По мере роста производственных и технических средств происходило инструментальное оснащение физики; в практику физического исследования были постепенно введены весы, ареометры, термометры, гигрометры, лупы, микроскоп, оптические призмы, спектрометры и другие приборы. Наряду с этим развивались математические методы, позволявшие физикам путём вычислений мысленно проникать в область явлений, недоступных для непосредственного обследования физическими приборами. Всё это в чрезвычайной степени расширило предмет изучения физики; изучение механических, тепловых, звуковых и световых явлений, а также свойств твёрдых, жидких и газообразных тел было дополнено изучением электрических и магнитных процессов, изучением мира молекул и атомов, а позже и раскрытием строения атома.
Развитие техники и сильно возросшее значение физики для промышленности привели к оснащению физических лабораторий множеством точных приборов и в первую очередь высокосовершенной электроизмерительной и оптической аппаратурой. Строгие методы исследования химического состава и строения тел — спектральный анализ, микроскопия и рентгеноструктурный анализ — были дополнены ещё более тонкими методами, где световые и рентгеновы лучи были заменены атомными и электронными лучами. Были найдены способы, позволяющие из обычных веществ создавать радиоактивные вещества и осуществлять атомноядерные реакции, т. е. превращение химических элементов. В итоге физика поднялась на современную ступень экспериментальных и теоретических открытий, которые ведут к новому стремительному усовершенствованию и преобразованию техники.
Из сказанного ясно, что одной из характерных черт в развитии физики является постепенное и планомерное исследование физикой всё более тонких, более скрытых видов физического движения материи, где перемещение испытывают всё более мелкие частицы вещества и где само геометрическое перемещение частиц отступает на второй план в сравнении с другими явлениями. Это направление в историческом развитии физики можно охарактеризовать схемой: исследование механического движения тел (механика твёрдых, жидких и газообразных тел) ® исследование упругих движений тел (теория упругости, акустика) ® исследование молекулярного теплового движения (кинетическая теория, термодинамика) ® исследование электрического движения (электродинамика) ® исследование внутримолекулярных и внутриатомных движений (физическая химия, оптика) ® исследование корпускулярно-лучистых и внутриядерных движений (электронная физика, учение о радиоактивности и космических лучах, учение о ядерных превращениях).
Разумеется, эта схема, как и всякая вообще схема, упрощает дело. В действительности перечисленные виды движения так связаны между собой, что во многих случаях открытия, сделанные в области одного из видов движения, сильно влияют на изучение других видов движения. Поэтому нельзя четко выделить исторические этапы в развитии физики, которые строго соответствовали бы приведённой схеме. Тем не менее эта схема правильно указывает общее направление развития физики.
Обращает на себя внимание другая характерная черта в развитии физики: длительное время (в XVII, XVIII и в первой половине XIX в.) при исследовании различных физических видов движения главное место в новых физических теориях занимало понятие силы; в последующем, во второй половине XIX в., основное место в физических теориях заняло понятие энергии; в физике XX в. главное место в физических теориях занимает понятие действия (произведение энергии на время). Это направление в развитии физики означает освобождение физики от влияния метафизических представлений, побуждавших рассматривать силы как «причины возникновения» движения; физикой была обнаружена необходимость поставить на первое место в теориях величину, которая наиболее полно определяет взаимопревращаемость различных видов движения; сначала предполагалось, что такой величиной является энергия, но оказалось, что главную роль играет действие.
Отражение объективной реальности в физических теориях
Материалисты и идеалисты подходят к определению цели и содержания физики, к оценке истинности её законов и теорий с совершенно различных позиций. Само понимание истины и возможности раскрытия истины при физическом исследовании мира противоположно у материалистов и идеалистов.
Представители наиболее распространённой сейчас за рубежом идеалистической школы — последователи Маха — исходят из того, что наши познания о природе формируются через ощущения, и утверждают, что вследствие этого физическое исследование мира не может нам дать ничего большего, как установление общепризнанных всеми людьми связей между фактами ощущений. Мах в одном из своих сочинений (в 1872 г.) прямо писал, что задача физики заключается в том, чтобы «открывать законы связи между ощущениями».
Наиболее последовательные махисты считают, что именно ощущения, а не вещи являются истинными элементами мира; другие махисты неокантианского толка, соглашаясь с материалистами, что причиной ощущений являются объективно существующие вещи, в то же время в противоположность материалистам считают, что наши познания ограничиваются ощущениями, что вещи остаются принципиально непознаваемыми.
В соответствии с этим махисты отрицают возможность раскрытия абсолютной истины. По их мнению, абсолютной истины нет, а если бы она и была, то она всегда оставалась бы вне пределов человеческого познания.
Но что такое истина? Этот вопрос во все времена задавали себе все философы и отвечали на него по-разному.
Философы с религиозными воззрениями безуспешно искали истину в религии, некоторые философы-идеалисты усматривали истину в нравственном совершенствовании человека, другие — в его субъективных представлениях, третьи — в одухотворении всей природы, четвёртые считали истину непознаваемой и т. д. По мнению махистов, знания человека не могут быть достоверными, и поэтому все истины относительны; объективной, абсолютной истины нет.
По мнению махистов, цель науки—не раскрытие истины, а приведение фактов в такую систему, которая обеспечивала бы наибольшую экономию мышления. Физические понятия, законы и теории, по мнению махистов, не раскрывают природы вещей, но представляют собой только удобную форму для совершенно условного «описания фактов». Под «фактами» махисты подразумевают комплексы наших ощущений,
Как же следует в действительности понимать содержание и границы физического исследования мира?
'Прежде всего, следует отметить, что в действительности весь ход исторического развития науки, равно как и ход каждого отдельного научного исследования, происходит по диалектическому закону, сформулированному В. И. Лениным в следующих словах: «От живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике — таков диалектический путь познания истины, познания объективной реальности». Таким образом, научное исследование является единством теории и практики при решающей роли практики и ведущей роли теории.
Результат эксперимента, при постановке которого исследователь • уже руководится определённой гипотезой, даёт возможность проверить гипотезу, уточнить и расширить её до степени теории, установить физический закон, т. е. установить характер объективной зависимости между различными физическими величинами.
Опыт (наблюдение, эксперимент, практика) является источником всех наших знаний. Но наряду с опытом для развития знаний руководящее значение имеет теоретическое мышление. Без теоретических обобщений, без указаний теории о разумном направлении экспериментов невозможно движение науки вперёд.
Теоретические обобщения современной физики подытоживают всё, что было добыто пытливым человеческим умом в области изучения физических явлений за весь длинный период развития культуры. Чтобы уточнить обобщения и охватить неисчислимое количество фактов посредством сравнительно немногих теоретических понятий и формул, оказалось необходимым создать ряд математических наук: дифференциальное и интегральное исчисление, теорию дифференциальных и интегральных уравнений, вариационное исчисление, математическую теорию вероятностей, векторный анализ, математическую теорию поля, тензорный анализ и т. д. Нелегко овладеть этим обширным математическим аппаратом. Математические трудности, стоящие на пути правильного использования современных физических теорий, подчас отпугивают некоторых физиков-экспериментаторов; уделом таких физиков является плоский вульгарный эмпиризм, который заводит их исследования в тупик.
Нередко случается, что вследствие математических трудностей отдельные физики вместо правильного использования современных физических теорий придумывают свои особые, весьма упрощённые гипотезы «с потолка», гипотезы, которые не учитывают всей сложной совокупности изученных физикой фактов, отстают от науки и поэтому обычно оказываются беспомощными или даже вредными.
Физика, обогащаясь благодаря экспериментам, опирается в своём развитии на математику. Известная математизация физики нужна, но излишняя абстрактность физических теорий и не вызываемая действительной необходимостью математически усложнённая трактовка вопросов опасны. Такие страдающие чрезмерным формализмом физические теории не используются экспериментаторами и толкают физику к отрыву от практики.
Характерно, что ненужная гипертрофия математического аппарата в некоторых физических теориях, допускаемая их авторами ради математического «искусства для искусства» в явный ущерб физической ясности и простоте теории, измышление без нужды множества новых малополезных символов из-за любви к символике, особое пристрастие к выдуманным вспомогательным величинам и их условным преобразованиям — все эти и им подобные черты формализма в физике более всего свойственны физикам-идеалистам.
Как бы абстрактна ни была теория, если она верна, если она построена правильно, то не только её выводы должны отвечать действительности, но и все звенья теории, все понятия и величины, которыми она оперирует, также должны возможно точнее отражать объективную реальность.
Рассмотрим ближе вопрос о нормальном соотношении между теоретическим мышлением и объективной реальностью. Источником мышления являются прежде всего наши впечатления. Трудами великого русского физиолога Сеченова было установлено, что между впечатлением и объективными причинами, породившими впечатление, всегда существует некоторое промежуточное звено. Например, при зрительных впечатлениях промежуточным звеном является изображение предметов на сетчатке глаза. Промежуточное звено, например полученный на дне глаза образ предмета, деятельностью нервных волокон и коры головного мозга отражается сознанием. В особенности важны убедительные доказательства Сеченова, что формы и свойства предметов, их распределение в пространстве, их перемещения отражаются верно, в полном соответствии с действительностью.
Этот вывод Сеченова соответствует марксистско-ленинской теории отражения: наше сознание черпает впечатления из ощущений, которые, с одной стороны, являются результатом воздействия внешних предметов на органы чувств, а с другой стороны, неотделимы от работы мысли; от живого созерцания процесс познания ведёт к абстрактному мышлению, проверяемому практикой, и в итоге человеческое сознание верно отражает объективную реальность.
Деятельность памяти и мышления направлена и на расчленение (анализ) фактов, и на связывание различаемого в одно целое — на обобщение (синтез) посредством отвлечения от второстепенных свойств предмета или маловажных признаков явления. В результате обобщения большого количества фактов наше сознание создаёт представления и понятия. Таким образом, абстрактное мышление оперирует понятиями, которые отражают в полном соответствии с, объективной реальностью типичные черты множества сходных вещей и характерные черты однородных явлений. Отражение — это согласование, соответствие между восприятием или мыслью и объективной реальностью; отражение — это образ, вернее, картина, как бы копия объективного мира.
При физическом исследовании мира, чтобы раскрыть закономерности, относящиеся к таким формам движения, как, например, электрические явления, которые непосредственно не доставляют нам большого числа чувственных восприятий, мы пользуемся представлениями и понятиями, выработанными при исследовании наиболее наглядной, наиболее осязаемой формы движения — механического движения. Именно так были введены в физику понятия об электрической силе, об электрической работе, о магнитной силе и работе и связанные с ними представления об электрической и магнитной напряжённости полей, об электрическом потенциале и т. п. По мере развития наших познаний о более сложных формах движения некоторые неудачно введённые в физику из механики представления и понятия приходилось отбрасывать, так как ни одна сложная форма движения не сводима полностью к более простой форме движения; другие же понятия в основе своей сохранились, причём в деталях преобразовывались соответственно открываемым особенностям изучаемой формы движения.
Таким образом, физические понятия и представления о физических величинах вовсе не являются произвольным плодом творчества нашего мышления или простым результатом соглашений, сделанных физиками в целях унификации измерений, как это кажется махистам; физические понятия и представления о физических величинах отражают объективную реальность и отражают её тем вернее и полнее, чем выше ступень развития физики.
Всё ошибочное, что вводится в науку вследствие недостаточности наших познаний и по вине увлечения формализмом, который часто засоряет физику искусственными, ложными представлениями, — всё это в последующем развитии науки вскрывается как несоответствие истине и отбрасывается.
Развитие физико-теоретических представлений происходит посредством замены одних устаревших теорий другими, более совершенными, которые по-новому, точнее объясняют возросший круг изученных явлений и в то же время сохраняют в себе все зёрна истины, имевшиеся в старых теориях.
Наряду с этой сменой теории, ведущей к их усовершенствованию, т. е. к более полному отражению реальности, громадное значение для развития физики имеет процесс постепенного, а иногда происходящего скачками преобразования смысла, содержания физических понятий.
Примером может служить развитие одного из основных физических понятий — понятия об атоме вещества.
Древние греки считали атом крайне малой частицей вещества, твёрдой, как крохотный камешек, имеющей шарообразную, овальную или какую-либо другую форму и снабжённой крючкообразными выступами, которые своими сцеплениями при сближении атомов обеспечивают прочность тела. В XVII и XVIII вв. атом понимали как предел механического и химического деления вещества, как абсолютно твёрдую инертную частицу, которая является вместе с тем центром сил взаимного тяготения и сил молекулярного сцепления. В конце XIX и в начале XX вв. атом стали представлять себе как сложную частицу, состоящую из облака положительного электричества и некоторого числа размещённых в нём электронов, которые при внешних воздействиях на них смещаются и двигаются по законам классической электродинамики. Ещё несколько позже, в начале второго десятилетия XX в., обнаружилось, что положительное электричество атома сосредоточено в крохотном массивном атомном ядре; вокруг ядра с громадной быстротой вращаются электроны, которые удерживаются только на определённых стационарных орбитах и испытывают изменение в состоянии движения не по законам классической электродинамики, а по совершенно иным, квантовым законам. В настоящее время мы знаем, что ядро любого атома является сложным и состоит из положительных ядер водородного атома — протонов и таких же по массе нейтральных частиц—нейтронов; кроме того, стало ясным, что строение атома обрисовывается ближе к истине не геометрической, а энергетической картиной, которая раскрывается волновой механикой (т. III).
Глубокое, коренное изменение претерпело и понятие об электронах, которые ещё недавно физика считала как бы мельчайшими капельками электричества, равномерно распределённого в объёме шарика или же сосредоточенного на поверхности его. Достаточно сказать, что в настоящее время электроны и позитроны мы представляем себе как частицы, которые имеют не только электрические, но и чисто магнитные свойства, как бы вызываемые вращением этих частиц вокруг своей оси, а в действительности имеющие более сложное происхождение; кроме того, известно, что электроны и позитроны имеют, как и все вообще мельчайшие частицы материи, некоторые свойства, присущие волнам; наконец, обнаружилось, что при определённых условиях пара частиц, электрон и позитрон, может превратиться в так называемый гамма-фотон—материальный пакет электромагнитных волн, как бы частицу излучения, которое отличается ещё большей проникающей способностью, чем рентгеновы лучи.
Даже такие, казалось бы простые, понятия, как вес и масса, претерпели при развитии физики глубочайшие изменения.
Первое преобразование понятия о весе тел было вызвано открытием шарообразности Земли: понятие веса пришлось связать с направлением силы веса к центру Земли. Ньютонов закон тяготения позволил обнаружить неправильность понимания веса тела как неизменного свойства этого тела и привёл к расширенному пониманию веса как проявления тяготения между рассматриваемым телом и земным шаром или другим небесным телом, если имеется в виду вес тела по Отношению, например, к Луне, к какой-либо планете, к Солнцу и т. д.
При этом стала ясной зависимость веса тела на Земле от высоты расположения тела над уровнем моря. В соответствии с этими законами механики и фактом суточного вращения Земли и её неточно шарообразной формы обнаружилась сложная зависимость веса как давления тела на опору от географической широты местности. Ещё более расширенное представление о весе было установлено в эйнштейновой теории тяготения: здесь понимание тяготения, а в частности, стало быть, и веса, было связано со свойствами самого пространства, в котором расположены тяготеющие массы.
Представление о массе как о количестве материи в теле и в то же время как о мере инертности было введено в физику Ньютоном. Долгое время массу понимали как абсолютное, неизменное свойство тела, совершенно независимое от состояния движения тела, от степени его нагретости, наэлектризованности и т. д. Однако, когда были открыты и исследованы электроны, обнаружилось, что их масса имеет электромагнитное происхождение. Это привело в свою очередь к открытию зависимости массы тела от скорости его движения, что сказывается только при очень больших скоростях, соизмеримых со скоростью света. Это открытие подсказало, что скорость света в пустоте (в эфире) есть предельная, наибольшая возможная скорость движения. Наконец, было установлено, что масса тела и энергия тела являются двумя мерами материи в её движении и что эти две меры: одна, определяющая количество материи, — масса, и другая, определяющая размах движения и взаимодействия,—энергия, строго пропорциональны друг другу. Коэффициент пропорциональности, на который нужно умножить массу тела, выраженную в граммах, чтобы получить его энергию в эргах, равен квадрату скорости света в пустоте (в см/сек).
В процессе развития физики, как известно, неузнаваемо изменились представления о теплоте, о магнетизме, о свете, о природе молекулярных сил и т. д. Каждое новое, изменившееся содержание физических понятий всё глубже, вернее, полнее отражает объективную реальность.
Цель физики — содействовать покорению природы человеком и в связи с этим раскрывать истинное строение материи и законы её движения.
