Именно здесь, в законах вероятности, большинство физиков девятнадцатого века искало обоснование стрелы времени. Вероятность объясняет такие необратимые процессы, как растворение кофе, таяние мороженого, взрыв бомбы, и все другие знакомые однонаправленные события, в которых участвует большое число молекул. Их объясняет второй закон термодинамики, согласно которому теплота всегда передается от более нагретого к более холодному телу, увеличивая энтропию – меру беспорядка системы. Этот закон объясняет, почему перетасовка делает беспорядочной колоду карт…
"Без какого-либо мистического призыва к сознанию, – констатировал Артур Эддингтон (в лекции, в которой он впервые ввел образ "стрелы времени"), – возможно найти направление времени… Произвольно направьте стрелу. Если, следуя за стрелой, мы найдем в состоянии мира все больше и больше беспорядка, значит, стрела указывает в будущее; если же, наоборот, беспорядок уменьшается, значит, стрела указывает в прошлое. Таково единственное различие между прошлым и будущим, известное физике".
Но к настоящему моменту выяснилось, что есть более фундаментальное, чем с помощью статистических законов, обоснование стрелы времени. В 1964 году группа физиков Принстонского университета открыла, по-видимому, времянеобратимость некоторых слабых взаимодействий частиц. "По-видимому" – так как данные косвенные и спорны. Из них следует лишь, что если справедливы некоторые предпосылки, то симметрия времени нарушается…
Биографические справки
Левкипп из Элеи или из Милета (500–440 гг. до н. э.) – древнегреческий философ-материалист. Один из создателей древней атомистики. О жизни Левкиппа известно очень мало. Известно лишь, что он был современником Парменида, Эмпедокла, Анаксагора и учителем Демокрита. Известно также, что Левкипп слушал Зенона Элейского, но не стал последователем его философии. Продолжая материалистическую традицию ионийских философов милетской школы и Гераклита, он впервые выдвинул атомистическое учение. Родиной его называли Милет, Элею и Абдеру. Вероятно, он учил в Абдере, где жил его ученик Демокрит, фигура которого как создателя завершенной системы атомистики полностью заслонила его учителя. Сочинения Левкиппа не сохранились. Одновременно с Эмпедоклом и Анаксагором Левкипп выдвинул идею множественности элементов существующего. Придерживаясь идеи Парменида о неизменяемости и качественной однородности сущего, Левкипп для объяснения разнообразия предметов утверждал существование относительного небытия, то есть наличие пустоты-вакуума, разделяющей все сущее на множество элементов. Свойства этих элементов зависят от ограничивающего их пустого пространства, различаются они по величине, фигуре, движению, но все элементы мыслятся как однородные, непрерывные и потому неделимые атомы. Вслед за философами ионийской школы Левкиппа считает движение внутренне присущим атомам. По-видимому, к Левкиппу можно отнести и отдельные черты разработанной впоследствии Демокритом атомистической космологии. Не исключено, что Левкипп ограничивался лишь устным изложением своего учения. Ему, однако, приписывается авторство сочинений "Великий диакосмос" и "Об уме". Фрагменты, приписываемые непосредственно Левкиппу, свидетельствуют о том, что, в отличие от учения Демокрита, его метод более умозрителен, а круг рассматриваемых вопросов более ограничен.
Демокрит из Абдер (460–370 гг. до н. э.) – величайший древнегреческий материалист, всесторонне разработавший атомистическую философию. Слушал философов элейской школы и пифагорейцев, но решающее влияние на него оказал Левкипп. Согласно некоторым античным источникам, Демокрит много научных сведений почерпнул во время своего посещения Египта и Вавилонии, а также Ирана, Индии и Эфиопии. Демокрит слушал в Афинах пифагорейца Филолая и Сократа, был знаком с Анаксагором. В конце жизни дружил с великим древнегреческим врачом и натурфилософом Гиппократом. Основное сочинение Демокрита – "Малый диакосмос". Всего Диоген Лаэртский насчитывает 70 подлинных сочинений Демокрита, посвященных вопросам философии и существовавших тогда наук. Обладая энциклопедическими познаниями в период слабого разделения наук, Демокрит был одним из пионеров математики и геометрии. Главным достижением философии Демокрита считается развитие им учения Левкиппа об атоме – неделимой частице вещества, обладающей истинным бытием, неразрушающейся и невозникающей. Он описал мир как систему атомов в пустоте, отвергая бесконечную делимость материи, постулируя не только бесконечность числа атомов во Вселенной, но и бесконечность их форм. Атомы, согласно этой теории, движутся в пустоте хаотично, "трясутся", сталкиваются и вследствие соответствия форм, размеров, положений и порядков либо сцепляются, либо разлетаются. Образовавшиеся соединения держатся вместе и таким образом производят возникновение сложных тел. Само же движение – свойство, естественно присущее атомам.
Платон (428–348 гг. до н. э.) – родился в семье, имевшей аристократическое происхождение, род его отца Аристона возводили, согласно легендам, к последнему царю Аттики Кодру, а предком Периктионы, матери Платона, был афинский философ-реформатор Солон.
Около 407 года Платон познакомился с Сократом и стал одним из его самых восторженных учеников. После смерти Сократа стал путешествовать. По преданию, посетил Египет, где постигал мистические тайны жрецов. Позднее отправился в Южную Италию и Сицилию, где общался с последователями Пифагора (пифагорейцами), изучая их учение о магии чисел. Переехав в Афины, Платон основал собственную школу – знаменитую Платоновскую академию. В 361 г. по приглашению правителя Сиракуз Дионисия Младшего, выразившего намерение проводить в своем государстве идеи Платона, возвратился в Сицилию; эта поездка, как и предыдущие попытки Платона вступить в контакт с власть имущими, окончилась полным крахом. Остальную часть жизни Платон провел в Афинах, много писал, читал лекции.
Однако Платон был не только выдающимся философом, но и двукратным олимпийским чемпионом. Дважды он выигрывал соревнования по панкратиону – смеси кулачного боя и классической борьбы.
Зенон Элейский (490–430 гг. до н. э.) – древнегреческий философ. О его жизни известно немногое, и о его трудах, включая его знаменитые парадоксы, мы знаем в основном из сочинений более поздних философов. Он был представителем Элейской школы и утверждал, что истинная реальность должна быть вечной и неизменной, постижимой лишь разумом и логикой.
Согласно легенде, элейский тиран Неарх казнил Зенона за участие в заговоре против правительства. Аристотель считал Зенона создателем диалектики как искусства истолкования противоречий. Основную задачу своей философии он видел в защите и обосновании учения о неизменной сущности истинного бытия и иллюзорности всех видимых изменений и различий. Истина сущего, по мнению Зенона, обнаруживается только посредством мышления, чувственный же опыт ведет к обнаружению множественности вещей, их разнообразия и изменчивости и, следовательно, к недостоверности.
Аристотель Стагирит (384–322 гг. до н. э.) – великий древнегреческий философ и ученый, ученик Платона, основатель Перипатетической школы.
Родился в Стагире, греческом городе на восточном побережье полуострова Халкидика. Его отец Никомах был придворным врачом и личным другом македонского царя Аминты Второго, и их погодки дети, юный Аристотель и наследник престола Филипп, не раз проводили время вместе. Когда Аристотелю было 15 лет, отец его умер, опекуном был назначен его дядя Проксен, который, вероятно, и рассказал Аристотелю про Платона и его академию. В 17 лет приехал в Афины и поступил в Платоновскую академию сначала на правах ученика, затем – в качестве преподавателя. После смерти Платона уезжает из Афин и почти 14 лет проводит в странствиях. Самым значительным эпизодом этого периода является его педагогическая работа с наследником македонского престола Александром, сыном Филиппа Македонского. По возвращении в Афины Аристотель основывает собственную философскую школу – Ликей. Аристотель разделял философию на три части – теоретическую, практическую и творческую, а инструментом, с помощью которого ведется исследование, является логика (греч. "органон" – орудие, инструмент). Теоретическая философия имеет дело с истиной, и целью ее является знание ради самого познания, потому она свободна и "бескорыстна", в отличие от практической философии, нацеленной на совершение добродетельных поступков и оперирующей не с понятиями истина – ложь, а с понятиями добро – зло. Целью творческой философии является творчество (сюда Аристотель относил в первую очередь искусство словесное – риторику и поэтику). Теоретическую философию составляют три дисциплины: физика, математика и первая философия (или теология). Данное деление соответствует делению сущностей, изучаемых каждой из этих наук: физика изучает телесные самостоятельные, но изменяющиеся сущности, математика изучает мыслимые, неподвижные, вечные, но несамостоятельно существующие сущности, первая же философия изучает мыслимые, неподвижные и самостоятельные сущности.
Декарт Рене (1596–1650 гг.) – французский философ, математик, физик и физиолог. Заложил основы аналитической геометрии, дал понятия переменной величины и функции, ввел многие алгебраические обозначения. Высказал закон сохранения количества движения, дал понятие импульса силы. Автор теории, объясняющей образование и движение небесных тел вихревым движением частиц материи (вихри Декарта). В основе философии Декарта – дуализм души и тела, "мыслящей" и "протяженной" субстанции. Материю отождествлял с протяжением (или пространством), движение сводил к перемещению тел.
Рене Декарт родился в маленьком городке на западе Франции. После окончания школы он отправился в Париж, где начал углубленное изучение математики. В 1617 году Декарт надевает мундир волонтера нидерландской армии. После военной службы он опять возвращается к математике. Чудесным открытием для него стала разработка основ аналитической геометрии. По Декарту, сущность аналитической геометрии состоит в приложении алгебры к геометрии и обратно. Всякая кривая может быть выражена уравнением между двумя переменными величинами, и обратно – всякое уравнение с двумя переменными может быть выражено кривой.
С 1637 года Декарт выпустил книги "О свете" (диоптрика), "О метеорах" и "Геометрия". А в 1644 году издал обширное сочинение "Начала философии". В этом сочинении Декарт изложил грандиозную программу создания теории природы и ввел свое знаменитое положение "Я мыслю – следовательно, существую".
Материя Декарта – это чистая протяженность, материальное пространство, заполняющее всю безмерную длину, ширину и глубину Вселенной. Части материи находятся в непрерывном движении, взаимодействуя друг с другом при контакте. Взаимодействие материальных частиц подчиняется основным законам или правилам.
В этих "правилах" можно увидеть одну из первых формулировок закона инерции и закона сохранения количества движения. Из всего содержания "Начал философии" видно, что состояние частей материи характеризуется их величиной ("количеством материи"), формой, скоростью движения и способностью изменять эту скорость под воздействием внешних частиц. Декарт утверждает, что инерция тела зависит от его скорости. В физике Декарта все явления мира сводятся к движениям и взаимодействию соприкасающихся частиц. Такое физическое воззрение получило в истории науки название картезианского, от латинского произношения имени Декарта – Картезий.
В 1645 году Декарт возвращается к занятиям анатомией и медициной, а через несколько лет по приглашению шведской королевы Христины ученый отправился в Стокгольм, где вскоре и скончался от воспаления легких.
Исаак Ньютон (1643–1727) – великий физик. Родился в небольшом селении Вулсторп, вблизи городка Грэнтэм. Местность, в которой Ньютон родился и провел детство, принадлежит к самым здоровым и живописным в Англии. Из окон двухэтажного домика его родителей открывался живописный вид сада, где позже упало знаменитое яблоко, "подсказавшее" Ньютону закон всемирного тяготения. На двенадцатом году Ньютон поступил в общественную школу в Грэнтэме и поселился у аптекаря Кларка. Общение с аптекарем впервые возбудило в нем влечение к химическим опытам; но в школе он плохо успевал, был невнимательным и считался в классе последним учеником.
Но однажды с ним случилось происшествие, которое заставило его изменить свое отношение к учебе. Один из школьников, учившийся гораздо лучше Ньютона и превосходивший его силой, нанес ему удар кулаком в живот. Самолюбивый Ньютон, слабо развитый физически, не сумел отколотить обидчика. "Чем бы отомстить?" – думал он и решил: нужно опередить своего обидчика в учебе. Мальчик стал усиленно заниматься по всем предметам и вскоре сделался первым учеником. Тем не менее в школьные годы Ньютон не обнаружил особых математических дарований, хотя его способности были выше обыкновенных. Когда Ньютону минуло пятнадцать лет, к тому времени вторично овдовевшая мать решила вызвать сына к себе на ферму, где обстоятельства требовали его присутствия. Как-то его дядя увидел Ньютона у изгороди с книгой в руках. Оказалось, что мальчик с увлечением решал математические задачи. Пораженный этим, дядя уговорить мать Ньютона продолжить его образование, и он опять пошел в школу. После окончания ее восемнадцатилетний Ньютон прибыл в Кембридж для поступления в один из лучших в то время университетов.
Хотя научный багаж юноши был довольно ограниченным, его ум давно привык к серьезному и, главное, самостоятельному мышлению. Уже в первые годы ученья в университете Ньютон во многом обогнал своих сверстников, в чем была большая заслуга учителя Ньютона, известного математика Исаака Барроу. Через четыре года профессор Барроу, выступая перед студентами, публично объявил его "мужем славным и выдающихся знаний".
Затем последовали два "чумных года". Удивительно, что творческий подъем в жизни Ньютона в эти годы заключался не только в необычайном богатстве и значении полученных им научных выводов. Подобный взлет не повторялся у него больше никогда в масштабах, в какой-либо степени сравнимых с прошлым. Ньютон пришел к понятию производной, исходя из вопросов механики определения скорости прямолинейного неравномерного движения. Функцию от времени он назвал флюэнтой, а производную – флюксией. В своем "Методе флюксий" Ньютон решил также другую задачу: "По данному уравнению, содержащему флюксии, найти соотношение между флюэнтами". Именно эта задача привела к понятию неопределенного интеграла. Написанная вскоре после "Метода флюксия" и опубликованная в 1704 году работа Ньютона "Рассуждение о квадратуре круга" была посвящена в основном интегрированию некоторых сложных выражений. С новым методом Ньютона человечество получило возможность познакомиться лишь в 1736 году, уже после смерти творца, когда вышел в свет его труд "Метод флюксий и бесконечных рядов с приложением его к геометрии кривых". Однако идеи этого метода выкристаллизовались в те два чумных года, когда двадцатидвухлетний Ньютон вынужден был жить в родной деревне Вулсторп. Здесь, в деревенской тиши, не отвлекаемым ничем посторонним от своих мыслей молодой Ньютон мог полностью сосредоточиться и продумать те проблемы новых открытий, которые возникали у него еще в колледже, мог начать претворять в жизнь задуманные изобретения. Это были годы поистине титанической творческой активности. Именно тогда Ньютон приходит к мысли о законе всемирного тяготения, тогда же он произвел важнейшие опыты по оптике, познав тайну спектра, открыл формулу разложения бинома n-й степени (бином Ньютона). В те же годы Ньютон создал программу всей своей дальнейшей научной работы и в значительной мере ее осуществил.
По возвращении в университет Ньютон никому не рассказывал о сделанных открытиях, считая их не проверенными до конца и руководствуясь девизом "гипотез не измышляю". Он проводит опыты по оптике, изготавливает телескоп, за что его избирают членом Королевского общества. Но открытия редко делаются учеными-одиночками. Чаще всего к ним приходят почти одновременно несколько ученых. Близок к открытию закона о всемирном тяготении был и Роберт Гук. Независимо от Ньютона дифференциальное и интегральное исчисление открыл немецкий математик Лейбниц. Завязывается полемика о приоритете. Споры вокруг Ньютона, порой яростные и обостренные, длились долгие годы. Великий ученый ожесточался, терял веру в людей, уходил в себя, но никогда не сомневался в своей правоте. Движимый горечью и разочарованием, он писал однажды: "Я убедился, что либо не следует сообщать ничего нового, либо придется тратить все силы на защиту своего открытия…" И Ньютон действительно при жизни мало печатался. Многие основные математические труды вышли в свет уже после смерти Ньютона. В целом долгая жизнь Ньютона сложилась удачно, успех следовал за успехом. Он дважды избирался членом парламента. Правда, в этом звании Ньютон не совершил ничего примечательного. Затем он назначается директором Монетного двора. Королева Анна производит некогда безызвестного Исаака Ньютона в рыцарское звание. С тех пор к его имени прибавилась приставка "сэр". Примерно в то же время выходят его труды "Оптика", "Рассуждение о квадратуре круга", "Начала" и другие.
Ньютон был добрым, отзывчивым, скромным и, как многие ученые, очень рассеянным. К концу жизни Ньютон стал весьма богатым человеком, но оставался щедрым, помогая многим студентам деньгами. Его скромность характеризует, например, высказывание самого Ньютона: "Не знаю, чем я могу казаться миру, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу, развлекающимся тем, что от поры до времени отыскиваю камешек более цветистый, чем обыкновенно, или красную раковину, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным".
Виллем де Ситтер (1872–1934 гг.) – нидерландский астроном, окончил Гронингенский университет, работал в астрономической лаборатории. После двух лет работы математиком-вычислителем на обсерватории мыса Доброй Надежды стал ассистентом Астрономической лаборатории в Гронингене, позже – профессором астрономии Лейденского университета и директором Лейденской обсерватории.
Работы Ситтера посвящены астрономии, фотометрии звезд (измерении их светимости) и космологии. Проанализировав данные о движении спутников Юпитера, полученные им самим и другими астрономами на мысе Доброй Надежды, он создал новую теорию их движения, которая учитывала возмущающие факторы разной природы. Эта теория используется и в настоящее время для расчета движения спутников Юпитера. Ситтеру принадлежат работы по согласованию различных астрономических и геодезических постоянных. Он изучал неравномерность движения Земли и объяснил замедление ее вращения приливным трением.
Работы Ситтера по теории относительности, представленные Лондонскому королевскому обществу, привлекли внимание научного мира к общей теории относительности Эйнштейна. Ситтер создал одну из первых релятивистских космологических теорий, которая послужила отправной точкой для последующих теорий нестационарной Вселенной. В 1931 году Ситтер приехал в США, зиму провел в обсерватории Маунт-Вилсон, наблюдая вместе с Эйнштейном за движением отдаленных галактик и обсуждая теорию расширения Вселенной.
Джон Арчибальд Уиллер – американский физик-теоретик, член Национальной АН США. После окончания университета работал в Копенгагене у Нильса Бора. По возвращении в США занимал должность профессора Принстонского университета.