Текст книги "Чем мир держится?"

Автор книги: Роман Подольный

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 15 страниц)

Закон открыт!

«И в том же году я начал думать о тяготении, простирающемся до орбиты Луны… Все это было в 1665 и 1666 гг. – в годы чумы, ибо в те дни я был на заре своей поры изобретений и математика и философия волновали меня более, чем когда-либо после…» – писал уже постаревший Исаак Ньютон.

Всю науку о природе тогда называли натуральной философией. Но, видно, не случайно Ньютон здесь опустил определение к слову «философия». Потому что для установления связи между падением на землю пресловутого яблока и движением Луны вокруг Земли требовалось и чрезвычайно широкое, именно философское, а не только физическое обобщение.

Один из друзей Ньютона, человек по имени Стекли, остался в истории, поскольку оставил нам историю ньютоновского яблока: «После обеда погода была жаркая; мы перешли в сад и пили чай под тенью нескольких яблонь. Были только мы вдвоем. Между прочим, сэр Исаак сказал мне, что точно в такой же обстановке он находился, когда впервые ему пришла в голову мысль о тяготении. Она была вызвана падением яблока, когда он сидел, погрузившись в думы. Почему яблоко всегда падает отвесно, подумал он про себя, почему не в сторону, а всегда к центру Земли? Должна существовать притягательная сила в материи, сосредоточенная в центре Земли. Если материя тянет другую материю, то должна существовать пропорциональность ее количеству. Поэтому яблоко притягивает Землю так же, как Земля – яблоко. Должна, следовательно, существовать сила, подобная той, которую мы называем тяжестью, простирающаяся по всей Вселенной».

Мысль, которая создала первую подлинно научную систему мира. Стоит сказать, что для Ньютона тяготение было не просто одним из свойств материи, а главным ее свойством, ключом к решению загадок Вселенной. Потому что «такие свойства тел, которые не могут быть ни усиляемы, ни ослабляемы, которые оказываются присущими всем телам, над которыми возможно проводить испытания, должны быть почитаемы за свойства всех тел вообще». Главный труд своей жизни великий ученый назвал «Математические начала натуральной философии». В нем Ньютон, опираясь на соединение открытых им законов механики и закона всемирного тяготения, провозгласил, что задача науки объяснить мир в целом, исходя из начал механики. Вот отрывок из авторского предисловия к первому изданию «Начал».

«Вся трудность… как будет видно, и состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим силам изъяснить остальные явления. Для этой цели предназначены общие предложения, изложенные в книгах первой и второй. В третьей же книге мы даем пример вышеупомянутого приложения, объясняя систему мира, ибо здесь из небесных явлений, при помощи предположений, доказанных в предыдущих книгах, математически выводятся силы тяготения тел к Солнцу и отдельным планетам. Затем по этим силам, также при помощи математических предложений, выводятся движения планет, комет, Луны и моря. Было бы желательно вывести из начал механики[3]3
  По Ньютону, «…механика есть учение о движениях, производимых какими бы то ни было силами, и о силах, требуемых для производства каких бы то ни было движений, точно изложенное и доказанное».


[Закрыть] и остальные явления природы, рассуждая подобным же образом, но многое заставляет меня предполагать, что все эти явления обусловливаются некоторыми силами, с которыми частицы тел, вследствие причин покуда неизвестных, или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются и удаляются друг от друга».

Обратим внимание на то, как настаивает Ньютон на желательности вывести «из начал механики» все явления природы.

Всеобщность тяготения так же поражала воображение человека, открывшего эту всеобщность, как поражает она воображение человечества до сих пор. В этом свойстве, присущем всему без исключения, Ньютону виделся корень многих других явлений, более того, в определенном смысле корень всех основных свойств материн. Великий англичанин положил начало поискам в этом направлении – поискам, которые продолжаются по сей день.

Тысячи астрономов изучали звездное небо, пути планет и Луны. Миллиарды людей каждый день сталкивались с тем, что все могущее упасть – падает. Ньютон первый объявил, что то и другое происходит по одному и тому же закону.

Сначала он «просто» хотел узнать, Земля ли – единственное место, где действует сила тяжести. И в пару к самому прославленному в мире яблоку он взял ближайшее к нашей планете небесное тело – Луну. И предположил, что сила, удерживающая Луну на ее орбите вокруг Земли, – та же самая, что притягивает тела, находящиеся на поверхности Земли и вблизи от нее.

Известен был (уже немало тысяч лет) период обращения Луны – 27,3 суток. Ускорение свободного падения на Земле тоже было известно – 9,8 метра на секунду в квадрате – знаменитая цифра, с которой мы довольно рано встречаемся на школьных уроках физики. Теперь оставалось вычислить центростремительное ускорение нашего спутника, направленное к центру Земли. Оно оказалось равно 0,0027 метра на секунду в квадрате. То есть примерно в три тысячи шестьсот раз меньше ускорения свободного падения. А расстояние до Луны от центра Земли как раз в шестьдесят раз (60² = 3600) больше, чем от центра Земли до поверхности самой планеты. Изменение силы тяжести ослабевало пропорционально квадрату расстояния между притягивающимися телами.

«Итак, – торжествовал Ньютон, – сила, которою Луна удерживается на своей орбите, если ее опустить до поверхности Земли, становится равной силе тяжести у нас, поэтому она и есть та сила, которую мы называем тяжестью, или тяготением».

Впервые мысль об единой природе тяжести на Земле и тяготения в космосе была доказана строгим математическим расчетом.

Это и было зафиксировано в законе всемирного тяготения. Очень серьезным аргументом в пользу именно такого воздействия расстояния на силу тяготения была аналогия с освещенностью. Исаак Ньютон много занимался исследованием света и знал, что освещенность поверхности лучами от какого-либо источника света обратно пропорциональна квадрату расстояния от этого источника.

Формой развития естествознания, поскольку оно мыслит, является гипотеза.

Фридрих Энгельс

Сам Ньютон считал величайшим достоинством своих теорий строгую опору на опыт (на самом деле далеко не всегда она была такой строгой, как казалось ученому). Вот его задиристое заявление: «Все, что не выводится из наблюдений, следует называть гипотезой; гипотезам же, либо метафизическим, либо физическим, либо скрытых свойств, либо механическим, нет места в экспериментальной философии».

Приглядимся поближе к этой фразе. Во-первых, сразу ясно, что сегодня мы понимаем термин «гипотеза» иначе, чем Ньютон, поэтому его знаменитое «гипотез не строю» (или «не измышляю» – в зависимости от перевода) не должно служить заветом или упреком для современных физиков. Сам Ньютон, безусловно, тем и занимался, что строил гипотезы и проверял их. Во-вторых, что гораздо важнее, здесь Ньютон кидает камешки, а вернее – целые глыбы, в огороды своих предшественников. Это Кеплер объяснял орбиты в Солнечной системе скрытыми свойствами Солнца и планет; это Галилей любил выдвигать «механические гипотезы»… В науке последователь разрушает часть наследства, полученного от тех, по чьему пути он идет, – это неизбежно.

Главное, значит, для Ньютона наблюдения. Что же, верно. Но чего бы стоили наблюдения сами по себе, если бы он не нашел для их обработки соответствующего математического метода. Больше того, он фактически и заявляет время от времени, что подменяет физику математикой. Категорически утверждает, что «исследует не виды сил и свойств их, а лишь их величины и математические соотношения между ними». (Между прочим, схожие фразы встречаются и в научных трудах, выходящих в наши дни первым изданием. Только относятся эти труды к лингвистике, антропологии, истории, куда математика лишь начинает проникать).

Переход на язык математики позволял строго доказывать свою правоту оппонентам. Но дело было не только в этом. В физике накопилось столько определений понятия «сила», столько предполагаемых разновидностей сил, что отказ от разбирательства, какие силы что собой представляют, переход к исследованию одних лишь величин да соотношений их позволяли Ньютону сделать свое учение единообразным, стройным. Он выполнил, наконец, тот завет Галилея о правилах чтения книги по имени Вселенная, которому сам Галилей был лишь частично верен.

Ньютон сменил непрочный фундамент под законами Кеплера, очистил их от мистической шелухи, отпугивавшей Галилея (хотя, подчеркнем еще раз, сами законы, вероятно, отпугивали Галилея еще больше, чем их обоснование), показал связь между законами Кеплера и Галилеевой силой тяжести, сделал три закона Кеплера следствиями одного закона всемирного тяготения, оправдал кеплеровскую теорию приливов.

Дмитрий Иванович Менделеев особенно ценил в законе всемирного тяготения то, что его созданием Ньютон показал возможность «с единой точки зрения охватить весь механизм мировых явлений». Нельзя недооценивать силу этого закона и как примера, поданного Ньютоном будущим ученым, включая, конечно, и Менделеева.

Итак, союз математики, философии и физики, опирающихся на факты, привел к рождению нового закона.

Вот он:

Здесь в числителе произведение m₁•m₂масс взаимодействующих тел, в знаменателе квадрат расстояния между ними; G – коэффициент в этой формуле, так называемая гравитационная константа, она же постоянная тяготения.

Не все было, правда, в порядке и с Луной. Но ученые понимали, что та слишком близко к Земле, а взаимосвязи между соседями, живущими почти рядом, гораздо, как известно, богаче и сложнее, чем между теми, кто разделен большими расстояниями.

Тут следует заметить, что закон Ньютона не был теоретическим в современном смысле этого слова. Формула Ньютона «просто» представляла собой математическое описание опытного факта. Так что Ньютон имел право – во всяком случае по поводу закона всемирного тяготения – сказать о себе, что он в науке строит достоверности (а не какие-то там гипотезы!).

В конце предыдущей главы рассказывалось о том, как некоторые физики с разных сторон подбирались к закону всемирного тяготения, как Гук пришел к закону «обратных квадратов» и т. п. Казалось бы, идея носилась в воздухе, наука созрела для того, чтобы ее освоить. Между тем дальнейшая история закона всемирного тяготения, сформулированного Ньютоном, ясно показывает, что дело обстояло совсем не так. Единодушного восторга ученые отнюдь не выразили. Одни не признавали закон из-за его чрезмерной простоты, другие – из-за чрезмерной сложности пути, по которому Ньютон пришел к своему великому закону.

Во времена Ньютона его современники немало помучались, пытаясь постигнуть вновь провозглашенный закон природы.

Только один пример. Прошло уже много времени с «годов чумы», Ньютон уже опубликовал свое открытие (а для того, чтобы он на это решился, понадобилось целых восемнадцать лет! Нет, не любил спешить с выводами и публикациями человек, которым гордится человечество)[4]4
  Задержку иногда связывают и с тем, что Ньютон ожидал появления уточненных данных о движении Луны по ее орбите.


[Закрыть], и вот его любимый ученик Котс, опора и надежда ученого, сам уже профессор, впоследствии, кстати, автор предисловия ко второму изданию «Математических начал натуральной философии», пишет учителю, что еще способен понять, как это Земля притягивается к Солнцу, но вот что и Солнце притягивается к Земле – это выше его разумения. Право же, обидно и грустно, наверное, было Ньютону читать такое письмо. Правда, позже Котс не только понял, наконец, в чем тут дело, но и дал в своем предисловии ко второму изданию «Начал» такое изящное разъяснение вопроса: «Что тяготение между Землею и телами есть действие взаимное и соответственно равное, обнаруживается следующим рассуждением. Вообразим, что весь объем Земли подразделен на две каких бы то ни было части, равные или неравные между собою, тогда, если бы их тяготения друг к другу не были бы между собою равны, то меньшее уступило бы большему и по соединении частей они стали бы двигаться по прямой линии, уходя в бесконечность, в ту сторону, куда направлено большее усилие, что совершенно противоречит опыту». Великолепный образчик мысленного эксперимента, как принято сегодня называть такие рассуждения!

На свете есть вещи поважнее самых прекрасных открытий, – это знание метода, которым они были сделаны.

Готфрид Лейбниц

Здесь, пожалуй, самое место небольшому отступлению, которое можно назвать, например, так:

Время признания

Как скоро оказалось общепризнанным в ученом мире открытие Исаака Ньютона? Ответ должен быть таким: последнее конкретное возражение против закона всемирного тяготения, принадлежащее крупному ученому, было опубликовано в 1745 году. Французский математик и астроном Алексис-Клод Клеро (между прочим, со своим первым научным докладом в Парижской академии наук он выступил, когда ему было всего двенадцать лет) утверждал, что некоторые детали вычисленной им орбиты Луны требуют исправления закона всемирного тяготения. Впрочем, потом он перепроверил свой результат и обнаружил ошибку, на этот раз собственную.

Христиан Гюйгенс, которого сам Ньютон называл великим ученым, изобретатель часов с маятником, сделавший чрезвычайно много и для уяснения того, по каким законам происходит падение тел и для прояснения роли центробежной силы вращения Земли, – этот самый Гюйгенс сначала называл закон всемирного тяготения абсурдным, а чуть позже – маловероятным. Спустя почти шестьдесят лет после того, как Ньютон опубликовал свой закон, величайший математик эпохи Леонард Эйлер выражал сомнения в универсальности и даже точности этого закона.

Журнал «Земля и Вселенная» как-то перепечатал из английского астрономического журнала «Отчет о заседании, которого на самом деле никогда не было».

Некий молодой астроном, репутация которого была далеко не прочной, сделал на этом вымышленном заседании доклад о выведенном им новом законе. Сам доклад не приводится. Мы знакомимся только с выступлениями ученых, обсуждавших идеи юного коллеги, – обсуждавших и осуждавших.

Астронома бьют фактами, которых его теория не может объяснить. Между прочим, все факты – подлинные, и хотя некоторые из них не имеют никакого отношения к данной теории, но большинство астрономических наблюдений, на которые ссылаются оппоненты, справедливы. Правда, почти все эти наблюдения были сделаны спустя десятки и сотни лет после разработки «доложенной» теории. Потому что перед нами типичный образчик научного юмора, а в роли осмеянного докладчика выступает молодой Ньютон – в ту пору даже еще не сэр Исаак (титул он получил много позже, и, по-видимому, прежде всего в связи со своей деятельностью по руководству лондонским монетным двором).

Вероятно, по-настоящему оценить этот юмористический отчет могут только астрономы. Однако есть среди заданных оппонентами вопросов по крайней мере один, который снова и снова задается авторам новых теорий: «Я хотел бы спросить докладчика, откуда он знает, когда пишет свои уравнения, что здесь не играют роли какие-либо другие так называемые „силы“, кроме тех, которые представлены написанными им членами? Не может ли проблема зависеть от других эффектов, пока что неизвестных науке? До тех пор, пока этот вопрос не разрешен, совершенно ясно, что любое предполагаемое согласие с наблюдениями является чисто случайным, – если применить самое мягкое возражение».

Примерно такие вопросы задавали и самому Ньютону. Ему напоминали о том, например, что нельзя даже приступать к попыткам создать теорию притяжения Луны к Земле, пока ничего не известно о внутреннем строении нашей планеты. Предположим, однако, что внутреннее строение было бы в ту пору известно. Тогда от великого англичанина наверняка потребовали бы предварительных сведений о внутреннем строении Луны. А уж допустить, что верное для Луны и Земли верно для Вселенной, – это казалось совсем немыслимым. И кому казалось! В том же юмористическом отчете о заседании вполне точно, разве что с некоторой модернизацией языка, излагается точка зрения одного из современников Ньютона, притом – великого современника.

«Я недавно получил, – говорит оппонент, – приватное сообщение от профессора Гюйгенса, в котором он информирует меня, что для него принцип взаимного притяжения частиц материи является совершенно непонятным и неприемлемым… Как все мы хорошо знаем, профессор Гюйгенс – ученый с общеевропейской репутацией, мнением которого нельзя легкомысленно пренебрегать. Я думаю, что докладчик поступает неблагоразумно, отказываясь следовать его советам… Есть множество людей, кроме докладчика, с оригинальными идеями о причинах орбитального движения планет. Действительно, сам профессор Гюйгенс предложил вполне удовлетворительное объяснение тех эффектов, которые пытается объяснить докладчик. Я могу сейчас лишь самым кратким образом напомнить общую сущность его теории. В ней показывается, что имеется некая весьма разреженная среда, движущаяся вокруг Земли с большой скоростью и толкающая к Земле всякое встречаемое ею тело. По-моему, эта теория вдвойне привлекательна не только вследствие ее крайней простоты и изящества, но и потому, что она одним ударом устраняет потребность в идее о действии на расстоянии – идее, которая всегда останется отвратительнейшей чертой любой теории, подобной представленной сегодня».

Последний аргумент тоже действительно приводился, мало того, сам Ньютон тяжело переживал это самое дальнодействие, от которого ему было некуда деться.

А каково было Ньютону слышать тот вопрос, который он, судя по всему, и сам себе отчаянно задавал, хоть пытался отбиться от него своим «гипотез не строю».

«…Совершенно очевидно, что то, как два куска вещества притягивают друг друга, – если они это делают, – должно зависеть от первичной структуры самого вещества и ни от чего более. Однако это вопрос, о котором мы практически ничего не знаем и которому, насколько я понимаю, не уделено никакого внимания в обсуждаемой теории. Но ведь докладчик утверждает, что он каким-то образом „открыл“ закон, управляющий взаимодействием, и это делается без какого-либо рассмотрения природы или причин этого взаимодействия! Как он может объяснить этот вопиющий абсурд? Разве не следовало поискать доказательства самого закона, прежде чем пускаться в изучение его довольно очевидных следствий?» – так в юмористическом отчете несколько по-современному излагается «проклятый» вопрос, мучивший и самого Ньютона.

Нет, не зря Ньютон столько лет ждал с публикацией своего закона. Он вдвое перекрыл девятилетий срок, назначенный Горацием «для выдерживания в столе» литературных публикаций. И не помогло. Ньютон мог бы ждать еще двадцать лет – современная ему наука не созрела для быстрого признания закона всемирного тяготения. Даже когда опубликованный закон стал действовать на ученых самим фактом своего существования, он был скорее признан в Англии, чем в Европе, и легче принят учеными второго ранга, чем научными звездами первой величины.

А поскольку закон Ньютона, как мы с вами повторяем вслед за Фейнманом, своего рода эталон законов природы, то и история его признания имеет тоже, так сказать, эталонный характер и вполне годится для моделирования истории открытий – после того как они сделаны.

Истина рождается в споре – гласит древняя пословица. Точнее сказать, она признается в спорах. И каких спорах!

Великий французский писатель Вольтер оставил нам картину разногласий между учеными в 1727 году – в год смерти Ньютона: «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 давление Луны на море вызывает прилив и отлив, в Англии же, наоборот, море тяготеет к Луне. У картезианцев[5]5
  Последователей французского философа Декарта.


[Закрыть] все достигается давлением, что, по правде говоря, не вполне ясно, у ньютонианцев все объясняется притяжением, что, однако, немногим яснее».

Вскоре, однако, великий остроумец стал не подтрунивать над ньютонианством, а проповедовать его. В научном споре он принял сторону Лондона, а. не Парижа. Мы знаем Вольтера прежде всего как автора глубоких, грустных и смешных повестей, полуиронических поэм, трагических пьес. Но он занимает почетное место в истории и как один из крупнейших популяризаторов науки. Ему принадлежат «Послание к маркизе дю Шатле о философии Ньютона», «Истолкование основ Ньютоновой философии».

Историки полагают, что научно-популярные работы Вольтера положили начало тому движению во французских литературе и искусстве, которое породило революционную по своей сути «Энциклопедию», созданную группой французских просветителей. Энциклопедию, ставшую звеном в цепи явлений, подготовивших Великую французскую революцию.