1
Наука о движении была самым тесным образом связана с космологией: и у Аристотеля, и у мыслителей Средневековья устройство космоса определяло взгляды на сущность, характер и причины движения. Поэтому, как мы увидим в дальнейшем, защита Галилеем коперниканской космологии обернулась становлением новой науки о движении, и в каждом этапе этого становления, помимо фундаментальных инноваций, нетрудно отметить характерные черты древней традиции.
Однако, прежде чем анализировать черты преемственности и новые представления, следует более детально рассмотреть, как понималось движение предшественниками Галилея.
Прежде всего отметим, что понятие движения мыслилось гораздо шире, чем изменение положения во времени и пространстве,— а именно так мы понимаем движение сегодня. Но в догалилеевские времена движение представляло более широкое понятие, сущность которого, по Аристотелю, составляла актуализация потенциальной возможности, и даже более того, переход от актуальности к потенции также представлял собой движение. Поэтому понятие движения использовалось в рамках любой формальной категории, где было возможно провести различие между актуальным и потенциальным {1, с. 22}. Согласно Аристотелю, существует четыре таких категории: субстанция, количество, качество и место. Тогда, вообще говоря, понятие движения должно включать: во-первых, возникновение и уничтожение субстанции (generatio и corruptio); во-вторых, увеличение и уменьшение количества, которое может включать увеличение или уменьшение материи (augmentatio и diminuitio), что может происходить только в живых организмах, а также увеличение и уменьшение объема при неизменном количестве материи, т. е. сгущение и разрежение (condensatio и rarefactio); в-третьих, изменение качества (alteratio), наиболее важным случаем которого является увеличение и уменьшение интенсивности (intensio и remissio), и, наконец, в-четвертых, изменение места, или местное движение (motus localis).
В дальнейшем Аристотель уточняет понятие движения, называя движением в строгом смысле слова такой переход от потенции к актуальности, и наоборот, который совершается не мгновенно, а длится во времени, проходя через последовательные стадии. Именно такое понимание движения было характерно для всего периода Средневековья и Возрождения. Черты такого понимания нетрудно обнаружить и в творчестве Галилея. В таком смысле возникновение и уничтожение являются не движением, а мутацией (mutatio) — процессом, который происходит мгновенно.
То, что для движения характерна последовательность, постепенность, является чрезвычайно важной и характерной чертой этого понятия, причем, как подчеркивает А. Майер, фундаментальная последовательность предыдущих и последующих состояний не отождествляется в принципе с течением времени {1, с. 23}. Аристотель и схоластики рассматривали время как нечто вторичное по отношению к движению и выводимое из него. Время «является мерой движения по отношению к предыдущему и последующему». Время делает явным элемент последовательности, присущий явлению движения. «Эта мысль,— продолжает Майер, столь чуждая современности, имела первостепенную важность для теории движения, развитой в период поздней схоластики» {1, с. 23}.
Таким образом, движение рассматривалось как непрерывное постадийное изменение одной из трех категорий — количества, качества и места; оставалось теперь выяснить, к какой из этих категорий принадлежит само движение. Иначе говоря, является ли движение особой отдельной категорией, или же оно принадлежит той же самой категории формы — количества, качества или места, в которой оно рассматривается. В дальнейшем для схоластики эта проблема приобрела характер дилеммы: является ли движение «текущей формой» (forma fluens) или же «течением формы» (fluxus formae)? Такая постановка вопроса принадлежит Альберту Великому, который пришел к ней, анализируя сочинения Аверроэса. После Альберта почти повсеместным было мнение, что движение представляет собой forma fluens, т. е. движение и его результат с онтологической точки зрения идентичны. Но наиболее важным в разработке понятия движения в это время было возникновение подхода, пытавшегося рассмотреть движение и с точки зрения forma fluens, и с точки зрения fluxus formae.
В ходе таких попыток наиболее интересны исследования Жана Буридана и его последователей (особенно Альберта Саксонского), которые выделили местное движение из всех других видов движения, и с этого времени местное движение стало объектом углубленного анализа. Буридан и его последователи стали на ту точку зрения, что изменение места не является аналогичный изменению качества или количества, что по отношению к месту невозможно говорить о стремлении формы к «совершенству» (а это было одной из характерных черт представления о движении как о forma fluens). Здесь, однако, имеется одна интересная параллель. Когда говорили, например, об изменении (движении) качества, предполагали, что зародыш «совершенства» уже изначально присущ движущемуся объекту, который в конце движения и в результате его достигает этого «совершенства». Но в случае местного движения это не так, ибо, согласно Буридану, поскольку движение присуще движущемуся объекту, а не месту, куда объект попадает в результате движения, невозможно говорить об идентичности конечного результата движения и движения как такового. Тем не менее для случая местного движения можно предположить, что по аналогии с другими видами движения движущийся объект также содержит в себе нечто внутренне ему присущее. Дальнейшее развитие этого представления сыграло важную роль в создании теории импетуса.
С другой стороны, отождествление движения с качествами, внутренне присущими телу, создавало возможность для анализа скорости как интенсивности движения в рамках теории качеств.
Основные результаты в разработке этих проблем принадлежат ученым двух знаменитых университетских школ — Парижской и Оксфордской, которые достигли своего расцвета в XIV в. Среди оксфордцев наиболее замечательной фигурой был Томас Брадвардин (1290—1349), который знаменит своими попытками определить количественную зависимость скорости от величины движущей силы и сопротивления с помощью своеобразной словесной алгебры. Последователи Брадвардина, в первую очередь его непосредственные ученики — Ричард Киллингтон, Ричард Суиссет (Суайнсхед), Уильям Хейтесбери и Джон Дамблтон, создали вместе с ним научное направление, которое получило название «калькуляторства» — по названию основного трактата Суиссета «Калькулятор», написанного во второй четверти XIV в. Калькуляторы не только достигли определенных успехов в анализе понятия скорости, рассматриваемой как интенсивность движения, но и создали предпосылки для математического описания функциональных зависимостей. Метод словесной алгебры, используемый калькуляторами, представлял, однако, значительную трудность для понимания. Более наглядное выражение тот же подход нашел в работах Никола Орема (1323—1382), выдающегося представителя Парижской школы, предложившего метод геометрического описания процессов, связанных с изменением интенсивностей качества.
Другая проблема, о которой говорилось выше, а именно представление, что движение определяется внутренним свойством, присущим самому телу, получила развитие в теории импетуса, разработанной в трудах Жана Буридана (1300—1358), который являлся основателем Парижской школы и учителем Орема.
Усилиями ученых Оксфордской и Парижской школ была создана механика, во многом являющаяся уникальной, отличающаяся в равной мере и от представлений античности, и от классической механики, созданной впоследствии Галилеем и Ньютоном. Рассмотрим ее некоторые характерные положения.
Прежде чем перейти к закону Брадвардина, заметим, что, согласно точке зрения Аристотеля, целиком принятой в схоластике, для объяснения явлений, происходящих в мире природы, особо важную роль играла так называемая эффективная причина, т. е. реально действующий физический агент. «Схоластическая теория природы была целиком основана на эффективной причинности, так же как это имеет место в современной физике. Натурфилософы XIV столетия, безусловно, принимали универсальную обоснованность принципа причинности: все, что существует, и все, что случается, имеет достаточное основание в реальности, т. е. эффективную причину» {1, с. 42}. А поскольку все должно иметь эффективную причину, то такую причину должно иметь и движение. Одним из основных принципов схоластической натурфилософии было поэтому правило: «Все, что движется, движется посредством чего-то» (omne quod movetur ab alio movetur). Это «что-то», тот самый активный принцип, который дает возможность одному телу двигать другое, называется движущей силой. Хотя мы используем здесь термин «сила» для обозначения понятий средневековой физики, следует иметь в виду, что его смысл только весьма приблизительно отражается этим современным термином. Движущая сила такова, что она является причиной движения, и в том случае, если она постоянна, вызываемое ею движение будет равномерным. Большая сила движет данное тело быстрее при прочих равных условиях, а в отсутствие действия силы движение прекращается.
Так как аристотелевская и средневековая физика отвергала для земных процессов существование сил, действующих на расстоянии, необходимо, чтобы движитель был способен передавать свою силу двигаемому телу непосредственно, т. е. находясь с ним в контакте. Такое представление казалось удовлетворительным для объяснения большинства движений, с которым человек сталкивался в своем повседневном опыте. Однако существуют два вида движения, объяснение которых немедленно сталкивается с трудностями, в процессе преодоления которых и формировалась средневековая механика, как, впрочем, и механика нового времени.
Этими видами движения являются свободное падение тел и полет снаряда. Поскольку и в том и в другом случае движение совершается в отсутствие видимого контакта между телом и каким-либо движителем, решение проблемы неизбежно предполагало усложнение и усовершенствование теории.
В аристотелевской физике падение тел объяснялось стремлением тел к естественному месту, т. е. к центру мира, или к центру Земли, поскольку именно там он помещался. Однако стремление тела к своему естественному месту рассматривалось как конечная причина падения, а натурфилософы-схоластики были заинтересованы в том, чтобы определить эффективную причину, которая соответствует этой конечной, т. е. найти движущую силу, вызывающую это естественное движение к центру мира и поддерживающую его в течение всего пути. Ответ на этот вопрос может показаться неудовлетворительным для современного читателя, но в Средневековье его считали вполне приемлемым: движение падающего тела поддерживается непосредственным движителем (motor proximus), который является субстанциальной формой тяжелого объекта и вызывает движение посредством качества тяжести (поскольку субстанциальная форма не может оказывать действие на тело непосредственно). В защиту средневековых мыслителей добавим, что современное объяснение падения — «тело падает потому, что находится в поле тяготения»,—тоже может показаться неубедительным непредвзятому критику, свободному от привычного взгляда на вещи.
В процессе обсуждения этой проблемы натурфилософами XIV в. они все более склонялись к тому, чтобы объяснять движение падающего тела не постоянным контактом непосредственного движителя (motor proximus) с телом, а передачей телу движущего начала движителем, передачей, в результате которой движущая сила помещается в самом движимом объекте. «Гравитационное движение, следовательно, не вызывается внешней силой, ни толчком, ни давлением силы, приложенной извне, как это предполагали при попытках механистического объяснения в семнадцатом веке, ни силой, действующей на расстоянии; вместо этого падение является движением, которое содержит движущую силу внутри себя, в котором движущийся объект как бы внутренне стремится к внешней цели» {1, с. 51}.
Что касается полета снаряда, то эта проблема будет проанализирована позднее, здесь мы только ограничимся замечанием, что ее решение шло по тому же пути, что и в случае проблемы падения.
Итак, можно сказать, что схоластическая механика различала два вида движущих сил. Во-первых, это внешняя движущая сила, которая предполагает, что движитель и движимое тело находятся в непосредственном контакте; во-вторых, это внутренняя движущая сила, которая вносится движителем в движимое тело, и затем тело содержит причину своего движения внутри себя. Примером таких внутренних сил является тяжесть (или легкость) — в случае естественных движений и импетус — в случае насильственных.
Теперь обратимся к проблеме скорости в позднесредневековой механике. Модернизируя высказывания Аристотеля, можно сказать, что он считал скорость прямо пропорциональной движущей силе и обратно пропорциональной сопротивлению, т. е. v ~ F/R. Понятие сопротивления было существенно для аристотелевской и схоластической физики, так как именно сопротивление обусловливало тот факт, что движение совершалось не мгновенно, и таким образом делало возможным само движение (мгновенное движение, как мы помним, не есть движение в строгом смысле, а мутация). Под сопротивлением обычно понималось сопротивление среды, и невозможность мгновенного движения часто приводилась Аристотелем как доказательство невозможности существования пустоты.
Модернизация представлений Аристотеля, заключающаяся в написании приведенной выше формулы, состояла, кроме того, и в самом утверждении существования пропорциональной зависимости. На самом деле у Аристотеля мы можем лишь встретить утверждения, что двойная сила продвинет тело на вдвое большее расстояние за то же самое время или же что та же самая сила продвинет вдвое меньшее тело на вдвое большее расстояние при прочих равных условиях. Аналогичные утверждения делались и относительно изменения сопротивления.
Именно схоластические натурфилософы XIV в. придали этим частным утверждениям вид функциональной зависимости, как это мы увидим позднее.
Кроме того, существовала еще и другая проблема: всегда ли этот процесс деления на два движущей силы или удвоения сопротивления допустим? Ведь движение может происходить только в том случае, если движущая сила больше сопротивления, и если процесс манипулирования с двойной или половинной величиной приводит к тому, что это правило нарушается, то очевидно, что рассуждения Аристотеля в таком случае неправомерны. Следовательно, правило Аристотеля нуждалось не только в обобщении, но и в исправлении.
И то и другое было сделано Томасом Брадвардином в его «Трактате о пропорциях», написанном в 1328 г. «Трактат» содержит четыре главы. Первая глава представляет математическое введение, касающееся теории пропорций; во второй рассматриваются различные усовершенствования теории Аристотеля, которые затем отвергаются как неправильные; в третьей излагается собственно теория Брадвардина, и, наконец, в четвертой обсуждаются проблемы вращательного движения.
Брадвардин вначале останавливается на попытках улучшить теорию Аристотеля. Эти попытки состояли, грубо говоря, в том, что первоначальная зависимость заменялась пропорциональностью скорости и разности между движущей силой и сопротивлением, или пропорциональностью отношения этой разности а сопротивления, т. е. v ~ F - R, или v ~ (F - R)/R.
Оба эти варианта делают скорость зависимой от разности двух разнородных количеств (вернее сказать, величин интенсивностей), что было недопустимо уже в аристотелевской и схоластической физике, поэтому Брадвардин отвергает такие предложения. Вместо этого он выдвигает свое предложение, которое заключается в том, что увеличение скорости вдвое соответствует возведению в квадрат отношения силы и сопротивления, утроение скорости — возведению в куб этого отношения и т. д. Соответственно уменьшение скорости в данное число раз ведет к извлечению корня данной степени из первоначального отношения. Пользуясь современной терминологией, чтобы выразить функциональную зависимость Брадвардина между скоростью, движущей силой и сопротивлением, можно сказать, что скорость предполагается пропорциональной логарифму отношения силы и сопротивления, т. е. v ~ log (F/R), ибо функциональное уравнение n?f(x) = f(xn) имеет решением f(x) = log x.[8]
Решение, найденное Брадвардином, является обобщением и улучшением аристотелевского правила безотносительно к тому, насколько верно оно в смысле современной физики. Действительно, любое движение предполагает, что движущая сила превосходит сопротивление, поэтому первоначальное отношение F/R всегда больше единицы. А раз так, то оно всегда останется большим единицы: и в случае уменьшения, и, естественно, в случае увеличения скорости, ибо любой корень из числа, большего единицы, также больше единицы. Современному читателю это сразу видно из самого вида закона Брадвардина: v ~ logF/R, т. е. логарифм отрицательного числа при положительном основании не имеет смысла, значит, и закон имеет смысл, только когда F > R, а при F = R v = 0, т. е. логарифм единицы равен нулю, и движение при равенстве движущей силы и сопротивления не имеет места.
Итак, Брадвардин определенно улучшил правило Аристотеля в рамках аристотелевской физики, но важно подчеркнуть другой аспект его работы: это была едва ли не первая попытка, пользуясь доступным в то время математическим аппаратом, вывести количественную функциональную зависимость между рассматриваемыми величинами. Именно этот факт имел, вероятно, в виду Ф. Хунд, когда говорил в своей «Истории физических понятий» о «переходе от качественных к количественным характеристикам» в эпоху позднего Средневековья. Майер выразилась еще яснее: «Брадвардин, как и все его современники, полагал, что аристотелевская физическая теория правильна, и он пытался найти формулу, которая была бы применима для всех значений переменных и удовлетворяла бы всем условиям. И он этого добился» {1, с. 75}.
Как это ни странно, но понятие скорости, кажущееся нам интуитивно столь ясным, претерпело на пути к современному представлению значительные видоизменения, и его определение представляло трудности для многих поколений исследователей вплоть до Галилея. Причина этих трудностей коренилась не только в том, что движение рассматривалось в широком смысле слова, но и в том обстоятельстве, что со времен Аристотеля любое отношение имело в глазах философов смысл только тогда, когда в него входили величины одного рода, т. е. путь сравнивался с путем, время — со временем и т. п., поэтому отношение пути ко времени — а именно так мы определяем скорость сегодня — было им абсолютно чуждо. Как замечает В. П. Зубов, «нашу формулу v = s/t древние просто не поняли бы» {2, с. 60}. Единственное место, где Аристотель оперирует с отношением разнородных величин, это там, где он обсуждает зависимость скорости от движущей силы и сопротивления[9]. Традиционно это исключение осталось единственно приемлемым для последующих исследователей, включая Брадвардина.
Единственным путем сколько-нибудь полного, математического анализа понятия скорости в таком случае остается возможность оперирования со скоростью как с отвлеченной величиной, некоторым числом. (При этом вначале подразумевается, что такое число выражает отношение движущей силы к сопротивлению — это число понимается просто как отвлеченная характеристика.) Именно таким образом и поступает Брадвардин. У него скорость выражается величиной, представляющей, как он говорит, интенсивность качества движения. В дальнейшем такой подход позволил рассматривать скорость, взятую не в отношениях, а как таковую. Примером может служить тот факт, что у Хейтесбери уже вводится понятие мгновенной скорости для неравномерного (дифформного) движения. В его трактате «О местном движении» дается следующее определение: «В пространственном дифформном движении в любое мгновение скорость определяется по линии, которую прочертила бы наиболее быстро движущаяся точка, если бы на протяжении она стала бы двигаться униформно (т. е. равномерно. — В. К.) с тем градусом скорости, с которым она движется в это мгновение — какое бы мгновение ни взять» {2, с. 69}. В определении подразумевается, что скорость как интенсивная величина может иметь меру (градус), что, в свою очередь, отражает характерную точку зрения для ученых Оксфордской школы.
Указанные представления являлись частью более широкого учения «об усилении и ослаблении качеств», в котором обсуждались также свойства равномерного (униформного) и равноускоренного (униформно-дифформного) движения. Попытка сопоставить равномерное и неравномерное движения очевидна из приведенного выше определения мгновенной скорости.
Другим результатом подобного рода было знаменитое «мертонское правило», определяющее возможность сопоставления равномерного и равноускоренного движений. В формулировке Суиссета это правило гласит: «Всякая широта движения, униформно приобретаемая или теряемая, соответствует своему среднему градусу, так что столько же в точности будет пройдено благодаря этой приобретаемой широте, сколько и благодаря ее среднему градусу, если бы тело двигалось все время с этим средним градусом» {2, с. 136}. Терминология Суиссета нуждается в пояснении — под «широтой» калькуляторы понимали интенсивность качества, а «градус», как и выше, есть мера этой интенсивности, значение которой может изменяться от нуля до бесконечности. Поэтому теория усиления и ослабления качеств называлась также учением о «широте форм», где под «формой» подразумевалось некое качество, подлежащее рассмотрению, Имея в виду эти соображения, мертонское правило можно интерпретировать таким образом, что путь, пройденный во время равноускоренного движения, равен пути, проходимому в равномерном движении со средней скоростью.
НИКОЛА ОРЕМ
Результаты ученых Оксфордской школы, пользовавшихся языком словесной алгебры, чтобы математизировать учение об интенсивности качеств, были переформулированы на более наглядном и потому более понятном языке в трудах парижских ученых. В этом предприятии основная заслуга принадлежит Никола Орему.
Около 1350 г. им был написан «Трактат о конфигурации качеств и движения»[10], в котором используется другой по сравнению с трудами калькуляторов подход к проблеме. Интенсивность любого качества, согласно Орему, можно изобразить в виде отрезка прямой, и если место (extensio) мыслить как долготу (longitudo) на горизонтальной прямой, тогда интенсивность (intensio) любой точки будет изображаться соответствующим вертикальным отрезком прямой, а зависимость интенсивности от места (точки) — множеством таких отрезков. Верхние концы отрезков будут тогда располагаться на некоторой кривой, которая и определяет «конфигурацию» качества. Конфигурации означали у Орема качество как целое, причем ценность качества зависит от красоты конфигурации.
Хотя графическое представление интенсивностей у Орема очень похоже на современное использование системы координат для изображения функциональной зависимости, у него не было понятия о. системе координат как таковой — речь в его трактате шла лишь о расстояниях между точками и отрезками прямой. Тем не менее «графический метод Орема предполагал понимание функциональной зависимости; эту идею можно найти во множестве его работ, и она никоим образом не была необычной для середины четырнадцатого столетия» {1, с. 64}.
Во второй части своего трактата Орем рассматривает движение; в этом случае долгота соответствует времени, а интенсивность — скорости. Тогда получается, что равномерному движению соответствует постоянная интенсивность и конфигурацией, отражающей его, является четырехугольник; аналогично конфигурацией равноускоренного движения будет треугольник или прямоугольная трапеция (в зависимости от того, отличается или нет начальная скорость от нуля).
В третьей части обсуждается проблема эквивалентности движений, и Орем приходит к мертонскому правилу: униформно-дифформное движение эквивалентно униформному движению со средней скоростью, основываясь на предположении, что движения эквивалентны, если площади их конфигураций равны. Равенство соответствующих конфигураций он доказывает с помощью конгруэнтных треугольников, и мертонское правило получает, таким образом, ясный геометрический смысл. Отметим, что Орем не сделал следующий шаг и не применил свой чертеж к исследованию проблемы падения, что спустя два с половиной столетия сделал Галилей, который, впрочем, исходил из совершенно других, чем Орем, предпосылок.
Конфигурации Орема
К выводу мертонского правила
Заслуживает внимания представление Орема о площади фигуры как о мере пройденного пути. Он использует это представление при обсуждении мертонского правила, а в дальнейшем применяет его к доказательству двух важных положений: можно представить движение, в котором скорость бесконечно растет, но пройденный путь является при этом конечным; возможно также движение, длящееся бесконечно долго, при котором проходится конечный путь.
Возможность графического изображения, показанная Оремом, обусловила более ясное понимание характера непрерывного изменения и облегчило в дальнейшем введение понятия функции.
Перейдем теперь к теории импетуса, роль которой в эволюции физической мысли трудно переоценить. Однако чтобы эта оценка была адекватной, нам придется более детально остановиться на ключевых моментах теории, а также сделать несколько предварительных замечаний. Сразу же оговоримся, что средневековая теория импетуса рассматривается современной историей науки как отправная точка для развития новой теории, результатом которой было создание закона инерции, но при этом подчеркивается, что теория импетуса представляла собой независимый этап развития науки от аристотелевской к классической механике. Было бы неправильно рассматривать импетус как средневековый аналог закона инерции, как это делал, например, Пьер Дюэм в своих «Исследованиях по Леонардо да Винчи». Поэтому вопрос о сходстве и различии понятий импетуса и инерции потребует специального анализа. С другой стороны, необходимо иметь в виду, что современная терминология неадекватна: импетус не является ни силой, ни энергией, ни количеством движения в современном смысле, хотя и несет в себе черты каждого из этих понятий.
Проблема разделенного движения (motus separatus), которая привела в XIV в. к созданию теории импетуса, восходит к аристотелевскому принципу: «Все движущееся должно необходимо приводиться в движение чем-нибудь» {3, с. 124}. Этот принцип был усвоен и целиком разделялся схоластической натурфилософией, равно как и следующее из него положение, что любое движение предполагает наличие движущей силы, оно продолжается лишь в течение действия этой силы и заканчивается, как только сила перестает действовать. Все объяснения движения в случае разделенного движения (например, стрелы, пущенной из лука, или брошенного рукой камня) со времен Аристотеля сводились к тому, что передача движения от движителя к движимому телу обусловливалась через посредство среды. Таким образом, движитель передавал движение среде, сообщая ей движущую силу, которая затем преобразовывалась в движение снаряда. В такой трактовке «сила» понималась скорее как форма энергии.
Первым, кто подробно рассмотрел понятие импетуса, был францисканский монах Франческо ди Маркиа, это было сделано в его комментариях к «Сентенциям» Петра Ломбардского ъ 20-х годах XIV в. Существенно новым в его представлении было то, что движущая сила (он называл ее vis derelicta) передавалась не среде, а самому телу непосредственно. Десятилетие спустя Жан Буридан придал представлениям об импетусе характер настоящей теории, а затем она получила распространение в трудах Орема, Альберта Саксонского (1316—1390) и Марсилия Ингена. (Альберт Саксонский — основатель Венского университета (1356), Марсилий Инген — первый ректор Гейдельбергского университета; в изложении теории импетуса они строго следовали буридановым представлениям).
Буридан с самого начала задается вопросом: «Что такое импетус?» (quae res est ille impetus?)—и после длительного анализа приходит к следующим выводам, которые, впрочем, не дают прямого ответа на поставленный вопрос:
«Первый вывод заключается в том, что импетус не есть само местное движение, в котором участвует снаряд, потому что импетус движет снаряд, а движитель производит движение. Следовательно, импетус производит это движение, а одна и та же вещь не может производить себя.
Второй вывод состоит в том, что импетус не есть чисто последовательная вещь (res successiva), потому что такой вещью является движение, и определение движения как последовательной вещи весьма подходяще, о чем говорится повсюду. А только что утверждалось, что означенный импетус не есть само местное движение. Кроме того, так как чисто последовательная вещь непрерывно разрушается (уничтожается) и возникает (создается), она непрерывно требует производителя. Но невозможно приписать роль такого производителя импетусу, который всегда продолжал бы существовать с ним одновременно.
Третий вывод гласит, что означенный импетус является вещью, перманентной по своей природе (res naturae permanentis), отличной от местного движения, в котором участвует снаряд. Это очевидно из двух вышеприведенных выводов, а также из последующих утверждений. Возможно, что импетус является качеством, присутствующим естественно (т. е. физически) и предназначенным для движения тела, в которое он внедрен, так же, как говорится, что качество, внедренное в железо магнитом, движет железо к магниту. А также возможно, что раз это качество — импетус — внедрено в движущееся тело вместе с самим движением движителем, то вместе с движением оно ослабляется (разрушается) или задерживается (замедляется) посредством сопротивления или посредством противоположной склонности» {4, с. 536-537}.
Это определение импетуса нуждается в пояснении. В первом предложении Буридан говорит, что, поскольку ничто не может быть своей собственной причиной, импетус, являющийся причиной местного движения, не может быть ему идентичен. Второе предложение использует средневековое представление о движении как о последовательном процессе (т. е. процессе, происходящем в последовательные стадии), или потоке. Ранее Буридан показал, что согласно его теории местное движение есть не только последовательный процесс, но и в действительности «последовательная вещь» (res successiva). Его второе положение равносильно утверждению, что импетус не есть поток, содержащий в себе движущийся объект как акциденцию.
Что касается третьего положения, то большинство историков его интерпретирует как придание понятию импетуса качества неизменности, постоянства (от permaneo — сохраняться, длиться, продолжаться). Однако существует и другая интерпретация этого утверждения, принадлежащая С. Дрейку {5, с. 28—46}. Дрейк говорит, что слово «перманентный» можно трактовать не только как противоположность слову «временный» от глагола permaneo, поскольку «это слово в XIII и XIV столетиях имело также и совершенно другой смысл и обозначало в данном случае „присутствующий внезапно" и „существующий раз и навсегда" (от permano — проникать, протекать). В этом смысле термин „перманентный" противоположен не слову „временный", а слову „последовательный", которым обозначаются вещи — например, движение,— которые не могут существовать в одно лишь мгновение. Скорость или интенсивность движения, с другой стороны, может присутствовать внезапно. Смысл этого может стать нам ясен, если мы посмотрим, что мы вкладываем в слова типа „шестьдесят миль в час". Часовая прогулка не может быть осуществлена сразу, но каким-то образом все шестьдесят миль относятся к тому мгновению, о котором мы говорим. Средневековые авторы не использовали такие выражения (они говорили скорее о „градусах скорости"), но это не значит, что они не проводили четкого разделения между сущностями, длящимися во времени, и сущностями, представленными в данное мгновение» {5, с. 30}.
Вопрос о том, что мы должны понимать под перманентностью импетуса, является существенным, так как он является одним из главных пунктов разногласий в теории импетуса. Большинство ученых XIV в. во главе с Оремом считали, что импетус не является перманентным, а противоположную точку зрения Буридана разделяли немногие (в их число входил тем не менее Альберт Саксонский).
В одной интерпретации перманентность импетуса мыслилась как присущая ему по природе неизменность. В этом случае замедление движения объяснялось результатом сопротивления движению, сводящего в конце концов на нет движущую силу импетуса. Отсутствие перманентности означало, в свою очередь, что импетус по природе своей убывает по мере движения.
Вторая точка зрения кажется нам более обоснованной прежде всего потому, что уже Франческо ди Маркиа говорил об импетусе (вернее, движущей силе, переданной движителем снаряду,— термин «импетус» был введен Буриданом) как о некоей промежуточной форме (forma quasi media) между чисто последовательной формой (forma simpliciter successiva), которой является движение, и чисто перманентным качеством (forma simpliciter permanens) {1, с. 86}. Здесь налицо то самое противопоставление «последовательности» и «перманентности», на которое ссылается Дрейк.
С другой стороны, понятие перманентности как неизменности по своей природе входит в противоречие с тем, как об импетусе говорит сам Буридан, подчеркивая, что импетус «разрушается или замедляется посредством сопротивления или посредством противоположной склонности». Поскольку средневековые схоласты, как и Аристотель, мыслили движение происходящим исключительно в сопротивляющейся среде, невозможно понять, как они могли решиться на такую идеализацию земных движений и устранить сопротивление из теоретического рассмотрения. Вне такой идеализации понятие перманентности как неизменности по своей природе вообще теряет всякий смысл. Буридан, однако, рассматривает импетус и для небесных движений, утверждая, что в этом случае «импетус существовал бы бесконечно долго, если бы он не уменьшался и не разрушался противодействующим сопротивлением или склонностью к противоположно направленному движению». Показательно, что здесь Буридан не употребляет слово permanens, а использует слова in infinitum duratet для обозначения неизменности импетуса. Следовательно, «перманентный» в трудах средневековых схоластов, скорее всего, означало не слово «неизменный», а использовалось для обозначения качества, противоположного тому, которое выражается словом «последовательный».
Буридан ясно понимал различие между естественными круговыми движениями на небе и насильственным движением брошенного рукой камня на земле, и то, что он употребляет для их объяснения одно и то же понятие импетуса, говорит о его желании объяснить все движения во Вселенной с помощью механических законов. В этом его великая заслуга. Средневековая наука не могла избежать введения «интеллигенции», или «ангелов», для объяснения небесных движений, ибо только таким образом оказывалось возможным говорить о движении в среде без сопротивления, которое без вмешательства «интеллигенции» не могло быть таковым (т. е. движением, длящимся во времени), а должно было бы представлять собой мутацию.
Попытка Буридана объединить с помощью импетуса объяснение земных и небесных движений была затем продолжена Оремом. Нововведение Орема состояло в том, что он наделил небесную сферу особым видом сопротивления, которое действует таким образом, что скорость объекта сохраняется неизменной, «ибо сопротивление, которое действует на небесах, выражается не в склонности к покою или какому-либо другому движению, а лишь в том, что (первоначальное) движение не убыстряется» {1, с. 97}.
Это предложение Орема явилось следствием рассмотрения проблемы, поставленной Буриданом в его анализе небесных движений. Мы могли бы сформулировать эту проблему так: в какой степени объяснение Буридана является аналогом закона инерции? Буридан говорит, что в отсутствие сопротивления для небесных движений импетус сохранялся бы бесконечно долго. Значит ли это, что небесные тела должны в таком случае двигаться бесконечно долго? Эту проблему и анализирует Орем. С точки зрения схоластической философии такой импетус мог вызвать только движение с бесконечной скоростью, а не длящееся бесконечно движение. Поэтому Орем хочет спасти буриданово механическое объяснение (а с точки зрения схоластики оно невозможно в среде без сопротивления без введения в рассмотрение «интеллигенции») и делает это, вводя сопротивления особого рода.
Роль сопротивления в позднесредневековой физике очень важна. Ее важность определяется не только самой концепцией движения, но и тем, как понималось сопротивление в ту эпоху. Согласно общепринятой точке зрения любое насильственное движение на земле испытывало два вида сопротивления: внешнее сопротивление среды и внутреннее сопротивление, складывающееся, в свою очередь, из двух компонент — тенденции к противоположно направленному движению, т. е. тяжести, и тенденции к покою, т. е. инерциального сопротивления. Если от внешнего сопротивления среды (возникающего в результате трения) теоретически и можно было бы освободиться, как и от влияния тяжести (например, на горизонтальной плоскости), то от инерциального сопротивления в принципе освободиться нельзя.
Понятие такого сопротивления существовало почти у всех натурфилософов XIV в., но наиболее отчетливо оно было сформулировано Оремом в его комментариях к «Физике» Аристотеля. Комментарии Орема были, к несчастью, утеряны, но ход его мыслей оказалось возможным восстановить по некоторым местам из других его комментариев — к трактату Сакробоско «О сфере» и к трактату Альберта Саксонского «О небе и мире» {1, с. 92—93}. Орем называет его «склонностью к покою» (inclinatio ad quietem), причем предполагается, что эта склонность к покою остается постоянной вне зависимости от того, движется ли тело или покоится. В одном месте Орем говорит, что «каждый движущийся объект, который оказывает сопротивление движителю, стремится к покою или же к противоположно направленному движению» {1, с. 92}, и это высказывание дает основание А. Майер утверждать, что Орем был первым, кто проводил различие между инерционной и тяжелой массой и осознал, таким образом, наличие двух инерционных свойств тела, участвующего в насильственном движении {1, с. 95}.
Другой важной проблемой, возникающей при обсуждении понятия импетуса, является ускорение. Многим философам Средневековья казалось, что снаряд, брошенный рукой или каким-либо орудием, достигает наибольшей скорости в течение некоторого времени после броска, т. е. он сначала ускоряется, достигает максимума скорости, а затем уже его скорость начинает убывать. Такая точка зрения основывалась, как считали, на опыте; однако Буридан ее не разделял и говорил, что он никогда не делал таких наблюдений. С другой стороны, Орем был ее ревностным защитником, и что наиболее интересно, такая неправильная точка зрения привела его к замечательному выводу: чтобы объяснить ускорение тела, он провозгласил, что импетус надо рассматривать как причину не постоянной скорости, а постоянного ускорения. Такая точка зрения не может не вызвать аналогии с ньютоновым понятием силы. Как бы то ни было, подобные аналогии показательны в том смысле, что многие понятия классической механики, пусть неявно или случайно, но содержались в своеобразном конгломерате идей и теорий доклассической науки. Творцам новой науки предстояло отобрать из него наиболее ценные и поместить в новые концептуальные рамки.
Буридан также обсуждает проблему ускоренного движения в связи с понятием импетуса, но он приходит к ней, исходя из совершенно других предпосылок, чем Орем, анализируя случай снаряда, брошенного вверх. Здесь он исходит из общего положения своей теории, что в процессе любого насильственного движения снаряд необходимо теряет свой импетус вследствие всеобщей и естественной склонности тяжелых тел двигаться вертикально вниз. Но если освободиться от этой «склонности» и рассмотреть движение снаряда, падающего вертикально вниз, тогда, согласно Буридану, тело будет ускоряться (движение лишено сопротивления), а причиной ускорения будет непрерывное увеличение импетуса.
«Нужно представить, что тяжелое тело не только само приобретает движение от основного движителя, т. е. своей тяжести, но оно также приобретает для себя некоторый импетус в процессе этого движения. Этот импетус имеет способность двигать тяжелое тело наряду с перманентной естественной тяжестью. А поскольку такой импетус приобретается в процессе движения, то чем быстрее движение, тем больше и сильнее становится импетус. Итак, следовательно, тяжелое тело движется в начале движения только вследствие своей естественной тяжести, поэтому оно движется медленно. В дальнейшем оно движется как вследствие той же самой тяжести, так и вследствие импетуса, приобретенного за некоторое время; в результате оно движется более быстро. А так как движение становится быстрее, импетус также становится больше и сильнее, и таким образом тело движется быстрее вследствие своей естественной тяжести и этого большего импетуса, и снова оно будет двигаться быстрее; и таким образом оно будет всегда и непрерывно ускоряться до самого конца» {4, с. 560-561}.
Здесь у Буридана, как и ранее у Орема, импетус приобретает характерные черты современного понятия силы: импетус (хотя и не постоянный) является причиной ускорения тела. Но что самое важное в этом отрывке — это то, что анализ Буридана «вводит в рассмотрение ускорения необходимую разрывность, факт, на который не обратили внимания историки и который является ключом к средневековой теории импетуса, а также к пониманию его развития много позже» {5, с. 37}.
Обсуждая роль дискретности в физических представлениях Средневековья, Дрейк подчеркивает, что для них была характерна существенная разница между физическим и математическим понятиями мгновения. Лучшим примером этому является проблема «первого мгновения» движения, т. е. можно ли считать первое мгновение движения идентичным с последним мгновением покоя? Если да, то такое заключение содержит противоречие, ибо в таком случае тело будет одновременно находиться и в состоянии покоя, и в состоянии движения. Если мгновение мыслится математически, то задача не имеет смысла, однако физическое мгновение всегда имеет некоторую длительность, как бы мала она ни была, поэтому проблема решается просто — легко отделить последнее мгновение, когда тело еще находится в покое, от первого мгновения, когда тело уже движется. С таким представлением, замечает при этом Дрейк, вполне согласуется молчаливое предположение средневековых физиков, что физическое время имеет квазиатомную структуру и что физические моменты делимы только потенциально {5, с. 31}.
Возвращаясь к задаче о падении тела, теперь можно показать, что Буридан решал ее в чисто аристотелевском стиле. Действительно, если бы движение вниз зависело только от веса, то, как и предполагал Аристотель, оно совершалось бы с неизменной скоростью, т. е. было бы равномерным. Таковым, согласно Буридану, является движение вниз в начальный момент движения, когда импетус еще не оказывает на движение (и скорость) никакого воздействия. В дальнейшем накопление импетуса и приращение скорости идет последовательными квантовыми скачками, а не совершается непрерывно. Графиком скорости такого ускоренного движения была ступенчатая функция, а не треугольник, и, возможно, именно вследствие различия между физическими (т. е. реальными) явлениями и явлениями, мыслимыми в абстракции, представители Парижской школы не применяли найденные ими треугольные конфигурации к анализу реального падения. (Отметим, что, когда Орем обсуждает действительное движение, он использует ступенчатые функции, как в случае движения с бесконечно увеличивающейся скоростью или в случае движения, длящегося бесконечно.)
Первым, кто использовал треугольную конфигурацию для анализа реального падения, был Галилей.