Тео́рия импе́туса (от ‘толчок, импульс’) — натурфилософская теория, согласно которой причиной движения брошенных тел является некоторая сила (импетус), вложенная в них внешним источником. Теория импетуса появилась в результате критики некоторых положений физики Аристотеля, но в целом соответствует ей.
Общая характеристика теории импетуса
Основные положения Теория импетуса являлась попыткой ответа на вопрос: что движет телом, брошенным вблизи поверхности Земли? Наличие движущей силы считалось необходимым в связи с общими положения механики Аристотеля, согласно которой движение возможно только при наличии движущей силы. В теории импетуса предполагалось, что в ходе совместного движения с брошенным телом (камнем, стрелой, пушечным ядром) движитель (рука человека, тетива лука, праща, огнестрельное орудие и т. п.) вкладывает в брошенное тело некоторую силу (у мыслителей Востока — насильственную склонность), которая и заставляет тело двигаться дальше. Эта вложенная сила и была названа в XIV в. импетусом. Импетус считался новым качеством движущегося тела, отсутствующим у неподвижного тела, аналогично тому, как тепло является качеством горячего тела, отсутствующим у холодного тела. Процесс передачи импетуса мыслился по аналогии с теплопередачей. В ходе движения тела импетус постепенно исчерпывался, благодаря чему брошенное тело в конечном итоге падало на поверхность Земли.
Спорные вопросы Изначально теория импетуса развивалась в контексте комментирования произведений Аристотеля или даже теологических трактатов, и только в конце XVI — начале XVII вв. были написаны сочинения, содержащие попытки построения на её основе последовательной физической теории (Джамбатистой Бенедетти, Галилео Галилеем). Однако такая теория так и не была создана.
Большие разногласия всегда вызывал вопрос о том, исчерпывается ли импетус в ходе движения тела самопроизвольно или только благодаря сопротивлению внешних факторов (трению о воздух, действию гравитации). В пользу самоисчерпывания импетуса высказывались Филопон, ал-Багдади, , Николай Орем, в пользу исчезновения импетуса из-за сопротивления внешних факторов — Авиценна, Жан Буридан, Альберт Саксонский.
Далее, одни мыслители полагали, что тело, движущееся под действием импетуса, не испытывает тяжесть (Авиценна), другие полагали, что тяжесть и импетус действуют одновременно (ал-Багдади), хотя бы на некотором участке траектории (Альберт Саксонский).
Позднее (с XIV века) начались споры по вопросу о том, каким образом начальное движение (т. е. совместное движение брошенного тела и движителя) способствует возникновению импетуса: благодаря наличию скорости или ускорения? В первом случае импетус порождает скорость брошенного тела, во втором — также и ускорение. В пользу первого варианта высказывался Буридан, второго — Николай Орем. С Буриданом связана и другая спорная концепция — представление о том, что импетус может вызывать вращение твёрдого тела вокруг своей оси; оно было отвергнуто Джамбатиста Бенедетти в пользу предположения, что импетус может вызывать только прямолинейное движение тела.
Отсутствие ясности в общих положениях теории импетуса сказывалось на её применении к решению конкретных физических задач. Например, одни учёные и философы применяли теорию импетуса для обоснования гипотезы о вращении Земли вокруг оси (Джордано Бруно), другие — наоборот, для её опровержения (Жан Буридан, Джованни Баттиста Риччоли). Большие разногласия вызывал и другой вопрос: необходимо ли привлекать для объяснения движений небесных светил (как предполагалось в средние века, прикреплённых к небесным сферам) существование особых духовных сущностей, так называемых «интеллигенций» (разновидностей ангелов), или достаточно предположить, что движение небесных тел происходит благодаря импетусу, вложенному в них при создании мира Богом. В пользу второй возможности высказывались Филопон, Жан Буридан, Альберт Саксонский, в то время как Авиценна, Николай Орем считали, что без привлечения интеллигенций обойтись нельзя. Существовали и компромиссные решения этой проблемы (ал-Битруджи, , Риччоли).
Импетус и инерция В начале XX века было высказано мнение (в основном, Пьером Дюгемом), что теория импетуса является непосредственным предшественником, своеобразной средневековой оболочкой современных представлений об инерции, а сам импетус — аналогом импульса. Действительно, в некоторых версиях этой теории сообщённый телу импетус считался изменяющимся только из-за воздействий внешнего окружения и вычислялся по той же формуле, что и импульс в классической механике (таковы были версии Авиценны и Буридана).
Однако в настоящее время такая точка зрения является устаревшей. Существенные различия связаны с тем, что в средневековой теории состояние покоя считалось чем-то первичным, и требовалось объяснять его прекращение, т. e. есть приведение тела в движение, появление у тела скорости. В одних случаях причиной движения была, например, тяжесть, в других — импетус. В целом теория импетуса вполне соответствовала физике Аристотеля, поскольку сила считалась причиной движения тела, а скорость считалась пропорциональной силе. В современной науке покой является всего лишь частным случаем движения, и объяснению подлежит смена состояния движения, т. e. ускорение; согласно второму закону Ньютона, ускорение пропорционально силе.
Далее, импетус считался некоторым особым качеством, которым наделено движущееся тело, аналогичным, например, теплу. В современной физике, в соответствии с принципом относительности, движущееся тело не считается обладающим какими-то особыми качествами по сравнению с неподвижным.
Вместе с тем в некоторых отношениях теория импетуса способствовала появлению классической механики, поскольку подвергала критике некоторые положения механики Аристотеля. Начиная с Галилея термин «импетус» всё чаще использовался в том же смысле, что «импульс».
Исторический обзор
Античность
Истоки теории импетуса лежат в античности — физике Аристотеля.
Аристотель. Согласно Аристотелю, каждому виду материи соответствует своё естественное место в пределах Вселенной: место элемента земли — в самом центре мира, далее следуют естественные места элементов воды, воздуха, огня, эфира. Для подлунного мира было характерно движение по вертикальным прямым линиям; такое движение должно иметь начало и конец, что соответствует бренности всего земного. Если элемент подлунного мира вывести из своего естественного места, он будет стремиться попасть на своё естественное место. Так, если поднять горсть земли, естественным для неё будет движение вертикально вниз. Поскольку элементы земли и воды в своем естественном движении стремились вниз, к центру мира, они считались абсолютно тяжелыми; элементы воздуха и огня стремились вверх, к границе подлунной области, поэтому они считались абсолютно лёгкими. Увеличение скорости падающего тела Аристотель объяснял приближением тела к своей конечной точке — Земле. При достижении естественного места движение элементов подлунного мира прекращается.
Движение тела к его естественному месту называлось естественным движением. В противном случае движение называлось насильственным. Аристотель полагал, что насильственное движение возможно только в том случае, если к телу приложена сила со стороны другого тела: «всё, что находится в движении, должно двигаться чем-то другим»; движимое и движитель должны находиться в непосредственном контакте. Скорость тела Аристотель считал пропорциональной приложенной силе.
В этой теории с трудом находил своё объяснение элементарный факт: когда человек бросает камень, то камень продолжает движение после прекращения контакта с рукой. Действительно, камень относится к разряду тяжёлых тел, его естественное место находится внизу, на Земле. Пока он находится в руке, он совершает насильственное движение, однако после того, как бросающий отнимает руку, камень, казалось бы, должен совершать естественное движение к центру мира, т. e. падать на поверхность Земли. Но камень движется совершенно иначе: он сначала поднимается вверх или движется под углом к горизонту, и только потом падает на землю. По мнению Аристотеля, движение камня поддерживается воздухом, которому, в свою очередь, было сообщено движение рукой человека.
Гиппарх. Другое решение проблемы брошенных тел дал Гиппарх Никейский в книге О телах, движущихся вниз под действием их тяжести. Сама эта книга до нас не дошла, но с её основными идеями мы знакомы в пересказе Симпликия: Гиппарх пишет, что если бросить кусок земли прямо вверх, причиной движения вверх будет бросившая сила, пока она превосходит тяжесть брошенного тела; при этом, чем больше бросившая сила, тем быстрее предмет движется вверх. Затем, по мере уменьшения силы, движение вверх будет происходить со всё убывающей скоростью, пока, наконец, тело не начнёт двигаться вниз под действием своего собственного влечения — хотя в какой-то мере бросившая сила ещё будет в нём присутствовать; по мере того, как она иссякает, тело будет двигаться вниз всё быстрее и быстрее, достигнув своей максимальной скорости, когда эта сила окончательно исчезнет. Согласно наиболее распространённой трактовке этого отрывка, «бросившая сила» Гиппарха — это то же самое, что импетус. В таком случае, у Гиппарха содержится первое высказывание концепции импетусаСм. например, работы: Рожанский, 1988, с. 438; Crombie, 1996, p. 254. Впрочем, существует и несколько иная интерпретация приведенного отрывка о динамических взглядах Гиппарха (Wolff, 1989).
Поздняя античность и раннее средневековье Представление о существования некоторых внутренних двигателей в движущихся телах высказывал афинский философ конца II — начала III века Александр Афродисийский. Аналогичные идеи (в богословском контексте) находят у христианского мыслителя V века Синезия, ученика легендарной Гипатии«Епископ Синезий, живший в V веке, сравнивает непрерывное движение Божьей воли с искусством всё той же марионетки, которая „продолжает двигаться и тогда, когда рука управляющего ею перестает дергать нити“.» (Неретина С. С., Тропы и концепты) .
Однако настоящим автором концепции импетуса обычно считают александрийского мыслителя VI века Иоанна Филопона.
Филопон. В своих комментариях к Физике Аристотеля Филопон подверг критике аристотелево решение проблемы брошенных тел и предложил другое решение этой проблемы. По его мнению, «бросающий агент» (например, рука или тетива лука) сообщает брошенному телу движущую силу (впоследствии названную импетусом), которая и движет тело после прекращения контакта; здесь снова проявилось влияние физики Аристотеля, в которой скорость тела считалась пропорциональной силе. Окружающий воздух не помогает движению, как полагал Аристотель, а препятствует ему. Однако даже в пустоте импетус тела должен был бы самопроизвольно уменьшаться (исчерпываться).
Филопон применил теорию импетуса также и к движению небесных тел. Он отрицал бытовавшие в то время представления (высказываемые, например, Феодором Мопсуестийским и Космой Индикоплевстом), что небесные тела переносятся в пространстве ангелами. По его мнению, движение небесных тел происходит благодаря движущей силе, вложенной в них при создании мира Богом.
Исламский Восток
Авиценна. Теория движущей силы Филопона стала известной среди мусульманских учёных. Так, её упоминал один из основателей арабской философии ал-Фараби (IX—X вв.). Значительный вклад в её развитие внёс выдающийся философ и учёный XI века Авиценна (Ибн Сина) (Книга исцеления, ок. 1020 г.). По его мнению, «двигатель» сообщает движущемуся телу некоторое «стремление», аналогично тому, как огонь передаёт тепло воде. В роли двигателя может выступать не только рука или тетива лука, но также тяжесть.