Христиан Гюйгенс. Атомистическая теория движения

Гюйгенс был одним из самых крупных представителей атомизма XVII в. Анализ его творчества позволяет понять, в чем состояло отличие атомизма нового времени от античного. Гюйгенс разрабатывает атомистическую программу в полемике с Декартом, с одной стороны, и с Ньютоном - с другой. Его не удовлетворяет ньютонов принцип дальнодействия, он не принимает также идею абсолютного пространства. Что же касается Декарта, то последний отождествляет материю с пространством, считая, таким образом, ее непрерывной, а не дискретной.

В отличие от Декарта Гюйгенс различает тело и пространство, отождествляя тело с атомами, а пространство с пустотой. Главным определением атомов Гюйгенс считает бесконечную твердость, благодаря которой они в состоянии оказывать сопротивление всякому внешнему воздействию. Вот что пишет Гюйгенс Лейбницу в этой связи: "Основание, побудившее меня предположить неразрушимые атомы, состоит в том, что я, как и Вы, господин Лейбниц, не могу согласиться с картезианским принципом, что сущность тел состоит только в протяжении. Для того, чтобы тела могли сохранять свою форму и при движении оказывать друг другу сопротивление, я скорее считаю необходимым приписать им непроницаемость и сопротивление любому разделению их частей. Следует допустить, что это сопротивление бесконечно велико..."

Картезианцы резко отвергли тезис Гюйгенса об абсолютно твердых атомах. Так, картезианец Д. Папен в 1690 г. писал Гюйгенсу: "...мне не нравится Ваше утверждение, что совершенная твердость есть одно из существенных свойств тел. Мне кажется, что это равносильно допущению существенного свойства, которое отбрасывает нас от всех математических или механических принципов". Как видим, атомисты, так же как и картезианцы, стремились к очищению механики от всех понятий, которые они считали недостаточно механическими, - в этом был пафос всех четырех научных программ XVII в., включая и Ньютона, и Лейбница. Картезианцы пытались строить механику на основе континуализма, а атомисты мыслили материю дискретной. Приписывая атомам бесконечную твердость, т.е. бесконечную силу сопротивления всякой попытке разделения на части, Гюйгенс этим путем пытается преодолеть то противоречие, которое он усматривает в декартовской теории корпускул. Декарт, не признавая атомизма в качестве метафизической гипотезы, не допуская, таким образом, пустоты, в то же время допускал существование физических корпускул различной формы, движущихся соответственно с разной скоростью. Это различие формы и скорости корпускул как раз и обусловливает, согласно Декарту, различие стихий природы - газообразной, жидкой и твердой.

Декартова программа в вопросе о природе материи включает два не вполне согласуемых между собой момента: поскольку материя тождественна пространству, она бесконечно делима, поскольку же она составляет субстрат физических тел, она разделена на множество частей. Декарт не случайно прибегает к посредничеству Бога для того, чтобы бесконечно делимую материю-пространство превратить в разделенную на части материю-вещество: между этими моментами мы видим hiatus, зияние, которое преодолевается здесь с помощью внелогического скачка. Гюйгенс хорошо видел невозможность перейти от непрерывности пространства-материи к корпускулам. Правда, он фиксирует эту непоследовательность Декарта не в самом исходном пункте, но в следствии, вытекающем из него.

Поясняя, как из разделенной Богом на части материи образовалась затем Вселенная, Декарт вынужден показать, каким образом из одинаковых первоначально частей образовались впоследствии различные как по форме, так и по скорости корпускулы. "...Какой бы фигуры части тогда (в начале космогонического процесса. - П.Г.) ни были, с течением времени они не могли не стать округлыми, так как имели различные кругообразные движения. Так как сила, которой вначале части были движимы, оказалась достаточной, чтобы отделить их друг от друга, то этой же сохранившейся в них и в дальнейшем силы, очевидно, хватило, чтобы обточить все углы частей по мере их столкновений..."

Схема Декарта проста. Все мироздание создано с помощью двух начал: материи и движения. Движение производится силой, исходящей от Бога. Божественная сила делит непрерывную материю на части и затем сохраняется в этих частях, являясь источником их движения. С помощью движения первоначально созданные одинаковыми корпускулы взаимно шлифуют друг друга, в результате чего образуются: 1) округлые частички; 2) их более мелкие "осколки", "отлетающие от углов"; 3) более грубые, а потому плохо поддающиеся "обтачиванию" частицы. Из этих трех видов корпускул и образовался, по Декарту, весь видимый космос: подвижные шарообразные частицы составили жидкость, из которой создано небо; "осколки", обладающие наибольшей скоростью, стали субстратом Солнца и звезд, а третий род наиболее плотных и наименее подвижных частиц образовал Землю, планеты и кометы. Именно различием формы и скорости частиц Декарт объяснял различие трех видов вещества: "... Солнце и неподвижные звезды излучают свет, небеса его пропускают, Земля же, планеты и кометы его отбрасывают и отражают". Таковы основные определения трех элементов мира: светиться, быть прозрачным и быть непрозрачным ("плотным" ).

Гюйгенс обнаруживает противоречие в декартовой модели космогенеза. "Если потребовалась определенная сила для того, чтобы преодолеть противостояние сопротивлению, которое оказывали эти углы и выступы всякому изменению формы, то благодаря чему, по его (Декарта. - П.Г.) мнению, можно определить и ограничить это сопротивление?.. Если же углы и выступы не оказывают никакого сопротивления, так что эти тела могут округлиться и обточиться, сталкиваясь с какими-либо другими частицами, то почему же тогда они не слепились, как сырая глина, и как они могли сохранить свою форму, после того как они уже стали круглыми?" Гюйгенс увидел противоречие декартова понятия материи в его физическом воплощении. В сущности, это противоречие носит логический характер и содержится в утверждении Декарта, что материя: 1) бесконечно делима, т.е. непрерывна, и в то же время 2) поделена на части. Декарт не указал принципа, сообразно которому можно было бы обоснованно перейти от первого тезиса ко второму. Декарт не нашел лучшего решения проблемы непрерывного и неделимого, чем поставить их рядом, указав лишь, что с точки зрения метафизической материя непрерывна, тогда как с точки зрения физической она дискретна.

Указывая, что у Декарта нет твердого критерия меры сопротивляемости частей разрушению, Гюйгенс выходит из этого противоречия, тем что превращает физическое определение материи у Декарта в метафизическое. Материя, согласно Гюйгенсу, по самой своей сущности дискретна, и при этом атом является бесконечно твердым, т.е. обладает бесконечной силой сопротивления разделению на части. Так в полемике с Декартом Гюйгенс формулирует исходное положение атомистической программы, определяя атом как бесконечно твердое тело.

Не разделяет Гюйгенс и принципов ньютонианской научной программы. Он решительно отклоняет идею действия на расстоянии, т.е. принцип тяготения, лежащий в основании физики Ньютона. Не признает Гюйгенс и ньютоновского понятия абсолютного пространства и, соответственно, абсолютного движения. Правда, как видно из переписки Гюйгенса с Лейбницем, первоначально Гюйгенс склонялся к тому, чтобы, подобно Ньютону, различать абсолютное и относительное движения, и считал абсолютным вращательное движение. Впоследствии, однако, Гюйгенс пришел к выводу, что вращательное движение ничем принципиально не отличается от прямолинейного, и в этом вопросе занял позицию, близкую к Лейбницу, который с самого начала не признавал ньютоновского различия между движением абсолютным и относительным, считая, что все движения должны рассматриваться как относительные. "Долгое время я считал, - пишет Гюйгенс, - что вращательное движение содержит критерий для истинного (т.е. абсолютного, а не относительного. - П.Г.) движения в проявляющихся в нем центробежных силах. Применительно к другим феноменам это фактически одно и то же, вращается ли рядом со мной круглый диск или колесо, или же я сам двигаюсь вокруг покоящегося диска. Но если на край диска положить камень, то последний отбрасывается только в том случае, если движется диск. Из этого раньше я делал вывод, что круговое движение диска не является относительным по сравнению с другим предметом. Между тем этот феномен свидетельствует лишь о том, что части колеса в силу давления на периферию побуждаются к относительному по отношению друг к другу движению в разных направлениях. Вращательное движение есть поэтому лишь относительное движение частей, которые приводятся в действие в разных направлениях, но держатся вместе благодаря их связи или соединению... Большинство держатся взгляда, что истинное движение тела происходит тогда, когда тело выбрасывается из определенного фиксированного места в мировом пространстве. Но этот взгляд ложен. Так как пространство простирается бесконечно во все стороны, то в чем должна тогда заключаться определенность и неподвижность какого-либо места? Быть может, неподвижные звезды в коперниканской системе действительно можно рассматривать как лишенные движения. Они могут быть неподвижны по отношению друг к другу. Но если взять их все вместе, то можно ли тогда сказать о них, что они находятся в покое по отношению к другим телам, или благодаря чему можно было бы убедиться, что они не совершают очень быстрого движения в каком-либо направлении? Следовательно, в бесконечном пространстве ни о каком теле нельзя сказать, что оно движется или что оно покоится. Итак, движение и покой только относительны".

Гюйгенс здесь раскрыл противоречие в исходных допущениях Ньютона: с одной стороны, Ньютон считает пространство бесконечным, а с другой - приписывает пространству неподвижность, неизменность и, стало быть, определенность. Эти два утверждения несовместимы, что и показал Гюйгенс. Если мы допускаем бесконечность пространства, рассуждает Гюйгенс, то мы не должны допускать абсолютного пространства и, соответственно, абсолютного движения. Все движения являются только относительными, в том числе и вращательное движение. Как отмечает известный историк науки Макс Джеммер, "благодаря своей здравой научной позиции Гюйгенс первым среди физиков пришел к убеждению в исключительной значимости принципа кинематической и динамической относительности, и это - за два столетия до появления современной относительности".

В соответствии с принципами своей физической программы Гюйгенс разрабатывает также понятие науки, отличное как от картезианского, так и от ньютонианского. Прежде чем рассмотреть понятие науки и научного познания у Гюйгенса, остановимся на вопросе о том, как реализовалась атомистическая программа Гюйгенса в его основных исследованиях. Для этого обратимся к гюйгенсовым работам, посвященным теории удара упругих тел и теории света, - обе теории связаны между собой. Рассмотрение этих работ Гюйгенса поможет нам понять специфику атомизма нового времени, его отличие от античного атомизма.

Теорию удара Гюйгенс создавал в полемике с Декартом. Сомнение в правильности установленного Декартом закона соударяющихся тел возникло у Гюйгенса потому, что, как он сам об этом говорит, этот закон слишком расходится с опытом. В самом деле, одно из важнейших правил Декарта касательно движения сталкивающихся тел гласит: "Если покоящееся тело С вполне равновелико движущемуся к нему В, то С по необходимости будет отчасти подталкиваемо В, а отчасти будет отталкивать В назад..." В ненапечатанном при жизни предисловии к своей работе "О движении тел под влиянием удара" Гюйгенс говорит, что он "очень часто замечал, что при толчке неподвижного шара другим, одинаковым с ним, последний останавливался и передавал первому все свое движение...".

Гюйгенс заметил не только противоречие декартова правила с опытом, но и внутреннее противоречие между самими правилами у Декарта. "Действительно, - продолжает Гюйгенс, - правило 5 учит, что если большее тело В ударяет покоящееся меньшее С, то оно теряет кое-что из своей скорости. А по второму закону, если В сталкивается с тем же самым меньшим телом С, идущим навстречу с такой же скоростью, то В ничего не потеряет из своей скорости. Оба эти правила будут совместны только в том случае, если мы скажем, что движущееся тело встречает большее сопротивление от неподвижного, а не от налетающего на него с противоположной стороны, что, конечно, нелепо".

В своем трактате "О движении тел под влиянием удара" Гюйгенс иначе формулирует закон соударяющихся тел: "Если с покоящимся телом соударяется одинаковое с ним тело, то ударившееся тело приходит в состояние покоя, а покоящееся тело приходит в движение со скоростью ударившегося о него". Это - принципиально важная поправка, которую внес Гюйгенс в шестое правило Декарта. Однако закон Гюйгенса имеет силу только по отношению к упругим телам, или, как говорит сам Гюйгенс, к телам абсолютно твердым. Отождествление упругости с абсолютной твердостью - важный принцип именно атомистической программы Гюйгенса. О том, что в рамках других научных программ упругость тел не отождествлялась с твердостью, свидетельствует весьма интересный спор Гюйгенса с Лейбницем о понятии атома, который мы приведем ниже, а также характерное замечание Ньютона: "По теории Рена и Гюйгенса, - пишет Ньютон, - тела абсолютно твердые отскакивают одно от другого со скоростью, равной скорости встречи. Точнее это следовало бы сказать о телах вполне упругих".

Допущения, на которых держится теория ударяющихся тел Гюйгенса, еще не требует атомизма в качестве их философского обоснования, потому что, как подчеркивает сам Гюйгенс, он не ставит своей задачей рассмотрение причины отскакивания твердых тел после соударения, а пытается установить лишь законы их движения. Для этого ему достаточно трех допущений, или гипотез: 1) допущения инерции движущегося тела, 2) допущения закона сохранения энергии соударяющихся тел и 3) допущения принципа относительности движения. Правда, в качестве четвертой гипотезы Гюйгенс вводит постулат абсолютной твердости тел, а этот постулат уже требует, так сказать, "метафизического" подкрепления и потому отсылает к атомистической программе.

Необходимость сформулировать принципы научной программы появляется у Гюйгенса позднее, когда он работает над своим "Трактатом о свете". И вызвана эта необходимость тем, что Гюйгенс здесь не удовлетворяется только установлением законов распространения света, его отражения и преломления, но хочет найти также причины, которые могли бы объяснить явления света, а не только описать их. Для описания явлений распространения света, как подчеркивает Гюйгенс, достаточно опыта и геометрии. Но для их объяснения опыта и геометрических доказательств мало. "Доказательства, применяющиеся в оптике, - пишет Гюйгенс, - так же, как и во всех науках, в которых при изучении материи применяется геометрия, - основываются на истинах, полученных из опыта. Таковы те истины, что лучи света распространяются по прямой линии, что углы падения и преломления равны и что при преломлении излом луча происходит по правилу синусов... Большинство писавших по вопросам, касающимся разных отделов оптики, довольствовались тем, что просто принимали эти истины заранее. Но некоторые, более любознательные, стремились выяснить происхождение и причины этих истин, рассматривая их самих как замечательные проявления природы. По этому поводу был высказан ряд остроумных соображений, однако все же не настолько удовлетворительных, чтобы более сильные умы не пожелали еще более удовлетворительных объяснений. С целью способствовать, насколько я в силах, разъяснению этого отдела естествознания, который не без основания признается одним из самых трудных, я и хочу изложить здесь свои, посвященные ему, размышления".

Как видим, Гюйгенс четко различает установление законов движения света, с одной стороны, и объяснение причин световых явлений, т.е. интерпретации этих законов, с другой. "...Никто еще не дал вероятного объяснения таких основных и замечательных явлений света, как распространение его по прямым линиям или как тот факт, что видимые лучи, исходя из бесконечного числа различных мест, пересекаются, нисколько не препятствуя друг другу".

Сам Гюйгенс считает, что дать объяснение причин световых явлений можно не иначе, как обращаясь к философии, поскольку именно последняя содержит в себе принципы объяснения мира. "Я постараюсь в этой книге, - пишет Гюйгенс, - с помощью принципов, принятых в современной философии, дать более ясные и более правдоподобные объяснения, во-первых, свойствам прямо распространяющегося света, во-вторых, свойствам света, отражающегося при встрече с другими телами".

Именно философские принципы, с помощью которых естествоиспытатель интерпретирует открываемые им и описываемые математически законы явлений, мы и называем его научной программой. В своем "Трактате о свете" Гюйгенс как раз формулирует основные положения атомистической научной программы, одним из наиболее крупных представителей которой он и был в XVII в. Прежде всего Гюйгенс подчеркивает, что признаваемая им за истинную философия может быть только механицизмом, а потому научная программа атомизма носит механистический характер, не отличаясь в этом пункте ни от декартовской, ни от ньютоновской программ, разве только своей крайней последовательностью. Истинная философия, по словам Гюйгенса, - это та, "в которой причину всех естественных явлений постигают при помощи соображений механического характера. По моему мнению, так и следует поступать, в противном случае приходится отказаться от всякой надежды когда-либо и что-нибудь понять в физике".

Все явления в природе должны быть объяснены с помощью материи и движения - тезис, который - хотя он и не всегда высказывается именно в этой форме - объединяет все научные программы XVII в„ включая не только Декарта и Гюйгенса, но и Ньютона и Лейбница. Этот тезис и составляет содержание механицизма, то есть истинной философии, как ее понимает Гюйгенс. Применительно к явлению света эта программа требует исходить из двух компонентов: некоторого вещества и его движения, которых, по Гюйгенсу, достаточно, чтобы объяснить законы распространения, отражения и преломления световых лучей.

Какую же интерпретацию законов распространения света предлагает Гюйгенс? Поскольку лучи света проходят один сквозь другой, не мешая друг другу, постольку, полагает Гюйгенс, свет не может быть понят как перенос самой материи. По аналогии с распространением звука Гюйгенс считает, что свет распространяется от светящегося тела с помощью движения, сообщаемого веществу, находящемуся между светящимся телом и нашим глазом. Ключ к пониманию того, что представляет собой это движение вещества, Гюйгенсу дала его теория удара. И в самом деле, обратим внимание на заключительное, тринадцатое положение трактата Гюйгенса "О движении тел под влиянием удара": "Покоящееся тело получает от движущегося, неравного ему тела тем больше движения, чем больше промежуточных тел включено между двумя данными телами. При данном числе промежуточных тел наилучшая передача движения достигается в том случае, если включенные тела составляют вместе с крайними телами геометрическую прогрессию". Моделью движения света становится для Гюйгенса удар, причем удар абсолютно упругих и совершенно одинаковых тел, ибо в противном случае по закону соударяющихся тел частицы получили бы движение вперед и назад; и, наконец, это удар, передаваемый посредством промежуточных тел.

Такого рода движение является волновым. "Движение, сообщаемое существу... распространяется так же, как и при звуке, сферическими движениями и волнами: я называю эти поверхности волнами по сходству с волнами, которые можно наблюдать на воде, в которую брошен камень, и которые изображают собой указанное постепенное распространение кругами, хотя оно и происходит по другой причине и в плоской поверхности". Как отмечает С. И. Вавилов, "волновая теория света высказывалась с давних времен, но обычно в весьма расплывчатой, большею частью поэтической форме. Только в XVII в. Гюйгенс дал ей отчетливую формулировку".

Объясняющая модель Гюйгенса требует нескольких допущений. Во-первых, допущения, что распространение света происходит не мгновенно, как полагал Декарт, а с конечной, хотя и очень большой скоростью. Во-вторых, допущения о характере материи, из которой состоят тела, испускающие и проводящие свет. И тут у Гюйгенса положение об атомарном строении вещества играет кардинальную роль. Рассмотрим детальнее атомизм Гюйгенса в его связи с экспериментальной и математической сторонами его теории света.

Чтобы объяснить возникновение "светового удара", Гюйгенс допускает, что "те светящиеся тела, которые, как пламя и, по-видимому, Солнце и звезды, являются жидкими, состоят из плавающих в значительно более утонченной материи частиц; эта материя приводит их в весьма быстрое движение и заставляет ударяться о частицы окружающего их эфира, причем эти последние значительно меньше первых. Что же касается твердых светящихся тел... то у них рассматриваемое движение вызывается сильным сотрясением частиц металла или дерева, причем те частицы, которые находятся на поверхности, тоже ударяются о частицы эфирной материи".

Что касается эфира, то он, согласно Гюйгенсу, состоит из частиц, гораздо меньших, чем те, что составляют воздух. Самое же главное свойство, без которого эфир не мог бы служить проводником света, составляет абсолютная твердость его частиц. Ибо модель световой волны, как ее видит Гюйгенс, невозможна, если частицы эфира не будут обладать абсолютной упругостью. "Ничто не мешает нам, - говорит Гюйгенс, - считать частицы эфира состоящими из материи, сколь угодно приближающейся к совершенной твердости и сколь угодно быстро восстанавливающей свою форму". По Гюйгенсу, нет лучшего способа последовательной передачи движения, чем упругость, потому что последняя наиболее согласуется с равномерностью распространения движения: ведь свет даже и на очень больших расстояниях сохраняет огромную скорость. Второе свойство, которым должны обладать частицы эфира для того, чтобы соответствовать модели Гюйгенса, - это равенство их размеров.

Модель Гюйгенса позволяет понять также, почему лучи света, пересекаясь, не препятствуют друг другу: одна и та же частица может служить для распространения нескольких волн.

Как видим, атомарная структура материи играет важную роль - роль модели - в объяснении Гюйгенсом таких свойств света, как распространение по прямой, взаимная прозрачность лучей света, характер его преломления и отражения. Допуская различныеразмерыматериальных частиц, Гюйгенс, однако, в отличие от Декарта, считает их все образованными из первичных, далее не делимых частиц - атомов, обладающих абсолютной твердостью.

Заключения о свойствах атомов Гюйгенс делает, сообразуясь с теми следствиями, которые известны относительно движения света из опыта и которые возможно математически описать. Эти заключения, таким образом, получены в результате сложной системы опосредований, связанных с гюйгенсовской теорией удара, с одной стороны, и теорией света - с другой. С помощью атомистической гипотезы как раз и достигается согласование этих двух теорий. Система сложных опосредований, включающая в себя эксперимент с соударяющимися телами, математическое описание законов движения сталкивающихся тел, геометрическое описание законов отражения и преломления световых лучей, анализ феномена преломления в кристаллах исландского шпата, отличает атомизм как научную программу XVII в. от античного атомизма. Последний непосредственно соотносит учение об атомах и пустоте с теми явлениями, которые наблюдаются в опыте.

Изучение творчества Гюйгенса позволяет представить атомистическую научную программу "в действии". Один из исследователей творчества X. Гюйгенса, шведский историк науки А. Эльзинга, в этой связи отмечает: "В действительности у великих новаторов науки "исследовательская теория есть существенный момент. Историки науки, так же как исследователи метанауки, должны считаться с этим, когда они изучают взаимосвязь между наукой и так называемой метафизикой, или мировоззрением".

Научная программа Гюйгенса отличается от картезианской и еще в одном существенном пункте. Как мы знаем, Декарт считал материю пассивным началом, а источник движения видел в Боге. В отличие от Декарта Гюйгенс вслед за Гассенди полагает, что для объяснения источника движения нет надобности прибегать к божественному началу. "Порядок небесных тел, их постоянные и изменчивые движения издавна удивляли людей и заставляли их не только считать Бога источником этих движений, но даже полагать, что Бог постоянно заботится о них и сам приводит их в движение. Но с тех пор, как мы поняли простоту этого движения, которое само себя сохраняет, по-видимому, нет необходимости объяснять движение с помощью Бога".

Как мы уже отмечали в связи с анализом учения Гассенди, в атомистической программе нового времени наиболее последовательно проводились принципы механицизма - еще последовательнее, чем в программах картезианцев и ньютонианцев. Гассенди и Гюйгенс считают движение свойством самой материи и сводят всякое движение только к механическому - перемещению и столкновению атомов.