Ньютоновская механика переживала колоссальный успех в XVIII–XIX вв. Сам Ньютон при помощи своей теории объяснил движение планет и основные свойства Солнечной системы. Но его модель была сильно упрощенной и не учитывала, например, гравитационное воздействие планет друг на друга. Из-за этого Ньютон обнаружил в ней несообразности, которые сам не мог объяснить. Он решил проблему, предположив, что Бог всегда присутствует во Вселенной, чтобы исправлять нестыковки.
Великий математик Лаплас поставил перед собой амбициозную задачу уточнить и усовершенствовать вычисления Ньютона «и предложить окончательное решение проблемы механики Солнечной системы и настолько приблизить теорию к наблюдениям, чтобы в астрономических таблицах не осталось места эмпирическим вычислениям»[50]. Результатом стала большая работа в пяти томах, «Небесная механика». Лаплас в мельчайших деталях описал движение планет, их спутников и комет, причины приливов и других гравитационных явлений. Он показал, что из ньютоновских законов движения следует стабильность Солнечной системы, а Вселенная — саморегулирующийся механизм. Когда Лаплас продемонстрировал Наполеону первое издание своей книги, тот, по рассказам очевидцев, заметил: «Мсье Лаплас, мне сказали, что этот грандиозный труд об устройстве Вселенной не содержит ни одного упоминания о Творце». На что Лаплас резко ответил: «Я не нуждался в этой гипотезе».
Вдохновленные успехом ньютоновской механики в астрономии, физики использовали ее для описания непрерывного течения жидкостей и колебаний упругих тел и вновь добились хороших результатов. Даже кинетическая теория теплоты получила механистическое обоснование: теплота — энергия, порожденная сложным хаотическим движением молекул вещества. Так, при повышении температуры воды подвижность молекул растет, пока они не преодолевают сил взаимного притяжения и не разделяются. При этом вода превращается в пар. А при охлаждении движение молекул замедляется, между ними возникает более тесная связь, они соединяются в новую, более жесткую и неподвижную структуру, и образуется лед. Так же чисто механически можно объяснить множество других тепловых явлений (рис. 2).
Рис. 2. Три состояния воды
Триумф механистической модели Ньютона в начале XIX в. убедил физиков в том, что ее законы управляют движением всей Вселенной и лежат в основе законов природы, а явления природы не могут иметь другого объяснения. Но по прошествии менее 100 лет стало очевидно, что ньютоновская модель не может объяснить новые физические открытия, а ее законы не всегда верны.
Это понимание пришло к ученым не внезапно, а было подготовлено открытиями, состоявшимися еще в XIX в. и создавшими почву для недавней научной революции. Всё началось с открытия и исследования явлений электричества и магнетизма, которые не допускали механического толкования, свидетельствуя о существовании новых, неизвестных до того сил. Важный шаг сделали Майкл Фарадей и Клерк Максвелл — первый был одним из величайших экспериментаторов в истории науки, а второй — блестящим теоретиком. Когда Фарадей поднес к медной катушке магнит и вызвал в ней электрический ток, преобразовав тем самым механическую работу в электрическую энергию, он создал великий поворотный момент в истории науки. Этот фундаментальный эксперимент, с одной стороны, дал рождение электротехнике, а с другой — стал основой для теоретических размышлений Фарадея и Максвелла, плодом которых стала теория электромагнетизма. Фарадей и Максвелл не только исследовали действие сил электричества и магнетизма. Прежде всего они занялись самой их природой. Они заменяли понятие «силы» понятием «силового поля» и первыми вышли за пределы физики Ньютона.
Фарадей и Максвелл отрицали, что положительный и отрицательный заряды притягиваются друг к другу точно так же, как два тела в ньютоновской механике. Они утверждали, что каждый заряд создает вокруг себя особое «возбуждение», или «состояние», и противоположный заряд, находящийся поблизости, испытывает их воздействие. Состояние пространства, способное порождать силу, было названо полем. Поле создается каждым зарядом независимо от присутствия иного заряда, способного испытать его воздействие.
50
Цит. по: