Таблица 9.2. Элементы орбит больших планет и карликовой планеты Плутон.
Мы прошли длинный путь: от Солнца, освещающего Стоунхендж в день летнего солнцестояния, до ближайших звезд на расстоянии четырех световых лет. Сейчас самое время вернуться немного назад и посмотреть на секреты нашего дома, называемого Землей. Вместе с Исааком Ньютоном мы можем задать вопрос: «Что заставляет яблоко падать, а Землю обращаться вокруг Солнца?»
ЧАСТЬ II ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ
Глава 10 Ньютон
Сэр Исаак Ньютон (1642–1727) входит в число наиболее влиятельных среди когда-либо живших ученых. Он завершил революцию, начатую Коперником, Кеплером и Галилеем, и помог нам понять, почему планеты движутся именно так, а не иначе. С помощью законов Ньютона можно надежно вычислять орбиты космических кораблей. Ньютон создал новый научный метод, ставший основным для будущих исследователей; экспериментальная проверка стала непременным спутником индуктивного и дедуктивного методов. Он подчеркивал важную роль наблюдений и эксперимента и считал, что создавать математическую теорию нужно на основе экспериментальных данных, а теоретические прогнозы сравнивать с результатами новых измерений. Хорошая теория не только объясняет исходные наблюдения, но и предсказывает новые явления, которые можно проверить. Если получается отрицательный результат, то нужно либо улучшать теорию, либо вообще отказываться от нее и создавать другую. Будучи президентом Лондонского Королевского общества, Ньютон писал: «Задачей натуральной философии является выяснение строения и действий Природы и систематизации их, насколько это возможно, посредством правил и законов, выводя эти правила из наблюдений и экспериментов и устанавливая тем самым причины явлений и их следствия…»
От Вулсторпа до «Начал»
Детство Ньютона протекало не очень-то гладко. Он родился в поместье своих родителей Вулсторп в Ланкашире спустя 3 месяца после смерти отца. Его мать вновь вышла замуж, когда Ньютону было з года, и оставила его с бабушкой. Когда Ньютону исполнилось и лет, муж его матери умер, и Ньютон стал жить с мамой, двумя сводными братьями и сводной сестрой. Мать хотела, чтобы Исаак стал фермером, но ему это было неинтересно. Он увлекался созданием механических игрушек и хорошо учился в школе. Местный священник посоветовал его матери послать сына после окончания школы в Кембриджский университет. В 1661 году Исаака приняли в Кембридж, хотя ему было уже 18 лет, что считалось тогда весьма солидным возрастом для студента (рис. 10.1).
Рис. 10.1. Исаак Ньютон в возрасте 46 лет. Портрет кисти Годфри Неллера, написанный в 1689 году.
Ньютон учился как все, но к тому же очень много читал. Это заметил профессор математики Исаак Барроу и стал давать ему книги из своей личной библиотеки. Поэтому, когда четыре года спустя Ньютон сдал выпускные экзамены, он уже хорошо разбирался в астрономии, математике, физике и химии. Он уже был готов создавать современную физическую науку.
Но кроме хорошо знакомого нами Ньютона-ученого был еще один Ньютон, изучавший алхимию, ставшую его любимым делом, и знавший Библию гораздо лучше многих теологов. Алхимия и Библия были его любимыми занятиями всю жизнь. По словам лорда Кейнеса, «он был последним из мудрецов, последним из вавилонян и шумеров, последним великим умом, который смотрел на видимый и интеллектуальный мир такими же глазами, как и те, кто начал создавать наше интеллектуальное наследие менее 10 000 лет назад».
В 1665 году по Англии прошла эпидемия чумы, и университет закрылся. Ньютон вернулся в свой родной Вулсторп. Позже он описал, как проводил там время. Вначале разработал «метод приближенного вычисления рядов и правило для преобразования в ряд двучлена любой степени». А затем…
«В мае того же года я нашел метод касательных Грегори и Шлюзиуса и уже в ноябре имел прямой метод флюксий, а в январе следующего года — теорию цветов, а в следующем за ним мае я имел начало обратного метода флюксий. В том же году я начал размышлять о том, что тяготение распространяется до орбиты Луны, и (найдя, как вычислить силу, с которой шар, катящийся внутри сферы, давит на ее поверхность) из кеплеровского правила периодов планет, находящихся в полукубической пропорции к расстоянию от центров их орбит, вывел, что силы, которые держат планеты на их орбитах, должны быть обратно пропорциональны квадратам расстояний от центров, вокруг которых они обращаются; и, таким образом, сравнив силу, требуемую для удержания Луны на ее орбите, с силой тяжести на поверхности Земли, я нашел, что они отвечают друг другу. Все это было в два чумных года — 1665 и 1666. Поскольку в те дни я был в расцвете творческих сил и думал о математике и физике больше, чем когда-либо после…»
Потрясающе! Но не многовато ли для начинающего физика? Впрочем, историки считают, что Ньютон на старости лет преувеличивал достижения своей юности. Возможно, он действительно думал обо всех этих вещах в годы Большой чумы, но многие из его работ были закончены значительно позже. По натуре Ньютон был замкнутым и не любил делиться всеми своими знаниями. Когда кто-либо другой начинал заниматься теми же проблемами, Ньютон старался побыстрее опубликовать свои результаты и завоевать первенство. Впоследствии начинался спор о том, кто первым получил результат. «Сдвинув» все свои наиважнейшие изобретения к чумным годам, Ньютон смог, хотя бы для себя, решить вопрос приоритета.
Когда в 1667 году Ньютон вернулся в Кембридж, он начал закладывать фундамент сразу нескольких областей науки. Его метод флюксий известен сегодня как дифференциальное и интегральное исчисление. В теории света его особенно интересовала природа цвета, а используя механику, он решил древнюю задачу о движении планет. В окончательной форме результаты появились много позже. «Математические начала натуральной философии» были изданы в 1687 году, а «Оптика» — в 1704 году (рис. 10.2).
«Начала» считаются наиболее важной работой в истории науки. Основную заслугу в том, что эта работа была начата, с Ньютоном могли бы разделить Лондонское Королевское общество, основанное в 1662 году, и особенно его члены — Кристофер Рен (1632–1723), Роберт Гук и Эдмунд Галлей. Когда Рен, вступая в должность профессора астрономии Оксфордского университета, произносил речь, он заявил, что важнейшей проблемой физики того времени является объяснение законов Кеплера. Он пророчествовал, что человек, который сможет это сделать, уже родился. И оказался прав: в это время Ньютону было уже 15 лет. Рен и Гук проводили опыты с маятниками, и это навело Гука на мысль, что движение планет является суммой тангенциального движения и «притягательного движения, направленного к центральному телу».
