I

Тема порожнечі начебто древня і цікава, але може актуальнішою буде розмова, наприклад, про квантову механіку. Так от, виявляється, запропонована тема буде дуже навіть корисною саме для вступу до теорії квантів.

Зазвичай розповідають про предмет, а вже потім дають, можливо, новий, цікавий погляд на нього. Проблема порожнечі або точніше, фізичного вакууму, дуже загадкова і ще далека від свого вичерпного пояснення. У зв'язку з цим, з самого початку розповімо про інтерпретацію порожнечі на основі теорії вимірів. Такий підхід, на наш погляд, зробить поняття вакууму не таким вже неприступним.

Яке ж відношення має порожнеча до виміру фізичних величин? Аби зрозуміти можливий зв'язок, розглянемо одну важливу властивість виміру. Будь-який вимір з самого початку є дискретним.

Що мається на увазі? Пояснимо цю властивість на прикладі, Нехай у нас є лінійка загальною довжиною 20 см. Скільки різних вимірів можна виконати цим приладом, якщо ціна однієї поділки лінійки 1см? Вочевидь, не більш ніж 20. Наприклад, покази 12,5см і 12,6 см таким приладом вже розрізнити неможливо.

Але дискретність у лінійки особлива. Це не конечний набір точно заданих чисел. Тут кожне значення начебто розмито на величину похибки виміру. У нас цей інтервал невизначеності становить 1см. Якщо таким приладом вимірювати відстані в просторі, то що можна сказати про відстані, що лежать в межах області, що неможливо розрізнити за допомогою даного приладу? Чи можна вважати, що там нічого не немає? Чи може там все ж таки щось є, наприклад, порожнеча?

Чи означає наша нездатність бачити що-небудь у вказаній, невидимій для нас (спостерігача) області простору відсутність там матерії? Швидше за все, ні. Більш точний прилад дозволить побачити, якщо не нову матерію, то хоча б які-небудь нові її властивості.

Тепер, враховуючи сказане, звернемося до історії порожнечі. Тобто спробуємо поглянути на порожнечу з точки зору людських можливостей вимірювати.

Філософи древньої Греції вважали, що кожна річ на світі складена з частинок однієї або відразу кількох – чотирьох стихій: повітря, води, землі і вогню. У них виникло питання: чи є місце в природі, де немає ні землі, ні води, ні повітря, ні вогню? Чи можлива справжня порожнеча? Древні, якщо ставили питання, то неодмінно давали відповідь. Звичайно, ні про які виміри в них мови не йшло.

Левкіп і Демокрит ще в V столітті до н.е. прийшли до категоричного висновку: все у світі складається з атомів і порожнечі, що розділяє їх. За Демокритом, розрізати шматок хліба, рухатися крізь повітря і плисти по річці можна лише тому, що ви розтинаєте порожнечу між атомами – бо самі атоми неділимі.

Лише завдяки порожнечі, можливі комбінації атомів, що створюють море і хмари, камені і дерева, тіла тварин і людей. Лише вона відкриває шлях до руху,

розвитку, взагалі до будь-яких змін.

Як бачите, просте і витончене рішення, недаремно Демокрита пам'ятають вже два з половиною тисячоліття, а в XX столітті його оголосили своїм попередником творці квантової механіки. До них, на рубежі цього століття, так само вважали творці атомної фізики.

Але тут одна заковика. З наведеної вище точки зору, древнім філософам можна було б поставити питання, а чи можна побачити атоми. Якщо «ні», то чим вони відрізняються від порожнечі? А якщо «так», вочевидь атомів явно мало б бути більше, ніж чотири. Зрозуміло, міркуючи про порожнечу, мудреці висували гіпотези про невидимий устрій світу. Тобто, їх думки – нічим не підтверджена фантазія.

Свого часу Карл Маркс виписав із «Метафізики» Аристотеля (384-322): «Левкіп і його учень Демокрит визнають елементами повне і порожнє, називаючи, наприклад, одне суттєвим, інше небуттям, а саме: повне і тверде (тобто атоми) – суттєве, а порожнє і розріджене – небуття... Причиною ж речей є те і інше, матерія».

Зауважте, порожнечу теж вважають матерією. Порожнеча слугувала і для пояснення, чому одні речі важчі, інші легші. У легенях порожнеча займає більше місця.

Але в маленькій Древній Греції було багато глибоких філософів. Деякі з них наполягали на існуванні порожнечі, інші – її не визнавали. Так, Емпедокл (490-430 до н.е.), проголошував: «Порожнечі немає ніде на світі – звідки їй взятися?» Він стверджував цілісність і повноту світу, закономірний його розвиток.

Проте Емпедокл – не перший з древніх супротивників порожнечі. Порожнеча є небуття, твердили і до нього. Небуття не лише не може бути, його навіть уявити собі людина не в змозі. Тобто, порожнечі не лише немає, але і думати про неї неможливо.

Аристотель, князь мудріїв, як його називали протягом тисячоліть, був іншої думки, в тому лише сенсі, що уявити собі порожнечу все-таки можна. Та знайти її в світі неможливо.

З одного боку, фізик має розглянути питання про порожнечу, існує вона чи ні і в якому вигляді, або що вона таке. З іншого ж боку, немає в світі місця, де немає нічого, такого місця немає і не може бути. Чому?

Логіка його була такою. Якби існувала порожнеча, то в ній всі тіла, важкі і легкі, камені і пір'я падали б на Землю з однією і тією ж швидкістю, але ж це неможливо.

Цікаво. Твердження вірне, а висновок з нього помилковий, і це у засновника науки логіки!

Знадобилися дві тисячі років, аби привести посилання і висновок у відповідність одне до одного. І тут, хочу відмітити, доклали руку не лише, як прийнято вважати, великий Галілео Галілей (1564–1642) у дослідах з кидання тіл із пізанської башти. Виявляється, ще до нього видатний голландський учений Симон Стевін (1548–1620) досліджував це питання і зробив вірні висновки. Не виключено, що Г. Галілей знав про ці дослідження і на пріоритеті не наполягав.

У порожнечі – інший аргумент Аристотеля, – стала б можливою нескінчена швидкість, оскільки рух не зустрічає опору. Проте великий філософ стверджує: нескінченної швидкості в принципі не може бути. Тому не може бути і порожнечі.

Нехай ці міркування не видадуться вам наївними. Двадцять три століття довкола величини швидкості світла йшли наукові спори. І лише Альберт Ейнштейн, поєднав неможливість нескінченно великої швидкості з існуванням вакууму.

Він поклав в основу своєї спеціальної теорії відносності експериментальний факт конечної граничної швидкості світла у вакуумі, при цьому відкинувши поняття порожнечі, що начебто заповнена ефіром. І саме тому, що її не можна спостерігати.

Як бачите, фізика виявляється історичною наукою, в тому сенсі, що на рішення деяких її проблем, до того не остаточне, іноді витрачають цілі тисячоліття.

До сказаного додамо, що на аргумент Демокрита (лише в порожнечі можливе переміщення тіла у просторі) Аристотель відповідав: при русі тіла просто поступаються один одному місцем. Наприклад, нова вода в річці поступає на місце старої, що пішла далі за течією.

Тут Аристотель, продовжує ідеї Платона (427-347 до н.е.). У знаменитому платонівському діалозі «Тимей» є таке міркування: «Оскільки немає порожнечі, в яку могло б проникати що-небудь рухоме, а наше дихання прямує назовні, то кожному зрозуміло, що воно виходить не в порожнечу, а виштовхує від місця те, що там знаходилося. Те, у свою чергу виштовхує сусіднє, і ... все захоплюється вихороподібно в те саме місце, звідки повітря надходило, і наповнює це місце, і знову слідує за диханням. Відбувається це на кшталт обертання колеса, тому що ніде немає порожнечі».

Тут викладена дуже популярна в античні часи теорія вихорів, ідея, яку через століття з новою силою відновив Рене Декарт.

Одне з найглибших заперечень Аристотеля проти порожнечі можна викласти так. У порожнечі немає жодних відмінностей: верху від низу, правого від лівого – все в ній знаходиться в повному спокої... Але такого не може бути! Раз в порожнечі всі напрями рівноправні, то вона ніяк не може вплинути на поміщене в неї тіло. Що ж тоді визначає напрямок руху цього тіла?

У заповненому просторі, за Аристотелем, особливості середовища служать причиною руху, задають його напрямок.

Навіть того малого, що було сказане про роль вакууму у Всесвіті, досить, аби побачити наукову злободенність міркувань великого грека.

Так, древні вміли ставити питання і давали на них відповіді. А ось з перевіркою відповідей справа тоді йшла не так, як в сучасній науці. Древні філософи вважали, що досліджувати закони природи в спеціальних дослідах неможливо.

Вони проводили чітку межу між тим, що створене природою, і тим, що людина створила власними руками. Природне, на їх думку, підпорядковано одним законам, штучне – іншим.

Не те, щоб вони зовсім не проводили дослідів, – Аристотель, наприклад, ставив досліди на тваринах, – але різко обмежували сферу їх застосування.

Математику, якщо і заохочували іноді на допомогу природознавству, то у формах, на наш погляд, майже завжди наївних. Її вважали притаманною чистій філософії, тому над входом в академію Платона і накреслено: «Та не увійде сюди той, хто не знає геометрії».

Проте найвидатніший з «випускників» академії Платона, Аристотель, відкидаючи ідею вживання математики в науках про природу, стверджував: « ... математичну точність потрібно вимагати не у всіх випадках, але лише для предметів, в яких немає матерії. Цей спосіб не личить для науки про природу, бо природа, у всіх випадках, пов'язана з матерією». Тут додамо: з тими властивостями матерії, що допускають вимір.

Антична наука прагнула до розуміння світу більшою мірою, ніж до його перетворення, перебудови. При необмеженій свободі наука відкривала вражаючий простір для самовираження. Наприклад, Герон Александрійський (II століття до н. е.) великий учений і винахідник, творець першої «парової турбіни», автоматів для продажу священної води і інших чудових речей, вважав, слідуючи за Аристотелем, що в природі немає порожнечі. Проте її можна отримати штучно, у замкнутому просторі.

Тут треба уточнити. Герон все це стверджував відносно суцільної порожнечі. Порожнеча ж, як він вважав, розподілена і відділяє одну від одної найдрібніші частинки, реально існує. «Подібно до того, як повітря існує між частинками піску на морському березі».

Історики вважають, що Герон спирався, передусім, на роботи старогрецького філософа Стратона (III ст. до н.е.), учня учнів Аристотеля. Діоген Лаерцій (II – III ст. н.е.), історик античної філософії, в переліку книг Стратона з Лампсака називає і працю «Про порожнечу».

Мабуть, саме Стратон докладно розробив вчення про порожнечі двох типів, намагаючись узгодити вчення Аристотеля про неможливість порожнечі і атомістичне вчення, що вимагало наявності порожнеч між найдрібнішими частинками – атомами.

Всі ми зустрічали вираз «природа боїться порожнечі», що прийшло в молоду науку середніх століть з античності. Саме цим страхом пояснювали дію водяних насосів, що широко застосовували. У дійсності порожнечі боялась не природа, а вчені, міркуючи, що діють за її прикладом.

Дотримувались вони в цьому Аристотеля. Відмовитися від уявлення про неможливість порожнечі, судячи з історії, виявилося важче, ніж визнати, що Земля – зовсім не центр світу...

Як Стратон і Герон, Галілео Галілей говорив про найдрібніші порожні дуплини у речовині, але вважав, що вони можуть мати лише мізерні розміри: більшого природа не стерпить. Тут вперше з'являється натяк на розміри, тобто на прямі виміри.

Розвіяти, хай ще не до кінця, «жах порожнечі» змогло лише XVII століття, перше століття нової – дослідницької (!) – науки.

Еванджеліста Торрічеллі (1608-1647), якого надихнув Галілей, виявив на досліді, можливість штучно отримувати порожнечу, і тим самим реалізував думку, задовго до нього передбачену Героном.

Для цього знадобилися лише судина з ртуттю і скляна трубка, запаяна з одного кінця. Набравши ртуть у трубку, Торрічеллі перевернув її, запаяним кінцем вгору і опустив у судину. Потім відкрив нижній отвір, і частина ртуті вийшла з трубки. Залишився лише стовпчик заввишки приблизно 760 мм над рівнем ртуті в судині. Над стовпчиком була «порожнеча», що на століття отримала назву торрічеллієвою.

Відмітимо, що з позиції прямих вимірів, порожнеча Торрічеллі – це область, недосяжна для спостережень (вимірів).

Через декілька років Блез Паскаль (1623-1662) у Франції встановив, що висота стовпчика ртуті в горах нижча, ніж на рівнині, і що вона міняється залежно від погоди. Він з іронією звернувся до прибічників «жаху порожнечі»: невже природа боїться порожнечі в горах менше, ніж у полонині, і лякається її в сиру погоду менше, ніж в ясну?

Підводячи підсумок своїм дослідам Блез Паскаль пише: «...порожнеча не є щось неможливе, природа зовсім не уникає порожнечі з таким жахом, як це багатьом здається». Тут теж порожнеча – це щось невидиме, але зовсім не відсутність матерії.

Поява барометра лише перший і далеко не найважливіший для практики результат. Потім винайшли повітряний насос, а пізніше і парову машину, що перетворила виробництво.

Поняття порожнечі має велике значення в класичній механіці Ньютона. Небесні тіла занурені в абсолютну порожнечу. І вона усюди однакова. Це якраз те, що не дозволяло Аристотелю визнати реальність порожнечі. Причина руху тіл в абсолютному, порожньому просторі Ньютона – фундаментальний закон тяжіння, що діє у всьому просторі. Тяжіння – властивість простору, як це близько до А. Ейнштейна.

Отже, порожнеча, здається, тріумфувала, вона виявилася наслідком математичної теорії Ньютона, підтвердженої експериментом. І проте, боротьба проти ідеї порожнечі продовжувалася.

Головний аргумент противників порожнечі звучав приблизно так: ви кажете, що посудина порожня, але як же тоді через неї проходять і світло, і тепло, і магнітна сила? А вони проходять! Значить, вона не порожня, її заповнює деяке матеріальне середовище...

Порожнечу відкрили. Її можна було достеменно побачити в довгій скляній трубочці. Але цей очевидний факт не всі визнали. «Порожнеча неможлива!» – один за іншим заявляли найбільші вчені. Серед них була людина, яка описала дослід, аналогічний експерименту Торрічеллі і точно передбачила його результати. Звали його Рене Декарт (1596–1650).

Передбачивши відкриття порожнечі, Декарт потім заявив, що це не справжня порожнеча. Він писав: «Ми вважаємо посудину порожньою, коли в ній нема води, але насправді в такій посудині залишається повітря. Якщо з «порожньої» посудини прибрати і повітря, в ній знову щось повинне залишитися, але це «щось» ми просто не відчуваємо».

Тут позначилася інтуїція великого вченого, те, що називали порожнечею, – просто матерія, невидима для прямого спостереження.

У верхній частині трубки Торрічеллі теж не було ні ртуті, ні повітря (насправді були пари ртуті). Там, по Декарту, було щось інше. Це «інше», це «щось» філософ називав ефіром. Що ж це таке?

Наша перша згадка про ефір пов'язана з ім'ям Декарта. Насправді в цього поняття багата історія, початок якої занурений у глиб століть. І тут доведеться повернутися до старогрецьких філософів. Втім, слово «ефір» придумали не вони. Його узяли готовим з арсеналу багатої старогрецької міфології.

В ефіра приголомшуючий уяву родовід. У старогрецькій міфології Ефір – плід союзу підземного мороку – Ереба і великої Ночі. Це дитя досить похмурих батьків – істота повітряна і легка.

Ще ефір – особливе повітря у вершини гори богів Олімпу, повітря, яким дихають Зевс і його родичі, що мешкають на Олімпі. Дві темні в буквальному розумінні слова сили породили особливо придатний для божистого дихання Ефір. Але на Ефірі високий цей рід не закінчився. Вступивши в шлюбний союз з Днем, Ефір породив ні більш, ні менш, як Землю і Небо, Море і Океан і навіть підземне пекло древніх греків – Тартар. Згідно з деякими міфами майже все в світі зобов'язано своїм народженням Ефіру.

Чіткої логіки не видно, особливо якщо пригадати, що Ефір – всього лише повітря у вершини земної гори.

Деяким поясненням, чому ефір наділений таким родоводом і такими нащадками, можуть слугувати відомі з пізніших джерел слова Піфагора. «Повітря біля Землі застійне і хворе, і все, що в цьому повітрі, – помре. Вище повітря вічно рухається, воно чисте, цілюще. Все, що в ньому, безсмертне і тому божественне».

Строге наукове значення додав слову «ефір» Аристотель. Він заперечував, як ми знаємо, саму можливість існування порожнечі. Що ж мало б зайняти її місце там, де не було ні землі, ні води, ні вогню, ні повітря? Ось і довелося ввести п'ятий елемент всесвіту, п'яте начало, яке багато пізніше стали називати латинським словом «квінтесенція».

Аристотель і його послідовники не просто визнавали ефір п'ятим елементом, рівноправним з іншими чотирма. Його розглядали як праматерию, сутність усіх речей, основу для всіх інших елементів природи. Аристотель іменував ефір безсмертним і божественним, а ім'я його розшифровував як складене, із значенням – «те, що завжди біжить».

Втім, у різних старогрецьких філософів згоди в тому, що таке ефір, не було, та і не всі вважали, що ефір дійсно існує. Піфагор, що жив за два століття до Аристотеля, називав холодним ефіром повітря, щільним – море і воду взагалі. Душа для нього – суміш теплого і холодного ефіру, і вона незрима, бо ефір невидимий...

Римлянин Лукрецій Кар (99 до н. е. – 55 н. е.) бачив в ефірі тонку матерію, що складається з атомів, як всяка матерія, і що приводить своєю течією в рух всі небесні тіла, вона ж – складова частина душі.

Навіть погоджуючись із тим, що ефір як особлива субстанція існує і заповнює світовий простір, учені з прадавніх часів не могли зійтися у визначенні цієї субстанції. За дві з половиною тисячі років думки відносно властивостей ефіру істотно мінялися, і лише одне залишалося незмінним – здатність викликати запеклі суперечки.

Античність заповіла свій ефір середнім вікам, і європейська наука цього часу розглядала ефір, по Аристотелю, як квінтесенцію, п'яту стихію, як якнайглибше єство всього в природі. Які йшли довкола тодішнього ефіру дискусії! У цю епоху гуманісти дійсно відродили багато положень старогрецької науки, що пішли на якийсь час з наукового ужитку і пустили їх в обіг.

Ефір Джордано Бруно в кінці XVI століття дуже нагадує ефір античності. Це знову тонка загальна всепроникна матерія, що обіймає все у просторі. Інколи вчений називав свою загальну матерію «неосяжним повітрям». Ефір в живих істотах – те, що називають життєвим духом.

Ефір часто залучають на допомогу у випадках, коли треба пояснити знов відкрите явище або переглянути старі пояснення явищ давно відомих.

Один з перших дослідників електромагнетизму, придворний лікар англійської королеви Єлизавети Вільгельм Гілберт, приходить до висновку, що це ефір витікає з наелектризованих тіл і він же переносить теплоту. Для Галілео Галілея тіла існують і не розвалюються на дрібні складові частини передусім тому, що їх частинки притиснуті одна до одної тиском ефіру.

Але по-справжньому, в порівнянні з античністю, оновив гіпотезу ефіру Рене Декарт, борець за порожнечу Торрічеллі і проти порожнечі взагалі.

По Декарту абсолютної порожнечі не може бути, оскільки протяжність є неодмінною ознакою суті матерії; а коли так, то усюди, де є протяжність, тобто сам простір, має бути присутньою і матерія.

Матерія буває, стверджував Декарт, трьох типів, складається з трьох видів частинок: землі, повітря (небес) і вогню. Ці частинки «різної тонкості» і рухаються по-різному.

Оскільки абсолютна порожнеча неможлива, то рух будь-яких частинок приводить на їх місце інші, і вся матерія знаходиться в безперервному русі, причому утворюється велика кількість колообігів – вихорів із самими різними властивостями. Як ці думки нагадують міркування Платона з «Тімея»!

Головний висновок із «Тімея» в тому, що всі фізичні тіла – результат вихрових рухів в твердому ефірі, що не розширюється.

Дуже красива гіпотеза Декарта зробила величезний вплив на розвиток науки. Цей вплив зберігався і через багато років після того, як деякі основні тези гіпотези повністю спростували. Досить швидко з'ясували, що її положення багато в чому не збігаються з тим, що випливало із законів, відкритих трохи пізніше Ньютоном і іншими фізиками.

По Декарту, скажімо, Земля має бути витягнутою уздовж осі обертання, а не сплюснутою, якою вона є по Ньютону. Перевірка показала правоту Ньютона, були і інші приклади.

Проте сама ідея уявити тіла (частинки), як деякі вихори, згущення в більш тонкому матеріальному середовищі виявилася дуже життєздатною. Сьогодні обговорюють гіпотези щодо елементарних частинок як вихорів, нехай вже не в ефірі. А те, що ті частинки розглядають, як збудження вакууму, добре відомо.

Ефір в інтерпретації Декарта досить швидко пішов із фізичної сцени, насамперед тому, що він був більш «філософським», ніж «фізичним». Умоглядне уявлення великого француза пояснювало мало не все відразу у світі і намічало креслення всесвіту.

Фізиків же цікавили більш «окремі» проблеми – природа тяжіння, закони поширення світла... Але і для розв’язку цих проблем так зручно було, здавалося, залучити гіпотезу ефіру, нехай не в Декартовій, а в більш пристосованій для вирішення конкретної задачі формі.

Вчені XVII–XIX століть, що прийняли уявлення про ефір, як середовище всесвіту, із самого початку опинилися в скрутному положенні. Адже вони були представниками нової науки, що спирається на широко проголошений Френсисом Беконом (1561-1626) принцип експериментальної перевірки теоретичних положень.

Епоху в проблемі порожнечі склали уявлення Ньютона, але це вже у продовженні нашої розповіді.

О.М. Пальті, ст. наук. співробітник з фізики ВТНП