Господствующее воззрение на сущность силы являлось во все времена истинным руководящим началом в развитии физики. С самого возникновения науки и до наших дней представление о действии силы давало решающее направление работам физиков, хотя влияние это и не везде выступает с одинаковой ясностью. Древние видели в силах природы естественные свойства различных тел, различного рода склонности или необходимости к определенным действиям или движениям, которыми природа наделила отдельные вещества. Такой наивный антропоморфический взгляд был систематически развит Аристотелем и, начиная с его эпохи, он преобладал в науке до возникновения физики нового времени. К совершенному разрыву с ним физики пришли только со времени Декарта, который для материи в состоянии движения не допускал других свойств кроме протяжения и косности и положительно отрицал существование в самой материи какого бы то ни было стремления или побуждения к движению. Для Декарта не существовало какой-либо другой силы кроме силы удара, свойственной движущимся телам, для него не существовало какой-либо иной естественной причины движения кроме самого же движения.
Великий механик Ньютон не мог, однако, согласиться с декартовским объяснением всех естественных движений на основе простых вихреобразных движений. По его мнению, законы движений небесных тел прямо противоречили движениям, положенным Декартом в основание своих выводов. Поэтому он не только признал картезианские вихри невозможными, но и вообще оставил открытым вопрос о том, обусловлено ли всеобщее тяготение, наблюдаемое в движении тел небесных, а равно и земных, предшествующими движениями или же оно составляет основное свойство материи. Ученики его устранили указанную неопределенность, провозгласив, с молчаливого согласия своего учителя, тяготение первичной силой и вновь приписав всей материи вообще притягательную силу как естественное ее свойство. Это коренное изменение повело к дальнейшим новообразованиям. Ньютон выступил прямым противником Декарта лишь в области механики и, прежде всего в области небесной механики. В других отделах физики, например в учении об электричестве и магнетизме, он зачастую придерживался декартовских взглядов. Однако в дальнейшем, с ростом влияния ньютоновской школы, пришлось отказаться от последних остатков прежнего учения, но вместе с тем здесь пришлось наткнуться на новые затруднения. Допуская, что каждое движение способно переходить во всякое другое, Декарт, конечно, мог легко выводить все физические движения из какого-нибудь единого движения. Последователям же Ньютона для объяснения различных физических явлений потребовалось допущение разнородных сил притяжения и давления. Эти разнородные силы не могли уже быть отнесены к первичным свойствам обыкновенной видимой материи, так как по отношению к последней они оказывались изменчивыми, меняясь как количественно, так и качественно. Единственным выходом из этого положения было допущение существования особых материй для разнообразных притягательных и отталкивательных сил, причем каждую материю пришлось наделить особой силой как первичным ее свойством и способностью соединяться и разделяться, взаимно связываться и распадаться. Таким образом, наряду с видимой, осязаемой, оформленной материей были получены еще и другие первичные вещества, как: электрические и магнитные жидкости, световое и тепловое вещества, обладающие этими свойствами в слабой степени или вовсе лишенные их. Отношение всех этих материй между собою оставалось неясным; только их отношение к всеобщему тяготению было определено с некоторой точностью. Когда в последние десятилетия прошлого столетия химики стали все чаще обращаться к весам как к основному своему прибору, то физики пришли к убеждению, что упомянутые гипотетические материи ни в каком случае не могут быть весомыми. Таким образом, материи сами собою распались на две большие группы: первую составляла обыкновенная осязаемая материя, основным свойством которой является одна только тяжесть; вторая группа заключала в себе материи невесомые, которым были присущи способность светить или нагревать, силы магнитные и электрические. Полная разработка этой системы была завершена ранее конца прошлого столетия; вплоть до второго десятилетия нашего века реальность невесомых считалась столь достоверной, что физики, за немногими исключениями, были настолько же твердо убеждены в материальности тепла и света, как и в существовании самой весомой материи. Поэтому первый период физики нашего столетия будет вполне уместно назвать периодом невесомых.
Миросозерцание этого периода развивалось исключительно из ньютоновского учения без участия в этом какого-либо выдающегося ума, способного создать эпоху. Естественно было, поэтому приписывать всю тогдашнюю науку одному учителю и продолжать считать Ньютона основателем единственно верной, единственно возможной физики. Достаточно было обвинить какую-либо теорию в склонности к картезианству, чтобы уронить ее во мнении тогдашних ученых. Все они еще готовы были подписаться под восторженным вступлением, которое Мушенбрёк в 1731 г. предпослал своему переводу «Saggi naturali esperienze»: «Так как прошло более 60 лет со времени первого издания предлагаемого сочинения, то наука должна была сделать значительные успехи, в особенности с тех пор, как верховный и всемогущий руководитель человеческих судеб в бесконечной любви и заботе о смертных не пожелал оставлять долее умы людей под гнетом мрака и как небесный дар ниспослал им британского оракула, Исаака Ньютона. Применяя возвышенный математический метод к тончайшим опытам, и подтверждая все свои выводы геометрическими доказательствами, Ньютон указал путь к сокровеннейшим тайнам природы и достижению истинной, твердо обоснованной науки. Этот философ, одаренный божественной проницательностью, совершил больше, чем все наиболее изобретательные умы, вместе взятые, с самого начала человеческой мудрости. Все гипотезы теперь изгнаны. Знание наше расширено основательнейшим учением и обращено на пользу человечества выдающимися учеными, следующими истинному методу».
Тем не менее, против отдельных пунктов господствующей системы начали уже в этот период возражать некоторые весьма выдающиеся физики: их указания могли бы породить серьезные затруднения для так называемой ньютоновской физики, если бы большинство не оставалось к ним совершенно равнодушным. Твердо высказанное убеждение Румфорда, Дэви, Юнга о несостоятельности материальной теории теплоты и их доказательные опыты никем не были опровергнуты, но тем легче были забыты. Возражения Юнга против теории истечения света не могли проложить себе пути вследствие некоторых слабых сторон в основных их положениях. Кантовские метафизические начала естествознания, относившиеся только к строению материи, казались скорее благоприятными, нежели враждебными господствующим взглядам. Обоснование того положения, что невесомой может быть только одна материя — всепроникающий эфир — осталось вплоть до наших дней скрытым в посмертных рукописях Канта.
Френель, опровергший господствующую теорию света, первый пробил брешь в крепко сплоченном здании так называемой ньютоновской системы и тем самым подорвал прочность целого. Он начал свои оптические работы возражением против считавшегося до тех пор непогрешимым владыки физики. При всей признанности заслуг Ньютона в области теории тяготения его не следует считать непогрешимым во всех случаях. Его теория истечения света прямо противоречит фактам, и потому Френель решился утверждать, что в ньютоновской оптике встречаются ошибки, которых можно было бы избежать без большого труда. В своей волновой теории света Френель и по методу и в принципиальном отношении пошел дальше Ньютона и его физических начал. Он впервые после Декарта вновь объяснил множество физических явлений не в ньютоновском духе, т. е. не особыми свойствами материи, а в картезианском — особыми движениями ее. Но так как эти объяснения ограничивались только одной областью явлений, то современники Френеля не оценили принципиальной важности этого шага и для спасения своих невесомых сочли нужным наделить их сверх обычных свойств еще особыми движениями. Невозможность отстоять невесомые выяснилась лишь постепенно, по мере того, как из всех физических исследований все ярче и ярче стал выступать новый принцип, а именно — идея превращения силы. Особенно настойчиво приводили к этой новой идее поразительно быстрые успехи наших знаний в области электричества. Уже в самом начале нашего столетия химические действия электричества наводили на мысль о полном тождестве электрических и химических сил. Но так как химические сродства все еще оставались неясными для физиков с точки зрения их отношения к невесомым, то этот вопрос мало отразился на физике вообще.
Световые явления электрических разрядов пробовали сначала объяснить соединением электрических жидкостей со световым веществом, но затем, молча, отступились от такого воззрения. Неограниченное по количеству выделение тепла гальваническим током оставалось для тогдашней физики неразрешимой загадкой, которой, однако, по возможности старались избегать. Все упомянутые явления получили иной смысл лишь после того, как в 1820 г. в электрических токах были открыты и магнитные силы, и при посредстве электричества стали получать более сильные магнитные действия, чем при посредстве простых магнитов. Тотчас после открытия электромагнетизма Ампер исключил из разряда невесомых магнитные жидкости; и, хотя многим физикам это показалось подозрительным отклонением в сторону картезианства, они, тем не менее, были вскоре вынуждены сдаться. Эта уступка оказалась смертным приговором и для прочих невесомых. Действительно, поскольку выяснилось, что все силы природы способны во всякое время и в любом количестве превращаться одна в другую, то, очевидно, они не могут быть, в конечном счете, связаны с неизменяемыми элементарными веществами. Невесомым оставалось, поэтому либо совершенно изменить свой характер, либо сойти со сцены. Однако последнее происходило лишь с большой постепенностью, и, строго говоря, процесс этот даже в наши дни еще не вполне закончен. Невесомые с их основными силами представляли весьма удобное объяснение для различных явлений природы: признать их несостоятельность было гораздо легче, чем найти удовлетворительную замену для них. Вот почему их открыто покидали лишь постольку, поскольку к этому бывали вынуждаемы объективными условиями, и придерживались их, под покровом общего молчаливого согласия, сколько могли. Общее внимание и общая деятельность физиков обратились теперь к новому вопросу — к исследованию возможности и действительности всестороннего и взаимного превращения сил природы вообще, а равно и в частных и специальных случаях. Электричество оказалось при этом наилучшим посредником и при его помощи к началу сороковых годов удалось уже доказать в общем и целом неограниченную превратимость всех сил природы вообще. Поэтому мы видим здесь завершение второго периода новейшей физики, который всего правильнее будет назвать периодом превращения сил.
Но здесь перед физиками возникла новая проблема. Если все силы природы действительно способны взаимно переходить одна в другую, то прежде чем сделать отсюда теоретически казавшееся необходимым заключение о единстве всех сил природы, следовало еще доказать с математической точностью, что при всех этих превращениях количество сил остается всегда неизменным, что ни при каком превращении какая бы то ни было часть силы не может исчезнуть, возникнуть или быть полученной из ничего. Понятие о превращении силы естественно приводило к закону сохранения силы. Разработке, проверке, всестороннему приложению этого закона было посвящено все следующее двадцатилетие, которому мы, поэтому имеем бесспорное право присвоить название периода закона сохранения силы.
После того как закон сохранения силы был признан во всех частях физики, и его согласие с наблюдением было вполне доказано, возникла потребность в более полном теоретическом его обосновании. Чем больше склонялись к тому, чтобы проверить все физические теории упомянутым законом, тем более возрастала потребность в том, чтобы исследовать его отношение к господствующим основным понятиям о материи и силе и придать последним форму, соответствующую этому закону. Уже для основоположников закона сохранения силы было ясно, что понятия о живых силах движущихся тел и о силах как основных свойствах определенных материй абсолютно не могут существовать в прежнем их виде. Живая сила движущегося тела есть определенная конечная величина, которая в соответствии с характером движения может увеличиваться, уменьшаться и быть низведенной до нуля. Сила же, в смысле основного свойства материи, количественно не ограничена и не способна к количественному изменению. Закон сохранения силы не может иметь никакого прямого отношения к этим основным свойствам; он тесно связан лишь с теми ограниченными действиями, которые эти свойства способны производить в зависимости от распределения материи в пространстве. В силу этих соображений было признано уместным оставить название сил лишь за основными свойствами, а для вышеуказанных количественно-ограниченных и определенных возможностей действия принять новое (или, если угодно, и очень старое) название энергии.
Это нововведение повлекло за собою гораздо более значительные последствия, чем это обычно бывает при изменении названий. С одной стороны оно мало-помалу устранило основные свойства и наделенные ими материи из круга физических исследований. С другой стороны (так как, в конце концов, всякую энергию можно измерить и определить лишь по тому движению, которое она производит или способна произвести), оно привело к совершенному отрицанию указанных основных свойств и к объяснению всех действии первичными, правда, способными к изменению, но никогда не разрушаемыми движениями единой материи. Этот процесс, который при ближайшем рассмотрении представляется возвратом не специально к картезианским элементам с их вихрями, а к картезианскому воззрению на силу, лежит в основе развития современной нам физики.
По своему направлению он составляет резкую противоположность ходу развития физики в предыдущем столетии. Там, где последняя дробила учение на отдельные дисциплины, признавала различные, независимые друг от друга материи и силы, там современная физика объединяет разрозненное и все более приходит к единому учению о материи и силах. Стремление собрать разрозненное, объединить все части физики в единую науку составляет наиболее выдающуюся черту физики наших дней. Мало того, даже родственные физике науки, химия и астрономия, стали под влиянием новых представлений приближаться больше прежнего к общему корню. Химия, по крайней мере в принципе, отступается от идеи неизменяемости своих многочисленных основных веществ и допускает как проблему их происхождение от нескольких и даже от одного первичного вещества. Астрономия же из небесной механики, до которой постепенно ее низвели со времен Ньютона, после открытия спектрального анализа в большей, чем когда-либо раньше, степени превращается в астрофизику.
Что касается влияния на новейшую физику методических факторов — философии, математики и опыта, то оно проявилось совершенно так же, как и в предыдущем периоде. Экспериментальная физика получила теперь очень широкое развитие, так что довольно долгое время можно было думать, что опыт завоюет исключительное господство в этой науке. Его поразительные успехи в области электричества по временам заставляли забывать о необходимости участия других методических факторов в сфере физического исследования. Правда, натурфилософия снова возродилась в конце прошлого века в лице Канта и благодаря его авторитету нашла выдающихся приверженцев и в среде физиков. Вскоре, однако, несостоятельность как действительных, так и мнимых последователей Канта, выдававших воздушные замки, воздвигаемые ими на основах критической философии, за научные построения, повела к тому, что натурфилософия упала в общем мнении ниже, чем когда-либо раньше. Горькая насмешка, с какой знаменитый химик Берцелиус обратился в 1827 г. к ее представителям: «современным натурфилософам следовало бы в собственных интересах касаться лишь вопросов, стоящих вне контроля естествоиспытателей», является правильным отражением преобладавшей тогда оценки натурфилософии. С этого времени философы начинают отходить от натурфилософии, как от области темной и бесплодной, и лишь одни физики и химики продолжают разрабатывать ее в атомистическом направлении. Впрочем, это их не привело к сближению с философами, так как последние продолжали твердо держаться кантовского представления о непрерывном заполнении пространства материей. Только в новейшее время, когда престиж Канта снова поднялся и в среде физиков появились попытки устранить противоречия или хотя бы доказать возможность их примирения.
Для правильной оценки отношения математики к физике необходимо установить строгое различие между математиками, разрабатывающими математически одну лишь количественную сторону явлений, и теми, которые стремятся математически выводить самые явления из простых основных положений. Первого рода работу и экспериментальные физики всегда считали одной из обязательных своих задач, признавая огромное значение определения количественных отношений даже при простом описании природы. Впрочем, интерес к измерительным работам в среде экспериментальных физиков с течением времени подвергался изменениям. Так, например, пока электрические явления были еще новы, и прямое наблюдение продолжало открывать все новые и новые факты в этой области, физики охотно ограничивались одним качественным исследованием явлений. Но когда сфера наблюдений достаточно расширилась, в их сознании возникла и укрепилась потребность количественного определения электрических явлений. Однако наиболее мощным рычагом для всестороннего развития математической измерительной физики послужил, начиная с половины нашего столетия, закон сохранения сил.
Физики-экспериментаторы охотно исключают из сферы своей работы математическую дедукцию и нередко смотрят на нее с тем же недоверием и недоброжелательством, как и на отвергнутую натурфилософию. Тем не менее, между нею и физическим измерением существует тесная и непрерывная взаимная связь. С одной стороны, физическое измерение требует известных теоретико-математических основ как для установления правильной системы единиц измерения, так и для точного ограничения подлежащих измерению физических действий, и только этим путем оно способно придти к разрешению своих задач. Убедительным примером этого может послужить развитие учения об электричестве после установления закона Ома и развития правильной системы электрических измерений. С другой стороны, применение математической дедукции предполагает наличие точных количественных наблюдений, которые и служат средством для проверки выводов, полученных путем дедукции. Для подтверждения сказанного сошлемся на два наиболее совершенных и показательных достижения математической дедукции — на теорию всемирного тяготения в прошлом иске и на развитие волновой теории света в настоящем столетии.
Обе эти теории могут быть нами смело выставлены в качестве убедительнейших свидетельств против эмпириков, склонных по примеру Бэкона признавать индукцию единственным естественнонаучным методом. Тиндаль обращается к этим физикам, стремящимся в настоящее время восстановить такое направление в Англии, со следующими словами, полными общего значения: «Фарадея называли исследователем исключительно индуктивным. Боюсь, если вы позволите мне так выразиться, что в нашей доброй, старой Англии плетется не мало вздора по поводу индуктивного и дедуктивного методов. Многие стоят за индукцию. Другие высказываются за дедукцию. В действительности же задача, выполняемая таким ученым, как Фарадей, заключается в постоянном соединении обоих этих методов исследования». Во всех областях физики имеется, во всяком случае, одно определенное место для дедукции, — а именно там, где она вынуждена создавать недоступные для проверки непосредственным опытом гипотезы о сущности явлений. Во всех тех случаях, когда от разнообразия явлений желают придти к причинам, обусловливающим и связующим это многообразие, это может быть осуществлено только с помощью гипотез, правильность которых может быть доказана всего лучше или даже исключительно теми выводами, которые получены из гипотезы при помощи правильной математической дедукции. Этот метод исследования, который, исходя из гипотезы, при помощи опыта проверяет результаты, полученные из гипотезы путем дедукции, может быть нами назван гипотетически-дедуктивным в отличие от иного метода, исходящего из аксиом и не требующего проверки своих результатов. Этот последний метод познания, применяемый чистой математикой, на который зачастую заявляет притязание и философия, мы назовем аксиомо-дедуктивным. Первый составляет идеал физики; в нем соединяются все три специальных метода этой науки: экспериментальный, математический и философский. Опыт дает основания для гипотез. Создание последних — не столь свободное, как думают некоторые, — зависит от теоретико-познавательных условий, от основных философских воззрений на силу и материю. Дедукция явлений из гипотез — это дело математики по преимуществу. Но при проверке явлений в свои права снова вступает опыт. Опыт составляет, таким образом, альфу и омегу всего процесса познания природы. Если в начале нашего столетия это положение было оставлено без внимания многими натурфилософами, то, с другой стороны, в середине его многими экспериментальными физиками было упущено из вида, что простое констатирование фактов не составляет еще науки и что для научной разработки добытого материала необходимо также участие математики и умозрения. Во всяком случае, в последнее время, с непрерывно возрастающим накоплением огромного эмпирического материала, это положение становится все более ясным. В попытках создания механической теории теплоты, основной теории электричества и магнетизма, в усилиях выработки правильного понятия о силе и материи ясно проявляется стремление снова объединить все методические факторы для дальнейшего научного развития физики. Что эти усилия до сих пор еще не увенчались полным успехом, это объясняется, конечно, прежде всего, обширностью и трудностью самой задачи, а, быть может, еще двумя другими обстоятельствами: с одной стороны, тем, что широкие круги математиков отошли от проблем физики и занялись разработкой новых областей чистой математики, которые пока еще далеки от прямой связи с природой; а, с другой — может быть, и тем, что нашему поколению придется еще не мало поработать, чтобы вновь развить в себе умозрительные наклонности и постепенно укрепить способность к созданию теорий. Во всяком случае, неудовлетворенная до сих пор потребность в молекулярной физике, продолжающееся еще и теперь применение электрических жидкостей, в реальность которых, конечно, не верит ни один физик, свидетельствует в пользу того, что мы стоим не в конце какого-то периода физики, а в середине его, и что продолжительность этого периода пока еще не поддается определению.