Вот каким образом мы должны, следовательно, устанавливать принципы механики, чтобы приспособить их к точке зрения учения об энергии. Спрашивается, однако, обладает ли созданная таким образом вторая картина какими-нибудь преимуществами перед первой? Для решения этого вопроса рассмотрим ближе ее преимущества и недостатки.
На этот раз в наших интересах прежде всего заняться вопросом о целесообразности, потому что с этой точки зрения известный шаг вперед не подлежит ни малейшему сомнению. В самом деле, наша вторая картина естественных движений прежде всего значительно более ясна; она воспроизводит гораздо больше особенностей этих движений, чем первая. Когда мы хотим вывести принцип Гамильтона из общих основ механики, мы должны к этим основам присоединить некоторые предпосылки о действующих силах и о свойствах возможных неподвижных соединений. Эти предпосылки носят весьма общий характер, но именно поэтому они означают столь же много важных ограничений, выраженных в этом принципе движения. И, наоборот, из этого принципа может быть выведен целый ряд таких отношений и в особенности взаимоотношений между возможными силами всякого рода, которые в принципах первой картины отсутствовали, но во второй картине и – что важнее всего – в природе встречаются. Доказательство этого составляет существенное содержание и цель работ, обнародованных Гельмгольцем под заглавием: «О физическом значении принципа наименьшего действия». Но мы точнее изобразим действительное положение вещей, если скажем, что самый факт, который должен быть доказан, образует то открытие, которое сообщено и изложено в этой работе. Ибо в открытии нуждалось, действительно, познание того, что из столь общих предпосылок могут быть выведены столь специальные, важные и соответствующие действительности последствия. На эту же работу мы можем сослаться для иллюстрации нашего утверждения. И так как эта работа в настоящее время знаменует собой величайший прогресс физики, мы можем отклонить от себя вопрос о том, достижимо ли еще более тесное приспособление в природе – ограничением, например, форм, допустимых для потенциальной энергии. Лучше мы укажем на то, что вторая наша картина и в отношении простоты свободна от тех опасностей, которые грозили целесообразности первой картины. В самом деле, если нас спросят об истинной причине того, почему современная физика предпочитает излагать свои идеи на языке учения об энергии, то ответ будет гласить так: потому что этим путем ей легче всего избегнуть рассуждений о вещах, о которых она очень мало знает и которые не имеют никакого влияния на то существенное, что она хочет выразить. Мы заметили уже как-то, что сведение явлений к силе заставляет нас постоянно связывать наши рассуждения с рассмотрением отдельных атомов и молекул. В настоящее время мы, правда, убеждены в том, что весомая материя состоит из атомов; имеем мы также более или менее определенные представления о величине этих атомов и их движениях в известных случаях. Но форма атомов, взаимная связь между ними, движения их в большинстве случаев – все это остается совершенно скрытым от нас: число их во всех случаях необозримо велико. Поэтому само представление наше об атомах есть весьма важная интересная цель дальнейшего исследования, но всего менее им удобно пользоваться как известной и надежной основой для математических теорий. Вот почему для столь строго точного мыслителя, каким был Густав Киргофф, было почти мучительно видеть атомы и их колебания поставленными в центре теоретического рассуждения без особой принудительной необходимости. Пусть произвольно допущенные свойства атомов не оказывают никакого влияния на конечный результат, пусть этот последний и правилен, тем не менее частности самого вывода могут быть в значительной доле ложны, и самый вывод представляет собой только доказательство мнимое. Старая точка зрения физики здесь не оставляет никакого выбора, никакого исхода. Точка же зрения учения об энергии, а следовательно, и наша вторая картина механики имеет то преимущество, что в предпосылках проблем включены только признаки, непосредственно доступные опыту, параметры или произвольные координаты рассматриваемых тел, что рассуждения могут быть введены далее в конечной и законченной форме при помощи этих признаков и, наконец, что окончательный результат может быть непосредственно переведен опять в доступный проверке опыт. Кроме самой энергии в ее немногих формах, в рассуждение не введены никакие вспомогательные конструкции. Наши рассуждения могут ограничиться известными особенностями рассматриваемых систем тел, и мы не вынуждены затушевывать наше незнание подробностей произвольными и не имеющими никакого влияния гипотезами. Не только конечный результат, но и все рассуждения, при помощи которых мы к нему пришли, мы можем защищать, как правильные и нужные. Таковы преимущества, благодаря которым этот метод сделался дорогим для современной физики и которые присущи поэтому и нашей второй картине механики. В наших терминах, которые мы объяснили уже выше, мы назовем эти преимущества преимуществами простоты, а, следовательно, и целесообразности.
К сожалению, у нас вновь возникают сомнения в ценности нашей системы, когда мы ставим вопрос о ее правильности и логической допустимости. Уже вопрос о правильности ее дает повод к основательным сомнениям. У нас вовсе нет уверенности в согласии нашей системы с природой, хотя бы уже потому, что принцип Гамильтона может быть ведь выведен и из признанных основ механики Ньютона. Нам необходимо иметь в виду, что вывод этот только правилен, когда правильны известные предпосылки, и что, с другой стороны, наша система претендует на правильное описание не только некоторых движений природы, а на описание всех ее движений. Нам остается поэтому исследовать, обладают ли, действительно, те особые предпосылки такой же общезначимостью, как и законы Ньютона, и одного единственно примера природы, им противоречащего, было бы достаточно, чтобы доказать неправильность системы как таковой, хотя бы он ничуть не колебал правильности принципа Гамильтона как общего положения. Здесь возникает сомнение не столько в том, охватывает ли наша картина механики все многообразие сил, сколько в том, охватывает ли она, действительно, все многообразие неподвижных связей, которые могут быть между телами природы. Применение принципа Гамильтона к какой-нибудь материальной системе вовсе не исключает того, чтобы между выбранными координатами ее существовали неподвижные связи, но оно требует, чтобы эти связи могли быть выражены математически в виде конечных уравнений между координатами и оно не допускает появления таких связей, которые математически могут быть выражены только в дифференциальных уравнениях. Но сама природа не только исключает, по-видимому, связи последнего рода: они бывают, например, тогда, когда тела трех измерений катятся своими поверхностями друг вдоль друга без скольжения. В этом случае, который часто приходится наблюдать, положение двух тел взаимно ограничено лишь постольку, поскольку они должны иметь общей всегда одну точку поверхности, но свобода движения их более ничем не ограничена. Поэтому здесь может быть выведено больше уравнений между изменениями координат, чем между самими координатами, и среди первых уравнений должен быть, по меньшей мере, одно, которое математически представляет собой дифференциальное уравнение, не поддающееся интегрированию. Вот к подобного рода случаям принцип Гамильтона не может иметь применения или, точнее выражаясь, математически возможное применение принципа приводит к физически ложным результатам. Ограничим наше рассмотрение простым случаем шара, катящегося без скольжения по твердой горизонтальной плоскости, следуя одной своей инерции. Не трудно здесь одними рассуждениями без всяких вычислений обозреть не только движения, которые шар, действительно, может выполнить, но и те движения, которые соответствовали бы принципу Гамильтона и должны были бы быть таковы, что при постоянной живой силе шар достигал бы данных целей в кратчайшее время. Можно, поэтому, и без вычислений убедиться в том, что оба рода движений обнаруживают весьма различные особенности. Если мы и выбираем начальное и конечное положение шара произвольно, то есть же, очевидно, всегда один определенный переход из одного положения в другое, при котором время перехода, а следовательно, и гамильтоновый интеграл становится минимумом. В действительности же вовсе не возможен естественный переход из одного любого положения в другое без содействия сил, даже когда выбор начальной скорости остается совершенно свободным. Но даже тогда, когда мы выбираем начальное и конечное положение таким образом, что естественное свободное движение между ними возможно, то это все же не то движение, которое соответствует минимуму времени. При некоторых начальных и конечных положениях разница может быть весьма заметна. В этом случае шар, движущийся в соответствии с принципом Гамильтона, был бы весьма похож на живое существо, которое сознательно движется к определенному положению, между тем как рядом с ним шар, следующий законам природы, производил бы впечатление мертвой равномерно катящейся массы. Не помогло бы делу, если бы мы вместо принципа Гамильтона стали исходить из принципа наименьших действий или другого какого-нибудь интегрального принципа, потому что все эти принципы мало разнятся между собой по значению, а в данном отношении между ними никакой разницы нет. Впрочем, заранее намечен путь, на котором мы можем защищать систему и доказывать неосновательность упрека в неправильности ее. Нам приходится отрицать, чтобы в природе, действительно, были возможны неподвижные связи приведенного рода. Нам остается доказывать, что всякое так называемое качение без скольжения в действительности есть качение с малым скольжением, т. е. процесс, при котором есть трение. Нам приходится ссылаться на то, что вообще процессы в трущихся поверхностях принадлежат к таким процессам, которые не могут быть еще приведены к ясно понятым причинам, а силы, действующие здесь, устанавливаются только эмпирически. Поэтому и вся проблема принадлежит к тем, обсуждение которых в настоящее время еще невозможно без пользования понятием силы, а следовательно, и без помощи обыкновенных методов механики. Убедительной такая защита, конечно, быть не может. Качение без скольжения не противоречит ни принципу энергии, ни какому-либо другому общепризнанному принципу физики. Процесс осуществляется в видимом мире со столь большим приближением, что строились даже инерционные машины на основе допущения возможности такого качения. Вряд ли поэтому у нас есть право исключать наступление этого процесса как невозможное, и всего менее у нас есть право исключать его из механики неизвестных еще систем, какими являются атомы или части эфира. Но если мы даже признаем, что эти связи осуществляются в природе только приблизительно, то и тогда недостаточность принципа Гамильтона создает для нас затруднения. От всякого основного закона нашей механической системы мы должны требовать, чтобы в применении к приблизительно правильным условиям они всегда давали еще приблизительно верные, а не совершенно неверные результаты. В самом деле, так как все неподвижные связи, которые мы заимствуем из природы и вводим в наши вычисления, только приблизительно соответствуют действительности, то иначе мы совершенно знать не будем, при каких условиях закон вообще еще применим и при каких – нет. Не будем, однако, совершенно отвергать предложенную защиту и сделаем уступку, согласившись с тем, что изложенные здесь сомнения касаются не правильности, а только целесообразности системы, так что вытекающие отсюда недостатки уравновешиваются преимуществами.
Настоящие затруднения возникают, однако, лишь тогда, когда мы пытаемся так упорядочить основы системы, чтобы они строго удовлетворяли требованиям логической допустимости. Вводя понятие энергии, нам нет надобности идти обычным путем, исходить от сил, от них переходить к функции силы, затем к потенциальной энергии, и отсюда к энергии вообще. Такой ход рассуждения соответствовал бы первому изложению механики. Не предполагая уже заранее собственно механических рассуждений, мы прежде всего сошлемся на тот простой непосредственный опыт, которым мы желаем вообще определять существование запаса энергии и определить количество ее. Выше мы приняли только, но не доказали, что такое определение возможно. Многие превосходные современные физики в такой мере пытаются снабдить энергии свойствами вещества, что они принимают, что мельчайшее количество ее бывает во всякое время связано с определенным местом пространства и при всякой перемене этого места и при всех превращениях энергии в новые формы, тем не менее сохраняет свое тождество. Эти физики должны поэтому защищать тот взгляд, что определения желаемого рода, действительно, возможны, и потому было позволительно принимать возможность их. Но если бы нам самим пришлось указать конкретную форму, которая нас удовлетворяла бы и могла бы рассчитывать на всеобщее признание, мы оказались бы в затруднении. К удовлетворительному и окончательному результату вся эта точка зрения, по-видимому, еще не пришла. Особая трудность создается заранее тем обстоятельством, что эта энергия, будто бы столь похожая на вещество, выступает в двух столь различных формах, как кинетическая и потенциальная.
Кинетическая энергия по существу дела не нуждается в каком-нибудь новом основном определении, так как она может быть выведена из понятия скорости и массы. Потенциальная же энергия, требующая самостоятельного определения, не поддается никакому определению, приписывающему ей свойства вещества. Количество какого-нибудь вещества есть всегда величина положительная; содержащуюся в какой-нибудь системе потенциальную энергии мы не задумываемся принимать и отрицательной. Если какое-нибудь аналитическое выражение обозначает количество какого-нибудь вещества, то прибавочная постоянная в этом выражении имеет такое же важное значение, как и остальное; в выражении же для потенциальной энергии системы такая постоянная никогда никакого значения не имеет. Наконец, присутствие какогонибудь вещества в физической системе может зависеть только от состояния самой системы, между тем как содержание потенциальной энергии в данной материи зависит от существования отдаленных масс, которые никогда, может быть, не имели влияния на систему. Если вселенная, а следовательно, и количества тех отдаленных масс бесконечны, то содержание многих форм потенциальной энергии должно быть бесконечно велико и в конечных количествах материи. Все это – затруднения, которые должны быть устранены или обойдены искомым определением энергии. Не утверждая, что такой подход невозможен, мы не может признать, что он в данное время осуществлен, и будет более осторожно считать покуда вопрос открытым, поддается ли вообще эта система развитию в форме, свободной от логических погрешностей.
Будет, пожалуй, небесполезно заняться здесь также выяснением вопроса, основательно ли другое возражение, которое может быть выдвинуто против допустимости рассматриваемой здесь системы. Для того, чтобы картина известных внешних вещей была допустима в нашем смысле, черты ее не только должны быть согласны между собой, но не должны также противоречить чертам других картин, твердо установленных уже нашим познанием. Можно выставить следующее утверждение: немыслимо, чтобы принцип Гамильтона или принцип подобного ему рода на самом деле представлял собой основной закон механики, а следовательно, и природы, ибо от основного закона ожидаешь прежде всего простоты, между тем как принцип Гамильтона оказывается при ближайшем анализе крайне сложным утверждением. Мало того, что он ставит современное движение в зависимость от последствий, которые могут обнаруживаться только в будущем, приписывая, таким образом, намерения неживой природе, но – что еще хуже! – он навязывает природе бессмысленные намерения. Интеграл, минимум которого требуется принципом Гамильтона, не имеет простого физического значения, в отношении же природы непонятно, зачем ей доводить математическое выражение до минимума или дифференциал его делать равным нулю. Обычный ответ, имеющийся наготове у современной физики на подобные возражения, гласит, что предпосылки, служащие исходным началом для этих рассуждений, имеют метафизическое происхождение. Но физика отказалась от них и не считает своей обязанностью удовлетворять требованиям метафизики. Она не приписывает никакого значения соображениям, которые приводились некогда в защиту принципов со стороны метафизики, которая ссылалась на цель природы; но столь же мало она может прислушиваться теперь к возражениям метафизического характера, которые выдвигаются в настоящее время против этих самых принципов. Если бы нас выбрали судьями в этом споре, мы хорошо сделали бы, если бы скорее склонились на сторону нападающего, чем на сторону защищающегося. Нет такого сомнения, производящего вообще на нас впечатление, которое могло бы быть отражено названием метафизического. Каждый мыслящий ум, как таковой, имеет потребности, которые естествоиспытатель привык называть метафизическими. Кроме того, в настоящем случае, как и во всех подобных случаях, совершенно не трудно обнаружить здоровые и вполне основательные источники нашей потребности. Само собой разумеется, что мы не можем a priori требовать от природы простоты, как не можем судить, что в ее смысле просто. Но картинам, которые мы составляем себе о ней, мы можем предписывать правила как собственным нашим созданиям. Поэтому мы правы, когда мы говорим, что наши картины хорошо приспособлены к вещам в тех случаях, когда действительные отношения между вещами выражены в простых отношениях между картинами. Когда же действительные отношения между вещами могут быть выражены только в сложных и для неподготовленного ума даже непонятных отношениях между картинами, мы говорим, что эти картины плохо приспособлены к вещам. Таким образом наше требование простоты касается не природы, а картин, которые мы себе о ней составляем, и если мы высказываемся против провозглашения сложного утверждения основным законом, то мы этим хотим сказать только то, что если содержание этого утверждения верно и достаточно широко, то оно должно быть и выражено в более простой форме целесообразным выбором основных представлений. Другим проявлением того же нашего убеждения является пробуждающееся в нас желание – вместо внешнего уразумения подобного закона проникнуть в более глубокий и существенный смысл его, в существовании которого мы убеждены. Если этот взгляд наш верен, то приведенное против рассматриваемой системы возражение действительно является основательным, но оно касается тогда не столько ее допустимости, сколько ее целесообразности, и с ней приходится считаться при оценке этой последней. Тем не менее вовсе нет надобности из-за этого вернуться к ее обсуждению.
Обозревая все сказанное в защиту второй картины физики, мы не можем сказать, что она вполне нас удовлетворяет. Хотя все направление современной физики нас толкает к тому, чтобы выдвинуть на передний план понятие энергии и сделать его и в механике краеугольным камнем всего здания, тем не менее остается более чем сомнительным, чтобы нам удалось этим избегнуть всех трудностей, на которые мы натолкнулись при рассмотрении первой картины механики. Уделил же я больше места описанию этого второго пути не для того, чтобы вызвать симпатии к нему, а скорее для того, чтоб показать, по каким соображениям я сам его оставил после некоторых попыток по нему идти.
3Перейдем теперь к изложению и критике основных черт третьей системы принципов механики. Существенное отличие ее от первых двух заключается в том, что она исходит только из трех независимых основных представлений: времени, пространства и массы. Поэтому она ставит себе задачей установление естественных отношений между ними и только ими. Четвертое понятие, как понятие силы или энергии, с которым были связаны раньше все затруднения, устраняется как самостоятельное основное представление. Замечание, что три независимых друг от друга представления необходимы, но и достаточны для развития всех принципов механики, мы находим уже у Кирхгоффа, в его учебнике механики. Совсем без всякой замены это многообразие, выпадающее из основных представлений, конечно, остаться не может. В нашем изложении мы стараемся заполнить возникающий пробел гипотезой, которая здесь выдвигается не впервые, а только впервые вводится в элементы самой механики; суть этой гипотезы заключается в следующем.