Очевидное? Нет, еще неизведанное… - Вольдемар Смилга

Ньютон так взволновался, что не мог сам провести новые очень простые вычисления, и это проделал за него некий, оставшийся неведомым миру, его друг. Так был окончательно создан закон тяготения.

Возможно, этот рассказ не более чем легенда, но, во всяком случае, такая легенда очень характерна, когда речь идет о Ньютоне.

Прав был Ньютон в споре с Гуком или нет, в конечном счете неважно, но, безусловно, никто, кроме Ньютона, не владел математикой и физикой настолько, чтобы вывести эмпирически установленные законы движения планет из единого закона притяжения тел. Никто не мог поэтому разрешить и обратную задачу — четко сформулировать сам закон взаимодействия, имея эмпирические законы Кеплера. Эта задача полностью решена в «Началах».

Закон тяготения в руках Ньютона дал ответ на все главные вопросы, связанные с движением небесных тел.

Но этого мало. Вычисленная при помощи того же закона тяготения сила тяжести точно совпала с опытом. Казалось бы, трудно требовать более убедительные доказательства. И тем не менее прошло еще почти столетие, прежде чем теория тяготения была окончательно признана во всем научном мире.

Для современников Ньютона теория тяготения казалась, пожалуй, значительно революционней и удивительней, чем в наши дни теория относительности. Это связано отчасти с тем, что уровень научной культуры в XVII и XVIII столетиях был значительно ниже, чем в наши дни. Не следует, конечно, думать, что было меньше талантливых ученых. Отнюдь нет. Просто средневековое мировоззрение в той или иной степени еще довлело над самыми яркими умами того века. Даже сам Ньютон усердно и прилежно толковал священное писание. Чего же можно требовать от других?

Любопытный исторический факт.

Если вспомнить, что его современники все еще проникнуты традициями физики гипотез, можно представить себе их реакцию, когда вместо объяснения существа самого что ни на есть основного и сокровенного свойства тел им предлагают (смешно слышать!) аналитический закон взаимодействия. Для ученых того времени это звучит почти как издевательство.

Не удивительно поэтому, что даже такие люди, как Лейбниц, Гюйгенс, Эйлер, Ломоносов, не принимали идей тяготения. Вот, например, отрывок из переписки Лейбница и Гюйгенса.

Лейбниц: «Я не понимаю, как Ньютон представляет себе тяжесть или притяжение. По его мнению, это, по-видимому, не что иное, как некое необъяснимое нематериальное качество».

Гюйгенс: «Что касается причины приливов, которую дает Ньютон, то она меня не удовлетворяет, как и все другие его теории, которые он строит на принципе притяжения, который кажется мне нелепым».

Особенно сильна оппозиция Ньютону во Франции, где все покорены учением Рене Декарта.

Не наша задача оценивать роль, которую сыграли в науке взгляды замечательного французского философа. И вообще-то можно было бы не останавливаться на том, как он пытался объяснить наблюдаемые движения небесных тел. Но теория материи Декарта интересна для нас одним пунктом.

В ней впервые появляется загадочная субстанция материи — эфир. Эфир, приковывавший к себе внимание физиков вплоть до XX столетия!

Первое, но далеко не последнее упоминание об эфире.

По Декарту, эфир находится в непрерывном вихревом движении и увлекает за собой все планеты. В процессе этого же вихревого движения части материи, которые были вначале в состоянии хаоса, разделились на три сорта частиц[29].

Первый — самый грубый. Из частиц этого типа созданы Земля, планеты и кометы.

Второй включает более отшлифованные частицы. Из них образовались Солнце и звезды.

И наконец, третий сорт — бесконечно тонкие частицы.

Взаимодействие небесных тел, по Декарту, осуществляется благодаря их давлению на эфир. Давление передается по эфиру от одного тела к другому. Ввиду этого небесные тела влияют друг на друга.

Особо отметим: по Декарту, для передачи действия (силы) на расстояние необходима материальная, обладающая вполне определенными механическими свойствами среда — эфир.

Декарт и его последователи пытались представить себе тяготение на основе конкретной модели, желали свести все к воздействию тел на эфир и обратному действию эфира на небесные тела.

Никакого аналитического выражения Декарту, конечно, получить не удалось. Однако ученых того века в его гипотезе пленяла прелесть очевидности и наглядности.

Весьма ядовито характеризовал научную атмосферу того времени Мари Франсуа Вольтер, увлекавшийся в молодости физикой:

«Если француз приедет в Лондон, он найдет здесь большое различие в философии, а также во многих других вопросах.

В Париже он оставил мир полным вещества, здесь он находит его пустым. В Париже вселенная наполнена эфирными вихрями, тогда как тут, в том же пространстве, действуют невидимые силы.

В Париже давление Луны на море вызывает отлив и прилив, в Англии же, наоборот, море тяготеет к Луне.

У картезианцев все достигается давлением, что, по правде говоря, не вполне ясно, у ньютонианцев все достигается притяжением, что, однако, не намного яснее.

Наконец, в Париже Землю считают вытянутой у полюсов, как яйцо, а в Лондоне она сжата, как тыква…»

Декарт часто подписывался «Картезий». Отюда картезианство, картезианцы.

Эти слова написаны в 1727 году (40 лет прошло с появления «Начал»!), а скептицизм Вольтера распространяется, как видите, в равной мере на теории Ньютона и Декарта.

Так что закон тяготения проникал в умы с великим трудом.

Но как ни медленно побеждала истина, к началу XIX столетия все сомнения в справедливости закона Ньютона исчезли. Причем интересно, что именно французские ученые второй половины XVIII столетия окончательно отшлифовали небесную механику и показали, что теория тяготения истинна и нет истины вне ее.

Закон тяготения, может быть, высшее достижение метода принципов. В нем ни слова не говорится о том, почему действует тяготение. Он отвечает только, как действует эта загадочная сила:

И вот, наконец, сам закон тяготения.

Здесь F — сила притяжения между двумя любыми телами, m1 и m2 — их массы, r — расстояние между телами, f — постоянная размерная величина, численно равная силе притяжения двух тел единичной массы, разделенных единичным расстоянием. Называется она гравитационной постоянной в системе CGS

f = 6,7 · 10-8 см3/сек2·г.

Ничтожно малое значение f и объясняет, почему мы не замечаем сил притяжения между земными предметами.

В законе Ньютона обращают на себя внимание по меньшей мере три поразительных факта.

Удивление № 1.

Бросается в глаза удивительная аналогия характера гравитационных сил с взаимодействием совершенно другой природы — электрических зарядов (закона Кулона).

F = ±[e1] · [e2]/r2.

Мы не будем касаться причин этого любопытного совпадения и ограничимся констатацией факта. Правда, с другой стороны, есть и кардинальное отличие: гравитационные «заряды» имеют всегда только один знак.

Удивление № 2.

Закон Ньютона предполагает, и на этом мы задержимся дольше, что тяготение распространяется с бесконечно большой скоростью.

Действительно, закон тяготения подразумевает, что для определения силы притяжения в каждый данный момент времени достаточно знать расстояние между телами в тот же самый момент времени. Как изменяется расстояние со временем, совершенно не существенно, — говоря учено, несущественна пространственно-временная биография взаимодействующих тел.

Посмотрим, что изменилось бы в законе Ньютона, если бы скорость тяготения была конечна, а во всем остальном закон взаимодействия остался бы прежним.

Допустим, два тела взаимодействуют по закону Ньютона. При этом тяготение распространяется с конечной скоростью с. Если тела покоятся — все остается по-старому. Но не то, если они движутся друг относительно друга.

Конечно, в первую очередь возникает вопрос, что означает: скорость распространения тяготения конечна и равна с? В какой системе отсчета? Поэтому примем условно некую «абсолютную систему», в которой скорость тяготения и есть с.

Мы не знаем и не хотим знать, почему скорость распространения тяготения конечна: может быть, потому, что тела постоянно посылают волны тяготения, которые распространяются в пространстве с конечной скоростью, может быть, по другой причине. Мы хотим просто установить, как изменится при этом закон Ньютона.