Энергия. Трансформации силы, метаморфозы понятия
Шрифт:
В нашем случае определить ядро понятия еще труднее из-за того, что терминология крайне запутана и неясна. Само понятие силы (force) и его эквиваленты в разных языках могли означать очень многое. Разумеется, мы не будем принимать во внимание его переносное значение, которое мы встречаем в таких выражениях, как «сила примера», «сила привычки», «полицейские силы», «экономические силы» и так далее. С другой стороны, выражения вроде «силы природы» могут использоваться и в научном значении, а значит, быть актуальными для нашего исследования.
Но даже в качестве научного термина «сила» в разных контекстах может означать разные вещи. Например, как показывает критический анализ, в следующем предложении, взятом из Герберта Спенсера, каждый раз значение понятия меняется: «Вступая в противодействие с материей, единая сила (a uniform force) частично переходит в силы, действующие в различных направлениях (forces differing in their directions), а частично – в силы, различающиеся по существу (forces differing in their kinds)» 45 . В декартовой механике, которая, как мы увидим, в сущности представляет собой теорию удара, третий закон движения гласит: если движущееся по прямой тело сталкивается с другим, наделенным меньшей силой (vis), то продолжает двигаться в том же направлении, но теряет ту часть движения, которую передает второму телу. Если же «сила» второго тела больше «силы» первого, то первое теряет направление движения, но не само движение 46 . Очевидно, что в этом контексте «сила» означает то, что мы называем «количеством движения» или «импульсом», то есть произведением массы и скорости. Конечно, Декарта нельзя порицать за такое несоответствие. Его исследование вело в неизвестные до того области мысли, к идеям, для которых еще не существовало слов. Что могло быть более естественным, чем заимствовать слово из повседневной латыни; заимствовать слово, у которого еще не было терминологического значения, и использовать его как технический термин (terminus technicus), особенно учитывая, что его привычное значение мало отличается от операциональной интерпретации этого понятия? Декарт совершенно оправданно называет «силой» (vis) «произведение массы и скорости» – пусть даже в дальнейшем научная терминология и пошла по иному пути.
45
Spencer H. First Principles. New York: Appleton, 1895. Р. 432.
46
«Третий закон, замечаемый мною в природе, таков: если движущееся тело при столкновении с другим телом обладает для продолжения движения по прямой меньшей силой, чем второе тело для сопротивления первому, то оно теряет направление» — Descartes R. Principia philosophiae, pars secunda, cap. XL // Oeuvres de Descartes / Adam C., Tannery P. (Eds) Paris: Cerf, 1905. Vol. 8. Р. 65. Рус. пер.: Декарт Р. Первоначала философии // Декарт Р. Сочинения в двух томах. Т. 1. М.: Мысль, 1989. С. 370 (пер. с лат. С. Я. Шейнман-Топштейн).
Однако положение усложняется, когда сам же Декарт начинает применять тот же термин в других значениях. В письме Мерсенну от 15 ноября 1638 года он, например, пишет: «Наконец вы услышали слово „сила“ в том смысле, который я в него вкладываю, когда говорю, что требуется такая же сила, чтобы поднять груз в сто фунтов на высоту ступни, что и груз в пятьдесят фунтов на высоту двух ступней, то есть на это идет одинаковое движение или одинаковое усилие» 47 .
Из этого фрагмента ясно, что «сила» в данном контексте означает работу. В таком же значении термин «сила» Декарт употребляет в начале краткого трактата «Объяснение механизмов, с помощью которых можно малой силой поднять тяжелый груз» (Explication des engins par l’ ayde desquels on peut avec une petite force lever un fardeau fort pesant). Здесь он пишет: «Изобретение всех этих механизмов основано всего на одном принципе, а именно: та же самая сила, которая способна поднять, например, вес в сто фунтов на высоту двух ступней, может поднять вес в двести фунтов на высоту одной, или в четыреста – на высоту в полступни, и так далее, если применять к ним эту силу» 48 .
47
Oeuvres de Descartes. Vol. 2. Р. 432.
48
Oeuvres de Descartes. Vol. 1. Р. 435.
Еще в 1743 году д’ Аламбер, критикуя такое путаное и неразборчивое употребление термина, писал: «Когда говорят о силе движущихся тел, то или с произносимым словом вовсе не связывают никакой ясной идеи, или под ним понимают лишь свойство движущихся тел преодолевать встречаемые ими препятствия или сопротивляться этим препятствиям» 49 . В XIX веке номенклатура стала еще более двусмысленной: «силой» регулярно называли то, что мы сейчас определяем как «энергию» или «работу», под влиянием лейбницевского термина «vis viva» (то, что мы называем «кинетическая энергия»).
49
d’ Alembert J. L. Traite de dynamique. Paris: David, 1743; Discours preliminaire. Р. XVI (предисловие). Рус. пер.: Даламбер Ж. Динамика. М.; Л.: ГИТТЛ, 1950. С. 25 (пер. В. П. Егоршина).
Насколько неудобна такая путаная терминология не только для историка науки, но и для современников автора, который ее использует, можно видеть на примере Юлиуса Роберта Майера и его работы о сохранении энергии – «О количественном и качественном определении сил» 50 . 16 июня 1841 года он отправил ее Иоганну Кристиану Поггендорфу для публикации в журнале Annalen der Physik und Chemie. Поггендорф как редактор отказался печатать это важное исследование, и в 1842 году его – под названием «Наблюдения за силами неживой природы» принял Либих в журнал Annalen der Chemie und Pharmazie 51 . Публикация осталась совершенно незамеченной. Как указывал Мах 52 , даже физик Ф. Жолли, посетив Майера в Гейдельберге, понял логику его работы лишь после долгой беседы и «значительных пояснений». В 1845 году вышла в свет знаменитая статья Майера «Органическое движение в его связи с обменом веществ», в которой он писал: «В действительности существует только одна-единственная сила. Эта сила в вечной смене циркулирует как в мертвой, так и в живой природе. Нигде нельзя найти ни одного процесса, где не было бы изменения силы со стороны ее формы!» 53
50
Mayer J. R. "Uber quantitative und qualitative Bestimmung der Kr"afte // Duhring E. Robert Mayer, der Galilei des neunzehnten Jahrhunderts. Chemnitz: Schmeitzner, 1880.
51
Mayer J. R. Bemerkungen "uber die Kr"afte der unbelebten Natur // Annalen der Chemie und Pharmacie von W"ohler und Liebig. 1842. Bd. 42. S. 233; перепечатано в: Mayer J. R. Die Mechanik der W"arme. Stuttgart: Cotta, 1867. S. 1–12.
52
«Лишь после значительных пояснений Жолли понял, что Майер хотел сказать» – Mach E. On the Part Played by Accident in Invention and Discovery // Monist. 1896. Vol. 6. P. 171; перепечатано в: Mach E. Popular Scientific Lectures / Transl. by T. J. McCormack. Illinois: Open Court, LaSalle, 1943. P. 274.
53
Mayer J. R. Die organische Bewegung in ihrem Zusammenhang mit dem Stoffwechsel. Ein Beitrag zur Naturkunde, перепечатано в: Mayer J. R. Die Mechanik der W"arme. Р. 13–126. Рус. пер.: Майер Р. Закон сохранения и превращения энергии. Четыре исследования 1841–1851. М.; Л.: ГТТИ, 1933. С. 94 (пер. А. А. Максимова). Статья открывается следующим утверждением: «Если нужно привести покоящуюся массу в движение, то для этого необходима затрата некоторой силы. Движение не возникает само по себе; оно возникает из его причины – силы. Ex nihilo nil fit. Объект, вызывающий при своем использовании движение, мы называем силой. Сила как причина движения является неразрушимым объектом» (Там же. С. 92).
Многозначность слова «сила» (Kraft) приводила к серьезной путанице, и свидетельство тому можно найти в классической работе Германа Гельмгольца «О сохранении силы» ("Uber die Erhaltung der Kraft) 54 . Двадцатишестилетний Гельмгольц прочитал ее на заседании Берлинского физического общества 23 июля 1847 года. Как и статью Майера, работу Гельмгольца посчитали экстравагантной. Поггендорф также не принял ее в свой журнал. Насколько двусмысленность понятия «силы» мешала понять статью, ясно видно из спора, который разгорелся между ее сторонниками – Э. Дюбуа-Реймоном и К. Г. Якоби – и противниками – Р. Клаузиусом и Е. Дюрингом. Неудивительно и то, что это туманное словоупотребление вышло за пределы собственно научного языка. В доказательство процитируем фрагмент из юмористической поэмы Вильгельма Буша (инженера по образованию), где пощечина описывается так:
54
von Helmholtz H. Ueber die Erhaltung der Kraft // Ostwald’ s Klassiker. № 1. Leipzig: Engelmann, 1889.
55
Busch W. Balduin B"ahlamm, der verhinderte Dichter. Munich: Bassermann, 1883. Ch. 6.
Несколько напугав трудностями, с которыми может столкнуться тот, кто решит анализировать понятия с исторической точки зрения, теперь мы должны отметить, насколько важен наш предмет как для науки, так и для философии. «Сила» – одно из основных понятий физики. Это первое нематематическое понятие, которое встретится читателю в большинстве учебников. Изучающий физику будет постоянно возвращаться к нему, читая разделы о силе тяготения, электромагнитной силе, силах трения и вязкости, когезионных и адгезионных силах, силе упругости и химических силах, наконец, силах молекулярных и ядерных. Если не прояснить и не подвергнуть критическому анализу эти понятия, легко можно поверить, что в центре современной физической науки стоит что-то мистическое или даже оккультное. Это хорошо понимал Чарльз Сандерс Пирс, пытаясь объяснить понятие силы с прагматической точки зрения: «[Сила] – это замечательное понятие, которое, будучи выработано в первой половине семнадцатого века из примитивной идеи причины и постоянно совершенствуясь вплоть до настоящего времени, показало нам, как следует объяснять все изменения движения, испытываемые телами, и как следует осмыслять все физические феномены; оно дало начало современной науке и изменило лицо планеты; оно, помимо своих специфических применений, сыграло основополагающую роль в направлении хода современной мысли и в продвижении современного социального развития. Поэтому стоит потратить определенные усилия для того, чтобы постичь его» 56 .
56
Peirce C. S. Collected Papers / Hartshorne C., Weiss P. (Eds) Cambridge, МА: Harvard University Press, 1934. Vol. 5. Р. 262. Рус. пер.: Пирс Ч. С. Избранные философские произведения. М.: Логос, 2000. С. 284 (пер. К. Голубович, К. Чухрукидзе, Т. Дмитриева).
Действительно, началом современной науки можно считать тот момент, когда приходит ясное понимание, что такое механическая сила, и это понятие сознательно включается в основы физики как науки. Наука по Аристотелю и Птолемею была прежде всего системой геометрических и кинематических понятий. «Новая наука», напротив, основывалась на динамике Ньютона. Таким образом, критически осмыслить, насколько понятие силы важно для современной науки, – значит сделать очень важный шаг к пониманию того, как эта наука развивалась.
Но и это еще не все. Среди всех возможных базовых понятий физической науки «сила» занимает уникальное положение, так как она одна напрямую связана с понятием причины. Многие мыслители, прежде всего кантианцы, считали «силу» точным физическим выражением «причины» и понятия каузальности. Согласно такому взгляду, естественные науки привязывают все феномены природы к некоторым основаниям, постигают феномены как следствия этих оснований. Если проводить эту мыслительную операцию последовательно, то научную структуру этих оснований надо формулировать так, чтобы постоянно задействовать в них каузальность. Понятие вещества, таким образом, выводится из эмпирического применения принципа каузальности. Из сформированного таким образом понятия вещества, в свою очередь, выводятся конкретные причинно-следственные связи. Каузальность в ее связи с вещественностью называется «силой», а вещество, к которому относится действие этой силы, можно считать ее «носителем».