Исаак Ньютон. Его жизнь и научная деятельность

1. Планеты описывают эллипсы, в фокусе которых находится Солнце.

2. Площади, описываемые радиус-векторами, то есть линиями, соединяющими центр Солнца с центрами планет, пропорциональны времени.

3. Квадраты времен обращений планет относятся как кубы больших полуосей орбит. Из второго закона выводится формула “квадратных пропорций”, а из третьего закона следует, что сила тяготения пропорциональна массам планет.].

В тот же день, когда рукопись “Начал” была предъявлена Королевскому обществу, последнее постановило: печатание рукописи поручить совету общества, послать автору благодарственное письмо и главное наблюдение за печатанием поручить Галлею. Галлей уведомил Ньютона об этом решении.

Ньютон пишет Галлею в ответ: “Я предполагал напечатать три книги. Вторую я кончил еще прошлым летом, она не велика, остается только переписать да хорошо начертить чертежи. Третья книга касается комет. Последняя осень пропала даром: я провел два месяца в бесплодных вычислениях из-за отсутствия хорошего метода и возвратился к обработке первой книги. Третью книгу я намерен уничтожить. Философия – это такая невежливая и сварливая дама, что связаться с нею хуже, чем вести тяжбу. Я всегда был этого мнения, а теперь стоит мне к ней приблизиться, чтобы почувствовать опасность. Две первые книги без третьей не совсем ловко назвать “Началами философии”. Я решился было назвать их: “О движении тел”, да пусть лучше останется по-прежнему. Так, пожалуй, будут скорее покупать книгу, а теперь, когда она ваша (то есть общества), вы, вероятно, не захотите уменьшить число читателей”.

Галлей ответил на это выражением крайнего прискорбия по поводу такого решения Ньютона. “Вероятно, – пишет он, – вы приняли такое решение вследствие происков завистников, к сожалению, постоянно нарушающих ваш покой; но именем общества и от своего имени умоляю вас не уничтожать третьей книги”. Ньютонова теория комет особенно интересовала Галлея, много занимавшегося кометами, “а что касается “любопытных опытов”, которые, вероятно, содержатся в третьей книге, то это сделает все сочинение более популярным и доступным тем многочисленным читателям, которые называют себя “философами без математики”.

Ньютон уступил этим доводам. Он прислал вторую книгу, а затем третью, и полное сочинение было отпечатано в мае 1687 года.

Скажем хотя бы несколько слов о содержании этого гениального произведения.

Первые две книги составляют весьма полный трактат теоретической механики; третья посвящена главным образом применению выведенных законов к планетной системе и носит заглавие “Система мира”, впоследствии заимствованное у Ньютона Лапласом.

В области механики Ньютон не только развил положения Галилея и других ученых, но и дал новые принципы, не говоря уже о множестве замечательных отдельных теорем.

По словам самого Ньютона, еще Галилей установил начала, названные Ньютоном “двумя первыми законами движения”. Ньютон формулирует эти законы так:

I. Всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не подействует какая-либо сила и не заставит его изменить это состояние.

Этот закон называется началом инерции и до сих пор формулируется таким же образом. Заметим, что, в сущности, он разделяется на два положения, из которых одно было известно еще древним, тогда как другое было понято вполне лишь со времени Галилея и Кеплера. Легко понять, что неодушевленное тело не может само собою перейти из состояния покоя в состояние движения и что для этого необходимо действие какой-либо силы; этот закон, который можно назвать началом статической инерции, очевиден. Гораздо труднее понять, что если тело или, точнее, материальная точка находится в движении и если при этом на точку не действует никакая сила, то данная точка необходимо обладает прямолинейным и равномерным движением – это начало кинетической инерции. В древности, например, думали, что если тело движется равномерно по окружности крута, значит, это движение “естественно”, то есть совершается без участия какой-либо силы. Теперь известно, что, наоборот, когда тело движется по какой бы то ни было кривой линии, это уже служит доказательством, что оно подвержено влиянию какой-либо силы.

II. Изменение движения пропорционально движущей силе и направлено по прямой, по которой действует данная сила.

Этот второй закон, также известный Галилею и Кеплеру, Ньютон поясняет так: “Если некоторая сила производит определенное движение, то сила вдвое большая произведет двойное движение и так далее, причем безразлично, подействует ли она сразу или мало-помалу. Так как движение направлено в сторону производящей его силы, то если тело уже двигалось и если направление силы такое же, какое имело прежнее движение, то новое движение прибавится к прежнему; если эти оба направления противоположны между собой, то новое движение будет вычитаться из прежнего; а если оба направления не одинаковы и не прямо противоположны, а образуют между собой угол, то движение будет не суммою и не разностью прежнего и нового, а новое частью прибавится, частью вычтется из прежнего”.

Из этого начала Ньютон прямо выводит знаменитую теорему, известную под названием параллелограмма сил. Хотя эта теорема была известна и до Ньютона, но ни раньше, ни позднее никто не дал более простого и одновременно более строгого доказательства. Действительно, из второго закона движения прямо вытекает, что сложение сил сводится к так называемому геометрическому сложению, я это утверждение содержит в себе параллелограмм сил. И вместе с тем становится очевидным, что аналогичным образом слагаются также скорости и вообще все величины, которые могут быть изображены с помощью прямолинейных отрезков.

Сверх этих двух законов Ньютон сформулировал еще третий закон движения, выразив его так:

III. Действие всегда равно и прямо противоположно противодействию, то есть действия двух тел друг на друга всегда равны и направлены в противоположные стороны.

Этот знаменитый закон, часто весьма плохо понимаемый, требует некоторых разъяснений. Укажем на разъяснения самого Ньютона.

Ньютон приводит следующие примеры. Всякое тело, оказывающее давление на другое тело или притягивающее его, само испытывает такое же давление или тягу со стороны этого последнего. Если давить пальцем на камень, то палец испытывает такое же давление от камня. Если лошадь тянет камень с помощью веревки, то и камень тянет к себе лошадь с такою же силою, потому что веревка натягивается в обе стороны одинаково и это натяжение влечет лошадь к камню и камень к лошади, противодействуя движению одного из этих тел настолько же, насколько содействует движению другого.

Если бы, например, тяготение одной части земного шара к другой было сильнее обратного тяготения второй к первой, то Земля должна была бы представлять самодвижущееся тело, удаляющееся в бесконечность. Вообще закон действия и противодействия теснейшим образом связан с законом инерции, так как допустить, что действие больше противодействия, значит допустить существование тел, движущихся как угодно без действия какой бы то ни было внешней силы. С другой стороны, из закона действия и противодействия вытекает установленный в новейшее время закон сохранения энергии и, в свою очередь, этот последний закон объясняет некоторые кажущиеся отступления от первого.

Установив общие законы движения, Ньютон вывел из них множество следствий и теорем, позволивших ему довести теоретическую механику до высокой степени совершенства. С помощью этих теоретических начал он подробно выводит свой закон тяготения из законов Кеплера и затем решает обратную задачу, то есть показывает, каково должно быть движение планет, если признать закон тяготения за доказанный.

Дальнейшие исследования Ньютона позволили ему определить массу и плотность планет и самого Солнца. Для этого он сначала решил вопрос, какой вес имели бы наши земные тела, если бы были перенесены, например, на поверхность Солнца. Оказалось, что в этом случае вес тел или, точнее, тяжесть увеличилась бы в двадцать три раза. Ньютон показал, что плотность Солнца вчетверо менее плотности Земли, а средняя плотность Земли приблизительно равна плотности гранита и вообще самых тяжелых каменных пород. Ясно, что этот вывод дает любопытные указания на физический состав земного шара: нельзя, например, допустить, чтобы внутренность Земли была наполнена веществами весьма малой плотности, например, газами. Относительно планет Ньютон установил, что наиболее близкие к Солнцу планеты отличаются наибольшею плотностью.

Далее Ньютон приступил к вычислению фигуры земного шара. Астроном Кассини открыл еще до того, что планета Юпитер имеет сфероидальную форму, а именно представляет как бы шар, расширенный у экватора и сплюснутый у полюсов. Это открытие навело Ньютона на исследование фигуры Земли, и он увидел, что вследствие вращения Земли вокруг оси форма ее не могла остаться сферической. При вращении полюсы остаются неподвижными, тогда как точки экватора движутся всего скорее. Вследствие этого тяжесть на экваторе не может быть наблюдаема непосредственно – мы можем наблюдать лишь относительные, а не абсолютные действия земного тяготения, – и дело происходит так, как если бы действию тяжести противодействовала некоторая сила, называемая центробежною. Вместо тяжести предметов мы поэтому всюду (кроме полюсов земного шара) наблюдаем их вес, который составляет разность между тяжестью и центробежной силой. Эта последняя, как показывает вычисление, пропорциональна квадрату скорости вращения. Ньютон нашел, что на экваторе центробежная сила уменьшает тяжесть на 1 /289; поэтому если бы Земля вращалась в семнадцать раз быстрее чем на самом деле и центробежная сила была бы в 17x17=289 раз больше, то мы не могли бы здесь совсем наблюдать действия тяжести, то есть все предметы на экваторе были бы лишены веса, невесомы и не оказывали бы никакого давления на точки опоры. Из этого ясно, какое огромное различие существует между понятиями “тяжесть” и “вес”, почти совпадающими лишь потому, что вращение Земли вокруг оси происходит чрезвычайно медленно: Земля делает полный оборот в сутки, то есть угловая скорость ее вращения вдвое меньше, чем часовой стрелки. Вращайся Земля в двадцать раз скорее нынешнего, ни один предмет без особого прикрепления не мог бы оставаться на ее поверхности, но отбрасывался бы в пространство.

Весьма любопытно объяснение, придуманное Ньютоном для явлений прилива и отлива, тесно связанное с его учением о всемирном тяготении. Зависимость между приливами и фазами Луны была замечена еще до Ньютона. Иезуитская коллегия в Коимбре (Португалия), затем Антонио де Доминис и Кеплер признавали эту связь, но объяснения их были так недостаточны, что убедили немногих. Даже великий Галилей смеялся над их объяснениями. Между тем есть факты, делающие эту связь почти очевидной. Так, прилив бывает около того времени, когда Луна проходит через меридиан данного места (над или под горизонтом). Если вследствие местных условий прилив запаздывает по сравнению с прохождением Луны через меридиан, например, на час, то и отлив всегда запаздывает ровно на столько же времени, так что промежуток между приливом и отливом всегда точно равен половине лунного дня. Далее, замечено, что всего сильнее бывает прилив, когда Луна, Земля и Солнце находятся на одной прямой, то есть в полнолуние или новолуние. Это зависит от совместного действия Луны и Солнца на воды морей и океанов. Может показаться непонятным, почему прилив бывает всегда одновременно по обе стороны земного шара, то есть у нас и у наших антиподов. Но и это обстоятельство объяснено Ньютоном весьма просто. Действительно, представим себе, что вместо Земли дан ее центр, в котором сосредоточена вся масса земного шара, и что по обе стороны этого центра, на линии, соединяющей его с центром Луны, находятся массы, равные массам морей. Получится система такого рода, что одно из морей будет между Луною и земным центром, другое будет далее от Луны, чем земной центр. Масса первого моря будет притягиваться к Луне по своей близости сильнее, чем центр Земли (речь идет о единице массы), а центр Земли сильнее, чем масса второго моря. Поэтому воды первого моря будут оттягиваться от центра Земли и поднимутся выше своего нормального уровня; но, с другой стороны, воды второго моря притягиваются Луною весьма слабо, слабее, чем центр Земли, и этот последний будет, в свою очередь, оттягиваться от вод второго моря, вследствие чего их уровень также поднимается, так как весь вопрос в относительном положении морского дна и уровня моря. Таким образом, и у нас, и у наших антиподов прилив будет в одно и то же время, хотя действие Луны весьма различно в обоих случаях.

Солнечное тяготение также влияет на моря и океаны. Но хотя Солнце несравненно больше Луны, зато Луна к нам гораздо ближе Солнца, а потому влияние солнечного притяжения сравнительно незначительно. По вычислению Ньютона, в открытом море сила лунного притяжения производит прилив высотою в 8,63 фута, сила солнечного притяжения – в 1,93 фута, обе вместе – в 10,5 фута. Этот вывод очень близко подходит к действительности. У берегов явление усложняется присутствием горных масс, в свою очередь притягивающих воды моря, и другими условиями.

Что касается собственно так называемой “небесной механики”, Ньютон не только продвинул, но, можно сказать, создал эту науку, так как до него существовал лишь ряд эмпирических данных. Насколько удовлетворительна теория Ньютона, видно, например, из того, что его теоретические вычисления лунных движений отличались от лунных таблиц лишь на несколько секунд. Весьма удовлетворительное объяснение дано им также явлению так называемого предварения равноденствий, открытому еще древними, но оставшемуся непонятым до самого Ньютона. Явление это состоит в отступлении так называемой точки весеннего равноденствия на пятьдесят секунд в год, так что полный оборот она совершает в 25 920 лет. Это явление зависит от конического движения (вращения) земной оси вокруг линии, параллельной оси эклиптики. Полное механическое объяснение “предварения равноденствий” весьма сложно; Ньютон упростил вопрос, заменив сфероидальную форму Земли шарообразною формой с подобием вздутия или кольца на экваторе. Он показал, что общая сила солнечного и лунного тяготения, действуя на Землю, снабженную таким кольцом, заставляет земную ось, вместо того чтобы двигаться параллельно своему прежнему направлению, описывать конус, вследствие чего положение земного, а стало быть, и небесного полюса относительно неподвижных звезд постепенно изменяется и лишь по истечении 25 920 лет становится прежним. Ньютон показал, что в этом случае влияние Солнца на Землю относится к влиянию Луны приблизительно как два к пяти. Некоторое, хотя и ничтожное, влияние оказывают также планеты.

Весьма любопытна данная Ньютоном теория движения комет, которую он считал недостаточно разработанной и напечатал лишь по настоянию Галлея. Изучение комет чрезвычайно затрудняется тем обстоятельством, что они движутся по весьма удлиненным эллипсам, и мы имеем возможность наблюдать лишь ничтожную часть их орбит, нередко заходящих далеко за пределы Солнечной системы. Но великий ум Ньютона сумел воспользоваться этой трудностью для упрощения вопроса. Ньютон понял, что очень удлиненный эллипс весьма сходен с незамкнутою, то есть удаляющейся в бесконечность кривою, называемою параболой; он знал, что вычисление параболического движения гораздо легче, чем вычисление эллиптического, так как первое требует лишь трех наблюдений. Приложив этот метод к вычислению пути кометы 1680 года, он убедился, что вычисление чрезвычайно близко сходится с наблюдением. Вывод тем более важный, что подчинение комет, удаляющихся за пределы нашей планетной системы, закону тяготения доказало приложимость этого закона и к запланетным пространствам. В новейшее время было доказано, что этому закону подчиняются даже так называемые двойные звезды, и поэтому тяготение в полном смысле слова можно назвать всемирным.

Несмотря на убедительность и привлекательность учения Ньютона, не следует думать, чтобы оно было принято сразу всем ученым миром. Рутина, зависть, национальные пристрастия играли в этом случае немалую роль. В тогдашних школах почти безраздельно господствовала декартовская теория вихрей. Казалось весьма удобным объяснять движения планет вихрями, подобными тем, какие образуются в водовороте. Теория Декарта, основанная на довольно поверхностных аналогиях, привлекала своею популярностью, удобопонятностью и мнимыми опытными доказательствами вроде вращения воды с плавающими на ней шариками в сосуде.

Против учения Ньютона восстала тогдашняя школьная мудрость; восстал и пресловутый “здравый смысл” светски образованных людей. Эти последние никак не могли взять в толк, каким образом планеты могут “висеть в пустом пространстве”, хотя Ньютон, чтобы не слишком испугать их, не раз замечал, что планеты “плавают в эфире”. Но даже философы не могли понять, что такое тяготение, и многие из них обвиняли Ньютона чуть ли не в мистицизме, говоря, что он воскрешает “скрытые качества” древних физиков. Ньютон, однако, был мало расположен рассуждать о “сущности” тяготения: он оставлял большей частью открытым вопрос о материальности или нематериальности агента, передающего действие тяготения на расстояние, и, заявляя прямо: hypotheses non fingo (я не выдумываю гипотез), говорил, что все вообще силы рассматриваются им не с физической, а с чисто математической точки зрения.

Такая точка зрения мало кому была доступна в эпоху, недалеко отстоявшую от времен схоластики. Даже Лейбниц неясно представлял себе основные идеи Ньютона. Гюйгенс соглашался признать тяготение как свойство планетных масс, но считал невозможным допустить взаимное притяжение между отдельными частицами материи. Такой астроном, как Кассини, не имел понятия о теории Ньютона и продолжал вычислять орбиты комет старинными, частью неудобными, частью неверными способами. Вообще на континенте учение Ньютона прививалось весьма туго, и Вольтер, много способствовавший популяризации идей Ньютона, был прав, сказав, что по смерти Ньютона у него за пределами Англии не было и двадцати последователей.

На родине Ньютона успех его учения был гораздо более значителен, но все-таки дело не обошлось без упорной борьбы. Даже в Англии господствовали физические теории Декарта, вытеснившие учение Аристотеля. Один из горячих последователей Ньютона, доктор Самуил Кларк, придумал весьма ловкий способ распространить новое учение. Он издал латинский перевод “Физики” Poro, написанный совершенно в картезианском (декартовском) духе и принятый в то время в Кембридже как руководство. К переводу этой французской книги Кларк добавил от себя примечания, в которых изложил взгляды Ньютона. Примечания эти были в большей части случаев опровержением текста, и каждый мог судить, что лучше. Таким образом, даже в Англии учение Ньютона проникло в школьное преподавание первоначально под покровительством Декарта.

Сам Ньютон читал, правда, лекции, в которых отчасти касался и теории тяготения, но, если верить Уистону, лекции эти были не по силам студентам. Позднее знаменитый слепой математик Саундерсон читал лекции о теории Ньютона в форме чрезвычайно популярной и увлекательной. Успех этих лекций был так значителен, что Ньютон переписывался по этому поводу с лектором.

Ньютоновы “Начала” распродавались весьма успешно, особенно если принять во внимание, что первые две части его книги недоступны пониманию большинства читателей. В 1707 году цена книги была уже вчетверо больше номинальной, а еще восемь лет спустя первого издания нельзя уже было нигде достать.

Относительно распространения идей Ньютона вне мира специалистов сохранилось много рассказов современников. Сам Ньютон любил рассказывать следующий анекдот о своем приятеле, философе Локке, не отличавшемся математическими познаниями. Не будучи в состоянии понять ньютоновых “Начал”, но и не желая верить автору на слово, Локк справился у Гюйгенса, верны ли все математические положения Ньютона? Когда Гюйгенс ответил, что на верность математических выводов Ньютона смело можно положиться, Локк счел их доказанными и затем тщательно исследовал рассуждения и выводы не математического характера. Таким образом он понял и усвоил в общих чертах физические истины, вытекающие из теории Ньютона. Подобным же способом он изучил “Оптику” Ньютона и превосходно усвоил все, что не требовало глубоких математических познаний. Между бумагами Локка найдена рукопись Ньютона, озаглавленная: “Доказательство того, что планеты вследствие тяготения к Солнцу могут описывать эллипсы”. Ньютон, очевидно, сам употребил немало труда, чтобы сообщить знаменитому философу свои выводы в форме более популярной, чем та, которую он избрал в первых двух книгах своих “Начал”.

Джон Кейль был первым из учеников Ньютона, читавшим о его теории публичные лекции, которые сопровождались опытами. Он излагал кроме теории тяготения также оптику и гидростатику. Кейль читал в Оксфорде и Лондоне, и лекции его благодаря блестящей манере изложения и интересным экспериментам пользовались немалым успехом “среди людей всех профессий и даже среди дам, которым нравились, по словам современника, опыты, пояснявшие дело”.

Таким образом, если не повсюду, то по крайней мере в Англии учение Ньютона распространилось еще при его жизни не только в ученых кругах, но и во всем образованном обществе.