно пропорционального квадрату расстояния ".
19 мая 1686 г. было принято решение напечатать труд Ньютона на средства Общества, но денег не было, поскольку перед тем Общество издало книгу "История рыб» (авторы Willughly и Ray), которая не имела спроса, и исчерпало свой бюджет . Тогда Галлей решил выдать "Начала" за свой счет. Печать труда (в трех книгах) тиражом 300 экземпляров завершился в июле 1687 года.
"Начала" Ньютона произвели огромное впечатление на ученый мир. Это была первая работа, где рассматривались не те или иные проблемы механики, а механика вообще. В первой книге Ньютон дал определения основных понятий механики, а также сформулировал основные законы. Во второй книге он рассмотрел движение тел в среде. Третья книга содержала теорию движения небесных тел. Книга вызвала горячую полемику, в частности потому, что его идеи противоречили взглядам тогдашних основных школ философии.
В предисловии к первому изданию Ньютон ясно изложил замысел своего труда и сформулировал важнейшую программу исследования природы, которую затем реализовывало не одно поколение ученых. Он писал:
"Поскольку древние ученые, по словам Паппуса (Паппус, Папп - греческий математик, III в. - В.И.) придавали большое значение механике при изучении природы, то новейшие авторы, отбросив субстанции и скрытые свойства, стараются подчинить явления природы законам математики ...
Древние авторы рассматривали механику двояко: как рациональную (умозрительную),что развивается точными доказательствами, и как практическую. К практической механике относятся все ремесла и производства, именуемые механическими, от которых получила свое название и сама механика.
Поскольку ремесленники удовлетворяются в работе только малой степенью точности, то сложилось мнение, что механика тем отличается от геометрии,что все вполне точное относится к геометрии, менее точное относится к механике ...
Однако само проведение прямых линий и кругов, что служит основой геометрии, по сути относится к механике. Геометрия не учит тому, как проводить эти линии, но предполагает (постулирует) осуществление этих построений ...
Итак, геометрия основывается на механической практике и является не чем иным, как частью общей механики, в которой излагается и доказывается искусство точного измерения. Но поскольку в искусствах и производствах приходится в основном иметь дело с движением тел, то обычно все, что касается только величины, относят к геометрии, а все, что касается движения, к механике.
В этом смысле рациональная механика есть учение о движениях, вызванных любыми силами, и о силах, которые необходимы для порождения каких-либо движений, точно изложенным и доказанным.
В древности эта часть механики была разработана только в виде учения о пяти машинах (рычаг, коловорот, блок, винт, клин - В.И.) при этом даже вес (поскольку это не усилие, развиваемое руками) рассматривалась ими не как сила, а лишь как груз что движется указанными машинами. Мы же, рассуждая не об ремеслах, а об учении о природе, и, следовательно ... о силах природы, будем, главным образом, заниматься тем, что относится к тяжести, легкости, силе упругости, сопротивления жидкостей и подобным силам - притягательным или напорным. Поэтому и произведение это нами предлагается как математические начала натуральной философии (физики).
Вся сложность физики, как будет видно, состоит в том, чтобы за явлениями движения распознать силы природы, а затем этими силами объяснить другие явления. Для этой цели предназначены общие предположения, изложенные в первой и второй книгах. В третьей же книге мы даем пример вышеупомянутой программы, объясняя систему мира, потому что здесь из небесных явлений, с помощью предположений, доказанных в предыдущих книгах, математически выводятся силы притяжения тел к Солнцу и отдельных планет. Затем из этих сил, а также с помощью математических предположений выводится движение планет, комет, Луны и моря.
Желательно было бы вывести из начал механики другие явления природы, рассуждая подобным же образом, потому что многое заставляет меня думать, что все эти явления обусловливаются некоторыми силами, с которыми частицы тел, вследствие причин пока неизвестных, или стремятся друг к другу и объединяются в правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются и удаляются друг от друга. Поскольку эти силы неизвестны, то до сих пор попытки философов объяснить явления природы оставались бесплодными ...
При издании этого произведения поспособствовал острый умом и во всех отраслях науки ученый муж Галлей, который не только исправил печатные корректуры и заботился об изготовлении рисунков, но даже только по его настоянию я приступил и к самому изданию ... ".
Еще раз повторю слова с этого предисловия, которыми кратко выражено метод исследования Ньютона: "за явлениями движения распознать силы природы, а затем с этими силами объяснить другие явления".
Более подробно метод Ньютона описал Роджер Котс в предисловии ко второму изданию «Начал».
"Тех, что пытаются преподавать физику вообще можно отнести к трем категориям. Прежде всего выделяются те, что приписывают разного рода предметам специальные скрытые качества, от которых неизвестно каким образом и должно происходить, по их мнению, взаимодействие отдельных тел. В этом заключалась суть схоластических учений, берущих свое начало от Аристотеля и перипатетиков. они утверждали, что отдельные действия тел происходят вследствие особенностей самой их природы, в чем же эти особенности заключаются, они не учили, значит, по сути, они ничего не учили. Таким образом все сводилось к наименованиям отдельных предметов, а не к самой сути дела, и можно сказать, что ими создано философский язык, а не саму философию.
Другие ... утверждали, что вся материя во вселенной однородная и все различия видов, которые заметны в телах, обусловленные некоторыми простыми и доступными пониманию свойствами частиц, составляющих тела ... Но они предоставляют себе право предполагать которые им заблагорассудится неизвестные виды и величины частиц, неопределенные их расположения и движения, а также придумывать различные неощутимые жидкости что свободно проникают через поры тел и имеют всемогущую тонкость и скрытые движения.
.. Они, позаимствовав основу своих рассуждений из гипотез, даже если бы все дальнейшее развивали очень точно на основе законов механики, создали бы весьма изящную и красивую байку, но только байку.
Остается третья категория - последователи экспериментальной философии (т.е. экспериментального метода при исследовании явлений природы). Они также стремятся вывести причины всего сущего с возможно простых начал, но они ничего не принимают за начало, кроме того, что подтверждается явлениями, которые происходят. Они не придумывают гипотез и не вводят их в физику иначе, как в виде предположений, справедливость которых необходимо исследовать. Таким образом, они пользуются двумя методами - аналитическим и синтетическим. Силы природы и простейшие законы их действия они выводят аналитически из определенных явлений, а затем синтетически получают законы других явлений. Вот это лучший способ исследования природы и принят нашим знаменитым автором ... ".
Стоит заметить, что метод исследований Ньютона - это не индукция, как говорили многие философы, а сочетание анализа и синтеза, когда на основе изучения явлений высказываются предположения об их причинах (начала), которые используются для объяснения других явлений, и только успех этих объяснений дает основание для вывода об истинности предположений.
Философ, который написал, что "Спиноза исходит из явственопродуманных предпосылок, а Ньютон, делая вид, будто у него вообще никаких предпосылок нет,выходит с непонятных для себя самого предпосылок, аксиом и постулатов", похоже, никогда не читал работ Ньютона. Кстати, Ньютон не только проводил исследования действительно научным методом (сочетая анализ и синтез, используя наблюдение, эксперимент и теоретические исследования), но и в начале первой книги «Начал» четко сформулировал основные определения и принципы, а в начале третьей подал "Правила философствования ", первое из которых гласит:" Не следует принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений ... ".
Непонимание сути метода Ньютона дало основания некоторым философам, начиная с Гегеля, заявить, что закон всемирного тяготения, по сути, открытый Кеплером, поскольку его можно математически вывести из третьего закона Кеплера.
Ньютон опроверг это обвинение еще тогда, когда Гегеля не было на свете (отвечая на претензию Гука на открытие закона всемирного тяготения). Поскольку существуют погрешности измерений, никто никогда не докажет на основании наблюдений, что в законе всемирного тяготения расстояние между небесными телами стоит в степени 2, а не, например, в степени 2,0000006. Более того, поскольку планеты притягиваются не только к Солнцу, но и друг к другу, точные наблюдения показывают, что движение планет противоречит законам Кеплера.
Ньютон же, проанализировав движение Луны, планет, тел на поверхности Земли, путем индукции получил предположение о том, что все тела притягиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Положив это предположение в основу теории движения различных небесных тел и получив согласованность расчетов с данными наблюдений, Ньютон сделал вывод об истинности этого предположения.
В предисловии ко второму изданию «Начал» Р.Котс вспоминает "отбросов того безбожного стада, которые думают, что мир управляется роком, а не провидением, и материя, в силу своей собственной необходимости, всегда и везде существовала, что она бесконечна и вечна ", а дальше делает выводы:" надо быть слепым, чтобы с прекрасного и мудрого строения мира не увидеть величайшей доброты всемогущего творца, надо быть сумасшедшим, чтобы этого не признавать. Поэтому замечательное произведение Ньютона является верной защитой против нападений безбожников, и нигде не найти лучшего оружия против нечестивой шайки, как в этом колчане ".
Чтобы книга Ньютона смогла стать таким оружием, Р.Котс внес в ее текст ряд изменений, не всегда согласованных с автором (см .: Цейтлин З.А. "Наука и гипотеза". М.-Л., Госиздат. 1926).
С тех пор Ньютону приписывают представление о том, что тяготение является таким существенным свойством тел, которое объяснять не надо, что тела могут действовать на расстоянии через абсолютную пустоту (дальнодействия) и наука должна ограничиться описанием явлений. Действительные взгляды Ньютона можно понять со следующих высказываний.
Ньютон, в частности, писал: "Название притяжение (центром), напор или "стремление" (в центр) я применяю все равно одно вместо другого, рассматривая эти силы не физически, а математически"; "Рассматривая центростремительную силу как притяжение, стоило бы, если выражаться физически, называть ее более правильно напором".
В письме к Бентли от 25 февраля 1693 г., Ньютон писал: "Предполагать, что тяготение является существенным, неразрывным и врожденным свойством материи, так что тело может действовать на другое на любом расстоянии в пустом пространстве, без посредства чего-то, что передает действие и силу, это, по моему мнению, такой абсурд, который немыслим ни для кого, кто умеет достаточно разбираться в философских предметах. Тяготение должно быть обусловлено агентом, что постоянно действует по определенным законам ».
По поводу действия на расстоянии: "Теперь следовало бы кое-что добавить об очень тонком эфире (spiritus), силой и действием которого частицы тел при очень малых расстояниях взаимно притягиваются, а при касании сцепляются; наэлектризованные тела действуют на большие расстояния, как отталкивая, так и привлекая близкие малые тела, свет излучается, отражается, преломляется ... Но это нельзя изложить кратко, к тому же нет и достаточного запаса опытов, которыми законы действия этого эфира были бы точно определены и показаны ».
"Я не придумываю гипотез (hypotheses non fingo). Все, что не выводится из явлений, должно называться гипотезой; гипотезам же метафизическим, физическим, механическим, скрытым свойствам не место в экспериментальной философии".
Ошибочным является утверждение, что Ньютон ввел методологию "чистого описания" природы, введя понятие силы. На самом деле он подчеркивал, что сила - это временный шаг, математическая фикция, которая упрощает движение вперед в познании природы.
Не могу не заметить, что многие не критически повторяют слова Эрнста Маха по поводу ньютоновского абсолютного пространства и времени: их надо отбросить, как чисто абстрактные вещи, которые опытами не выявляются. По такой логике следует отказаться от всех абстракций - чисел, геометрических фигур, общих понятий, которые тоже подлежат экспериментальным исследованиям. А еще Мах назвал неправильным Ньютоновское определения массы как произведения плотности на объем, не разобравшись, что под плотностью Ньютон понимал количество атомов в единице объема.
... Сегодня все больше авторов пишет о кризисе физики в ХХ - начале XXI века. На нескольких языках переведены книги Джона Хоргана "Конец науки" (1996.) и Ли Смолина "Неприятности с физикой" (2006 г.), в которых имеется констатация кризиса, но нет даже намеков на пути выхода из нее. И, кажется, я знаю почему. Потому что авторы этих книг не имеют никакого представления о методах исследования основоположника физики. Итак, читайте труды И. Ньютона, и прежде всего - "Математические начала натуральной философии»!