Биография
Работы по физике
Биография
происхождение, семья, учёба"
работа
преподавание
исследования в области физики
исследования в области психических явлений
отставка
книги и статьи"
Происхождение, семья, учёба
Гай Бурнистон Браун родился 9 декабря 1902 года в деревушке Лонг Аштон (Long Ashton), расположенной близ Бристоля на дороге, соединяющей Бристоль с небольшим приморским городком an>Уэстон-сьюпер-Мэр (Weston-super-Mare), где находился дом его семьи.
Его родителями были Артур Эдгар Браун (1872 - 1951 гг.) и Клара Кейт Бурнистон. Второе имя он получил по девичьей фамилии матери.
По отцу Гай Бурнистон принадлежал к роду, члены которого состояли в религиозной общине квакеров. Его прадед Исаак Браун (1803- 95 гг.) учился в квакерских школах, потом преподавал там; в 1839 г. вместе с Бенджамином Эбботом основал свою школу в городке Хитчин (Hitchin) в Хертфордщире; среди его учеников был Джозеф Листер (Lister; 1827 - 1912 гг.), занимавший в 1895 - 1900 гг. пост президента Лондонского королевского общества[1b]. Дед Гая, Эдгар Мариадж Браун (Edgar Marriage Brown; 1840 - 1935 гг.), родившийся в Хитчине, в начале 1860-х гг. приехал в Уэстон-сьюпер-Мэр, где, вместе со своим братом Чарльзом (1835 - 1927 гг.), открыл бакалейную лавку. Чарльз Браун, двоюродный дед Гая, был женат на Мэри Эддингтон (1835 - 1927 гг.), тётке видного английского астрофизика Артура Стенли Эддингтона (1882 - 1974 гг.). Эддингтоны также входили в квакерские общины, а Артур Генри Эддингтон (1850- 84 гг.), отец Артура Стенли, не только учился в квакерской школе, как и многие Брауны, но и преподавал там. Артур Эдгар Браун (отец Гая) и его брат Уилфред (Wilfred Marriage Brown; 1870 - 1950 гг.) (дядя Гая), продолжили семейный бизнес и, кроме того, открыли в Уэстоне своё кафе (Brown Brothers cafe), которое стало с того времени основным источником дохода их семьи.
 |
В нижнем ряду справа – Чарльз Браун, в центре – Эдгар Мариадж Браун
У Гая была младшая сестра Мэри (1904- 95 гг.), позже ставшая известным нейробиологом.
Начальное образование (письмо, счёт) Гай получил либо дома, либо в небольшой квакерской школе в Уэстоне, которую в 1893 г. открыл родственник семьи Браунов Фрэнсис Арнольд Найт (Knight; 1852 - 1915 гг.), брат Агнес, бабушки Гая со стороны отца. Между прочим, в этой школе в 1893- 97 гг. учился Артур Стенли Эддингтон.
В 1914 году Гай Бурнистон поступил в квакерскую школу в Сидкоте, городке, расположенном в 12 километрах от Уэстона, в сторону Бристоля. Эта школа работала (с небольшим перерывом) с 1699 года; в неё принимали тогда мальчиков и девочек с 10 лет, предварительно получивших начальное образование. В ней ранее учились отец и дядя Гая, а чуть позже в школу поступила и его сестра Мэри. Там же учился, а потом преподавал Артур Генри Эддингтон (1850- 84 гг.).
В октябре 1921 года Гай Бурнистон поступил в университет Манчестера на бакалавриат (undergraduate school), где учился три года; его научным руководителем был У. Брэгг (W.L. Bragg; 1890 - 1971 гг.), лауреат Нобелевской премии по физике 1915 г.
В 1924 году Гай Бурнистон закончил университет. Год он работал в нём как ассистент Брэгга; изучал строение некоторых силикатов. В 1925 г. получил звание магистра наук (M.Sc.).
Работа
преподавание
С 1926 года Гай Бурнистон Браун стал работать на физическом факультете Университетского колледжа Лондона, сначала ассистентом; с 1931 г. преподавателем; с 1946 г. доцентом (Reader). Он читал общие и специальные курсы, в т.ч. по классической теории электричества и магнетизма.
 |
Иногда Гай Бурнистон Браун выступал с лекциями в других научных и учебных заведениях. Так, в мае 1948 г. он прочитал лекцию "Философия Эддингтона и Милна"в мадридском Высшем совете по научным исследованиям Испании (Consejo Superior de Investigaciones Cientificas; CSIC)[2b]; в октябре 1955 г. прочитал лекцию "Должны ли мы оставить физические теории?" в,Королевском институте философии. Он также преподавал в Университетском колледже Северного Уэльса.
В 1966 г. Браун, проработав на физическом факультете Университетского колледжа Лондона 40 лет, вышел в отставку.
исследования в области физики
Помимо чтения лекций, Г.Б. Браун вёл исследовательскую работу, экспериментальную и теоретическую, результаты которой публиковались в профильных журналах (Proceedings of the Physical Society, Science Progress, Nature и др.). Также он написал ряд статей по основам физики и философии. В 1950 году вышла книга Г. Бурнистона Брауна Science: Its Method and Its Philosophy ("Наука: её метод и её философия"), переизданная в 2007 г. В 1982 году вышла его книга Retarded Action-at-a-Distance ("Запаздывающее действие на расстоянии").
Наиболее важными из его исследований были работы по кинематической теории размерности (выражения всех физических величин через длину и время, т.е. на геометрическом языке) и по теории действия на расстоянии.
исследования в области психических явлений
Помимо чтения лекций и исследовательской работой в области теоретической физики, Браун интересовался ставшим популярным в западном мире с конца XIX века изучением "необычных" психических явлений (левитация, телепатия, медиумизм, огнеходство, ...). Этими явлениями тогда интересовался ряд учёных в т.ч. Лодж, Крукс, предлагавших исследовать их научными методами.
В 1929- 31 гг. Г. Бурнистон Браун. входил в Общество изучения психических явлений (SPR), а несколько позже принял участие в работе Совета по психическим исследованиям, созданного в 1934 г. при Лондонском университете по инициативе Генри Прайса. В составе специальной комиссии он наблюдал "хождение по огню", которое демонстрировал Ахмед Хуссейн, и написал отчёт об этом, опубликованный в Бюллетене Совета.
 |
 |
Отставка
В 1966 году Гай Бурнистон Браун вышел в отставку.
Он продолжал вести научные исследования и публиковать их результаты.
С 1976 года он жил в приморской деревушке Трейарнон (Treyarnon Bay), расположенной близ городка Падстоу (Padstow), на Корнуолле. Это место находится с той же стороны моря, что и городок Уэстон-сьюпер-Мэр и не слишком далеко от него.
1 декабря 1988 года Гай Бурнистон Браун умер.
Книги и статьи
Brown G.Burniston Science: Its Method and Its Philosophy, 1950, 2007.
Brown G.Burniston Retarded Action-at-a-Distance: The Change of Force with Motion, 1982.
------
Brown G.Burniston The Limits of Science. Scientific Theory and Religion. // Science Progress, 1935, vol. 29, №116, pp. 729-748.
Brown G.Burniston The mechanism of edge-tone production // Proceedings of the Physical Society, 1937, vol. 49, v№5, p. 508.
Brown G.Burniston Organ Pipes and Edge Tones // Nature, 1938, vol. 141, pp. 11-13.
Brown G. Burnhton A Report on Three Experimental Fire-Walks by Ahmed Hussain and others // Bull. 4. University of London Council for Psychical Investigation, 1938.
Brown G.Burniston A new treatment of Electric and Magnetic induction // Proceedings of the Physical Society, 1940, vol. 52, №5, p. 577.
Brown G.Burniston Fundamentals of Classical Electric and Magnetic Theory // Nature, 1940, vol. 145, pp. 789-790 (18 May).
Brown G.Burniston A new treatment of the theory of dimensions // Proceedings of the Physical Society, 1941, vol. 53, №4, pp. 418-432, (1 July 1941).
Brown G.Burniston Validity of the Clausius-Mossotti Formula // Nature, 1942, vol. 150, pp. 661-662, (5 December 1942).
Brown G.Burniston Absolute Time and Space // Nature, 1943, vol. 151, pp. 85-86 (16 January 1943).
Brown G.Burniston The Philosophies of Science of Eddington and Milne // Amer. J. Phys., 1949, vol. 17, № 9, pp. 553-558.
Brown G.Burniston Theory of Action-at-a-Distance // Proc. Phys. Soc. B., 1955, vol. 68, № 9, pp. 672-678.
Brown G.Burniston Have We Abandoned the Physical Theory of Nature? // Science Progress, 1956, vol. 44, №176, pp. 619-634.
Brown G.Burniston Must Western Science Decline? // The Listener, 1957, May 23.
Brown G.Burniston The Unification of Macroscopic Physics // Science Progress, 1958, vol. 46, № 181, pp. 15-29.
Brown G.Burniston Gravitational and Inertial Mass // Amer. J. Phys., 1960, vol. 28, № 5, pp. 475-483.
Brown G.Burniston A New Treatment of Diffraction // Contemporary Physics, vol. 5, № 1, Appendix 7, Oct 1963, pp. 15-27.
Brown G.Burniston Resonant Detection of Light Pressure // Am. J. Phys., 1966, vol. 34, № 3, p. 272.
Brown G.Burniston What is Wrong With Relativity? // Physics Bulletin, 1967, vol. 18, № 3, pp. 71-77.
Brown G.Burniston Physics Never Died // Physics Bulletin, 1975, vol. 26, № 7, pp. 313.
Brown G.Burniston Newton, language and mass // Phys. Educ., 1976, vol. 11, № 5, pp. 373-377.
Culpin M.F., Brown G.B. Matter and mass // Phys. Educ. 1977, vol.12, № 2, pp. 67.
Работы по физике
"Наука: ей метод и её философия" (фрагменты и комментарии)
"Отказались ли мы от физической теории Природы?"(фрагменты)
"Новый подход в теории размерности"
"Унификация макрофизики"(в сокращении)
"Что не так с теорией относительности" (в сокращении)
"Наука: ей метод и её философия" (фрагменты и комментарии)
(Science: Its Method and Its Philosophy, 1950, 2007)
Перевод фрагментов и комментарии. Комментарии даны другим стилем.
Аристотель
Бэкон
Ньютон
современная наука
У. Уэвелл; Дж.С. Милль; У. Уэллс
ультра-современная наука
дополнение
приложение
В своей книге Г.Бурнистон Браун описал формирование научного метода познания мира. Он выделил в этом процессе следующие этапы:
1. Метод Аристотеля. Он состояд в а) введении из чувственных восприятий общих понятий и утверждений; б) задании определений и аксиом; в) логическом выводе из них частных случаев, относящихся снова к физической природе/ чувственному восприятию.
2. Метод Фрэнсиса Бэкона. Предлагалось познавать "сущность явлений"/ законов Природы с помощью сбора данные наблюдений и опытов, и дальнейшей индукции.
3. Метод Ньютона. Проиллюстрирован на примерах его "Новой теории света и цветов" и "Математических начал натуральной философии".
4. Современные методы. Проиллюстрированы на примерах работ "Обновлённый Новый органон" У. Уэвелла, "Система символической и индуктивной логики" Дж.С. Милля, "Очерка о росе" У. Уэллса. Все они, в целом, посвящены проблеме индукции.
5. Ультра-современный метод. Таковым Браун считал подход А.С. Эддингтона, который выводил физические законы и универсальные константы из математических концепций, в духе идей Пифагора-Платона.
В конце книги автор рассмотрел/ уточнил, в форме беседы трёх лиц, подобной приведённой в сочинении Галилея, такие понятия как "факт", "гипотеза" и пр.
Аристотель
Браун отметил, что на взгляды Аристотеля сильное влияние оказала геометрия, в которой давались определения основных понятий, вводились аксиомы о них, после чего выводились теоремы. Это относится и к теории логики, развитой/ систематизированной Аристотелем.
Силлогизм представляет собой первую попытку перенести достоверность геометрических рассуждений на процессы обычного мышления.
Для Аристотеля наука – это способ познания вещей через их принципы или причины.
Развитая Аристотелем силлогистика, где из общих понятий выводятся частные случаи, стала для него образцом метода познания Природы, а сам логический вывод – аналогом причинно-следственной связи.
Благодаря изучению и изложению логики он пришел к выводу, что метод предикации, то есть, демонстрации существенных свойств, эквивалентен причинному объяснению. Эта точка зрения возникает следующим образом: знание всегда получают как вывод из посылок, а доказательство заключается в выяснении связи между посылками и заключением; так что, в каком-то смысле оно дает "причину почему". Именно это Аристотель имел в виду, когда говорил, что наука – это способ познания вещей через их принципы или причины.
При этом, для (корректного) логического вывода требуется, чтобы между посылкой и заключением был "средний термин", общий для обоих. Сходным образом и поиск причин, т.е. занятие наукой, заключается в поиске подходящих "средних терминов".
Связь между двумя предложениями, позволяющая сделать из них вывод, есть средний термин. Таким образом, поиск причин можно рассматривать как поиск соответствующих средних членов силлогизма.
Этот поиск, т.е. работа учёного, опирается на некоторого рода "проницательность".
По мнению Аристотеля, "сообразительность есть способность мгновенно находить средний термин". Он приводит пример: Луна ярка только на стороне, обращенной к Солнцу, тогда как Солнце всегда яркое повсюду. "Сообразительность" позволяет нам увидеть, что это происходит потому, что "она заимствует у него свой свет", и это равносильно нахождению среднего термина в следующем силлогизме:
Все вещи, освещённые Солнцем, повёрнуты своей светлой стороной к Солнцу
Луна освещена Солнцем.
Следовательно, Луна повёрнута светлой стороной к Солнцу.
Здесь освещение Солнцем (средний термин) рассматривается как свойство Луны и является причиной/ основанием для заключения.
Такого рода силлогизм Аристотель называл "научным".
Выводы в логике делаются из общих посылок, использующих общие понятия. Сходным образом научная демонстрация (напр., показ причинно-следственной связи) должна использовать общие понятия и исходить из общих посылок. Возникает вопрос: откуда берутся эти общие понятия и посылки? По Аристотелю, общие понятия производятся душой/ интеллектом; а общие посылки либо выводятся из ещё более общих, либо принимаются как очевидные (аксиомы), напр. "целое больше части", либо создаются индукцией, т.е. обобщением.
Наука у Аристотеля есть демонстрируемое знание, и оно, чтобы быть убедительным, всегда имеет форму заключения, выведенного по законам силлогизма из известных посылок. Но как мы узнаем истинность предпосылок? Возможно, они были доказаны на основе других предпосылок, но мы не можем вечно обращаться ко всё более и более общим истинам. Аристотель видел, что мы неизбежно должны исходить из предпосылок, которые не доказаны.
Мы делаем обобщения на основе ряда частных примеров: например, исходя из наших знаний о том, что ни один конкретный человек, как известно, не живет более, скажем, 200 лет, мы делаем обобщение: "Все люди смертны", хотя, конечно, у нас нет доказательств того, что ныне живущие люди умрут.
Определение индукции у Аристотеля таково: "установить всеобщее на основе свидетельств групп частностей, которые не содержат исключений".
Итак, по Аристотелю, наука – надежное знание, т.е. доказываемое силлогизмами. Основные истины любой науки не могут быть так доказаны, но открываются душе благодаря её способности к индукции, посредством которой она на основе частных случаев, известных чувствам, приходит к обобщениям об универсалиях. Проницательность – умение уловить особенности универсалий, что составляют их "сущность", и таким образом достичь правильного определения. Затем с помощью аксиом (видимо, инстинктивно известных душе) можно доказать другие свойства. Так мы познаем сущность/ природу вещей; и это является предметом греческой науки.
Браун отметил, что предложенный Аристотелем метод многое упускает из виду, из-за чего его применение нередко даёт ложные (физические) аксиомы и ложные выводы. В частности, ряд общих положений Аристотеля – введённых индуктивно как аксиомы, либо выведенных из других таких же, опровергались опытами.
Во многих работах Аристотеля мы находим "демонстрации" с расплывчатыми обобщениями, никогда не проверяемыми экспериментом. Мы напрасно пытались бы искать у него осознание фундаментальной важности эксперимента, то есть наблюдения, сделанного намеренно для проверки гипотезы. А сами его наблюдения нередко содержат многое, известное понаслышке и никогда не подвергавшееся проверке.
Фрэнсис Бэкон
В своём сочинении "Новый органон" (Novum Organum, 1620) Бэкон предложил определённый метод "толкования Природы", состоявший в "наблюдении и размышлении о фактах", при этом опорой должны быть не общие рассуждения или авторитеты, а "инструменты". Человек, через "внешние проявления" должен открывать лежащие в основе Природы "Формы".
Несмотря на демонстративную критику Аристотеля, предложенные Бэконом цели ("открытие Форм, лежащих в основе Природы") и методы ("наблюдения и размышления о фактах"), не слишком отличались от того. что уже заявлялось и применялось в греческой науке. Включая и индукцию, которая также издавна имелась в числе научные методов, в т.ч. у Аристотеля. Новым был лишь акцент Бэкона на необходимости опытов, а также предложенный им "метод таблиц" для индукции – когда собираемые результаты наблюдений и опытов насчёт изучаемого явления сводились в таблицы, из которых предлагалось делать ("путём размышления") некоторые выводы о самом явлении, "проникавшие в его суть". "Формы", которые предлагал искать Бэкон, по сути, были "общими положениями" Аристотеля, или "идеями" Платона.
Как и Аристотель, Бэкон начал с требования собрать обширную коллекцию фактов о Природе. Но в дополнение к информации об обычном ходе природы (которая вполне удовлетворяла Аристотеля), мы должны поводить эксперименты, для открытий. Наибольшую тщательность необходимо уделить проверке всей полученной информации, там же, где она сомнительна, нужно фиксировать это сомнение, а не сразу отвергать информацию; ибо факты кажутся невероятными только с определенных точек зрения, и рост знаний может заставить нас принять их как верные.
Для иллюстрации нового инструмента возьмём пример, данный самим Бэконом и, по сути, единственный, который он привёл, – вопрос о "форме" тепла. Бэкон рассматривал тепло как "простую природу", то есть одно из фундаментальных явлений природы, и стремился открыть законы, лежащие в основе его образования и рассеивания. Прежде всего, мы должны выбрать из тщательно систематизированных фактов, собранных в "естественной истории" (т.е.Природе), все те случаи, когда проявляется теплота, и составить таким образом Таблицу Утверждений; так мы получаем, например, лучи Солнца, метеоры, пламя, животных, сырое сено, конский навоз, перец, "даже острый и сильный холод производит как бы ощущение жжения" и т.д. Далее мы должны составить Таблицу Отрицаний, где тепло не проявляется, потому что Форма не существует. Так как составление этой таблицы было бы "бесконечной задачей", мы ограничимся только теми предметами, которые упомянуты в Таблице Утверждений. Напр., Солнце – небесное тело, дающее тепло, поэтому мы пытаемся перечислить небесные тела, не дающие тепла, где находим Луну, звёзды и кометы. В ряде случаев, в т.ч. у животных, Бэкон не нашёл отрицательных примеров, разве что у насекомых нет тепла. Что касается рыб, то "отмечается скорее меньшая степень тепла, чем его отсутствие". Таким образом мы избегаем опрометчивых обобщений, что всякая теплота имеет свое начало в небесных светилах, или что она всегда сопровождается светом, или что все живые животные выделяют тепло и т.д. В-третьих, мы должны составить Таблицу Градусов и собрать примеры, где теплота присутствует в различной степени. Не всё пламя одинаково горячо, и животные различаются по теплу в зависимости от их состояния; кипящий свинец горячее кипящей воды и т.д. Таким образом мы получаем три таблицы. Из них интеллект теперь может позволить себе приступить к индукции. Слишком рискованно пытаться найти Форму, созерцая только утвердительные примеры. В процессе исключения, утверждал Бэкон, закладываются основы истинной индукции, и это одно из главных отличий его метода от прежних. Так, при изучении тепла, он рассматривал примеры этого исключения: поскольку обычный огонь даёт тепло, то следует отвергнуть природу небесных тел как существенную для создания теплоты; поскольку горячие металлы могут передавать тепло другим телам, не теряя в весе, следует отвергнуть идею о передаче вещества горячего тела.
Далее, при поиске Формы, вступает в дело "проницательность".
Рассмотрев составленные им таблицы Бэкон приходит к выводу, что в каждом случае теплоты существует движение, "наиболее заметно проявляющееся в пламени, которое всегда находится в движении, и в кипящих жидкостях, которые тоже находятся в постоянном движении. Проявляется в возбуждении или увеличении тепла, вызванном движением, как в мехах или взрывах, а также в других видах движения, при угасании огня и тепла любым сильным сжатием, которое задерживает и останавливает движение. Из этого также видно, что все тела разрушаются или, во всяком случае, заметно изменяются, всяким сильным и яростным огнем и жаром; откуда совершенно ясно, что жар вызывает смятение, смятение и сильное движение во внутренних частях тела, которое заметно стремится к его растворению".
Метод Бэкона можно описать как способ отделения/ исключения явлений или свойств в надежде, что мы придём к чему-то, что является сущностью исследуемой "простой природы".
В результате Бэкон пришёл к выводу, что, используя термины Аристотеля, теплота есть вид движения; "ничто иное, как движение, ограниченное специфическими различиями" Эти "специфические различия" и должны быть законами (Формами) того особого вида движения, которое образует теплоту.
"Тепло есть движение, при котором тело стремится к расширению".
Расширение тоже специфично: "хотя оно происходит во все стороны, но преимущество идёт в направлении вверх".
Далее, это расширение специфично в том, что не равномерно, но "происходит из движения мельчайших частицы тела, которые постоянно порывисты и перемены".
Браун отметил, что хотя все эти утверждения Бэкона легко критиковать за неясность и малую содержательность, однако, чтобы быть справедливым, мы должны помнить что это всего лишь "первый урожай", собранный, по общему признанию, на слишком ранней стадии, ещё до того, как было проведено достаточно экспериментов.
Браун также отметил, что некоторые рассуждения и выводы Бэкона, которые представляются, на первый взгляд, близкими к современной теории тепла, в действительности имеют иной смысл и обязаны своим происхождением неправильной индукции. Так, вывод, что теплота – это движение меньших частиц, а не целого, Бэкон делал из отрицания расширительного движения всего тела, на основе замечания, что горячее железо не меняет своих видимых размеров при нагреве. Однако это замечание неверно – "инструменты" показали бы ему, что все тела изменяют свои размеры при нагревании. Таким образом вывод Бэкона был индукцией, сделанной на основе ошибочного наблюдения. Сходным образом и утверждение Бэкона, что движение, создающее теплоту, таково, что частицы нагретого тела "постоянно порывисты", может показаться близким к нынешним представлениям о теплоте. Однако Бэкон пришел к такому выводу, наблюдая за поведением кипящих жидкостей и пламени, хотя видимое движение кипящей жидкости обусловлено прохождением через неё вверх пузырьков пара, а не собственно "теплотой", как и дрожание пламени обусловлено движением внешнего воздуха.
В заключение рассмотрения метода Бэкона, Браун поставил вопрос: почему ни он, ни кто-либо ещё не смог с помощью таких Таблиц, получить реальный закон Природы, в т.ч. и для рассмотренной "теплоты"? Он ответил на это так: индуктивный метод Бэкона слишком сильно полагается на анализ внешних явлений; по сути, это метод, который пытается начать снаружи и работать внутри, то есть наблюдает внешние свойства и из них выводит внутреннюю структуру. Современная наука действует иначе: начинает изнутри и идёт наружу. Конечно, это возможно только путём выдвижения гипотез о том, что происходит "внутри", а затем выяснения, объясняют ли они внешние проявления и свойства, наблюдаемые в Природе. Бэкон не осознавал важности гипотез в науке.
Помимо новой ("табличной") формы индуктивного вывода, Бэкон предложил в книге "Новая Атлантида" (1626 г.) изменения в общественном устройстве – в первую очередь создание учреждений, специально занимающихся наукой. Они напоминали древние академии (начиная с платоновской), но, в отличие от тех, делали акцент на опытах. В дальнейшем возникавшие Академии наук (в т.ч. Лондонское Королевское общество) строились на основе принципов, предложенных Бэконом.
Ньютон
Браун отметил, что если Аристотель и Фрэнсис Бэкон разработали теорию научного метода познания мира, но при этом сами не внесли (в т.ч. следуя своим методам) каких-либо законов Природы, которые сохранились бы надолго, то с Ньютоном дело обстояло обратным образом – он не разрабатывал систематически теорию научного метода познания мира, и высказывался на этот счёт только изредка, зато ввёл законы Природы, большинство из которых и сейчас являются эффективными инструментами её познания.
Ньютона считают величайшим научным гением. Его влияние на поиск законов Природе намного превосходит влияние любого другого человека. Зато его высказывания о философии и методе науки настолько скудны, что состоят немногим более чем из нескольких разрозненных предложений, которые не охватывают процедуру, которую он сам применял.
Когда его спросили о происхождении его идей, Ньютон ответил, что его отличается от других людей, пожалуй, настойчивости: "Я постоянно держу перед собой предмет моего исследования и жду, пока первый рассвет откроется постепенно, понемногу и мало, на полный и ясный свет". Подобно художникам, композиторам, поэтам и другим творческим мыслителям, Ньютон не мог дать удовлетворительного объяснения происхождения тех психических процессов, которые сейчас обычно признаются в значительной степени бессознательными. Но мало кто примет его мнение, что от других мужчин он отличался только упрямством и терпением.
Уже в самой первой своей опубликованной работы, сочинения о теории света и цвета (New Theory of Light and Colours, 1671 г.), Ньютон опирался на опыты и избегал введения "оккультных" гипотез (такой термин в его время применялся для ненаблюдаемых причин явлений; напр., к ним относились "вихри" Декарта).
Ньютон сначала констатировал наблюдаемый факт, что солнечный свет, прошедший через круглое отверстие, а затем через стеклянную призму, становится продолговатым. Затем он показывал, что принятые тогда законы преломления света не объясняли этот факт. Затем он изучал вопрос: нельзя ли объяснить этот факт неоднородностью стекла призмы, формы и размера источника и другими подобными факторами, и отвергал их тоже. Наконец, он выдвинул собственную теорию, объяснявшую явление, а именно: оно происходит из-за до сих пор не подозревавшегося свойства самого света, заключающегося в том, что он состоит из цветов, которые в разной степени искривляются призмой. Наконец, он суммировал свои измерения в трёх законах, представляющих собой индукции (обобщения) из экспериментов.
В 1672 г., отвечая письменно в журнале ЛКО физику Игнасу Парди (1636- 74 гг.), профессору Клермонского колледжа (Париж), критиковавшему его теорию света, Ньютон изложил свои представления о научном методе:
"Лучший и самый безопасный метод философствования, видимо, состоит в том, чтобы сначала тщательно исследовать свойства вещей, установить их опытами, затем, медленнее, переходить к гипотезам для при объяснении этих свойств. Гипотезы могут быть использованы только для объяснения свойств вещей, но не для их определения, кроме тех случаев, когда они могут помочь экспериментам. Поскольку, если допускать их для познания сути вещей, то нельзя добиться определённости в любой науке, ведь могут быть выдвинуты многочисленные гипотезы, для преодоления новых трудностей. Поэтому здесь было сочтено необходимым отбросить все гипотезы, как чуждые цели, чтобы получить более полный и общий ответ... Что касается того, что преподобный отец <Игнас Парди> назвал наше учение (doctrine) гипотезой, то я думаю, это произошло только потому, что он употребил слово, первым пришедшее ему на ум, ведь есть обычай называть все объяснения в философии гипотезами. Я, однако, хотел бы избегать этого, чтобы не нанести ущерб истинной философии" (Phil. Trans., 85, p. 5014).
Здесь мы впервые получаем определённое утверждение об использовании гипотез в науке. Для Аристотеля гипотезой считалось предположение любого рода, сделанное с целью силлогистической аргументации, и часто допускалось, что оно может локазаться ложным.: Бэкон не использовал гипотезы, так как считал, что законы Природы могут быть раскрыты и без них, отбрасывая одни за другими ошибочные характеристики.
Браун, приведя высказывание Ньютона о научном методе ("истинной философии") и о роли гипотез в нём, далее несколько расширил его, заявив, что функция хорошей гипотезы, следовательно, состоит в том, чтобы дать объяснение. и стимулировать нас проводить больше экспериментов. В тексте самого ответа Ньютона такого положения не содержится, но оно соответствует (приведённым далее) соображениям самого Брауна о "правильном" научном методе.
Ньютон пришёл к мнению, что в науке следует избегать гипотетических частиц и отношений между ними, и что наука должна состоять только из законов, выражающих результаты измерений, полученных путём наблюдения и эксперимента. Это мнение он выразил в т.н. "Общей схолии" в конце "Начал", где говорил о причине гравитации:
"До сих пор мне не удавалось обнаружить причину этих свойств гравитации на основе явлений, и я не выдвигаю никаких гипотез, hypotheses non fingo; гипотезам, метафизическим или физическим, оккультным свойствам или механическим, нет места в экспериментальной философии. В этой философии частные положения выводятся из явлений, а затем обобщаются посредством индукции. Так были открыты непроницаемость, подвижность, движущая сила тел, а также законы движения и тяготения. И для нас достаточно, что гравитация существует и действует согласно предложенным нами законам, которые во многом объясняют все движения небесных тел и моря <приливы>".
"Математические начала натуральной философии" Ньютон представил в "геометрической форме" – начал с определений и аксиом, выведенных из эксперимента; перешёл к математическим и экспериментальным выводам общих положений теории.
"Начала" открывались предисловием, в котором Ньютон говорил, что "вся проблема (burden) философии, видимо, состоит в том, чтобы из явлений движений исследовать (investigate) силы (forces) Природы, а затем из этих сил продемонстрировать другие явления; это и есть цель общих положений в первой и второй Книгах. В третьей Книге я даю объяснение Системы Мира, именно, с помощью положений, математически доказанных в первых Книгах, в третьей Книге я вывожу из небесных явлений силу тяжести, с которыми тела стремятся к Солнцу и другим планетам. Затем из этих сил с помощью других положений, также математически доказанных, я вывожу движения планет, комет, Луны и моря".
Затем Ньютон добавил своё мнение о конечная цель исследования: "Я бы хотел, чтобы мы могли вывести остальные явления Природы с помощью таких же рассуждений из механических принципов, поскольку многие причины побуждают меня подозревать, что все эти явления зависят от определённых сил, с помощью которых частицы тел, по некоторым причинам, нам пока неизвестным, притягиваются или отталкиваются друг от друга. Поскольку эти силы до сих пор неизвестны, философы тщетно пытались исследовать Природу, но я надеюсь, что изложенные здесь принципы прольют свет либо на этот или какой-то более истинный метод философии".
Здесь мы находим выражение веры в механическое объяснение Природы, т.е. объяснение в терминах неизменяемых материальных частиц, движения которых могут быть описаны на языке геометрии, притом через силы и массы. Сходных взглядов придерживался Бэкон; также и Декарт пытался построить на их основе систему мира, однако так и не разработав ни свой метод, ни свои механические основы; им обоим Ньютон был многим обязан.
Далее, после предисловия, в "Началах" даются на "геометрический манер" определения, в т.ч. силы (force) и массы (mass). После определений идут аксиомы; в динамике они выражают законы движения:
1. Всякое тело продолжает находиться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не будет вынуждено изменить это состояние под действием приложенных к нему сил.
2. Изменение движения пропорционально приложенной движущей силе; и производится в направлении прямой линии, по которой действует эта сила.
3. Каждому действию всегда противостоит равное противодействие, или взаимные действия двух тел друг на друга всегда равны и направлены к противоположным частям.
Ньютон считал Галилея автором первых двух законов, но второй закон представляет собой определение измерения кинетической силы (греч. - "благодаря движению"), которого Галилей не вводил, и которое сделало Ньютона основателем динамики (греч. - "движущая сила"). Третий закон, говорил Ньютон, следует из экспериментов по столкновению тел, проведённых специально для Королевского общества сэром Кристофером Реном, доктором Уоллисом (из Оксфорда) и мистером Гюйгенсом (из Лейдена).
С помощью этих определений и аксиом, а также после раздела, объясняющего изобретённое им дифференциальное исчисление, Ньютон, постепенно, в геометрической манере изложения, нашёл орбиты тел, притягиваемых центральной силой в пустом пространстве. Наблюдаемые эллипсы орбит с Солнцем в одном фокусе показывают, что эта сила должна изменяться обратно пропорционально квадрату расстояния. Книга I заканчивается теоремами, касающимися движения очень маленьких тел, притягивающихся к большим телам.
Уэвелл писал о работе Ньютона, что "он обозревает какое-то гигантское орудие войны, которое простаивает среди памятников древних дней и заставляет нас удивляться, что это был за человек, который мог использовать в качестве оружия то, что мы с трудом можем поднять".
Насчёт света Ньютон не говорил, что он состоит из корпускул; он "вообще не рассматривал природу лучей света, или исследуя, являются ли они телами или нет: а только определяя кривые тел, которые весьма похожи на кривые лучей".
В Книге II изучается движение тел в сопротивляющейся среде, особенно движение вихрей; показывается, что вихревая теория Декарта не может объяснить движение планет.
В книге III Ньютон говорил, что, изложив математические начала философии, он теперь желает "продемонстрировать структуру Системы Мира". Он начал с 4-х правил рассуждения в философии:
ПрI. Не следует вводить причин явлений Природы, кроме тех, которые истинны и достаточны для их объяснения.
ПрII. Следовательно, одним и тем же явлениям мы должны, насколько возможно, приписывать одни и те же причины.
ПрIII. Качества тел, которые не допускают ни усиления, ни ослабления степеней и которые принадлежат всем телам, находящимся в пределах досягаемости наших опытов (протяженность, твердость, непроницаемость, подвижность, инерцию, возможно, гравитация), следует считать универсальными качествами всех тел вообще.
ПрIV. В экспериментальной философии мы должны рассматривать положения, выведенные путём индукции из явлений, как точные или почти точные, невзирая на любые противоречащие им гипотезы, которые можно вообразить, до тех пор, пока не возникнут другие явления, с помощью которых они могут быть либо сделаны более точными, либо опровергнуты.
Далее Ньютон привёл Феномены (I-VI) – таблицы астрономических данных о планетах и ??их спутниках, показывающие, что они подчиняются законам Кеплера. Затем он привёл Предложения, показывающие, что эти феномены (т.е. закон Кеплера), вместе с выводами из Книги I указывают на силу притяжения, подчинённую закон обратных квадратов.
"Начала" немедленно произвели сильное впечатление, впрочем, потребовались два столетия и труды многих выдающихся математиков и физиков, прежде чем было раскрыто всё их значение. Реализовала ньютоновскую механическую философию "Небесная механика" Лапласа (публикация между 1799 и 1825 гг.); она суммировала и объединила все работы, проделанные начиная с Ньютона, и представила Солнечную систему как устойчивую механическую систему, в которой все движения подчинены закону гравитации.
В заключение рассмотрения принципов научного метода Ньютона, Браун отметил, что, вопреки продекларированному негативному отношению к гипотезам, Ньютон сам пользовался ими.
Когда он излагал свои "Принципы рассуждения в естественной философии", он не включал использование гипотез и даже пытался утверждать, что их лучше избегать. Причинами были опасения критики и восхищение геометрическими методами доказательств греков. Однако, несмотря на свои претензии на открытие всемирного тяготения без использования гипотез, Ньютон не добился бы успеха без определённых идей, которые на самом деле были гипотезами. Наиболее важной из них была идея о том, что сила между планетой и Солнцем постоянно ускоряет планету по направлению к Солнцу, но её инерция не позволяет ей достичь Солнца. В результате планета движется по эллиптической орбите. Подобные идеи, не говоря уже о других, непросты и далеко не очевидны.
Современная наука
Уэвелл
Уильям Уэвелл ( Whewell) (1794 - 1866 гг.), выпускник Кембриджа, профессор философии, с 1841 г. мастер Тринитии-колледжа, написал, среди других сочинений, "Историю индуктивных наук с древнейших времен до наших дней" (1837 г.), "Философию индуктивных наук, основанная на их истории" (1840 г.) и "Обновлённый Новый органон" (Novum Organon renovatum, 1858 г.). Эти работы, по оценке Г.Б. Брауна, сыграли важную роль в формировании современного научного метода.
Уэвелл начал свой "Обновлённый Новый органон" с замечания, что Ф. Бэкон мог только догадываться, как можно построить научный метод: мы же сейчас, после того, как он был показан на примерах, имеем возможность его проанализировать. Из обширного обзора истории науки он сделал вывод, что формирование наших знаний состоит из двух процессов: сопоставления фактов (colligation of facts) и объяснения концепций (explication of conceptions). Он отчётливо понимал, что предложенный Бэконом сбор фактов не ведёт к какому-либо надёжному продвижению без "сопоставления фактов посредством истинной и подходящей концепции" – то есть без какой-либо подходящей гипотезы.
Этот тезис он проиллюстрировал на примере ранней греческой идея о шарообразности Земля. Какие факты объединены этой "подходящей концепцией"? Наиболее важные из них: 1) мы замечаем, что при движении на север Полярная звезда и созвездия рядом с ней будут подниматься всё выше и выше в ночном небе; и наоборот, при движении на юг, они опускаются до тех пор, пока, наконец, не станут невидимыми; 2) если мы отправимся на север из двух мест, одно из которых находится к западу от другого, например, из Испании к северу от Шотландии и из Греции к Скандинавии, мы обнаружим, что расстояние, разделяющее два пути, становится все меньше и меньше по мере продвижения на север. Эти и подобные факты, как только они будут уловлены, кажутся такими, которые можно было бы ожидать, если бы Земля была шаром. Подобные факты рассматриваются как взаимно связанные или "сопряжённые" в соответствии с гипотезой о том, что Земля – шар, что и является тем, что Уэвелл назвал "подходящей концепцией".
Мысленные понятия такого рода в науке очень важны, и Уэвелл первым это подчеркнул. Но он также отметил, что не может быть дано никаких правил, которые могли бы привести нас к ним:
"Концепции, с помощью которых факты связываются вместе, подсказаны проницательностью первооткрывателей. Этой проницательности нельзя научить. Обычно она достигается путём догадок; и этот успех, по-видимому, состоит в выработке нескольких предварительных гипотез и выборе правильной. подходящие гипотезы не могут быть построены по правилам или без изобретательского таланта".
В ходе своего изучения истории научных идей он также уяснил, что гипотезы не обязательно должны быть верными, чтобы быть полезными:
"Гипотезы могут быть полезны, хотя и включают в себя много лишнего и даже ошибочного: ибо они могут обеспечить истинную связь фактов; а излишество и ошибки впоследствии могут быть устранены".
Теперь это можно было бы лучше выразить следующим образом: гипотезы могут иметь большую ценность в науке, если они предполагают новые связи между фактами, которые ведут к дальнейшим экспериментам, даже если эти эксперименты в конечном итоге показывают ложность исходных гипотез. Такова, например, гипотеза эфира, среды, заполняющей всё пространство. Его использовали для объяснения волновых свойств света. Основанная вначале на гипотезе эфира электромагнитная теория света оказалась одной из наиболее плодотворной в физике, но сама гипотеза эфира позже была отвергнута.
Уэвелл был склонен считать, что "разум" может быть источником "подходящих концепций" и без того, чтобы их подсказал опыт. В этом с ним полностью расходился его современник Дж.С. Милль, также автор важной работы по проблемам индукции.
Как видим, формирование современного научного метода, по Брауну заключалось в изучении и улучшении методов индукции.
Милль
Джон Стюарт Милль (1806- 73 гг.) в 1843 г. опубликовал трактат "Система символической и индуктивной логики".
Милль был одним из самых проницательных мыслителей, пытавшихся систематизировать процедуру научного исследования, и то, что ему это не удалось, ещё раз показывает, что наука, как и другие виды творческой деятельности человека, не может быть полностью сведена к правилам и нормам.
Милль считал, что деятельность науки заключается в открытии причин (causa). Это слово (его греческий эквивалент) использовал Аристотель, признававший 4 причины: материальную, формальную, действенную и целевую. В средние века их число увеличилось до 48. Чтобы прояснить суть дела мы можем начать с высказывания Галилея: "Причиной следует называть то, при наличии чего всегда наступает следствие и при удалении чего оно исчезает". Это довольно понятно и согласуется с использованием слова "причина" в обычной речи, но кое-что под него не подходит, например, мы не можем удалить Луну, чтобы увидеть, прекратятся ли приливы. Уже одни эти соображения показывают, что необходима большая осторожность при определении слова "причина".
Мы можем добиться улучшения, если добавим к определению Галилея следующее: "любые изменения, которые влекут за собой изменения в некотором явлении, являются причинами этого явления". Это определение допускает т "множественностью причин", т.е. данное явление может иметь несколько причин, все из которых необходимы, но ни одна из которых в отдельности не является достаточной.
Тщательное определение слова "причина" предполагает некоторые правила или процедуры для их нахождения. К сожалению, эти правила гораздо легче сформулировать, чем реализовать на практике. Именно поэтому Каноны Милля, в которых формулировались правила поиска причин, хотя и интересуют логиков, но вызывают куда меньший интерес у работающих учёных.
Из пяти Канонов Милля мы кратко рассмотрим лишь два наиболее убедительных: Метод Различия и Метод Сопутствующих Вариаций. Метод Различия Милля гласит следующее:
"Если случай, в котором происходит исследуемое явление, и случай, в котором оно не происходит, имеют все общие обстоятельства,кроме одного, которое имеет место только в первом случае; то обстоятельство, в котором различаются эти два случая, является или следствием, или причиной, или неотъемлемой частью причины явления".
Метод Различия всегда следует использовать осторожно. Например, в древности верили, как сообщают Плутарх и Плиний, да и до сих пор кое-где встречается такая вера, что лучи Луны способствуют гниению. Это было основано на наблюдениях в теплом климате, что вещества животного происхождения показывают усиленное гниение после ночей яркого лунного света. Считалось, что это происходит из-за образующейся в такие ночи повышенной влаги, которую объясняли особым увлажняющим свойством лунных лучей. Как то нередко у древних писателей, обобщения был сделаны на основании недостаточных доказательств и поверхностных наблюдений. Ведь дополнительные исследования показали бы, что влага образовывалась и в ясные ночи, когда Луны не было. Итак, перед нами пример Метода Различия, приводящего к ложному заключению. Мы начали с рассмотрения гниения животных веществ и согласились, что оно усиливается под действием влаги. Затем мы наблюдали, что в некоторые ночи на животных веществах образуется отложение влаги, а в другие – нет. Разница была в том, что, когда образуется влага, присутствует лунный или звездный свет, или и тот и другой, а когда он не образуется, они отсутствуют. Таким образом, это было сочтено за "обстоятельство, в котором только эти два случая различаются", а значит "причиной или неотъемлемой частью причины".
Из этого примера видно, что при использовании Метода Различия всё зависит от суждения насчёт "обстоятельств, в которых только эти два случая различаются". Мы никогда не можем сделать это суждение с уверенностью.
Утверждение Милля о его Методе Сопутствующих Изменений представляет собой немногим большее, чем добавление, которое мы внесли выше к определению причины Галилеем:
"Всякое явление, изменяющееся определенным образом всякий раз, когда некоторым особенным образом изменяется другое явление, есть либо причина, либо следствие этого явления, либо соединено с ним какою-либо причинной связью".
Этот метод применим в тех случаях, когда полностью устранить причину не удается, например: является ли Луна причиной морских приливов?
Милль признавал, что мы можем быть обмануты, наблюдая сопутствующие изменения в двух явлениях, которые оба являются следствием одной причины, и включил эту возможность в своё определение метода, добавив слова "или связан с ним каким-то фактом причинности". Например, мы могли бы установить сопутствующие различия между появлением северного сияния и появлением магнитных бурь, вызывающих помехи в беспроводной связи и телефонных передачах. Но ни одно из них не является причиной другого; если наши теории верны, то и то, и другое являются следствием возмущений на Солнце.
Этот Канон Милля стал более точным благодаря введению статистических методов, в которых мера сопутствующего фактора оценивается путем расчета "коэффициента корреляции". Эти методы особенно полезны, когда исследуемый материал очень многочисленный и разнообразный, как часто бывает в биологических и социологических исследованиях.
Доктор Гарольд Джеффрис заходит так далеко, что утверждает, что наука – это всего лишь "ветвь предмета теории вероятности" и что "вероятность из предмета, который презирают и избегают, становится наиболее фундаментальным и общим руководящим принципом теории всей науки".
Тем не менее, насколько далеки мы можем быть от открытия причины явления, несмотря на то, что установили удовлетворительную корреляцию между ней и каким-либо другим явлением, показывает следующий пример.
Одним из первых медиков, применивших статистические методы при изучении болезней, был доктор Уильям Фарр (1807- 83 гг.). В своём докладе о смертности от холеры в Англии в 1848- 49 гг. он сравнил число смертей на 10 000 жителей с высотой района, в котором они жили. и обнаружил между ними обратную корреляцию, то есть чем выше был район над уровнем моря, тем меньше там было число смертей от холеры. Он пришёл к выводу, что подъём почвы в Лондоне был более тесно связан со смертностью от холеры, чем что-либо ещё, известное в то время. На самом деле корреляция не может сделать ничего, кроме предположения о причинной связи; она не может её доказать. Потребовались долгие исследования с помощью микроскопа, прежде чем Роберт Кох обнаружил микроорганизм, загрязняющий питьевую воду и являющийся причиной холеры. В случае доктора Фарра, вполне вероятно, что близость поверхностных питьевых колодцев к Темзе в нижних районах способствовала их загрязнению и вызвала повышенный уровень смертности.
Каноны, или Методы Милля близко следуют определению причины, а поскольку понятие причины глубоко укоренилось в нас, то они являются скорее изложением способов нашего мышления, чем успешных способов научных преследований.
Уэллс
Рассмотрим теперь подробнее реальное научное исследование, которое покажет, как эти трудности (введения правильной индукции) преодолеваются практически. Мы возьмём "Очерк о росе" (An Еssay on Dew 1814 г.) Уильяма Чарльза Уэллса (1757 - 1817 гг.).
Очень немногие научные исследования проводятся по определённому плану. Даже если бы можно было устранить посторонние помехи, всё равно окажется, что плодотворные научные идеи возникают непредвиденным образом. Иногда исследование перенаправляется на новые темы.
Прежде всего, мы должны попытаться определить проблему настолько чётко, насколько это позволяют существующие знания. В данном случае, мы должны отличать росу от дождя и других проявлений атмосферной влаги, таких как туманы.
Определив проблему, далее следует заняться критическим обзором результатов, полученных по ней прежними исследователями, поясняя, какие из них принимаются в качестве надежной основы для дальнейших исследований, а какие считаются неудовлетворительными. Уэллс привёл мнение Аристотеля, что роса появляется только в спокойные и безоблачные ночи, и согласился с ним, но добавил, что не следует принимать его слишком строго, так как он сам наблюдал росу в ветреные и безоблачные ночи, и в пасмурные и безветренные. Он склонялся к мысли, что легкий ветер увеличивает образование росы: во всяком случае, он никогда не обнаруживал, что роса образовывалась в ночи одновременно пасмурные и ветреные.
Далее, натурфилософ Мушенбрук из Лейдена утверждал, что роса не образуется после восхода солнца. Уэллс, однако, обнаружил, что незадолго до восхода солнца и в затененных местах вскоре после восхода солнца образуется больше росы, чем в любое другое время.
Уэллс также привёл мнение француза М. Приера, по которому роса образуется только вечером и утром, а в течение ночи исчезает. Это мнение Уэллс опроверг, выкладывая вещества каждый час в ночное время и отмечая образующуюся росу.
После этих предварительных рассмотрений прежних мнений он приступил к исследованию причины появления росы.
Первый шаг состоял в сравнении сходных явлений, известных из наблюдений, в надежде обнаружить некую общую черту. Т.к., по определению, всякий раз, когда проявляется следствие, должна присутствовать и причина, и гораздо легче обнаружить общую черту среди совокупности примеров, чем сразу угадать причину по одному случаю. Какие явления похожи на образование росы? Составим список, что-то вроде "Таблицы положительных примеров" Бэкона:
(1) Если мы дышим на зеркало, то образуется влага, хотя при дыхании её не видно.
(2) Иногда влага образуется на внешней стороне стаканов с холодной водой в жаркую погоду и на подобных предметах, вынутых из холодильников. (Последнего примера у Уэллса, конечно, не было).
(3) Влага также образуется на внутренней стороне окон, особенно в железнодорожных вагонах (то же замечание), когда воздух снаружи холоднее, чем внутри.
(4) Если за длительным морозом следует тёплый ветер, то на стенах и мебели образуется влага.
Сравнение этих примеров быстро показывает нам, что, хотя они и различны, но все сходятся в одном, именно в том, что предмет, на котором выступает влага, холоднее соприкасающегося с ним воздуха. Тогда, может быть, это и является причиной, так как оно всегда присутствует, когда имеется следствие? Выскажем гипотезу, что причина ночных рос – холод земли, растительности и. других объектов, покрываемых росой, относительно соприкасающегося с ними воздуха.
Теперь нам следует проверить эту гипотезу наблюдениями, сделанными специально для этой цели, то есть экспериментами. Уэллс помещал термометр в контакт с предметами, покрытыми росой, а также подвешивал термометр на различной высоте в воздухе над ними. Он обнаружил, что в каждом случае предметы, покрытые росой, были холоднее окружающего их воздуха, и поэтому сделал индуктивное обобщение, что это так во всех случаях образования росы.
Таким образом, эта гипотеза пока что является удовлетворительной.
Но хотя в приведенных примерах с зеркалами, окнами и т.д. очевидно, что холод предметов предшествовал образованию влаги и, следовательно, был её причиной, в случае ночных рос это не столь очевидно, и некоторые утверждали, что вода отложившаяся из атмосферы, охлаждала поверхности, на которых она осела; т.о. относительная холодность поверхностей была следствием, а не причиной.
Единственный способ разобраться в такой ситуации – собрать больше фактов, то есть, сделать больше наблюдений. Эти факты можно получить, варьируя условия и записывая результаты. При этом мы должны помнить важный принцип: менять только одно условие за раз; иначе, конечно, мы не можем сказать, какая часть эффекта обусловлена ??тем или иным из разнообразных условий. Затем мы должны тщательно классифицировать результаты, выделив те условия, которые благоприятствуют образованию росы, и те, которые этого не делают. Классификации играют особенно важную роль в биологических науках, имеющих дело с многочисленными сходными фактами. Ценность классификации состоит в том, что она позволяет сделать общие утверждения.
В любом исследовании нам очень поможет введение некоторой системы измерения, потому что тогда мы сможем с помощью чисел зафиксировать и сравнить различия, которые слишком многообразны для описания на обычном языке. Развитие измерительных инструментов расширяет это преимущество за пределы диапазона чувств.
Уэллс оценивал количество образующейся росы, взвешивая кусочки шерсти до и после воздействия атмосферы. Температуру он измерял термометром. Он заметил, что в разные ночи при разных условиях, иногда тела были холоднее атмосферы, но при этом на них не образуется роса. Это показало, что охлаждение может происходить и без росы, т.е. она не является причиной охлаждения. Конечно, можно было бы еще утверждать, что роса охлаждает поверхности, на которых она образуется, а в тех случаях, когда её не было действовала, как фактор охлаждения, некая другая причина. Однако ненужное умножение причин значительно усложняет исследования. Следует выдвинуть наиболее простую гипотезу: охлаждение, которое является причиной в других рассмотренных нами случаях, в случае росы также есть её причина, а не следствие; отсутствие же росы в некоторых случаях объясним следствием сухость атмосферы.
Далее нам нужно учесть охлаждение земли, травы и других открытых объектов в спокойные и ясные ночи. Мушенброк отметил, что на металлах, лежащих на земле, не образуется роса, в то время как другие вещества сильно покрыты ею. Дюфо, директор Ботанического сада в Париже пришёл к выводу, что образование росы связано с электричеством, так как она не возникает на хороших проводниках электричества (металлах), а появляется только на плохих проводниках. Но эту опрометчивую гипотезу с помощью нескольких опытов, он вскоре опроверг бы сам. Нам следует быть более осторожными и ограничиться выводом, что образование росы зависит от вида материала. Это предполагает постановку дальнейших опытов, с разными материалами и с измерением их температуры.
Как только Уэллс сделал это, появилась некоторая температурная шкала – он обнаружил, что вещества, которые охлаждались сильнее всего, когда находились на земле в ясную ночь, были "нитевидными и пушистыми": шерсть, тонкий шелк-сырец, тонкий лен и т.д. и лебяжий пух. За ними следовали порошкообразные тела, такие как чистый речной песок, стекло, мел, древесный уголь, ламповая сажа. Третий класс испытанных веществ состоял из твёрдых тел, имеющих открытую поверхность площадью не менее 25 квадратных дюймов: стекло, кирпич, пробка, дуб и воск; они не достигали таких низких температур, как порошкообразные или волокнистые и перистые вещества. Из всех используемых материалов металлы были наименее охлажденными.
Изучение этих результатов показало положительную корреляцию между веществами, которые больше всего препятствуют прохождению тепла, и теми, которые более других охлаждались по ночам. Это было подтверждено опытами с одним веществом в разных состояниях, например, древесина в виде бруска охлаждалась меньше, чем древесина в виде стружек. Известно, что вещества, состоящие из тесно переплетенных волокон, заключающих воздух (напр., одеяла и одежда), являются плохими проводниками тепла. Таким образом, было установлено, что теплопроводность материала является важным фактором образования росы.
Затем Уэллс измерил температуру земли, травы над ней и положенной на нее металлической пластины. Он обнаружил, что земля теплее травы, а трава теплее пластины.
Если мы расширим первоначальную гипотезу и предположим, что роса образуется тем обильнее, чем холоднее поверхность, то тепло, полученное от земли и быстро перенесённое к верхней поверхности, будет мешать образованию росы. Из этой расширенной гипотезы следует, что если бы мы подвешивали вещества прямо над землей (скажем, на нитях), чтобы тепло от земли не могло проникнуть в них, они не должны были бы быть такими теплыми и, т.о. на них образовывалось бы больше росы. Уэллс проверил этот вывод экспериментально и нашёл, что он верен.
Получив теперь удовлетворительную гипотезу, связывающую образование росы с температурой и теплопроводностью вещества, на котором выпала роса, мы должны продолжить исследование, оставляя вещество подверженным той же температуре и изменяя другие условия. Давно было замечено, что роса на участке с травой образуется неодинаково, если все части участка неодинаково открыты: на участках с нависающими ветвями деревьев или у высоких стен выпадало заметно меньше росы. Уэллс провел серию экспериментов, чтобы расширить эти наблюдения. В результате он установил общий факт: "Всегда, когда уменьшался обзор неба со стороны рассматриваемого тела, уменьшалось и количество росы, образующейся на нём".
Роса, как было замечено с древних времен, редко образуется в пасмурные ночи, и, принимая во внимание сделанное выше обобщение, самая простая гипотеза, которую мы можем выдвинуть, состоит в том, что облака препятствуют образованию росы, подобно тому, как это это делают затеняющие изучаемые вещества деревья и другие объекты. Как заметил Уэллс, прямо ставить опыты с облаками мы не можем, но он наблюдал их воздействие гораздо более тщательно, чем его предшественники. Он подтвердил, что в пасмурную ночь роса почти не образуется, но если облака разойдутся всего на несколько минут, то начнет образовываться роса, которая может испариться, если небо снова густо затянут тучи. Таким образом, есть основания принять гипотезу о том, что облака, как и другие окружающие объекты, действуют как противоположные причины, и это действие, видимо, состоит в отражении тепло, излучаемого землей, так что земля не становится настолько холодной. как это было бы без них.
В ходе экспериментов Уэллса были обнаружены некоторые факты, ставившие под сомнение прежние теории. Такая ситуация часто возникает в научных исследованиях и она показывает большую ценность постоянного изменения условий опытов, даже если это, возможно, придётся делать более или менее случайно. Напр., когда Уэллс изучал эффект воздействия различных веществ, одним из испытанных веществ был древесный уголь, и он был сильно покрыт росой. Древесный уголь является хорошим проводником электричества, так что этот факт сразу опроверг гипотезу о том, что роса на хороших проводниках электричества образуется с трудом. Факт, что некоторое количество влаги собралось на шерсти, открытой под деревянной доской, опровергал теорию Аристотеля, о том, что роса – это своего рода лёгкий невидимый дождь, состоящий из мельчайших капель, образующихся в нижних слоях атмосферы ночью под воздействием холода.
Измерения Уэллса с помощью термометра подтвердили гипотезу о том, что выпадение росы является примером конденсации влаги из воздуха, вступившего в контакт с поверхностями с более низкой температурой.
Серия экспериментов, в которых подвергавшиеся воздействию вещества варьировались, а в остальные условия оставались неизменными, показали что на материалах, которые хорошо проводят тепло, образуется мало росы, а больше всего её образуется на материалах, которые проводят тепло плохо, что привело к дополнительной гипотезе: теплопроводность является противоположной причиной образования росы.
Серия экспериментов, в которых вещество сохранялось постоянным, а условия менялись, привела нас к дополнительной гипотезе, что первоначальный холод возникал из-за потери тепла за счёт излучения в небо и что этот холод уменьшался, если имелись облака или другие препятствия.
Теперь эти гипотезы следует объединить в теорию, т.е. цепь причинно-следственных связей. С заходом Солнца тепло, получаемое поверхностью Земли и предметами на ней, падает почти до нуля. Таким образом, ничто не уравновешивает излучение тепла в пространство открытыми поверхностями, которые, в результате охлаждаются. Воздух, соприкасающийся с холодной поверхностью, тоже охлаждается, и если он содержит достаточно влаги а охлаждение достаточно, он сгущается в воду на поверхности, вызывая росу. Исключения обусловлены двумя основными причинами. 1) когда открытая поверхность остывает, так что ее температура становится ниже температуры окружающей среды, к ней начинает притекать тепло от объектов, находящихся в ней, соприкасающихся с ней, и может ли это поступающее в нее тепло уравновесить тепло, потерянное излучением в небо , зависит от того, хорошо он проводит тепло или нет. Металлы, лежащие на земле, быстро отводят тепло к своей поверхности и почти во всех случаях остаются без росы. Но плохие проводники тепла, такие как стекло или шерсть, не могут проводить тепло достаточно быстро, чтобы предотвратить достаточное охлаждение их поверхностей и образование обильной росы. 2) потери тепла из-за излучения уменьшаются, если часть его снова отражается обратно, а отражателями выступают стены, деревья и, особенно, облака. Поэтому в пасмурные ночи роса обычно отсутствует и её не так много под деревьями или у стен.
Такова вкратце теория образования росы, выдвинутая доктором Уэллсом и оставшаяся в основном неизменной до наших дней.
* * *
Ни в отчёте Уэллса о поисках причины росы, ни в сочинении Ньютона о гравитации для объяснения изучаемых явлений не изобретались гипотетических тела и гипотетические взаимодействий между ними. Ньютон в "Началах" основал динамику, показав, как рассчитывать движение тел, не предполагая ничего, кроме притяжения между ними. Его письмо Ричарду Бентли показывает, что он не мог представить себе притяжение, действующее в обширных областях пространства без какого-либо промежуточного механизма, однако ему не было необходимости исследовать причину гравитации. Также и Уэллсу не было необходимости привлекать какие-либо гипотетические тела или механизмы, поскольку он считал известными процессы конденсацию влаги, проводимость и излучение тепла.
Когда мы пытаемся объяснить эти процессы далее, нам приходится привлекать частицы и действия, которые не могут быть наблюдаемы органами чувств. Например, мы могли бы попытаться объяснить конденсацию видимых капель воды из невидимого воздуха на холодную поверхность следующим образом. Воздух состоит из большого количества невидимых частиц, движущихся с высокими скоростями, со значительными промежутками между ними. В эти пространства может проникать вода, которая также должна состоять из мельчайших невидимых частиц. Предположим, что между частицами одного сорта существует взаимное притяжение, и далее, что чем ниже температура, тем меньше скорость частиц; тогда можно представить, что при достаточно низких температурах импульс частиц воды настолько мал, что при их сближении друг с другом не хватает преодоления их взаимного притяжения, и постепенно, начиная с одиночных невидимых частиц, вырастает заметная капля воды. Эта теория предполагает, что частицы воздуха также должны были бы собираться в капли, если бы температура была достаточно низкой, и это, как известно, так и есть (воздух сжижается при –190°С). Эти невидимые частицы, которые не были известны чувства (атомы, молекулы, электроны и т.д.) являются примерами гипотетических тел, а невидимые действия, в которых они принимают участие, тоже незаметные для органов чувств (столкновения, притяжения, отталкивания и т.д.), являются примерами гипотетических взаимодействий. Аналогичным образом, объясняя излучение тепла в вакууме, например, когда Солнце нагревает Землю: мы могли бы ввести невидимую среду, назвать её эфиром и считать, что лучистое тепло состоит из волн, проходящих через неё. Такой эфир был бы примером всепроникающего гипотетического тела, а волны – гипотетическими движениями его частей. Теории этого типа часто оказываются очень ценными в науке, особенно когда их можно разработать математически, чтобы выводы, сделанные на их основе, можно было проверить посредством измерений. Иногда изобретение теорий, включающих гипотетические тела и движения, стимулирует дальнейшие исследования, которые в конечном итоге показывают несостоятельность исходной теории: это то, что произошло в последнее время с теориями эфира. С другой стороны, атомная теория, хотя и претерпела множество модификаций, по-прежнему сохраняет сильные позиции. Ценность научных теорий и гипотез, на которых они основаны, заключается в их применимости к широкому спектру разнообразных явлений, которые, как они показывают, взаимосвязаны и которые в противном случае представляли бы собой коллекцию отдельных фактов. Более того, хорошая теория должна не только объяснять известные факты, но также предлагать новые эксперименты, на основе которых можно будет установить ещё больше фактов. Если эти дополнительные факты окажутся не соответствующими теории, значит, она выполнила свою задачу и её следует изменить или, возможно, вообще отказаться от неё. Если новые факты согласуются с предсказаниями теории, они, естественно, увеличивают нашу уверенность в теории.
Ультрасовременная наука
Мы проследили эволюцию научного метода, начиная с его истоков. Сначала мы увидели, как Аристотель чересчур положился на логический вывод из результатов наблюдений, а затем,как Ф. Бэкон, учтя урок его неудач, подчеркнул важность опытов, дополняющих наблюдения. Большой успех Ньютона в применении математики к физике и астрономии, а также осознание Уэвеллом жизненной важности гипотез для прогресса науки привели научный метод к той форме, которая обсуждалась в последней главе.
Сегодня эти представления, в общем, разделяются большинством учёных. Однако такого нельзя сказать о философии науки, развитой в последние годы сэром Артуром Эддингтоном и профессором Э.А. Милном[6]. Тем не менее, их взгляды столь революционны, а объявляющиеся ими результаты столь удивительны, что любой рассказ о философии и методе науки будет без них неполным.
Милн, помня, как была арифметизирована/ алгебраизирована (Декартом) геометрия, решил арифметизировать физику. Он начал с введения воображаемой группы наблюдателей, которые воспринимают ход времени и единственная измерительная деятельность которых состоит в подсчёте временных интервалов по часам. Они находят интервалы между испусканием сигнала и его возвращением (отражением) другим наблюдателем. Это позволяет им измерять расстояния, не прибегая к понятию жесткого мерила. Затем Милн ввёл принцип эквивалентности наблюдателей, означающий корреляцию чисел, получаемых в результате измерений. Каждый наблюдатель эквивалентен любому другому в кинематике. Затем, т.к. эквивалентность следствий отражает эквивалентность причин, постулируется и их эквивалентность в динамике. Теперь законы движения частицы, получаемые наблюдателем, ограничены условием эквивалентности, и её движение оказывается прямолинейным и равномерным. Дальнейшее исследование даёт релятивистские формулы законов для гравитации и электромагнетизма. Это было достигнуто отождествлением некоторых математических понятий с известными физическими величинами.
Весьма удивительно, что законы физики, которые ранее находились из многочисленных наблюдений и экспериментов, теперь выводятся из нескольких сомнительных концепций. Но даже не обращая внимания на исходные предположения Милна, мы видим, что он выводит важные физические соотношения из простых постулатов. Вывод, похоже, здесь таков: последовательность и убедительность математических теорий физики и астрономии не зависят от числовых результатов экспериментов, хотя сами эти теории возникли в результате рассмотрения таких результатов.
Этот вывод существенно подкрепился замечательной работой сэра А. Эддингтона, который применял несколько иную философию, чем Милн. Эддингтон также начал с простых постулатов и эпистемологических принципов, но он больше использовал неколичественные результаты современной физической теории (в т.ч. теорию атома), и это дало гораздо большую силу его теории, в которой не только разрабатывались физические законы , но и определялись фундаментальные физические константы. Например, считается, что водород состоит из положительно заряженного ядра, протона, и отрицательно заряженного электрона. Отношение масс протона и электрона – важное число в атомной физике. В результатам экспериментов оно было найдено как 1836,27; по теоретическим расчётам Эддингтона оно равно 1836,34.
Эддингтон начинает с подчёркивания, что метрическая <"измерительная"> физика имеет дело только с числами, полученными путём считывания показаний того или иного вида. Из них мы можем сделать вывод только о структуре. но не о сущности объектов. Затем он отмечает, что всякое физическое знание есть утверждение о том, что было, или будет результатом проведения некоторых экспериментов. Соответственно, когда он собирается найти структуру, связывающую все измерения в физике и астрономии, он использует принцип: "интерпретация, которую мы даём результатам измерений, должна быть согласована с нашей интерпретацией процессов измерения". Критически рассмотрев нашу интерпретацию процессов измерения, мы должны найти символы со свойствами, которые соответствуют введенным понятиям".
Исследования Эддингтона привели его к заключению, что подходящей <для интерпретации процессов измерений> символической структурой является алгебра седенионов [1b]. Эвклидовой геометрии соответствует обычная алгебра. Для более сложной геометризированной физики нужна более сложная алгебра. Эддингтон утверждал, что структура алгебры седенионов согласована с нашей интерпретацией процесса измерения. Из неё он смог вывести законы и фундаментальные константы физики.
Это удивительное достижение предполагает величайшую революцию в науке со времен "Начал" Ньютона. Ньютон впервые определил измерение движущей силы так, что результаты измерений в астрономии и механике можно было получить дедуктивно, как в геометрии; он фактически представил свою работу в геометрической форме. Эддингтон объединил динамику Ньютона (в релятивистской форме) с теорией атома в единую дедуктивную систему: затем эту геометризированную физику он свёл к алгебре седенионов, из которой вывел фундаментальные физические константы. То есть, теоретическая физика была сведена им к форме алгебры.
Таким образом, кажется, что структуры всех теоретических систем, которые мы изобретаем для объяснения результатов измерений, имеют одну и ту же основу и независимы от конкретного предмета, к которому они применяются. Работа с весами, часами, гальванометрами, магнитами, спектроскопами и т.д. необходима для того, чтобы индуктивно построить астрономию, динамику, теорию электромагнетизма, оптику и т.д. Но после того, как они развиты до определённой точки, мы можем вывести их математические отношения дедуктивным путем, и тогда не имеет значения, откуда мы начинаем. Мы можем начать, как это сделал Эддингтон, с "релят" (relata) и отношений (relations); "реляты" – это точки встречи отношений; их структура "важна для описания строения мира". После чего мы можем свободно применять теорию к физике, отождествляя математические термины с физическими величинами.
Выразим эти новые идеи , суммируя развитие геометрии и физики по 3-м этапам.
(1): Опыты связываются с числами через измерение. Соотношения между этими числами находятся путём проверки.
Пример I. Изучение чисел, полученных измерением длин, показало египтянам и грекам, что между ними существуют определенные постоянные отношения <напр. соотношения между длинами сторон прямоугольного треугольника>. Эти отношения были обобщены в практических правилах.
Пример II. Изучение чисел, полученных измерением сил с помощью весов и движений с помощью мер и часов, показали, что между ними существуют определённые постоянные отношения. Эти отношения были суммированы в законах движения планет Кеплера, законах движения тел Галилея, законах удара (Рена и др.).
(2). Обнаруживается, что отношения между числами можно вывести дедуктивно с помощью теорем, из небольшого числа определений и аксиом. Эти определения и аксиомы, видимо, обусловлены природой рассматриваемого предмета и подсказаны опытом. До сих пор неизвестные соотношения можно предсказать и проверить экспериментально.
Пример I. Изобретение геометрии как аксиоматической науки.
Пример II. Изобретение Ньютоном динамики.
(3) Когда стадия (2) достигает продвинутого развития и унификации, обнаруживается, что все отношения между измерениями могут быть выведены с помощью дедуктивной системы, которая основана на математических определениях и аксиомах. Для применения её к физическому миру производится отождествление математических терминов с физическими величинами.
Пример I. Изобретение Декартом координатной геометрии, выражающей геометрические отношения с помощью алгебры.
Пример II. Изобретение Милном и Эддингтоном дедуктивных систем, посредством которых уравнения физики получаются из предпосылок, независимых от результатов измерений.
Далее можно получить значения постоянных чисел, которые появляются в рассматриваемых предметах.
Пример I. Значение p, для измерения которого были разработаны сложные методы, можно получить выводным путем.
Пример II. Эддингтон получил путём вывода значение заряда электрона, для опытного нахождения которого Милликен и другие разработали сложные методы.
Дополнение (рассуждения о некоторых понятиях физики и философии)
После окончания опыта мы знаем о нём только по воспоминаниям или по свидетельствам других, и то и другое недостоверно. Но если мы говорим, что это факт, потому что его можно проверить, разве мы не предполагаем, что он произойдет в будущем?
Определение факта включает в себя предположение о единообразии Природы. Если бы это предположение не подтверждалось постоянно, научный метод был бы невозможен.
Если всё здание науки построено на основе фактов, а факты включают в себя убеждения такого рода, то разве мы не можем сказать, что наука основана на вере и, следовательно, не отличается от религии?
Хотя научный метод основан на утверждении о единообразии Природы, было бы неверно применять для этого слово "вера", поскольку оно часто используется для описания такого состояния ума, которое невосприимчиво к опыту. В науке это убеждение является скорее рабочей гипотезой, чем чем-либо ещё.
В отношении науки важно понимать, что её метод содержит защиту от ложных убеждений, и она возникает из-за того, что наблюдению и эксперименту уделяется первостепенное внимание. Пока продолжаются наблюдения и эксперименты, ложные убеждения обязательно обнаружатся, рано или поздно. Вот почему мы требуем от хорошей научной теории, чтобы она не только объясняла то, что известно, но и побуждала нас к новым экспериментам. Первоочередное место, отведенное наблюдению и эксперименту, не встречается в большинстве философских учений, претендующих на какое-то объяснение Вселенной.
Именно поэтому, когда возникает спор, побеждают учёные, основывающие свои теории на экспериментах, а те, кто основывает свои теории на авторитете или только на разуме, отступают.
Акцент на противоположных примерах, впервые эффективно введенный в науку Фрэнсисом Бэконом, является ещё одной чертой, отличающей научный метод от других систем. Мы часто обнаруживаем, что пристальное изучение исключений из теорий обеспечивает самый верный путь к дальнейшему продвижению.
Гипотезы и теории – это изобретения, объясняющие факты.
"Объяснение" обычно заключается в описании явления, которое непонятно, в терминах других явлений, которые поняты или, по крайней мере, приняты.
Продукты научного метода, оказавшие наибольшее влияние на человеческое мышление или мировоззрение, являются теориями, а не фактами. Например, революция, вызванная принятием коперникано-ньютоновской вселенной и отказом от аристотелевско-птолемеевско-библейской. Другая великая революция, произведенная наукой, связана с дарвиновской теорией эволюции. Разве не является парадоксом, что величайшие изменения, которые наука произвела в общем человеческом мышлении, произошли благодаря её неопределенным теориям, а не её достоверным фактам?
Факты достоверны, а теории неопределённы. Причина неопределенности теории, заключается в том, что мы никогда не можем быть полностью уверены в том, что какая-то другая теория, ещё не придуманная, не сможет объяснить факты столь же хорошо или лучше. Следовательно, хотя могут стать известны новые факты, которые подкрепляют данную теорию, никогда не будет этапа, на котором мы сможем сказать, что они полностью доказали её истинность. Зато один факт может опровергнуть гипотезу. Теории отличаются от гипотез только тем, что поддерживаются гораздо большим количеством и диапазоном фактов; а потому они обычно требуют модификации, а не опровержения новыми фактами.
Тогда получается, что научные теории, даже такие, которые полностью изменили наш взгляд на мир, не могут считаться окончательно истинными; они могут однажды оказаться ложными?
Конечно, но эта неопределенность не ограничивается научными теориями; это особенность всех теорий, независимо от того, были ли они созданы посредством откровения или каким-либо другим способом. Некоторые научные теории имеют такой огромный диапазон и количество подтверждающих их фактов, что наше доверие к ним очень сильно.
Теория св. Франциска о том, что люди и животные братья была основана на очень небольшой выборке фактов. Черный леопард, который может напасть на своих собратьев-людей, как только увидит их, не встречается в Италии, где жил св. Франциск и ему не была известна туберкулезная палочка. Поэтому эта его теория не была основана на достаточном количестве тщательных наблюдений и сравнений, сделанных во многих различных частях света, с особым вниманием к исключениям и выраженным точным языком. Кроме того, слово "брат", использованное св. Франциском, имеет точное значение в человеческих отношениях, но использовать то же слово для обозначения отношений двух существ, одно из которых смотрит на другого как на законную еду – значит злоупотреблять словами и вызывать путаницу.
Творческие идеи, безусловно, играют важнейшую роль в научных исследованиях, и если под интуицией подразумевать появление идей такого рода, то всю историю возникновения научного метода можно кратко описать. как возрастающую систематическую проверку интуиции путём наблюдения и эксперимента.
Чёткое определение терминов необходимо для взаимодействия науки, чтобы описания экспериментов и теорий, появившиеся, скажем, в канадском журнале, были ясно и точно поняты китайским учёным, который читает журнал в библиотеке в Пекине. Но так ли уж важно для прогресса науки всегда строго придерживаться первоначальных определений? Ответ будет: "Нет". Для иллюстрации этого подойдет слово "атом". У Демокрита оно означало воображаемую часть вещества, слишком малую, чтобы её можно было разделить. Дальтон расширил эту гипотезу, применив её к наименьшим количествам химических элементов, которые могут соединяться друг с другом. Но такое понятие "атома", как мы теперь знаем, не можем объяснить радиоактивность и другие явления, без дальнейшей гипотезы, что "атомы" сами состоят из других частиц. Поэтому слово "атом" было опять переопределено.
Аристотелевский метод можно кратко описать как основанный на наблюдении и разуме. Схоластический – как основанный на авторитете и разуме, с минимумом наблюдения и без экспериментов, кроме немногих исключений, вроде Роджера Бэкона.
Научный метод развивался постепенно и не появился внезапно полностью развитым в трудах какого-либо одного человека, хотя к нему очень близки труды Ньютона. На полпути между Платоном, Аристотелем и Ньютоном находился Галилей.
Галилей известен своим экспериментом по падению разных тел с Пизанской башни. История эта встречается во многих книгах, но убедительных доказательств ей нет, и когда вы прочитаете, что он писал о падающих телах, вы усомнитесь, проводил ли он когда-либо где-нибудь эти опыты.
В мышлении самые важные правила: 1) знать совершенно ясно значения терминов, которые вы употребляете; 2) чётко представлять себе разницу между фактом и гипотезой. В спорах то же самое верно, конечно, но, кроме того, важно договориться с оппонентом об отправной точке.
Сэр Дж.Дж. Томсон изобрёл электрон, но не открыл его. Более того, уже двадцать лет мы знаем, что при некоторых обстоятельствах этот объект ведёт себя скорее как волна, чем как частица, так что его гипотеза не совсем удовлетворительна и от неё, видимо, придется отказаться.
Приложение
Небесполезно сравнить представления о научном методе Г.Бурнистона Брауна с критерием научности метода исследований, который привёл Дж.Скотт Армстронг, профессор Уортоновской школы при университете Пенсильвании, со-основатель журнала Journal of Forecasting[2b]:
1) сравниваются разные гипотезы;
2) полученные результаты существенны для выбора правильной;
3) методы, данные, и другая необходимая информация полностью доступны;
4) дан обзор предыдущих исследований на эту тему;
5) результаты надёжны и проверяемы;
6) методы просты и надёжны;
7) представлены экспериментальные свидетельства всех утверждений;
8) выводы с очевидностью следуют из экспериментальных данных.
Проанализировав ряд статей в современных научных журналах, касающихся проблемы изменения климата, Армстронг обнаружил, что менее 1% из них удовлетворяет этому (довольно естественному) критерию "научности". Такой результат он объяснил политизацией науки, и, как следствие, подгонкой результатов исследований под заранее сделанные выводы.
"Отказались ли мы от физической теории Природы?"(фрагменты)
(Have We Abandoned the Physical Theory of Nature? // Science Progress, 1956, vol. 44, №176, pp. 619-634).
У греческих философов существовало три фундаментально различных теории Природы, применяемых для объяснения наблюдаемых характеристик вещества и изменения: физическая, математическая и функциональная. Фалес считал, что Природа состоит из объектов, обладающих постоянными качествами. Гераклит подчеркивал наличие в Природе изменений. Физическая теория Природа утверждает, что та состоит из постоянных объектов и изменений. Парменид, анализируя изменения, отметил, что они либо внутренние, результаты порождения, либо внешние, результаты движения. Но порождение несовместимо с принципом существования объектов, не меняющих своих свойств. Следовательно, изменения должны происходить благодаря движению. Далее он утверждал, что движение невозможно, если мир состоит только из "вещества", поскольку движение требует, чтобы тело могло двигаться из того места, где оно есть, туда, где вещества нет. В этом он и его последователи ошибались, так как упускали из виду циклические круговороты. Когда же Левкипп и Демокрит представили "вещество" составленным из "атомов" и добавили в пространство пустоту, стало возможным представлять любое движение. Эта теория относится классу физических.
Математические теория Природы обязаны своим происхождением Пифагору и Евдоксу, и были развиты Платоном. Астрономические наблюдение и изучение музыкальных гармоний, как представлялось тогда, показывали наличие в Природе идеальных геометрических форм и числовых пропорций. Их можно было счесть за основу реальности, а саму Природу представлять себе скорее как систему логических и математических форм, чем как совокупность движущихся атомов. Платон утверждал, что определённые и постоянные знания дают не ощущения, а идеи, которые постигаются разумом ("нус"). Есть несколько важных следствий такого математического подхода: 1) первичные причины представляются отношениями; 2) основой видимого мира тел и движений являются математических форм; 3) так как этот математический мир непосредственно не наблюдается, то разум и "гармония" являются лучшими средствами к познанию Природы, чем опыт и наблюдение.
Третья греческая философия Природы, функциональная, связана с именами Гиппократа из Коса, Эмпедокла и Аристотеля. Гиппократ первым рассматривал живой организм как механическую систему, и отмечал, что форма, или организация является одной из его фундаментальных характеристик. Организация живых существ, видимо, требует формы и материи как своих "причин". Это означало, что ни физическая, ни математическая теории Природы не являются удовлетворительными, поскольку первая допускала только материальные причины, а вторая только формальные. Чтобы решить эту проблему, Аристотель постулировал существование у "вещества" материи и формы. Таким путём он пришёл к функциональной теории и и принципу "становления", утверждавшему, что объекты Природы меняет свои свойства. Это, конечно, противоположность принцип "бытия", утверждавшему, что Природа неизменна.
В дальнейшем нас будет интересовать конкуренция между физическими и математическими теориями, которая имела место со времён Древней Греции. Хотя в поздние средние века подход Аристотеля доминировало, но всегда имелось подспудное неоплатоническое течение, и потому математическая теория Природа не совсем исчезла из виду. Например, Николай Кузанский (1401- 64 гг.) считал, что мир представляет собой гармонию, в которой все вещи имеют математические прообразы, и утверждал, что знание – это всегда измерение, а число – это "первая образец вещи в уме Творца". Подобные идеи можно найти в работах Бруно. Кеплер тоже думал, что в основе мира лежат математические образцы и гармонии, обнаруживаемые в астрономических наблюдениях.
Галилей был восхищён математикой и называл её "царицей наук". Он рассматривал опыты как всего лишь "нужные для выводов о том, о чём нам не говорит интуиция". Его успех в применении чисел и геометрии в описании движений тел привели его к мысли, что первичными качествами тел являются лишь те, которые могли быть полностью выражены математически, напр. число, фигура, положение и т.д. Все остальные качества, хотя бы и более важные для чувств вторичны, являются следствиями первичных.
Приняв концепцию атомов, Галилей пришёл к физической теории Природы, именно: мир состоит из неизменных атомов, перемещающихся в пространстве по математически выразимым законам.
Эти идеи заставили Гоббса попытаться свести всё, включая мышление, к телам и движению; и он был первым, кто ясно заявил, что причиной всех изменений является движение тел.
Интересно отметить, как пространство постепенно увеличило свою значимость. Древние греки называли его "пустота", "ничто". Потом оно стало фоном для движений тел, которые были причинами всего. Декарт считал размеры тел их фундаментальной характеристикой. Мор в своём "Руководстве"[3] перечислил 20 разных атрибутов пространства; они были общими с атрибутами Бога (неподвижность, вечность совершенство, необходимость, ...).
С появлением Ньютона физическая теория Природы, наконец, стала доминирующей и была положена на прочный фундамент, а математика стала рассматриваться как средство для решения проблем, которые возникают из чувственного опыта. Предисловие к "Началам" показывает нам взгляд Ньютона на научный метод: "вся проблема философии состоит в следующем: из явлений движений найти силы Природы, а затем из этих сил продемонстрировать другие явления". Слово "демонстрировать" здесь означает математический вывод, и этот отрывок ясно показывает, что Ньютон рассматривал математику как полезный инструмент в науке. Он не разделяют убеждения Кеплера, Галилея, Декарта о том, что мир имеет математическую основу, и в своей Universal Arithmetic он даже предполагал, что могут существовать проблемы, с которые невозможно решить математически.
Взгляд Ньютона на конечную цель науки был выражен в часто цитируемом отрывке:
"Я бы хотел, чтобы мы могли вывести остальные явления Природы с помощью таких же рассуждений из механических принципов, поскольку многие причины побуждают меня подозревать, что все эти явления зависят от определённых сил, с помощью которых частицы тел, по некоторым причинам, нам пока неизвестным, притягиваются или отталкиваются друг от друга. Поскольку эти силы до сих пор неизвестны, философы тщетно пытались исследовать Природу, но я надеюсь, что изложенные здесь принципы прольют свет на этот или какой-то более истинный метод философии".
Здесь мы находим явную веру в механическую теорию Природы, т.е.её объяснение в терминах неизмененных частиц, структуру и движение которых можно описать на языке геометрии, вместе с силами взаимодействиями между ними. Все изменения в Природе следует рассматривать как разделения, соединения и движения неизменных атомов, к обычным свойствам которых – растяжение, твёрдость, непроницаемость, подвижность – Ньютон добавил инерцию. и, возможно, гравитацию. Это – физическая теория Природы. После того, как Дальтон восстановил атомную теорию, обосновав на ней химию, она стала доминирующей теорией в физике.
Доминирует ли физическая теория сегодня?
Рассмотрим вначале процесс возрождения математических теорий Природы, в их ново форме.
Ньютон отказался исследовать вопрос о посредниках гравитационного притяжения, однако в случае электромагнетизма и оптики вопрос о среде. через которую передаётся воздействие от. одного тела к другому привлекал всё больше и больше внимания. Множество сходств между поведение звуковых волн и гипотетических волн света сделал неизбежным введение концепции эфира. Но вскоре стало очевидно, что свойства эфира сильно отличаются от свойств известных материальных веществ и, таким образом, возникло искушение трактовать его в очень общем смысле, не пытаясь описать его в механических понятиях. Этому содействовало изобретения термина энергия, неизвестного во времена Ньютона. Лагранж придумал для упрощения расчётов математическую функция потенциал, позже ставшую потенциальной энергией[4]. Потом была введена ??функция кинетическая энергия, а также действие. С помощью этих функций можно было решать задачи механики в очень общем виде, без рассмотрения сил, положений и движений в каждый момент времени. Грин в 1838 г. оправдывал такой подход следующим образом: "мы настолько невежественны в отношении способа действия элементов светоносного эфира друг на друга, что представляется более разумным взять за основу наших рассуждений какой-то общий физический принцип, чем предполагать эти способы действий, которые, вдобавок, могут сильно различаться от механизма, используемого Природой; особенно если этот принцип приведет к более простым расчётам". МакКаллах, ирландский физик, откровенно сказал о математической функции, которую он ввёл для описания оптических свойств эфира: "Если нас спросят, откуда взяты гипотезы, на которых основана наша теория, то мы не дадим удовлетворительного ответа. Мы вынуждены признать, что кроме закона "живых сил" (vis viva), эти гипотезы – лишь удачные предположения. Они, весьма вероятно, верны, поскольку привели к элегантным законам, которые полностью подтверждаются в экспериментах; но это всё, что мы можем утверждать о них. Мы не можем пытаться вывести их из первых принципов, потому что в теории света такие принципы ещё предстоит найти. В самом деле, свет наверняка создаётся волнами, распространяющимися с поперечными вибрациями через эфир, обладающий высокой эластичностью; но строение этого эфира и законы связи его частиц (если есть какие-то связи) с частицами тел неизвестны".
В этом рассуждении стоит отметить утверждение, что гипотезы, вероятно, верны, если они ведут к красивым законам, которые подтверждаются экспериментов. А также догматический тон, столь распространенный среди лиц с математическим складом ума, утверждения, что свет, безусловно, производится волнообразными движениями высокоэластичного эфира. Осторожный характер оценок Ньютона уже полностью отброшен.
Эйри[5] пошёл ещё дальше, описав свои математические уравнения как "дающие не механическое объяснение явлений, а показывающие, что явления могут быть объяснены с помощью уравнений, которые, видимо, могут быть выведены из некоего правдоподобного механического предположения, хотя такового и не было сделано" (1848 г.).
В этом высказывании утверждается, что физические явления можно объяснить уравнениями (математическими соотношениями). Это далеко от утверждения Ньютона о том, что явления зависят от сил, действующие со стороны тел, и к этому периоду в истории науки можно отнести восстановление интереса к математическим теориям Природы – представлениям, что причины явлений есть математические соотношения.
Теория относительности, особенно в форме её изложения Эддингтоном, также поддерживает математическую теорию Природы. Уравнения Лоренца показывают, как могут быть объяснены результаты наблюдаемых измерений. Но никакие силы, которые были бы причинами изменений инструментов или замедления часов, при этом не упоминаются.
Акцент на измерительном характере наблюдений привёл Эддингтона к замечанию, что физику нужно только чёрно-белое зрение для фиксации показаний измерительных инструментов. Затем он утверждал, что наши знания о мире – лишь измерения, что привело его к переопределению нашей Вселенной как "мира, который описывают физические знания", после чего он сделал поистине поразительный вывод, что "фундаментальные законы и физические константы полностью субъективны, будучи метками на знании, полученном наблюдателем через свои чувственные и интеллектуальные инструменты". Ограничив ощущения получением чисел от измерительных приборов, Эддингтон дал сильную поддержку математической теории Природы.
Джеймс Джинс даже утверждал, что Великий Архитектор Вселенная является математиком. Он говорил: "если мы хотим узнать окончательные истины о Вселенной или её строения, нам следует обратиться к математику".
Если мы спросим, ??каково соотношение масс протон и электрон, то мы можем обратиться к словам Эддингтона: "методы математика могут дать нам окончательный и полный ответ, в то время как ответы экспериментатора дают лишь частичный ответ ... Кратко говоря, мы живем в математической вселенной".
Таким образом, математика вновь оказалась на троне королевы наук. а физиков отправили на задние скамейки.
В физике микромира, где изучаются атомы и их ядра, методы применения математических концепций без какой-либо их физической трактовки, прослеживаются уже с начала прошлого века, а ныне они значительно расширились. На сегодня математические физики забросили все попытки причинных объяснений: их устраивает, если с помощью аналогий и математических трюков они выводят формулу, которая даёт правильную связь между экспериментальными измерениями, и которая, будучи интерпретирована в физических терминах, может предсказать существование какой-то частицы или взаимодействия в физическом мире. При этом сами интерпретации значительная разнятся между собой, а ряд выводов явно абсурден или включает бесконечности, поэтому насчёт них нет общего согласия.
Некоторые математики, правда, частично признают проблемы с математическими теориями Природы. Например, Пуанкаре сказал: "Математический метод, будучи строгим и негибким, часто вселяет в нас необоснованную уверенность и мешает нам посмотреть со стороны". Эддингтон тоже счёл нужным признать, что "дедуктивная теория в некотором смысле является врагом экспериментальной физики". Физики, по большей части, не высказывались на этот счёт, хотя Резерфорд как-то сказал о работе Планка: "в Брюсселе меня поразило, что жители континента, похоже, ничуть не заинтересованы в поиске физической основы теории Планка. Они довольны объяснением всего из сделанных предположений и не беспокоятся о настоящей причине. Я думаю, что английская точка зрения гораздо более физическая и её можно предпочесть".
Обратившись к космологии, мы обнаруживаем область, в которой искушение грандиозных спекуляций почти непреодолимо. Так, Милн разработал модель Вселенной, построенную из числовых предположений, на которую, как он считает, настоящая вселенная должна походить. Почему бы так? Потому что, по его словам, он не использовал каких-либо физических гипотез и его вселенная оказалась уникальной! Поскольку это была единственная Вселенная, которую мог представить разум, то она должна быть реальной. Казалось бы, такие аргументы должны были уйти вместе с Декартом, но, как видим, они ещё живы. По словам профессора МакКри[7] "вся наша физическая и математическая подготовка заставляет нас искать инварианты; мы инстинктивно считаем, что Вселенная должна иметь инвариантные свойства и что она, как целое, безусловно, должна быть инвариантной". Но на самом деле это лишь мода нынешнего времени и физики могут, возразить, что в прошлом богословское образование заставляло искали в небесных делах совершенство. И, как ни странно, совершенство снова появилось как принцип в космологических спекуляциях, хотя нынешние авторы, видимо, не имеют отношения к теологии. Более того, чтобы поддержать идеи совершенства, некоторые современные астрофизики без колебаний постулируют создание материи из ничего, гипотезу, в пользу которой нет никаких доказательств.
Этот рассказ о тенденциях в методологии физики за последнюю сотню лет или около того показывает, что математическая теория Природы возрождается. Вселенная математична, и теории её поведения могут быть успешно построены только математиками, чей статус поднялся от лиц, которые делают математические выводы из физических теорий (как, например, сделал Лаплас на основе теории тяготения Ньютона) до теоретиков, которые рассказывают физикам, что те найдут в своих экспериментах. Ошибочно, однако, полагать, что в математическом саду всё совершенно – там много сорняков, бурный рост которых имеет тенденцию скрывать цветы (Эддингтон называл их "хламом").
Прежде чем обсудить вопрос: действительно ли следует отказаться от физических теорий Природы, давайте посмотрим на некоторые современные примеры проблем с новым принятием её математической теории. Прежде всего, ранние мыслители, считавшие математические отношения причинами, верили в божество, которое было источником всего и которое заставляло тела вести себя согласно идеальным математическим отношениям. Ньютон со своей физической теорией сил, освободил божество от необходимости постоянно присматривать за вселенной и лишь призвал его совершить первоначальное творение. После этого, и после совершения нескольких чудес для того, чтобы показать людям свою власть, божество ушло в полуотставку, предоставив силам природы вызывать движения во Вселенной. Но нынешняя математическая теория Природы возродилась без божества, а потому не может дать никаких причинных объяснений, ведь уравнения не обладают силой и не могут заставить даже пылинку изменить своё движение.
По словам Ньютона "мы занимаемся причинами чувственных эффектов", и этими причинами были силы, которыми частицы оказывали влияние друг на друга и которые в некоторых случаях мы могли сами ощутить. Нет никаких оснований, игнорируя данные своих чувств, ограничившись одним только чёрно-белым зрением.
В наше время подчёркивается способность формул предсказывать (при соответствующей интерпретации в физических терминах). Математическая теория включает уравнения, которые не только дают правильные числовые результаты измерений при правильном применении, но и предсказывают новые частицы. Предсказание, однако это эвристическое свойство физической теории, занимающейся причинами. Можно себе представить, что математик выведет формулу, которая, при соответствующей интерпретации, предскажет высоту и время прилива в данном месте. Но это не будет объяснением причин приливов. Для такого объяснения нужна физическая теории, рассматривающая силы взаимодействия между объектами. Физика – это больше, чем просто поиск формул.
Сегодня в математической физике, похоже, ощущается это отсутствие причинных объяснений и многие пытаются его преодолеть, используя причинный язык в рассуждениях о фиктивных частицах, напр. "виртуальных мезонах", которые называются подобно физическим объектам, но таковыми не являются. Аналогично пространство-время, чисто математическая концепция, рассматривается некоторыми как объект, вызывающий движения планет.
Другой ловушкой в математических теориях Природы являются константы в физических законах; к ним так привыкли, что их смыслу не уделяют должного внимания. Одна из них – гравитационная постоянная G, наличие которой в законе обратных квадратов гравитации связано с тем, что инертная масса тела примерно в 4000 раз превышает его гравитационную массу. Но книги релятивистов (напр. М. Борна) сообщают, что инерциальная и гравитационная массы тела равны, и что это увидел Эйнштейн. Хотя в данном случае имеется всего лишь непонимание физического смысла константы G.
Ещё одна проблема математических теорий Природы – второстепенное значение наблюдений и экспериментов. Недоверие Ньютона к дедуктивным рассуждения, если они не подтверждены экспериментом, и его постоянные требования "больше экспериментов" теперь называются "узким экспериментализмом". Наблюдения производятся с целью проверки уже имеющихся теорий, а не для изучения путей Природы[8]. Результатом такого отношения является искушение находить то, что ищется. Если опыты дают не совсем то, что ожидается, то часто делаются их исправлениях, до тех пор, пока результат опыта не совпадёт с ожиданиями в пределах "вероятной ошибки". После чего исправления прекращаются. Хуже того, возникла тенденция игнорировать противоречащие теории результаты опытов. ... Что ищется, то и находится.
Тенденция разделения физиков на теоретиков и экспериментаторов также имеет серьезные недостатки. Дело в том, что когда вы сами проводите эксперименты и наблюдаете их результаты, то вы почти всегда получаете больше, чем ожидается по вашей теории. Если вы одновременно и создатель теории и экспериментатор, то вы нередко сразу видите, что эти дополнительные неожиданные данные прямо опровергают вашу теорию или требуют её изменения. В любом случае, вы можете оценить, являются ли дополнительные данные соответствующими теории. Но если экспериментатор не является теоретиком, ему трудно сказать, можно ли игнорировать дополнительные данные или нет, и возникает сильное искушение не заметить их и даже не записать их. Теоретики тоже страдают из-за отсутствия контакта с наблюдением и экспериментом, так как из вторых рук трудно судить, подтверждается ли теория результатами опытов.
Ещё одна особенность современной физики – неправильное употребление слов. Возьмём, например, слово энергия. Изначально это была математическая функция, используемая для упрощения расчётов, и её применение позволяло избегать углубления в детали физических явлений. Сейчас энергия в физике – некоторое число, полученные измерением, характеризующее физический процесс - как человеко-часы являются числовой характеристикой процесса, скажем, постройки судна "Куин Мэри". Несомненно, полезно знать, что для постройки такого корабля требуется, скажем, 10 миллионов человеко-часов; поскольку, имея, мы тогда сможем рассчитать сколько времени займёт, при данной имеющейся рабочей силе, постройка корабля. Однако нельзя сказать, что причиной появления судна"Куин Мэри" являются человеко-часы, вложенные в верфь. Тем не менее, сейчас постоянно встречаются выражения типа "нам стал тепло из-за притекшей к нам от Солнца энергии", абсурдные с точки зрения физики. Другой пример: сейчас говорят, что атом не может испустить электрон, пока не поглощенное определенное количество энергии. Это звучит как причинно-следственное объяснение, но оно в этом отношении столь же абсурдно, как и утверждение, что корабль не может сойти с верфи, пока та не поглотит определённое количество человеко-часов. Энергия – это не вещь и не взаимодействие между вещами, это численная характеристика физических процессов или состояний. Следовательно, энергия не может рассматриваться как причинный агент; она не может занять место силы и её всё более широкое использование как "причины" лишь оправдает мнение Шпенглера о ней как о великом мифе западной науки.
В заключение поставим вопрос: есть ли какое-либо реальное оправдание отказу от физических теорий Природы? Многие физики считают, что это далеко это не так, и я согласен с Блэкеттом [9] в том, что "даже в очень сложных предметах, например, в структуре ядра атома, всегда есть шанс открытия новых и простых концепций".
"Новый подход в теории размерности"
(A new treatment of the theory of dimensions // Proceedings of the Physical Society, 1941, vol. 53, №4, pp. 418-432[10]
1. История вопроса.
В 1822 году Фурье ввёл в своей работе "Аналитическая теория теплоты" теорию размерностей физических величин [6]. Причины, побудившие его сделать это, он сформулировал так:
"Каждая неопределённая величина и константа имеет присущую только ей размерность; члены уравнения не могут быть сопоставлены, если размерностей у них различны. Мы вводим это утверждение в теорию теплоты, чтобы сделать наши утверждения более точными, а также для возможности проверки уравнений".
Со времён Фурье теория размерности физических величин получила значительное развитие. В 1888 г. А.У. Рюкёр[11] отметил, что все физические величины могут быть выражены в терминах пяти единиц – длины, массы, времени, магнитной проницаемости и температуры [9]. В 1914 г. Букингэм[12] изложил принцип однородности размерности [4]. В 1917 г. Толмэн [13] предложил выражать физические величины в единицах длины, массы, времени, электрического заряд и энтропию [11, 12]. Существует масса и другой литературы по данному предмету, но её можно охарактеризовать остроумным выражением Фурье: "Она следует из начальных замечаний, оставленных нам без доказательств".
В настоящее время именно на этих представлениях, которые так или иначе лежат в основе развития физической науки и которые представляют интерес для философии науки, необходимо сконцентрировать особое внимание.
Содержание настоящей статьи является результатом критического рассмотрения процедур измерения, в результате которых физическим явлениям сопоставляются числа. В ней применяются те же методы, которые ранее были использованы нами при рассмотрении задач магнитной и электрической индукции [2, 3]. Оказывается, что для описания размерности всех физических величин достаточно лишь длины и времени. Максвелл в 1881 году отметил такую возможность, хотя, похоже, не был расположен её устанавливать [9]. Лорд Кельвин в 1889 г. также рассматривал её, когда говорил: "Есть что-то весьма важное в том, что можно установить систему измерения в единицах длины и времени. Такой подход не нов, его можно возвести ко временам Ньютона, однако его детальное рассмотрение представляет интерес" [7].
Следующие два утверждения А.С. Эддингтона являются ключевыми для дальнейшего: 1) "смысл всех точных наук состоит в снятии показаний стрелок и подобных указателей (1928 г., [5]); 2) электрический заряд проявляется лишь при наличии других зарядов, в наиболее простом случае, при наличии одного другого заряда, и он представляет собой меру их взаимодействия.
Рассмотрение первого положения приводит к заключению, что единственными измерениями, производимые в физике, являются измерения равных длин или времён; т.о. размерности физических величин должны выражаться в терминах L и T. Рассмотрение второго положения, с учётом его применимости не только к зарядам, но и к массам тел, приводит к заключению, что размерности заряда и массы должны быть одинаковыми, т.к. методы их измерения путём взаимодействий идентичны; таков, например, метод крутильных весов.
2. Показания стрелок.
В точные науки числа вводятся путём определённым исторически сложившихся приёмов. Эти приёмы состоят, кроме простого перечисления, из наблюдений за совмещением двух отметок и подсчёта. Эддингтону и описать однажды физика как человека, которому не нужно только чёрно-белое зрение и показания стрелок.
То, что физик в действительности наблюдает – это показания стрелок приборов и они, вместе со счётом, всё, что требуется науке в части измерений (во всяком случае, точной науке). В связи с этим полезно вспомнить, что масса представляет собой коэффициент, придуманный Ньютоном, сила – это воображаемая причина изменения, а потенциал – условное понятие, европейский миф [14]. Ни одно из этих понятий не измеряется непосредственно. В измерении массы с помощью весов или иным способом тоже присутствуют показания стрелок.
Существуют лишь два способа использования показаний стрелок в процессах сопоставления явлениям Природы чисел[15]: измерение длин и измерению интервалов времени.
Обычный способ измерение длины состоит в использовании шкалы, приводимой в контакт с двумя отметками измеряемого предмета. Нулевая отметка шкалы совмещается с одной из отметок предмета, затем фиксируется та отметка шкалы, которая совпадает со второй отметкой предмета. При подсчёте делений шкалы между двумя отметками, с которыми производится совмещение, получается число, которое, по определению, будет длиной предмета. При этом, чтобы видеть оба совмещения, наблюдатель перемещается от одной точки к другой, поэтому в измерение длины с необходимостью входит и промежуток времени. Чтобы избежать движения, наблюдатель может остаться в точке нулевого совмещения и приспособить зеркало так, чтобы перенести изображение удалённого совмещения к нулевому положению, и видеть сразу оба совмещения. Но и в этом случае в измерение входит некоторый промежуток времени. Его можно выразить словами "время прохождения света".
Как известно, распространение света не происходит мгновенно. Это можно показать, напр., с помощью колеса Физо. Возмущение производится диском со щелью ("свет проходит через щель"), взаимодействует с предметом, расположенном от источника возмущения на известном расстоянии ("освещает зеркало"), и это взаимодействие вызывает обратное взаимодействие с диском ("свет отражается в диск"). Начальное возмущение и вторичное возмущение в диске не мгновенны поэтому измеряя промежуток времени и полагая, что взаимодействие не зависит от направления в пространстве, исследователи сделали вывод, что взаимодействие с зеркалом, удалённом, скажем, на расстояние l от диска происходит за время l/c позже, чем первоначальное возмущение было зафиксировано по часам наблюдателя. Если взаимодействие с другими предметами исключено, то c – универсальная постоянная, которая называется здесь постоянной взаимодействия. Её значение примерно 3*1010 см/сек.
Время измеряется методом, столь же условным, как и метод измерения длины. Вначале вводят равные интервалы времени. При измерении длины мы предполагали, что длина шкала не меняется при её передвижении или изменении её положения в пространстве, поэтому мы можем отмерять равные расстояния. При измерении времени мы определяем равные интервалы как такие, которые дают колебания маятника в вакууме при некоторых условиях. Более современный метод состоит в измерении прохождения через меридиан небесных светил и последующей коррекции на основе теории Ньютона (Браун, 1935 г.; [1]). Во всяком случае, то, что наблюдается, есть прерывистая последовательность совмещений одной и той же пары отметок, одна из которых движется или должна двигаться. Времена между последовательными совмещениями отметок, определённых произвольно, равны, даже если они различны по впечатлению сознания. Наблюдения совмещений между одной и той же парой отметок, или между парами отметок, из которых одна всегда есть та же самая (песочные часы, водяные часы,…) могут быть сделаны без движения наблюдателя или учёта взаимодействия с предметом на расстоянии: нахождение совмещений между разными парами, которое необходимо для измерения длины, учитывает взаимодействие на расстоянии и, следовательно, промежуток времени.
Итак, точные науки занимаются числовыми измерениями явлений природы при помощи некоторых операций, а также процесса счёта. То, что мы в действительности наблюдаем – всегда показания приборов. Когда два последовательных наблюдения состоят в фиксации совмещения разных пар отметок, то измеряется длина; когда последовательность наблюдений состоит в фиксации совмещения одной и той же пары отметок, измеряется время. Измерение длин, т.е. наблюдения различных пар отметок включает в себя движение наблюдателя либо взаимодействие с дальней точкой совмещения. Минимальное время, с которым связано измерение длины l при неподвижном наблюдателе равно l/c, где c – постоянная взаимодействия. Последовательное наблюдение одной и той же пары отметок не требует, чтобы наблюдатель двигался, и не требует какого- либо взаимодействия с удалённым предметом, так что время измеряется без включения длины в это измерение. Поэтому измерение "чистого времени" возможно, а измерение "чистой длины" – нет. Любое измерение длины, даже в теоретическом эксперименте, включает в себя интервал времени l/c, где c – скорость света [16].
Теперь введём следующее определение: эквивалентные измерения – это измерения, которые при одинаковых физических условиях дают в результате одно и то же число. Так, измерение длины l эквивалентно измерению интервала времени l/c, умноженному на константу c.
Введём ещё несколько определений.
Первичные измерительные операции – описанные выше операции, служащие для исчисления пространственных и временных интервалов. Вторичные измерительные операции – все другие операции измерения, напр. взвешивание тел, показания термометра и т.д.
Физическая величина – всё, что может быть измерено.
Знание физической величины – число, полученное в результате измерения [17].
3. Определение размерности физической величины.
Пусть операция измерения длины обозначается символом L, а операция измерения времени – символом T. Поскольку результаты всех измерений выражаются с помощью чисел, полученных с помощью одной или обеих этих операций, то любая физическая величина может быть выражена в терминах L и T. В дальнейшем будет использоваться система единиц CGS; однако изложение не зависит от того, какая именно система единиц принимается.
Рассмотрим измерение площади. Число, представляющее площадь, является произведением двух чисел, полученных при измерении двух длин. Будем обозначать размерность этой величины как L1*L1, или L2. Аналогично размерность объёма представляем как L3. Измерения углов требуют двух измерений длины, но результирующее число получается делением этих чисел друг на друга, поэтому результат представляем как L0. Подобным образом скорость представляем как LT-1 а ускорение – как LT-2. Показатель степени указывает на способ, которым числа, полученные в результате измерений, преобразуются в значение рассматриваемой физической величины [18].
Теперь можно определить, что такое размерность физической величины.
Размерность физической величины это символ LnTm, обозначающий первичные операции измерения длины и времени (L, T), а их показатели показывают степени, в которые числа, полученные при измерении, возводились, согласно определяемой величине.
Отношение физических величин получается при делении соответствующих им величин и размерностей. Например, отношение двух длин будет просто число.
Следует отметить, что хотя число, получаемое при измерении длины, есть отношение длины предмета к длине эталона, это не делает все длины просто числами. Длина предмета не есть нечто, данное в сознании. Она представляет собой число, полученное с помощью процесса, называемого измерением. При этом длина эталона получается не с помощью измерения, а по определению и, таким образом, представляет собой единицу размерности. Длина стержня, измеренная с её помощью, есть, напр., 10L.
Как отмечено выше, длину можно измерять двумя способами: или с помощью эталона, или измеряя соответствующий интервал времени и умножая его на с, постоянную взаимодействия. Следовательно, можно написать L = cT. Т.о. в формуле размерностей L можно заменять на cT.
4. Размерности механических величин.
Многие физические величинами измеряются не непосредственно, а с помощью уравнений, содержащих величины, которые могут быть измерены, , напр., сила, электрический заряд и т.д. Такие уравнения можно назвать определяющими. По ним определяются единицы измерения и размерности. Если уравнения, определяют физическую величину прямо пропорционально через другие (напр., сила пропорциональна ускорению), то единичная величина для неё определяется так, чтобы сделать численное значение константы пропорциональности равным 1. Аналогично, размерность величин выбирается так, чтобы константы пропорциональности была безразмерной.
Ньютонова механика на основе эксперимента делает вывод, что сила необходима лишь для изменения скорости, а не для её поддержания. Условие для определения силы и массы было введено Ньютоном; оно имеет вил:
(сила) = (масса) * (ускорение)
Здесь имеется два неизвестных, и только одно уравнение. Ньютон дополнил его законом тяготения
(сила) пропорциональна (масса)2/ (расстояние)2
Теперь есть два уравнения с двумя неизвестными, так что можно найти либо силу, либо массу.
Записывая вышеупомянутое уравнение в виде
(сила) = gm2/r2
где g – некоторая константа, и подставляя его в первое уравнение, получим
gm/r2 = (ускорение)
Используя квадратные скобки для обозначения размерности, и полагая, что g – безразмерная константа, получаем
[m] = [ускорение] [длина]2 = L3T–2
В дальнейшем будет показано, что выбор g безразмерной величиной согласуется с формулами сил для электричества и магнетизма.
Учитывая всё сказанное выше, формулы размерностей можно представить в следующем виде:
Масса L3T–2
Сила L4T–4
Энергия L5T–4
Импульс L4T–3
Действие L5T–3
Плотность L4T–2
Угловой импульс L3T–3
и т.д.
Перейдём к рассмотрению электричества и магнетизма.
5. Размерности электрических и магнитных величин.
В п.1 уже отмечалось, что Эддингтон особо обращал внимание на тот факт, что электрический заряд e представляет собой меру взаимодействия двух зарядов. Аналогично можно заключить, что масса M и количество магнетизма m также являются мерами взаимодействий, а поскольку методы их измерений аналогичны (напр., использование крутильных весов) и формулы для них также аналогичны (обратная пропорциональность квадрату расстояния), то их размерности должны быть одинаковы. Это показывает запись
[сила] = [gM1M2/r2] = [e1e2/kr2] = [m1m2/μr2]
Здесь k и μ – безразмерные (Браун, 1940; [2, 3]); в каждом случае они являются отношениями чисел, полученных при измерениях, выполненных вначале для материалов, о которых идёт речь, а потом для вакуума. При этом делении их размерности сокращаются. Следует отметить, обращаясь к литературе прошлого, что k и μ – это величины, которые вводим мы сами, а вовсе не какие-то мифические "проявления физической природы" электричества и магнетизма (Толмэн, 1917; [11]).
Так как k и μ безразмерны, согласованность вышеприведённых уравнений выполняется, если g тоже безразмерно. Появление g в уравнении для силы тяготения произошло из-за того, что эталон массы уже существовал; и определялся иначе, чем заряд или количество магнетизма. Для согласия формул единичную массу надо взять такой, чтобы при размещении единичных масс в двух точках на расстоянии единицы длины, при бесконечном удалении от других тел, сила взаимодействия этих двух масс равнялась бы единице силы [19]. Если бы масса вводилась так, то константа g вовсе не появилась бы, и все три уравнения были одинаковы для вакуума (когда все другие массы, заряды и магнитные массы бесконечно далеки от двух тел, о которых идёт речь). Таким образом, мы вправе считать g в нашей формуле безразмерной. Нетрудно показать, что sqrt(1/g) является отношением введённой так единичной <гравитационной> массы к <нынещней мере масс> грамму (= 3,9*103).
Размерности электрического заряда и магнитной массы те же, что и размерность массы, L3T–2.
Легко получить следующие размерности:
Величина Электростатическая система Электромагнитная система
Электрический заряд L3T–2 L3T–1
Электр. плотность и индукция LT–2 L2T–3
Электрический потенциал и э.д.с. L2T–2 L3T–3
Электрический ток L3T–3 L2T–2
Электрическое сопротивление L–1T LT–1
Электрическая ёмкость L L–1T2
Электрическая индуктивность L–1T2 L
Магнитная масса L2T1 L3T–2
Магнитное поле и индукция L2T–3 LT–2
Магнитный поток L4T–3 L3T–2
Интенсивность намагничивания L0T–1 LT–2
6. Размерности тепловых величин.
Теория теплоты, в отличие от других разделов физики, долго считалась, никак не связанной с механикой. Теплота была введена вначале иным способом, чем электричество и магнетизм – она не измерялась с помощью силы, которая её производит. Нет уравнений, связывающих единицы теплоёмкости и температуры с величинами механик, поэтому установление размерностей тепловых величин менее очевидно, чем электрических или магнитных; . Однако в динамической теории теплоты есть два уравнения, связывающие теплоту и энергию, а также температуру по абсолютной шкале Кельвина (уравнение идеального газа). Соотношение для энтропии, как и закон Стефана не выражают энтропию или температуру в терминах механических изменений и поэтому не могут быть определяющими уравнениями.
Согласно динамической теории, теплота не просто пропорциональна энергии, но она сама есть вид энергии. Соответственно, измерения, определяющие количество энергии, могут применяться равным способом и для измерения количества теплоты. Поэтому их размерности должны быть одинаковыми, и любые коэффициенты, используемые для перехода от единиц тепла к единицам энергии должны быть безразмерными числами. Итак, можно записать:
[теплоёмкость] = L5T–4
[масса] [удельная теплоёмкость] [температура] = L5T–4
В классическом изложении удельная теплоёмкость, по определению, безразмерная величина, так как она представляет собой отношение количества теплоты, необходимого для нагрева тела, к количеству теплоты, необходимому для нагрева той же массы воды до той же температуры. Какие бы символы ни использовались для обозначения измерения тепловых величин, при формировании их отношения символы сокращаются и остаются только <безразмерные> числа. Поэтому
L3T–2 [температура] = L5T–4
[температура] = L2T–2
Размерность температуры соответствует, таким образом, квадрату скорости. Это согласуется с кинетической теорией.
Используем кинетическую теорию и представим идеальный газ как некую термометрическую субстанцию. Можно показать, что температура пропорциональна среднеквадратической скорости молекул. В частности, два различных материала имеют ту же температуру, если при контакте их с термометрическим веществом средний квадрат скорости движения их молекул один и тот же.
Другой способ показать это заключается в следующем. Возьмём две массы жидкостей М1 и М2 с удельными теплоёмкостями S1 и S2, и пусть температура этих жидкостей t1 и t2. Пусть они вступают во взаимодействие, соприкасаясь между собой. Пусть t3 – температура жидкости, полученной после взаимодействия, и S3 – её удельная теплоёмкость. В идеальном случае, когда нет тепловых потерь и химических реакций между жидкостями, можно записать:
S1М1t1 + S2М2t2 = S3(М1 + М2)t3
Пусть теперь взаимодействие этих масс происходит по другому. Пусть соответствующие им скорости равны v1 и v2, и пусть они сталкиваются, соединяясь после столкновения, причём их общая скорость теперь v3. В идеальном случае, когда не выделяется тепло, для величин энергии можно записать:
0,5М1v12 + 0,5М2v22 = 0,5(М1 + М2)v32
В первом случае тепловое уравнение, во втором случае – механическое уравнение. Если мы рассматриваем теплоту как раздел механики, то ясно – два уравнения подобны по форме, и, если принять, что удельная теплоёмкость – безразмерная величина, то [t] = [v2], т.е. температура должна иметь размерность порядка скорости.
Вслед за этим можно получить
[теплопроводность] = L4T–5
[энтропия] = L3T–2
Размерности, полученные выше для температуры при использовании классического определения, согласуются с современным определением удельной теплоёмкости как энергии на грамм на градус. Они могут быть также получены с использованием уравнения идеального газа (в абсолютной шкале Кельвина) в качестве определяющего уравнения, при условии, что оно корректно по отношению к указанной М вещества, т.е. pv = kMT, где символы имеют своё обычное значение, а k – константа.
Обсудим два вида безразмерных величин. Одни определяются, как отношение результатов аналогичных измерений. Они, очевидно, не меняются при изменении единиц измерения. К ним относится удельный вес, удельная теплоёмкость, удельная всасывающая ёмкость (диэлектрическая постоянная) и проницаемость. Второй вид составляют гравитационная постоянная и механический эквивалент теплоты. Они появляются, если измерение физической величины проводят, используя две системы единиц, лишь одна из которых прямо связана с единицами длины и времени. При определении g используется некоторый эталон инертной массы (грамм) и гравитационная единица массы; при определении j – тепловые единицы и механические единицы для энергии. Величины g и j являются безразмерными по динамической теории. Напр., когда все измерения проводились в механических единицах, j представлял собой отношение двух энергий.
Если, однако, не всё измерено в механических единицах (а обычно так оно и есть), тогда эти величины изменяются в зависимости от выбора единиц.
Когда обе системы по отдельности связаны с единицами длины и времени, как, например, для электростатической (Э.С.) и электромагнитной (Э.М.) систем, то коэффициент представляет собой степень с и не является безразмерным.
7. Соотношения между единицами электростатической и электромагнитной систем.
Э.С. и Э.М. системы объединяются теорией, основанной на гипотезе, что электрический ток есть физический эквивалент постоянно движущемуся потоку электростатических зарядов. Это предположение имеет подтверждения в эксперименте. Оно позволяет определить физическую величину для обеих систем, т.е. указать два различных метода её измерения, и утверждать, что они дают один и тот же результат. Так как измерения символически изображаются с помощью размерностей, то теперь эквивалентные измерения должны символически изображать одинаковые формулы размерностей.
Выше было показано, что все измерения могут быть представлены посредством Ln и Tm, а также найден эквивалент измерения длины и времени: L = сT.
Попробуем найти эквивалентность или, иначе, разницу в измерениях Э.Д. и Э.М.
Пусть измеряется ёмкости конденсатора. Для него, в системе Э.С.достаточно, как известно, шкалы (длин), а в системе Э.М. требуется ещё измерять время. Этот пример наводит на мысль, что должна быть определённая эквивалентность между измерениями длины и измерениями времени, если в результате получается одно и то же число.
В системе Э.С. это измерение представляется через L, а в системе Э.М. – через L–1T2.
Вторую формулу можно получить, умножив первую на L2/L2 и подставив L = сT.
L = L L2/L2 = с2L–1T2
Эта формула показывает, что Э.С. измерение [L] эквивалентно Э.М. измерению [L–1T2], при условии, что это измерение включает в себя множитель с2. Итак, если число, установленное в системе Э.М., умножается на с2, то получается то же самое число, которое должно получиться в системе Э.С. Пусть эти числа будут, соответственно, сЭ.М. и сЭ.С.. Тогда, если проделать эксперимент, можно установить, что сЭ.С. = с2сЭ.М, или sqrt(сЭ.С./сЭ.М)= с = 3*1010 см/сек.
Как известно, это полностью согласуется с экспериментом, что подтверждает гипотезу об эквивалентности (и неразличимости в измерениях) потока постоянно движущихся электрических зарядов и постоянного тока.
8. Эксперимент в тёмной комнате.
Предположим, что отношение ёмкостей конденсатора в Э.С. и Э.М. системах определяется в тёмной комнате. Гальванометр должен быть стрелочным прибором, устроенным так, чтобы положение стрелки на шкале можно было почувствовать, а шкала поделена гравировкой так, чтобы деления можно было подсчитать на ощупь. Часы могут бить метроном. Для простоты будем пренебрегать логарифмическим декрементом. Наблюдения, после некоторого навыка, дадут 3*1010 см/сек. Так как света в тёмной комнате нет, то и не производится какого бы то ни было измерения его скорости. Это значит, что правильнее говорить о "скорости взаимодействия" [20].
9. Соотношения энергия-масса и импульс-масса.
Полагая, что уравнение L = сT выражает основной эквивалент размерностей, продолжим изучение вопроса об эквивалентных физических измерениях. Рассмотрим размерность энергии:
[энергия] = L5T–4
Подставляя сюда L = сT, можно записать
[энергия] = с2L3T–2
[энергия] = с2[масса]
Таким образом, измерение энергии и измерение массы эквивалентны, если число, найденное в последнем случае, умножается на с2. Или, иначе говоря, если при некотором физическом взаимодействии обнаруживается, что масса уменьшается, а энергия увеличивается, то существует соотношение, которое числам, полученным при одном изменении, ставит в соответствие числа, полученные при другом изменении. Это соотношение было, конечно, предсказано теоретически и подтверждено экспериментально.
Рассуждая аналогично, получим
[импульс] = с1[масса]
с соответствующей интерпретацией.
Так как масса и электрический заряд имеют одинаковые размерности, ясно, что справедливо уравнение
[энергия] = с2[электрический заряд]
Таким образом, если рассматривать взаимодействие, при котором измерение электрического заряда после взаимодействия покажет результат меньший, чем до взаимодействия, то происходит увеличение энергии, равное числу, представляющему уменьшение заряда, умноженному на с2. А если потери заряда и прирост энергии не уравновешены, то произошло увеличение массы.
Анализ размерностей в прошлом использовался для проверки физических выражений в уравнениях. Изложенное в этой статье также позволяет проверять физические теории. Например, если невозможно преобразовать размерность одной физической величины в размерность другой физической величины посредством уравнения эквивалентности L = сT, то соответствующие им измерения не могут быть эквивалентны и, следовательно, полученные числа не могут быть одинаковыми. Таким образом, теория, утверждающая, что одна физических величин может превращаться в другую, будет неверна, если их размерности неэквивалентны. Напр., масса может превращаться в энергию, но не в угловой импульс или перемещение.
В связи с этим интересно отметить, что все физические величины, к которым применимы законы сохранения, в идеальном случае могут быть измерены эквивалентными процессами
Величина Размерность Эквивалентная размерность
Энергия L5T–4 с4L
Импульс L4T–3 с3L
Масса, заряд (Э.С.), энтропия L3T–2 с2L
Заряд (Э.М.) L2T–1 с1L
10. Заключение.
Изложение теории размерности, представленное выше, даёт существенное упрощение в обычных выражениях для размерностей физических величин. Вместо пяти различных символов требуется лишь два, L и T, которые представляются операциями измерения, доступными при помощи стрелок. Исчезают дробные степени, причём величина требуемых степеней не превышает шести, включая нулевую степень. Другое применение теории размерности также вытекает из нового подхода, где он может использоваться для проверки теории в том месте, где она касается возможности "превращения" одной физической величины в другую, а также эквивалентности измерений одной и той же физической величины в разных системах.
Подчёркнём важность названия величины с "постоянной взаимодействия". Слово "скорость" лучше применять в тех случаях, когда есть какое-либо видимое движение. В случае светового и электромагнитного излучения нет, вообще говоря, никакого видимого перемещения. Таким образом, может быть лучше относиться к свету не как к чему-то перемещающемуся в пространстве от светящегося объекта к глазу – частица или волна – но как к части непрерывного взаимодействия в пространстве, такого, как взаимодействие Луны и морских приливов и отливов; излучение производится без необходимости гипотезы о чём-то, перемещающемся в пространстве. Причина, по которой "скорость света" играет такую большую роль в современной физике в том, что "скорость света" не является какой бы то ни было скоростью. "Волны света" – это достаточно схематический механизм для объяснения и вычисления различных эффектов взаимодействия. Так как атомные частицы никогда не наблюдались визуально, а только через взаимодействие, не должен вызывать удивление тот факт, что волновая теория, которая оказывается полезной для описания одного вида взаимодействия, может оказаться полезной и для описания других его видов. Таким образом, волны света и волны массы – только схематический механизм, нужные для того, чтобы иметь дело со взаимодействием, которое только и можно измерить.
То, что точная наука имеет дело с показаниями стрелок, и то, что они могут быть сведены к измерению только длины и времени, объясняет то, как мир точной физики может быть уменьшен до только лишь свойств пространственно- временного континуума. Всем в природе, что не может быть выражено посредством чисел, можно пренебречь.
11. Благодарности.
Автор глубоко благодарен сэру А. Эддингтону за критические замечания, которые позволили ему обогатить раздел о теплоте существенными замечаниями.
Поскольку на Г.Б. Брауна, очевидно, оказали влияние работы Кельвина, уместно дополнить заключительную фразу его статьи следующей цитатой: "Если вы можете измерить то, о чем говорите, и выразить это в числах, то вы что-то знаете об этом предмете, если нет - ваши знания предмета скудны и неопределенны" (Кельвин). Примерно таких же ("пифагорейских") взглядов придерживался и А. Эддингтон. Вместе с тем, в более позднее время (данная статья написана в 1941 г.) Г.Б. Браун в значительной степени отошёл от них; в частности, в своей книге "Наука: её метод и её философия" (1950 г.) он отнёсся к подходу Эддингтона критически.
Литература
1. Brown G.B., 1935, "The Limits of Science", Sci. Progr., 116, 729.
2. Brown G.B., 1940 a), "A New Treatment of Electric and Magnetic Induction", Proc. Phys. Soc. 52 No 5 (1 September 1940) 577-615.
3. Brown G.B., 1940 b), "Fundamentals of Classical Electric and Magnetic Theory", Nature, London, 147, 789.
4. Buckinghum E., 1914 Phys. Rev., 4, 345.
5. Eddington A., sir, 1928 "The Nature of Physical World", p.252.
6. Furier J. 1878, "The Analytic Theory of Heat"
7. Calvin, lord, 1889 "Popular Lectures and Address", 1, 103.
8. Maxwell J. C., 1881 " Electricity and Magnetism", 1, 4.
9. Rucker A.W., 1888, Proc. Phys. Soc., 10, 377.
10 Tolman R., 1917a), Phys. Rev., 9, 237.
11 Tolman R., 1917b), Phys. Rev., 9, 242.
"Унификация макрофизики" (в сокращении)
(The Unification of Macroscopic Physics // Science Progress, 1958, vol. 46, № 181, pp. 15-29)
В статье излагается развивавшаяся Брауном теория действия на расстоянии.
Древнегреческие атомисты утверждали, что воздействие одних тел на другие производится только давлением или ударом. Эта точка зрения была поддержана Аристотелем,а в средние века – св. Фомой Аквинским: схоластическая аксиома гласила, что "материя не может действовать там, где её нет". Дунс Скот и его последователи не соглашались с этим, а Уильям Оккам, используя свою "бритву", отсекал всех ненаблюдаемых посредников действий и заявлял, что нет оснований возражать против "действия на расстоянии".
Движение магнита, вызывающее движение железных опилок, представляется действием на расстоянии (action-at-a-distance). Но мы сами обычно неспособны совершать действия на расстоянии, разве что возмущая воздух (средство передачи действия) или бросая предмет (выброс частиц, "излучение"), и это, видимо, является причиной отрицательного отношения большинства натурфилософов, включая Декарта и Ньютона, к идее действия на расстоянии. Декарт заполнил всё пространство средой, в которой свет распространялся путём давления. Гук утверждал, что движение света было колебанием среды; эту идею поддержал и развил Гюйгенс. Котс, однако, в своём предисловии ко второму изданию "Начал" Ньютона, защищал действие-на-расстоянии в духе оккамизма, а именно: это единственная концепция, которая не требует непроверяемых и ненужных гипотез. Бошкович [21] пытался объяснить все физическое явления теорией действий-на-расстоянии между точечными частицами. Представления о посредующей световой среде, эфире, стали доминировать после работ Фарадея, развитых Максвеллом, и постепенно вытеснив идею действия-на-расстоянии среди континентальных учёных, в т.ч.е Римана, Карла Неймана, Вебера и Клаузиуса.
Максвелл понимал, что без эфира его уравнениям нельзя было придать физический смысл. Рассуждая об энергии, напряжении и давлении электростатического поля, он писал: "Если влияние системы E2 на E1 на самом деле производится прямым действием-на-расстоянии, без участия каких-либо посредников, то нам следует рассматривать ... [эти] величины как просто сокращённые формы для определенных символических выражений, не имеющие физического значение". Это было в 1892 году, через несколько лет после знаменитого эксперимента Майкельсон и Морли, давшего отрицательный ответ на вопрос о движении Земли в эфире. Из которого следовало, что либо эфира вообще нет, либо он увлекается движением Земли. Последнее было отвергнуто и оставалась только сделать вывод, что эфира нет.
Если эфира нет, то эффекты электромагнетизма, в т.ч. свет, представляют собой либо действие-на-расстоянии, либо ("баллистическое") излучение частиц. Опыты Майораны [22] устраняют вариант излучения частиц, поскольку приводят к выводу, что время, нужное для воздействия, не зависит от относительного движения источника и приемника. В "баллистической" теории относительное движение источника и приемника всегда влияет на время воздействия. Эта независимость ясно показывает, что взаимодействие и вещество различны, и попытки объяснить первое в терминах второго, изобретая тонкие частицы различных видов, принимая "контактные силы" как бы не требующие дальнейшего объяснения, обречены на провал. Вряд ли стоит добавлять, что "контакт" не является действием-на-расстоянии на очень малых расстояниях.
Действие-на-расстоянии остаётся, и опыты убеждают нас, что для света и колебательных электрических сил это действие не мгновенно. Т.о. мы должны рассматривать не-мгновенное, или запаздывающее действие-на-расстоянии и понимать, что в состоящем из взаимодействующей материи мире, свойства взаимодействия должны быть выведены из эксперимента и приняты как "данные", подобно тому, как выводятся и принимаются как "данные" свойства частиц материи.
Эта задача значительно усложняется отдельными особенностями языка. которые развивались, впрочем, независимо от науки. Так, говоря о свете, мы постоянно используем те же термины, что и для вещей – например, говорим об "изогнутом луче" или о "свете, проходящем через отверстие в экране", как будто что-то движется, занимая последовательные промежуточные положения во времени. Но лучи – это лишь полезные понятия; волны света проходят через отверстия не больше, чем это делают постоянные силы гравитации; эти понятия относятся к суперпозиции и фазовым отношениям – ничего из них не "путешествует".
Итак, начнем с макроскопической физической теории Природы, согласно которой "вещество" состоит из устойчивых взаимодействующих частиц и все изменения имеют причиной движения (а не "зарождение" или "уничтожение"). Причинами движений являются силы, а причинами сил – физические объекты. Мы ограничимся теорией взаимодействия на достаточно больших масштабах, чтобы избежать необходимости рассмотрения "квантов".
Мы пытаемся описать физическую вселенную, а не создаём математическую конструкцию. В ней участвуют не символы, а материя, которая, взаимодействуя с другой материей, создаёт все наши ощущения. (ощущение силы даёт особый набор глубоко расположенных нервов). Наше описание Вселенной должно быть таким, что, если мы представим движущихся наблюдателей, то отношения между данными их измерений смогут быть выведены, а не постулированы, как в теории относительности. В любом случае, физики редко интересуются сравнением результатов измерений движущихся наблюдателей; их интересуют данные измерений одним наблюдателем результатов взаимодействий покоящихся и движущихся тел. Чтобы упростить эту задачу, выдвинем некоторую физическую гипотезу, основанную на экспериментах, но которую мы будем оценивать по результатам: все макроскопические действия на расстоянии имеют одну ту же константу замедления с (примерно 3*1010 см/сек).
Это позволяет нам ввести Закон запаздывающего действия: все частицы во Вселенной находятся в постоянном взаимодействии друг с другом, но частица в момент времени t может воздействовать на другую частицу, находящуюся относительно неё на расстоянии r, только в более позднее время (t + r/с).
Время измеряется обычным образом, с использованием циклических физических процессов и с добавлением поправок как из теории, так и из наблюдений (приливное трение, неравномерность вращения Земли).
Далее мы используя метод Ньютона, т.е. начнём с физической теории, затем выведем её численное выражение из экспериментов и наблюдений. Так Ньютон, начав с физической идеи всемирного тяготения и инерции относительно тела Бога (точнее "Сенсориума" (Sensorium), т.е. абсолютного пространства) [23] вывел закон обратных квадратов из наблюдений Тихо Браге (на которых Кеплер основал свои законы), законы движения из опытов Галилея, и третий закон из экспериментов, проведенных для Королевского общества Реном, Уоллисом, Гюйгенсом, и, конечно, своих собственных.
Исходный пункт физической теории тел, действующих друг на друга на расстоянии, очевидно, есть действие друг на друга двух частиц. Формула для силы между двумя частицами должна быть основной формулой физики. Предположим – поскольку, вероятно, невозможно предположить что-либо иное, – что это сила не зависит от остальной части Вселенной, и что наблюдаемые нами силы представляют собой суперпозиции многих сил. Ньютон, следуя Галилею, рассматривал силы как действующие независимо, так что сила тяготения между двумя частицами зависела только от самих частиц (представленных коэффициентом масса) и расстояния между ними, а если на частицу в один и тот же момент действовали несколько сил, то результирующая сила получалась их сложением по правилу параллелограмма. Мы примем принцип сложения сил, так как он подтверждён экспериментально, и расширим принцип независимости действия сил на случай относительного движения и запаздывания действия, следующим образом:
каждая частица действует на каждую другую частицу с силой, которая зависит только от самих частиц (измеряемых массой и зарядом), их относительного расстояния и движения и константы запаздывания с·(принцип физической относительности)
Как известно, Ньютон считал гравитационное взаимодействие мгновенным . Он не измерял силу притяжения между покоящимися телами, как это сделал позже Кавендиш, но полагал, что выполнение законов Кеплера подтверждает гипотезу о мгновенном действии силы притяжения между двумя частицами обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними в этот момент. Таким образом, он имел дело с движущимися телами, но скорости планет гораздо меньше чем с, и гипотеза казалась удовлетворительной (согласующейся с данными наблюдений), так что Ньютон не пытался включить в свою формулу скорость или ускорения. На движения перигелиев планет, расходящихся с расчётными значениями, внимание было обращено лишь позже, и тогда же было предложено внести в формулу Ньютона некоторые изменения.
Теперь мы знаем, что в электромагнитных явлениях сила между двумя заряженными частицами зависит от их относительного движения. Значит, в формулу силы между заряженными частицами нужно включить скорости.
Примем следующую простую гипотезу. Положим, что гравитационные и электромагнитные силы между двумя частицами изменяются относительное движения и расстояния одинаково. К ней нас склоняет тот известный факт, что когда они покоятся, соответствующие силы зависят от расстояний и от зарядов или масс сходным образом <формулы Кулона и Ньютона>.
Теперь приступим к нахождению дополнительных членов в формуле для электромагнитных сил, поскольку они намного превосходят гравитационные силы и мы можем измерять их весьма точно. Положим, вместе с Ампером, что все магнитные эффекты происходят из-за движения заряженных частиц и что в неподвижных проводниках, по которым течёт постоянный ток, есть отрицательно заряженные частицы, движущиеся со скоростью смещения v, а в осцилляторах эти частицы имеют ускорение f.
Ампер на основе многих опытов вывел формулу силы, действующей между двумя элементами цепей ds1 и ds2 проводников, по которым текут постоянные токи il и i2. Учитывая эксперименты Роуленда [24] и Хатчинсона, которые показали, что движущиеся электрические заряды производят магнитные эффекты, аналогичны эффектам электрических токов в проводниках и количественно такие же, как в формуле Ампера, если в ней ids заменить на qv/c, мы может получить из формулы Ампера формулу силы, действующей между двумя движущимися зарядами, учитывающую их скорости:
Ex = qq'/r2{[(0,5K+1)*(v/c)2 – 1,5(K+1)*(vr/c)2]cos(rx) + Kvxvr/c2}
где Ex – сила в направлении x, vx и vr – относительные скорости в отношении направлений x и r соответственно.
Следует отметил, что если полагаться на наши теории металлической проводимости, формула применима к значениям v << с.
Ускорение электрического заряда возникает при подаче тока или его прекращении в обычном замкнутом контуре, и возникающие силы были исследованы Фарадеем в его знаменитых опытах по электромагнитной индукции. Ускорение также возникает в разомкнутых цепях, в которых происходят электрические колебания, особенно в антеннах радио. Силы, которые вызывают эти колебаниями, в приёмной цепи – те, что делают возможным радиовещание. Из этих сил мы можем вывести ускорения в нашей формуле легче, чем из экспериментов по индукции, потому что если мы рассмотрим силу в точке, находящейся далеко от антенны, то части антенны можно считать находящимися на одинаковом расстоянии от точки поэтому не-мгновенность взаимодействия повлияет только на фазу. Имеем для такого случая:
Ex = qq'/rc2[frcos(rx) – fx]
Затем мы можем применить теорему Тейлора, чтобы изменить это выражение для учёта "запаздывания", когда r и cos(rx) не одинаковы для всех частей индуктивной цепи, как было в случае антенны. Мы находим окончательно:
Ex = – qq'/2rc2[frcos(rx) + fx]
Таким образом мы нашли дополнительные члены скорости и ускорения, которые следует добавить к формуле электростатической силы. Окончательная формула такова:
Ex = qq'/r2{[1+ (0,5K+1)*(v/c)2 – 1,5(K+1)*(vr/c)2 – rfr/2c2]cos(rx) + Kvxvr/c2 – rfx/2c2}
Если это верно, то мы сможем предсказать (по новой формуле) другие явления; например, явление электромагнитной индукции.
Рассмотрим индуктивное воздействие элемента цепи на другой элемент той же или другой цепи. Нам нужно найти силу, стремящуюся разделить положительно и отрицательно заряженные частицы в этом элементе, в направлении элемента, и проинтегрировать по всей цепи; от этой силы, отнесённой к единице заряда, можно рассчитать индуцированную электродвижущую силу. Проделав это, обнаружим, что члены скорости и ускорения по отдельности дают э.д.с. = –dN/dt; это формулировка Неймана результатов Фарадея. Она представляет равномерно движущиеся цепи с постоянными токами (скоростные члены) и покоящиеся цепи с меняющимися токами (члены ускорения), соответственно. Таким образом, наша формула подтверждается.
Как уже отмечалось, члены скорости в формуле силы были получено по результатам опытов при v << c. Тем не менее интересно посмотреть, будет ли формула верна для к движущихся свободных электронов. Если электрон движется под прямым углом к действующей электрической силе, можно показать что величина этой силы будет уже не классическая 4πse (где символы имеют обычные значения), а 4πse(1+(v/c)2/2).
Теперь, если мы разделим это выражение для силы на инертную массу электрона me , то, для малых значений (v/c)2, получим ускорение:
4πse/[me(1–(v2/c2))1/2]
Оно имеет тот же вид, что и в теории относительности, предполагающей изменение инертной массы. К сожалению, точность нынешних экспериментов такого типа недостаточна, чтобы решить, верна ли эта формула силы, или в неё требует добавить члены высших степеней v2.
Происхождение инерции
В соответствии с гипотезой о том, что гравитационные и электрические силы зависят от расстояния и движение одинаково, мы преобразуем формулу силы для притяжения между двумя частицами заменой m и m' вместо q и q'.
Полученное уравнение говорит нам о силе притяжения между двумя движущиеся частицы, но ничего не говорит о результирующем изменении движения. Однако в реальной Вселенной все частицы окружены множеством других, и наблюдения показывают, что это окружающее вещество распределено более или менее равномерно на одинаковом расстоянии во всех направлениях. Итак, исследуем, с помощью полученной формулы, какой эффект оказывает сферически равномерно распределенное вещество на частицу в центре сферы или рядом с ним.
Положим, что у нас есть две частицы A и B, покоящиеся друг относительно друга и будем игнорировать слабое гравитационное взаимодействие между ними. Используя предложение епископа Беркли, изученное Ньютоном, рассмотрим силы, оказываемые на них остальной Вселенной. Мы не знаем движения разных частиц в окружающей среде Вселенной относительно них, и, следовательно, не знаем действующих сил, но, если A и B свободны и находятся не очень далеко друг от друга, то результирующее движение будет быть одинаковым для обоих. Пусть A движется относительно B равномерно со скоростью v. Дополнительную силу, возникающую тогда при взаимодействии со всей Вселенной можно рассчитать по нашей формуле, используя принцип физической относительности и полагая частицу A находящейся внутри однородного сферически распределенного вещества, движущегося со скоростью –v. Этот сила оказывается равной нулю в центре и пренебрежимо малой в остальной части. Таким образом, мы можем сказать, что равномерная скорость одной частицы по отношению к другой частице не производит никаких дополнительных взаимодействие со Вселенной в целом [25].
Аналогично, если мы придадим А ускорение f относительно В, то мы сможем вычислите по нашей формуле возникающую дополнительную силу. Она окажется действующий в направлении, противоположном ускорению и равной в центре (4/3)fπρR2m/c2.
где ρ – средняя плотность вещества во Вселенной (в динамических единицах), R – радиус, который в настоящее время оценивается на основе наблюдений [26]. Если частица А находится не в центре, а на расстоянии p от него, то сопротивляющаяся сила будет:
[(20R2 – 4p2)/15]fπρm/c2 для радиального движения
[(20R2 – 8p2)/15]fπρm/c2 для тангенциального движения
Поскольку R примерно равно 1027 см, а Солнечная система даже за 1000 лет сдвинется на примерно 1016 см, то разница практически незаметна. Таким образом, можно сказать, что равномерное ускорение частицы относительно любой другой частице производит дополнительное взаимодействие с окружающим веществом Вселенной, в результате чего возникает сила, противоположная направлению ускорению и пропорциональная ему.
Этот вывод из теории запаздывающего действия-на-расстоянии позволяет решать проблемы динамики.
Мы начали с физической теории Природы, утверждающей, что все физические явления можно объяснить движением неизменных частиц, взаимодействующих друг с другом посредством того, что мы называем силой. Мы нашли опытным путём формулу макроскопической силы притяжения или отталкивание и использовали силу притяжения Земля на небольшие тела (взвешивание на весах) для введения численной системы мер. Знание силы, действующей между двумя частицами, ничего не говорит нам о результирующем движении, но мы видели, что если мы рассмотрим частицы, окружённые более или менее сферически однородным слоем частиц, как это имеет место на практике, то теория выявляет феномен инерции: частица гравитационной массы m будет иметь ускорение f в направление силы, причём (4/3)fπρR2m/c2, умноженное на f, равно силе притяжения или отталкивания, которая является причиной движения. Таким образом, если мы обозначим (4/3)fπρR2m/c2 = mi и назовём mi "инерционной массой", мы получи м известную форму второго закона Ньютона.F = mif.
Мы уже получили аналогичный результат для первого закона, а именно: частица, движущаяся с постоянной скоростью относительно любой другой свободной частицы, не испытывает дополнительного сопротивления со стороны окружающего вещества Вселенной и поэтому будет продолжать так двигаться.
Третий закон связан с утверждением теории запаздывающего действия-на-расстоянии, что эта сила взаимна и существует лишь между двумя частицами. Сила "в точке пространства" – голая идея, без какого-либо экспериментального подтверждения. Поэтому сила между частицами А и В не имеет независимого существования, и не может быть разной на A и на B. Возникающие при действии этой взаимной силы ускорения, когда A и B свободны и окружены веществом. как и в нашей Вселенной, находятся обычным способом – путём деления этой силы соответствующими инерционные массы.
Таким образом, формула для силы гравитации, учитывающая скорости и ускорения, позволяет нам выводить законы движения, которые в центральных областях сферически однородного распределение вещества совпадают с законами Ньютона, ранее рассматривавшимися как аксиомы. Поскольку Вселенная в целом считается электрически нейтральны, то "электрической инерции", дополнительной силы, действующей по аналогичному расчёту на электрические заряды, нет.
Мы можем провести числовую проверку: известно, что m/mi = G1/2 и т.о. G1/2 должно быть равно 3c2/4πρR2. Взяв значение G = 6,7*10–8 и R = 2*1027 см, получим плотность вещества во Вселенной ρ = 10–27 г/см3, что согласуется с нынешними оценками [27].
Движение перигелиев планет
До сих пор нам не требовалось определять константу K в формула силы. Если применим к расчёту орбиты планеты, вращающейся вокруг Солнца, нашу расширенную формулу для силы тяготения, то найдём, что это булет эллипс, перигелий которого вращается, совершая один оборот за (3 – KπGM)/[c2a(1 – e2)], где M - масса Солнца в граммах, e – эксцентриситет, а - большая полуось орбиты. Если мы выберем К = –3, то получим формулу, впервые выведенную Гербером [28] в 1898 г. в предположении о запаздывающем гравитационном потенциале со скоростью c. Она была также выведена Эйнштейном в 1916 г. и хорошо согласуется с наблюдениями в случае Меркурия, у которого это значение достаточно заметно для наблюдений.
В настоящее время, по-видимому, не существует другого физического явления, связанного с К, для которого можно было бы получить точные результаты наблюдений, чтобы проверить выбранное значения. Однако это значение необходимые для последующих рассуждений.
Импульс и энергия
Теория относительности опирается на постулаты о связях между измерениями движущихся наблюдателей, тогда как настоящая физическая теория должна описывать вселенную так, что если в ней есть движущиеся наблюдатели, то сделанные одним измерения можно пересчитать для другого, хотя на практике это редко представляет интерес. Поэтому, строго говоря, современная физическая теория и теория относительности несопоставимы. Однако мы можем сравнить формулы, полученные в обеих теориях.
Известно, что некоторые формулы теории относительности были подтверждены в атомной физике. Интересно посмотреть, могут ли эти формулы быть получены в настоящей теории.
Рассмотрим упругие столкновения, тогда сила вдоль линии, соединяющей две частицы выражается формулой:
E = qq'*([1 – 0,5v2/c2] – rf/c2)/r2
Отношение члена ускорения к члену скорости равно 2rf/v2. Если мы рассматриваем близкое столкновение молекул, r имеет порядок 10–8 см, и f можно пренебречь, если только она не имеет порядок I08v2. Отбрасывая f, получаем
E = qq'*[1 – 0,5v2/c2]/r2
подставив формулу частицу с массой инерции mi
mif = qq'*[1 – 0,5v2/c2]/r2
Теперь, если для сравнения с теорией относительности мы хотим сказать, что это mi меняется в зависимости от скорости (а не от электрическое взаимодействие) [29], то мы можем написать[30]:
(mi/[1 – v2/c2]1/2)*f = qq'/r2
Отсюда импульс составит
miv/[1 – v2/c2]1/2
что эквивалентно известной формуле теорию относительности.
Переходя к взаимосвязи энергии и массы, мы должны помнить, что масса в физике является коэффициентом, который позволяет нам вычислять гравитационное взаимодействие и из формулы для силы (где qq' заменено на mm') ясно, чтобы мы могли бы объединить термины в скобках с m', и сказать, что именно так масса m' меняется с относительным движение, т.е. когда m' движется относительно m, то её следует принять за m'{...}. Но принцип физической относительности очевидно, даёт нам право приписать заключенным в скобках члены с равные основанием другой массы, m. Сила между частицами, однако взаимна, так что, если члены в скобках отнести к ней, то не понадобится решать, какую из двух частиц следует считать движущейся. Так можно избежать субъективных соображения насчёт наблюдателей. Подобные замечания, конечно, применимы и к электрическим силам.
В физической теории недостаточно сказать, что коэффициент меняется в зависимости от движения; надо ещё знать,какие физические причины вызывают это изменение. Наш ответ: изменяется сила.
Предположим, однако, что мы отнесём члены в скобах {...} к части m', тогда отсюда легко можно получить формулу связи между массой и энергией.
Рассмотрим две частицы масс m и m', покоящиеся друг относительно друга, на расстоянии r. Массы будем брать в граммах. Сила притяжения между ними будет (вдоль r)
F = Gmm'/r2
Теперь предположим, что m' имеет скорость v в любом направлении. Её кинетическая энергия будет m'v2/2 по определению. Сила вдоль r теперь будет
F' = Gmm'/r2[1 – 0,5v2/c2]
Её можно записать как
F' = Gm/r2[m'(1 – 0,5v2/c2)]
т.е. мы могли бы сказать, что m' уменьшилось на (приближённо) v2/2c2. Таким образом, увеличение с кинетической энергии на m'v2/2 соответствует уменьшению массы, равное этой кинетической энергии, разделенной на c2. Итак, мы получаем:
(кинетическая энергия) = (масса)*c2.
Изменение потенциальной энергии происходит вследствие изменения положения, а не из-за движения, так что здесь коэффициент взаимодействия не меняется.
Сохранение энергии и импульса математически следует из классической формулы F = mf. Поскольку в теории запаздывающего действия-на-расстоянии у нас была та же формула, то законы сохранения также выполняются. Однако следует учитывать, что в Природе нет бестелесных сил. F всегда обусловлена некоторым веществом, поэтому, если есть движение относительно него, то F надо рассчитывать по формуле, включающей члены скорости и ускорения, так что простой вывод законов сохранения не проходит. Классические законы сохранения для малых скоростей и ускорений в обычных случаях остаются верны с большой точностью.
Заключение
В настоящей статье сделана попытка показать, что физическая теория Природы, вместе с концепцией запаздывающего действия на расстоянии способны дать причинно-следственное описание хорошо подтвержденных макроскопических явлений, открытых со времен Ньютона, с точки зрения материи, движения и силы. Гравитация и электромагнетизм объединены сходной формулой для силы. Всюду использовался ньютоновский метод, то есть построение физической теории, а затем вывод формулы для измеряемой в экспериментах силы; из теории, и формулы выводились другие явления, такие, как инерция и электромагнитная индукция, тем самым достигая "цели (burden) философии", как говорил Ньютон.
Теория относительности начинает с постулатов об отношениях между данными измерений движущихся наблюдателей, избегая подлинного физической проблемы: какие свойства должна иметь физическая Вселенная для того, чтобы между данными, измеряемыми наблюдателями, были такие соотношения, какие они есть.
Настоящая теория даёт физическое объяснение изменению массы и соотношению между массой и энергии, которые были получены в специальной теории относительности. Что касается трёх хорошо известных предсказаний общей теории относительности, то из них лишь движение перигелия Меркурия удовлетворительно согласующееся с наблюдениями, Настоящая теория даёт объяснение движению перигелия, при этом для согласования с наблюдениями требуется введения некоторой константы, а то время как в общей теории относительности требуется введение двух постулатов (принцип ковариантности и эквивалентности). На основе настоящей теории может быть рассчитано повышенная инертной массы вблизи большого тела, и оно даёт правильное значение для красного смещения спектральных линий на краю диска Солнца; впрочем, эта проблема ещё не решена в В теории действия на расстоянии, конечно, нет никакого "искривления света" в свободном пространстве. Также в предложенной теории допустимы скорости выше световой, в отличие от теории относительности.
"Что не так с теорией относительности" (в сокращении)
(What is wrong with relativity? // Bulletin of the Institute of Physics and Physical Society, Vol. 18 (March, 1967) pp.71-77)
В настоящей заметке автор критикует СТО и ОТО, в основном, с методологических позиций, более развёрнуто высказанных им в статье "Отказались ли вы от физической теории Природы?" (1956 г.). Он противопоставляет аксиоматически- математический подход к построению теорий того или иного класса природных явлений другому, называемому им "физическим" и возводимому к Ньютону – в котором главной целью считается выявление причин этих явлений, которое, в свою очередь опирается на установление законов определяющих эти явления сил. Т.е. автор соотносит "причины" с "силами", и считает, что основной задачей физики должно быть их нахождение, путём экспериментов и дальнейшего математического оформления. Также автор утверждает, что СТО содержит неустранимые противоречия, и показывает, что теория запаздывающего действия на расстоянии (изложенная им в т.ч. в статье "Унификация макрофизики" (1958 г.), даёт ряд тех же предсказаний, что СТО и ОТО, но избегает при этом противоречий и неоправданных гипотез последних, а, кроме того, имеет "физический" характер, в отличие от "спекулятивных" теорий относительности.
Заметка составлена на основе лекций, прочитанных автором в Королевском институте философии, Физическом и химическом обществах Университетского коллежа Лондона.
Настоящие физики – то есть физики, которые проводят наблюдения и эксперименты, а также занимаются теорией – всегда чувствовали себя неловко по поводу "относительности". Как сказал Бриджмен, "если что-то физическое выходит из математики, оно должно быть представлено в другой форме". По его словам, проблема заключалась в том, чтобы выяснить, как физика попала в теорию (Bridgman, 1927).
Беспокойство вызывают заблуждения даже выдающихся ученых, таких, как К.Г. Дарвин и Поль Ланжевен. Дарвин написал письмо в Nature (Darwin 1957), в котором рассказал, как он просто объяснял "относительность" своим друзьям; простота, однако, состояла в том, что, за исключением одной формулы, в нём вообще не говорилось о теории относительности. Сходным образом, Ланжевен дал якобы "релятивистское" доказательство результатов оптического эксперимента Саньяка [31], но, по словам его земляка Андре Меца, это "довольно элегантно" (assez elegant), но не имеет отношения к теории относительности (Metz, 1952).
Есть и другие проблемы с теорией относительности: например, тот факт, что Эйнштейн так и не дал окончательного изложения своей теории; что его первый вывод уравнений преобразования Лоренца содержал скорости света c–v, c+v и (c2–v2)1/2, что противоречило его второму постулату о независимости скорости света от движения источника; что его первая попытка доказать формулу E = mc2, предложенную Пуанкаре, была ошибочной, т.к. он предполагал то, что требовалось доказать, как показал Айвз (Ives, 1952).
Поэтому неудивительно, что на настоящих физиков теория относительности не произвела большого впечатления: они были склонны соглашаться в её оценке с Резерфордом. После того, как Вильгельм Вин, потерпев неудачу в попытке объяснить ему великолепие теории относительности, воскликнул в отчаянии: "Ни один англо-сакс не сможет понять относительность!" Резерфорд засмеялся и сказал: "У них слишком много здравого смысла!"
Давайте же посмотрим, насколько здравомыслящими они являются.
Прежде всего, немного истории. Нет надобности повторять описания, приводимые сейчас во многих учебниках, безуспешных попыток обнаружить эфир. Самый простой вывод, а именно, что эфира не существует и что, таким образом, нам надо признать либо действие на расстоянии, либо баллистическую передачу света (излучение) был признан неприемлемым. Вместо этого Пуанкаре предпочёл ввести "принципу относительности", говорящий: "Законы физических явлений должны быть одинаковыми для наблюдателя неподвижного и двигающегося равномерно и прямолинейно относительно первого - так что нет никаких средств различить, движемся мы таким способом или нет". В результате, возможно, возникла бы "совершенно новая механика, в которой инерция росла бы со скоростью, а скорость света стала бы пределом, который невозможно превзойти" (Poincare, 1904).
В следующем, 1905 году, Эйнштейн повторил принцип относительности Пуанкаре и добавил постулат о том, что скорость света не зависит от скорость его источника. Из принципа и постулата он вывел уравнения преобразования Лоренца, но неудовлетворительным способом, как мы видели. Ещё одной любопытной особенностью этой статьи (Einstein, 1905 г.) было отсутствие каких-либо ссылок на Пуанкаре или кого-то еще; как говорил Макс Борн: "Это создавало впечатление совершенно новой теории. Но это, конечно же, было не так" (Born, 1956).
В 1906 году Планк разработал "новую механику", предсказанную Пуанкаре, получив формулу F = d/dt[mv/(1 – v2/c2)]1/2 а также соответствующие выражения для импульса и энергии. В следующем году он вывел и использовал соотношение связи массы и энергии (Planck, 1906, 1907). В 1909 году Г.Н. Льюис обратил внимание на формулу кинетической энергии m0c2/(1 – v2/c2)1/2 – m0c2 и предложил интерпретировать последний член как энергию покоящейся частицы (Lewis, 1909). Так постепенно возникла формула E = mc2, предложенная без общего доказательства Пуанкаре в 1900 году.
Отсюда видно, что, вопреки распространенному мнению, Эйнштейн сыграл незначительную роль в достижении основных идей и выводе формул специальной, теории относительности. Уиттекер назвал её теорией относительности Пуанкаре и Лоренца (Whittaker 1953). Недавнее тщательное исследование, проведённое Кесвани, подтверждает это мнение; он оценил вклад Пуанкаре так: "Еще в 1895 г. Пуанкаре предположил, что невозможно обнаружить абсолютное движение. В 1900 г. он ввёл "принцип относительного движения", который он позже назвал в своей книге "Наука и гипотеза", опубликованной в 1902 году, "принципом относительности". В этой книге он далее утверждал, что абсолютного времени не существует и что у нас нет интуиции "одновременности" двух "событий", происходящих в двух разных местах. В лекции, прочитанной в 1904 году, Пуанкаре повторил принцип относительности; описал метод синхронизации часов с помощью световых сигналов; призвал к созданию более удовлетворительной теории электродинамики движущиеся тела, основываясь на идеях Лоренца; и предсказал новую механику, характеризующуюся тем, что скорость света не может быть превзойдена. За этим последовала в июне 1905 года его статья "К динамике электрона" (Sur la dynamice de 1'electron), в которой был связан принцип относительности (невозможностью обнаружения абсолютного движения) с преобразованиями Лоренца, данным Лоренцем годом ранее (Keswani, 1966).
Фактически, Пуанкаре был не только первым, кто сформулировал принцип относительности, но и открыл в работах Лоренца необходимую математическую формулировку. Всё это произошло до появления статьи Эйнштейна" (Keswani, 1965).
Попытка Эйнштейна вывести преобразования Лоренца из принципа относительности и постулата, что скорость света не зависит от источника (если бы в ней не было противоречия), сделала бы преобразования Лоренца независимыми от каких-либо предположений о строении материи (чего не было в выводах Лоренца). Такой подход, конечно, был близок людям с математическим складом ума, и Паули считал его достоинством. По словам Эйнштейна преобразования Лоренца были "основой специальной теории" (Einstein, 1935), и это показывает, что он преобразовал теорию, которая, во всяком случае в руках Лоренца, была физической теорией (включая, например, сжатие материи при движении относительно эфира) в нечто, что является не физической теорией в обычном смысле, а физической интерпретацией набора алгебраических преобразований, выведенных из принципа, стоящего над законами, и постулата, который является или может быть представлен алгебраическим выражением факта независимости скорости света от источника. Таким образом, мы видим, что "относительность" не обычная физическая теория; она представляет собой то, что Синг называет "процессом кукушки": то есть, сначала находятся законы природы, а потом они подводятся под общим "принцип. "Яйца откладываются не на голой земле, чтобы их высиживали в ясном свете греческой логики, а в гнезде другой птицы, где их греет тело приёмной матери, в качестве которой в случае с теории относительности выступает ньютоновская физика XIX века" (Synge, 1956).
Итак, специальная теория относительности основана на двух постулатах:
1). закон о законах (принцип относительности, введённый Пуанкаре).
2). алгебраическое представление того, что является или может быть фактом (независимость скорости света от скорости источника)
и они применяются к физической вселенной с помощью
3). процесса кукушки.
Эта основа теории объясняет многое, что озадачивало физиков и инженеров. Они не могли понять, почему Эйнштейн иногда говорил так, словно эфир был излишним (Einstein, 1905), а иногда мог сказать: "Пространство без эфира немыслимо". (Einstein, 1922). Такое происходит, конечно, из-за того, что теория относительности начала не с физических терминов – материи, её движения и её взаимодействий (силы). Физическая теория, включающая излучение, должна была бы начаться с постулирования эфира, или действия-на-расстоянии, или баллистической передачи силы. Также объяснить, как масса и сила инерции попадают в теорию, занимающуюся изучением движения с постоянной скоростью по прямой, т.к. хорошо известно, что при таком движении силы инерции не возникают. Формулы, задающие соотношения между измерениями, сделанными наблюдателями, движущимися с постоянной скоростью по прямой, не могут ничего сказать о том. Это можно сделать только через "процесс "кукушки" – введя в теорию второй закон Ньютона и закон сохранение импульса, а затем модифицируя их.
Утверждение Эйнштейна, что уравнения преобразований Лоренца составляют основу специальной теории относительности, а они, конечно, являются чисто математическими, означает, что, поскольку теория предполагается имеющей некоторые физические следствия, эти следствия должны быть результатом интерпретаций математических выражений в физических терминах. Но в этом процессе возникли серьезные противоречия. Полвека аргументации не устранили их, и попытка объявить их всего лишь кажущимися противоречиями (парадоксами), не сделала теорию относительности состоятельной в смысле физической теории.
Самым заметным противоречием является то, что релятивисты называют "парадоксом часов". Пусть двое совершенно одинаковых часов А и В движутся друг относительно друга с одинаковой скоростью вдоль соединяющей их прямой. Если их собственное взаимодействие игнорируется и если они находятся далеко от другой материи, то они будут продолжать двигаться с одинаковой скоростью. Преобразования Лоренца показывают, что часы, рассматриваемые как движущиеся, идут медленнее. Однако принцип относительности утверждает что A и B одинаково описывают явления Природы. Получается, что часы A движутся медленнее относительно часов B и обратно, часы В движутся медленно; относительно часов A. Таким образом, имеется противоречие между преобразованиями Лоренца и принципом относительности.
Это противоречие можно увидеть на рисунке ниже. Две линии часов проходят близко друг к другу с постоянной скорость v. В данный момент двое противоположных часов A и B установлены на одинаковое время. Все часы на линии A синхронизировано с А методом отраженных световых сигналов. Аналогичным образом все часы на линии B синхронизируются с B. Пусть часы на линии A покоятся, а часы на линии B движутся вправо. Через некоторое время часы B прошли, скажем, расстояние d, и их показания сравниваются с показаниями часов C, находящихся напротив них. C были синхронизированы с A, так что сравнение фактически является сравнением B с A. Согласно преобразованиям Лоренца, движущееся часы B идут медленнее, и поэтому их показания отстают от показаний C (= A). На нижней части рисунка часы B считаются покоящимися и часы А будут двигаться влево. Когда А проходят расстояние d, их показания сравниваются с показаниями часов С' напротив. Но так как раньше, C' были синхронизированы с B, то мы имеем ещё одно сравнение B с A, и на этот раз часы A идут медленнее, так что показания B опережают показания A. Два сравнения должны дать одинаковый результат в соответствии с принцип относительности. Очевидно, что этого нет.
 |
Более интригующим примером так называемого "замедления времени" является "парадокс близнецов", когда один из двух близнецов отправляется в путешествие, возвращается и обнаруживает, что он оказался моложе своего брата, который остался. Этот случай даёт больше возможностей путаницы, потому что в обсуждение можно внести ускорение. Эйнштейн принимал большую молодость путешествующего близнеца и поскольку это противоречит принципу относительности, утверждая, что причиной должно быть ускорение (Einstein, 1918). Его взгляды поддержали релятивисты, последовала длительная полемика во многих журналах, нередко содержавших спекуляции, которые Борн называл "чудовищными" (Born, 1956).
Есть три убедительные причины, по которым ускорение не может иметь ничего общего с предполагаемым замедлением времени: 1). При достаточно длительном путешествии эффекты ускорения в начале, развороте и конце можно сделать незначительными по сравнению с замедление времени при равномерной скорости, пропорциональным продолжительности путешествия; 2). Если эффект замедления времени обусловлен ускорением, то использование формулы, зависящей только от постоянной скорости и продолжительности путешествия не может быть оправдано; 3). В принципе, можно обойтись без ускорения. Близнец А может иметь скорость v до того, как синхронизирует свои часы с часами близнеца Б, мимо которого он проходит. Ему не нужно поворачивать; его может обойти С, имеющий скорость v в противоположном направлении и который настраивает свои часы на часы А, когда он его проходит. Когда позже C пройдет мимо B, они смогут сравнить показания часов. Часы С можно считать часами А, возвращающимся без ускорения [32].
Эти примеры ясно показывают, что проблемы в теории относительности – это не парадоксы, а реальные противоречия, вытекающие из принципа относительности и физической интерпретации преобразований Лоренца. То есть, теория относительности несостоятельна как физическая теория.
В общей теории относительности чтобы преодолеть трудность, заключающуюся в том, что движение с ускорением порождает силы (инерционные), а движение с постоянна скорость по прямой – нет, Эйнштейну пришлось утверждать, что эти силы нельзя отличить от обычной гравитации, а поэтому они не доказывают наличия ускорения. Это он назвал принципом эквивалентности. В поддержку своего утверждения он привёл следующий аргумент: рассмотрим большой закрытый сундук, покоящийся на земле, и его же в удалённом от материи месте, движущегося с постоянным ускорением, равным g (силе тяжести на Земле). Тогда, по словам Эйнштейна, ни один эксперимент внутри сундуку, не смог бы найти разницу в условиях каждого из этих случаев. Но, как я показал, этот вывод ошибочен (Brown, 1960). В первом случае, если бы два простых маятника были подвешены на некотором расстоянии друг от друга, то их нити были бы не параллельны, а направлены в сторону центра масс Земли, и угол между ними мог быть обнаружен. Во втором случае нити были бы параллельны, если бы не небольшое взаимное притяжение. Если нити раздвинуть дальше, то угол между ними увеличится в первом случае, а во втором случае угол, наоборот, уменьшится. Итак, предложенный принцип эквивалентности несостоятелен. Сходное утверждалось и в работ Синга (Synge, I960): "В теории Эйнштейна наличие или отсутствие гравитационного поля зависит от того, обращается или нет в нуль тензор Римана. Это абсолютное свойство, оно не зависит от мировой линии наблюдателя".
Принцип эквивалентности становился правдоподобным из-за использования выражения "гравитационное поле", игнорирующее факт, что это выражение есть полезное понятие, но его нельзя продемонстрировать. Всё, что мы можем сделать, это поместить пробную частицу в некоторую точку и измерить действующую на неё силу. Это может быть и действием на расстоянии. Как только термин "поле" опускается и мы начинаем говорить о силе притяжения между покоящимися телами, мы понимаем, что эта сила – центростремительна, в отличие от силы инерции. Это важное различие между ними и скрывает использование слова "поле".
Что до второго закона общей теории относительности, выдвинутого Эйнштейном, принципа ковариантности – то есть, требования, чтобы законы физика были записаны в форме, независимой от системы координат, то при достаточной изобретательности почти любой закон физики можно выразить в ковариантной форме, так что этот принцип не накладывает каких-либо ограничений на природу этих законов и т.о. бесплоден.
В поддержку теории гравитации Эйнштейна обычно приводятся три примера: 1). Движение перигелия Меркурия – но оно может быть объяснено по-разному (Уиттакер, 1953) [33]; 2). "Огибание света" вокруг Солнца, которое широко рекламировалось как подтверждённое во время затмения 1919 г. При этом не учитывались изменения положений звёзд в направлении, противоположном предсказанному. Оценки варьировались на разных снимках из-за рефракцию в атмосфере. Тем не менее среднее значение оказалось "в точном соответствии с требованиями теории Эйнштейна" (Бюллетень Ликской обсерватории, 1922, № 346). Более поздние расчёты дали разные значения. 3) Гравитационное красное смещение света теперь кажется подтвержденным, но его можно вывести и из гипотезы Маха о том, что силы инерции возникают вследствие взаимодействия с удалёнными телами Вселенной (Ньютон также рассматривал такую ??возможность; см. Brown 1943).
Итак, общая теория относительности основана на одной ошибке (принципе эквивалентности) и на одном бесплодном принципе (ковариантности).
Западная наука давно предложила отказ от представления, что законы Природы можно найти, просто размышляя, или приняв принципы, основанные на одном только разуме, или красоте, или простоте. Идея совершенства небес, как мы знаем, сдерживала астрономию и ей противоречило открытие пятен на Солнце. Ньютоновский метод состоял в том, чтобы сначала установить факты путём тщательных наблюдений и экспериментов, затем приступить к попыткам объяснить их в физических терминах – материи, движения и силы – а затем из такой теории вывести с помощью логики и математики различные принципы (например, сохранение импульса), а также дальнейшие следствия, которые можно подвергнуть экспериментальной проверке. Естественные науки – это поиск причин: логика и математика для них – лишь инструменты. Ньютон ясно дал это понять, когда, предложив первое удовлетворительное объяснение приливов, он сказал: "Таким образом, я объяснил причины движения ... моря. Теперь уместно добавить кое-что относительно количества этих движений". Релятивисты же ныне утверждают, что "достоинство чистых теоретических спекуляций реабилитировано ... основанных на разуме, с его собственным оправданием" (близко к Декарту!). Теория относительности, по их мнению, "спасла науку от узкого экспериментализма, она подчеркнула ту роль, которую красота и простота должны играть в формулировании теорий физического мира" (Mercier, 1955).
Недостатки теоретических рассуждений, основанных на одном только разуме, хорошо понятные Ф. Бэкону и основателям Королевского общества, очень ярко проявились в теории относительность. Неудобные факты. "парадоксы" объясняются натянутыми рассуждениями, а то и вовсе игнорируются. ...
Ещё слишком рано делать попытку окончательного суждения об "относительности", но мы, конечно, можем сказать, что "относительность" не предоставила убедительного обоснования для принятия нового научного метода, который включает в себя "разумные процессы, которые сами по себе оправдываются", и для отказа от теории Ньютона, постоянно призывавшего к большему количеству экспериментов, как от "узкого экспериментализма". Она также не оправдывает замену построения физических теорий на интерпретации алгебраических соотношений, выводимых из постулируемых общих принципов.
Литература
Bergmann P.G., 1942, Introduction to the Theory of Relativity (NY: Prentice-Hall), preface.
Born M., 1956, Physics in My Generation (London: Pergamon Press), p. 193.
Bridgman P.W., 1927, The Logic of Modern Physics (NY: Macmillan), p. 169.
Brown G.B., 1943. Nature, Lond., 151, 85-6
- 1955, Proc. Phys. Soc. B., 68, 672-8
- 1956, Sci. Progr., 44, 619-34.
- 1958, Sci. Progr., 46, 15-29
- 1960, Amer. J. Phys., 28, 475-83.
- 1963, Contemporary Physics, 5, 15
- 1965, I.P.P.S. Bulletin, 16, 319.
- 1966, I.P.P.S. Bulletin, 17, 22.
Capildeo R., 1961, Proc. Camb. Phil. Soc., 57, 321-9
Darwin C.G., 1957. Nature, Lond., 180, 976.
Einstein A., 1905. Ann. Phys., Lpz., 17, 891.
- 1918, Natturwissenschaften, 48, 697-703.
- 1920, Relativity. The Special and the General Theory (London: Methuen), appendix I.
- 1922, Sidelights on Relativity (London: Methuen), p. 23.
- 1935, Bull. Amer. Math. Soc., 41, 223-30.
- 1959, Albert Einstein: Philosopher Scientist (New York: Harper & Brothers).
Essen L., 1962, Proc. Roy. Soc. A., 270, 312-4.
Fock V., 1959, Theory of Space, Time and Gravitation (London: Pergamon Press), p. 401.
Ives H.E., 1952, J. Opt. Soc. Amer., 42, 540-3.
Keswani G.H., 1965, Brit. J. Phil. Sci., 15,286-306; 16, 19-32.
- 1966, Brit. J.Phil. Sci., 17, 234-6.
Lewis G.N., 1909, Phil. Mag., 28, 517-27.
McCrea W., 1952, Nature, Lond., 179, 909.
Mercier A., 1955, Nature, Lond., 175, 919.
Metz A., 1952, J. Phys. Radium 13, 232.
Planck M.. 1906, Verh. dtsch. phys. Ges., 8, 136-41.
- 1907, S.B. preuss. Akad. Wiss., 13, 542-70
Poincare H., 1904, Bull. Sci. Math., 28, 302 (English translation: Monist, 1905, 15,1).
Poor C.L.. 1930, J. Opt. Soc. Amer., 20, 173-211.
Synge J.L., 1956, Relativity: The Special Theory, (Amsterdam: North-Holland), p. 2.
- 1960, Relativity: The General Theory (Amsterdam: North-Holland), p. 2.
Tolman R.C., 1934, Relativity, Thermodynamics and Cosmology (Oxford), preface.
Whittaker E.T., 1953, History of the Theories of Aether and Electricity, Vol. II.
Приложения
Уэстон-сьюпер-Мэр
Приморский город в графстве Сомерсет , расположенный в 32 км к юго-западу от Бристоля. С открытием в 1841 г. железной дороги в город стали часто приезжать жители Бристоля. С 1850-х гг. в городе начался строительный бум; построено много вилл для представителей среднего класса.
 |
 |
Brown Brothers cafe
В апреле 1896 г. братья Артур Эдгар и Уилфред Марриадж Браун открыли кафе в Уэстоне, по адресу Хай-стрит, 25- 26 (сейчас 76-78). В то время слово cafe было довольно новым, особенно на западе Англии. Его называли также "Восточным кафе", поскольку его интерьер был оформлен в восточном стиле и там неизменно подавали чай и кофе. Район Хай-стрит был торговым центром в Уэстоне. Кафе Brown Brothers славилось своими тортами и кондитерскими изделиями.
 |
В 1953 году кафе закрылось.
Мэри Браун
Мэри Агнес Бурнистон Браун Бразьер (Mary Agnes Burniston Brown Brazier) (1904- 95 гг.)
18 мая 1904 г. родилась в Уэстон-сьюпер-Мэр. Младшая сестра Гая Бурнистона.
Училась в квакерской школе в Сидкоте. Там же обучался её будущий му Лесли Дж. Брейзер (Leslie Giddens Brazier; 1898 -1966 гг.., позже ставший инженером-электриком.
Затем училась в Бедфордском колледже Лондонского университета; бакалавр наук.
1930 г. получила степень доктора по физиологии и биохимии в Лондонском университете.
Специалист в области нейробиологии.
1940 г. приехала в Бостон по стипендии Рокфеллера.
20 лет работала в Массачусетской больнице общего профиля; в Гарвардском университете; в Массачусетском технологическом институте.
1956 г. Избран членом Американской академии искусств и наук
С 1961 г. в Институте исследования мозга Калифорнийского университета (Лос-Анджелес).
1962 г. Премия от Института неврологии Национального института здравоохранения,
1978- 84 гг. шестой генеральный секретарь и первая женщина на этой должности в IBRO. В те же годы главный редактор журнала "Электроэнцефалография и клиническая нейрофизиология".
Автор почти 250 статей и книг.
Школа в Сидкоте
Расположена в 12 км от Уэстона в сторону Бристоля, недалеко от деревни Уинскомб.
Основана квакерами в 1699 году для обучения мальчиков из квакерских семей. Преподавались следующие предметы: письмо, арифметика греческий язык, латынь. Первый директор – Уильям Дженкинс. Местный епископ отрицательно относился к её деятельности – для открытия школы в то время в Англии требовалась церковная лицензия, также квакеров тогда часто преследовали по суду – за отказ от принесения клятв, отказ платить десятину церкви и проповеди. В 1729 г. квакерская школа в Сидкоте закрылась, но с 1808 г. была открыта снова. В неё стали принимать и девочек, хотя обучение велось раздельно. В первом наборе учеников было 6 мальчиков и 3 девочки.
С конце XIX в. обучение мальчиков и девочек стало совместным. В то время в школе было 8 классов; принимали в неё с 10 лет. В последнем классе ученики сдавали выпускные экзамены, по стандартам приёмных экзаменов в Лондонский университет.
В 1908 г.в школе училось около 150 мальчиков и девочек. 80% дети квакеров или связанных с ними.
 |
 |
Ф.А. Найт в 1915 г. написал книгу об истории школы в Сидкоте.
 |
Школа функционирует и сейчас.
Университет Манчестера
В 1859 году в Манчестере на деньги, оставленные по завещанию Оуэнсом, был основан колледж, получивший его имя. В 1880 г. Оуэнс-колледж стал частью федерального университета Виктории. Этот университет был основан и получил королевскую хартию в 1880 г., став первым гражданским университетом Англии. В 1884 г. к нему присоединился Университетский колледж Ливерпуля; в 1887 г. – Йоркширский колледж в Лидсе. В 1903 г. колледжи стали независимыми.
В 1903 г. в Манчестере на основе Оуэнс-коллежа был основан Манчестерский университет.
Среди его известных выпускников и сотрудников конца XIX - начала XX вв. – А. Эддингтон, Э. Резерфорд, У.Л. Брэгг, Дж. Чэдвик; Ганс Гейгер; Дж. Пойнтирг, Дж.Дж. Томсон и другие.
Огнеходы
Феномен "огнеходства" неоднократно получал разные физические объяснения; впрочем, о случаях, когда авторы этих теоретических объяснений проверили бы их на собственной практике, не сообщается.
Куда Бокс (Kuda Bux, 1905- 81 гг.), из Кашмира, в 1935 г. продемонстрировал хождение по огню перед группой учёных из Совета по психическим исследованиям Лондонского университета и репортеров. Он невредимым пересек яму с горящими углями. Его ноги проверяли до и после демонстрации, чтобы убедиться, что не использовались никакие защитные химикаты, кремы и пр.
Помимо огнехождения он демонстрировал и другие трюки. Так, он закрывал глаза мягкими шариками из теста, обматывал всю голову полосками ткани, после чего читал даты на монетах, которые держал в руках зритель, читал мелкий шрифт журнала и т.д.
Ахмед Хуссейн (Ahmed Hussain) в 1937 г. также демонстрировал огнехождение перед группой учёных и репортёров.
 |
 |
Общество психических исследований (SPR)
Физик Уильям Ф. Барретт (Barrett; 1844 - 1925 гг.) в книге "На пороге невидимого" (1917 г.) сообщал, что в 1876 г. он видел как десятилетняя дочь его знакомого на глазах присутствующих демонстрировала паранормальные явления, включая левитацию. Отчёт об этих событиях Барретт представил Британской Ассоциации развития науки, где прочитал доклад, при содействии Альфреда Р. Уоллеса, Уильяма Крукса, лорд Релея.
В январе 1882 года в Лондоне по инициативе Баррета было образовано Общество психических исследований, заявленной целью которого было изучение научными методами событий , обычно описываемых как экстрасенсорные/ паранормальные.
В 1884 году при участии профессора Гарвардского университета Уильяма Джеймса в США был образованй филиал SPR.
Совет по психическим исследования
6 июня 1934 г. пр Университетском колледже Лондона был образован образован Совет по психическим исследованиям (Council for Psychical Investigation). Его возглавил философ С Джоад (Joad; 1891 - 1953 гг.); в его работе принимал участие ряд профессоров и сотрудников колледжа; почётным секретарём стал активист этих исследований Генри Прайс.
Совет выпускал бюллетень.
В 1937 г. Прайс организовал телевизионную трансляцию хождения по огню с А. Хусейна.
Примечания к разделу "Биография"
[1b] сейчас в бывшем здании этой школы вХитчине находится отель Lord Lister, названный так в честь её знаменитого ученика
[2b] Испанское научно-исследовательское учреждение, объединяющее государственные организации Испании, специализирующиеся в области прикладных и фундаментальных исследований, и координирующее их деятельность на национальном уровне.
Примечания к разделу "Работы по физике"
[1] 16-мерная некоммутативная и неассоциативная алгебра, дальнейшее расширение поля комплексных чисел и кватернионов.
[2] https://www.breitbart.com/tech/2017/03/29/j-scott-armstrong-fraction-1-papers-scientific-journals-follow-scientific-method/
[3] Генри Мор (More, 1614- 87 гг.) – английский философ, профессор богословия и философии в Кембридже, представитель кембриджских платоников. Автор "Руководства по метафизике" (Enchiridion metaphysicum, 1674 г.).
[4] Всё, что упрощает расчёты, можно признать существуюшим- истинным; ср. теорию Коперника.
[5] Дж.Б. Эйри (Airy: 1801- 92 гг.) - английский математик и астроном.
[6] Э.А. Милн (1896 - 1950 гг.), английский астрофизик.
[7] Уильям МакКри (William Hunter McCrea; 1904- 99 гг.) английский астроном и математик, профессор ряда английских университетов.
[8] т.е. нахождения (индукцией) законов Природы из накопления опытов.
Автор не учитывает здесь, что многие объекты современной физики не наблюдаемы чувствами, так что о них, по словам Гейзенберга, "можно говорить только на математическом языке".
[9] Патрик Мэйнард Стюарт Блэкетт (Blackett) (1897 - 1974 гг.) – английский физик, лауреат Нобелевской премии по физике.
[10] Эта статья излагает содержание некоторых лекций, прочитанных в 1939 г. (прим. Брауна).
[11] Артур Уильям Рюкер (Rucker) (1845 - 1915 гг.) – D.Sc.; FRS, секретарь Королевского общества в 1896 - 1901 гг.; профессор физики ряда английских колледжей.
[12] Эдгар Букингем (Buckingham) (1867 - 1940 гг.) – американский физик; спецалист в области газовой динамики и термодинамаит. Работал в основном в Национальном бюро стандартов. Изучал пробдемы размерного анализа (Buckingham, E. On physically similar systems; illustrations of the use of dimensional equations // Physical Review, 1914, vol. 4, № 4, pp. 345- 76).
[13] Р. Толмен (1881 - 1948 гг.) – американский физик, специалист в статмеханике, космологии.
[14] В других местах Браун называл потенцил "функцией, придуманной для облегчения расчётов", т.о. в т.ч. отказывал ему в "физческом" значении; в этом и состоит смысл его слов о "мифе".
[15] т.е. нахождения значений физических величин
[16] Длина, протяженность, пространственный объект представляет собой фигуру; для преобразования её в число "применяем свет"; распространение света в пространстве играет роль канонического инструмента преобразования фигур в числа (пространство во время).
[17] точнее, число, сопоставляемое физическому явлению/ физическому телу (впрочем, физическое тело можно рассматривать как стационарое физическое явление).
[18] Сведение всех величин (размерностей) к пространственно-временным эквивалентно выражению всех изменений/ движений объектов через "механические", т.е. через их изменения в пространстве и времени. Это также можно представлять как часть уже длительное время популярной программы "геометризации физики".
[19] Это, конечно, более последовательно, чем основывать физику на гравитационной единице масс (1,7*107 грамм). Здесь масса определена в терминах длины и времени (прим. Брауна).
[20] Это рассуждение саязано с развивавшейся Брауном теории действия на расстоянии, в рамах которой он вводил "скорость взаимодействия" между частицами, или константу замедления, полагая её равной скорости света, но избегая называть последним термином.
[21] Руджер Иосип Бошкович (1711- 87 гг.).Родом из Рагузы (сейчас Хорватия). Физик, математик, астроном), священник-иезуит. Преподавател Римской коллегии; почётный член Петербургской академии наук; профессора оптики и астрономии в Миланском университете.
[22] Quirino Majorana On the Second Postulate of the Theory of Relativity: Experimental Demonstration of the Constancy of Velocity of the Light reflected from a Moving Mirror //. Philosophical Magazine, 1918, 35 (206), pp. 163-174. Эти опыт должны быть тщательно проверены (прим. Брауна).
Квирино Франческо Валентино Майорана (1871 - 1957 гг.). Физик-экспериментатор. В 1916- 21 гг. профессор физики в университетах Рима , Турина. 1921- 34 гг. профессор физики в университете Болоньи.
[23] Ньютон, впрочем, рассматривал и возможность того, что силы инерции обусловлены окружающей отдалённой материей (прим. Брауна).
[24] Генри Аугуст Роуленд (Rowland) (1848 - 1901 гг.), профессор физики университета Джонса Хопкинса; в 1876 г. экспериментально доказал, что движушийся электрический заряд производит те же магнитные эффекты, что и ток. Позже эти опыты были повторены с большей точностью. К.Т. Хатчинсон в то время – сотрудник университета.
Henry A. Rowland, Cary T. Hutchinson On the electromagnetic effect of convection-currents // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1889, Series 5, Volume 27, № 169, pp. 445-460.
[25] Здесь приходится соблюдать особую осторожность при выборе слов, учитывая отсутствие эфира, относительно которого можно было бы говорить о равномерном движении. Для Ньютона таковое определялось бы относительно "тела Бога" (абсолютного пространства) (прим. Брауна).
[26] Если измерять массу в динамических единицах, то гравитационная постоянная будет безразмерной, а масса будет иметь размерность L3T–2 ; см. статью автора A New Treatment of the Theory of Dimensions (прим. Брауна).
[27] При такой формуле для гравитационой постоянной она оказывается не безразмерной, вопреки тому, что утверждал Браун; кроме того, результаты подсчёта по приведённой формуле при данных им значениях параметров дают для плотности вещества во Вселенной значение, отличное от указанного в тексте. Не исключено, что автор не делал реального расчёта. К тому же по современным оценкам R = 4,37*1027 (а не 2*1027) см, а плотность ro = 10–29 (а не 2*10-27) г/см3. Впрочем, все эти оценки достаточно условны.
[28] Пауль Гербер (1854 - 1909 гг.) – немецкий физик.
[29] все нынещние данные опытов по "изменению массы со скоростью" относились к элекромагнитному взаиодействию (прим. Брауна)
[30] Браун принимает (для малых v2/c2) [1 – 0,5v2/c2] = [1 – v2/c2]1/2.
[31] Эффект Саньяка (Sagnac) – появление фазового сдвига встречных электромагнитных волн во вращающемся кольцевом интерферометре. Жорж Саньяк (1869 - 1928 гг.) – французский физик.
[32] Этот аргумент указал мне лорд Холсбери (прим. Брауна). John Anthony Hardinge Giffard, 3rd Earl of Halsbury (1908 – 2000 гг.), FRS.
[33] также см. Браун "Унификация макрофизики" и упомянутые в ней работы Пауля Гербера.