Ньютон. Закон всемирного тяготения. Самая притягательная сила природы. - Antonio Duran Guardeno

Ньютон изучал возмущения на примере движения Луны: «Мы наконец-то узнали, – написал Галлей в своей оде Ньютону, которая стала вступлением к первому изданию «Математических начал натуральной философии», – почему в другие времена казалось, что Луна движется неравномерными шагами, как будто смеется над нами, не позволяя рассчитать свой ход, до сих пор покрытый тайной для астрономов». Однако Галлей преувеличивал, потому что ньютоновское исследование лунной орбиты было недостаточно удовлетворительным; кроме того, необходимость сравнить теоретические прогнозы с результатами наблюдений стала причиной дискуссии Ньютона с королевским астрономом Джоном Флемстидом.

В «Системе мира» речь шла о разных вопросах, среди которых – теория приливов и отливов как результата гравитационного воздействия Солнца и Луны на Мировой океан, рассуждения о форме планет, обязательно приплюснутых на полюсах. Это предположение Ньютона имело разные последствия. С одной стороны, теории Декарта уверяли в противоположном: планеты должны были удлиняться по направлению к полюсам. Вопрос можно было решить, измерив соответствующие дуги меридиана у одного из полюсов и на экваторе, и это доказательство было, безусловно, областью большого научного интереса, так как оно могло исключить одну из двух самых важных теорий того времени. В итоге Парижская академия наук решилась на рискованное предприятие: в начале XVIII века были снаряжены две экспедиции (одна в Лапландию, другая – в Перу), чтобы измерить дугу меридиана. На это потребовались годы, но в результате было установлено, что Земля приплюснута на полюсах. Это стало окончательным триумфом ньютоновской системы над декартовой.

Сила притяжения между двумя телами, разделенными расстоянием, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Закон всемирного тяготения, описанный в третьем томе ««Математических начал натуральной философии»

Кроме того, растянутость Земли у экватора позволила Ньютону объяснить один из самых таинственных астрономических феноменов, обнаруженный еще греческими учеными. Речь идет о предварении равноденствий, то есть медленном смещении полюса мира по отношению к звездам, и прохождении окружности с периодом почти 26 ООО лет. В древней геоцентрической концепции Вселенной полюс мира – это точка, в которой звездная сфера срезана по оси, перпендикулярной плоскости эклиптики и проходящей через центр Земли; в гелиоцентрической концепции предварение равноденствий – это небольшой поворот оси вращения Земли с периодом 26 000 лет.

Несмотря на кажущуюся незначительность, этот феномен, открытие которого приписывается греческому астроному Гиппарху (II век до н.э.), имеет фундаментальное значение для составления календарей, поскольку определяет длительность года. Предварение равноденствий не влияет на эклиптику и не воздействует на длительность сидерического года, то есть отрезка времени, за который Солнце проходит эклиптику, однако оно влияет на небесный экватор и, таким образом, на равноденствия – точки, когда эклиптика пересекает небесный экватор.

В течение периода прецессии – этих 26 ООО лет – каждое равноденствие медленно перемещается над эклиптикой из расчета полтора градуса каждые сто лет; таким образом, меняется время, которое требуется Солнцу, чтобы пройти от одного весеннего равноденствия до другого – этот период называется тропическим годом. В результате тропический год примерно на 20 минут короче сидерического и его сложнее измерить. Накопление этих 20 минут, не учтенных в юлианском календаре, и привело к необходимости реформы, которую осуществила католическая церковь в XVI веке.

Исламские ученые смогли описать предварение равноденствий, добавив к системе, составленной Птолемеем, новую сферу, но ни одна теория не была способна объяснить причины этого явления. Ньютон нашел ключ к разгадке в «Математических началах натуральной философии». Его объяснение было верным, хоть и немного несовершенным: в результате гравитационного притяжения Солнца и Луны земная ось смещается, описывая конус с периодом примерно 26 000 лет [2 По современным данным, этот период составляет 25 800 лет. – Примеч. ред.]; поворот земной оси смещает и связанную с Землей экваториальную систему небесных координат примерно на 50м в год относительно неподвижных звезд. Из этих 50” Ньютон 9” объяснил влиянием Солнца и 41” – влиянием Луны. Для Джорджа Эйри (1801- 1892), Лукасовского профессора в Кэмбридже и королевского астронома в Гринвиче, самым удивительным в труде Ньютона было именно объяснение предварения равноденствий: «Если бы нужно было выбрать часть из „Математических начал натуральной философии", которая более всего удивила, восхитила и угодила читателям, я бы без сомнения назвал толкование предварения равноденствий».

Начальная цена «Математических начал» в первом издании, выпущенном тиражом примерно 400 экземпляров, составила девять шиллингов. Однако маленький тираж быстро разошелся, и в начале XVIII века некоторые экземпляры продавались за более чем два фунта. При жизни Ньютона книга была переиздана еще два раза, и с каждым изданием в нее вносились изменения. Тираж второго издания в 1713 году составил примерно 750 экземпляров (выпуском руководил Роджер Коте), а тираж третьего в 1726-м – приблизительно 1250 экземпляров (изданием руководил Генри Пембертон).

Словно юла, теряющая скорость, Земля медленно и постепенно меняет свою ось вращения в течение периода продолжительностью приблизительно 26 000 лет. Предварение равноденствия происходит из-за гравитационного воздействия Солнца и Луны на экватор. Оно не сказывается на продолжительности сидерического года, но влияет на равноденствия. На иллюстрации внизу изображены равноденствия и полюса мира.

Распространение «Математических начал натуральной философии» вызвало восхищение Ньютоном в научном мире, но и послужило почвой для критики. Приверженцы механицизма заявляли, что абсурдно утверждать, будто тяготение может действовать на расстоянии. По их мнению, это толкование роднило силу тяготения с анимизмом и сближало теорию Ньютона с точкой зрения Аристотеля и схоластов. Гюйгенс и Лейбниц, особенно последний, тоже критиковали Ньютона. Лейбниц рассуждал в письме от 1715 года:

«Если любое тело имеет вес, то следует – что бы ни говорили его сторонники, хотя бы и страстно отрицали это, – что тяготение будет оккультным схоластическим свойством или, более того, чудесной силой. Недостаточно сказать: „Бог создал закон природы, поэтому это естественно". Необходимо, чтобы закон мог объяснить природу созданных вещей. Если, например, Бог дал свободному телу закон вращаться вокруг некоего центра, он должен был соединить это тело с другими, которые при помощи своего импульса держали бы тело на круглой орбите, или поместить его под стопы ангела. Я всем существом поддерживаю экспериментальную философию, но господин Ньютон сильно от нее отдалился, заявляя, что любая материя имеет вес – или что каждая часть материи притягивает другую, и, конечно, это не доказано экспериментально».

Ньютон понимал, что не может объяснить причину притяжения, поэтому защищался единственным возможным способом, взывая к тому, что опирался на вычисления и вероятные значения. Так, в первом издании «Математических начал натуральной философии» он пишет: «Здесь я использую общее слово „притяжение" для любого усилия, которое делают тела, чтобы приблизиться одно к другому; будь это усилие происходящим от действия этих же тел или стремления друг к другу или будь оно следствием действия эфира, или воздуха, или любого другого телесного и бестелесного средства, которое любым способом толкает одни тела к другим. В этом же общем смысле я использую слово „импульс". И я не определяю в этой книге типы или физические качества этих сил, но исследую их количества и математические пропорции». И далее приводит аргумент: «Наша единственная цель – понять количество и свойства этой силы по отношению к явлениям и применить наши открытия к некоторым простым случаям в качестве принципов, чтобы затем можно было оценивать математически воздействие, которое произойдет в более сложных случаях. Мы говорим „математически", чтобы избежать вопроса о природе или качестве этой силы, ибо не в наших намерениях заключать ее в рамки какой-либо гипотезы».

Все это было пропитано той же утилитарной философией, которая проступает в значительной части «Общих схолий» – комментариев, добавленных во второе издание труда: «Но я еще не мог раскрыть, основываясь на явлениях, причину этих свойств притяжения, и я не выдумываю гипотез. Потому что то, что нельзя вывести из феномена, должно называться гипотезой, а гипотезам либо метафизическим, либо физическим, либо оккультных свойств, либо механическим нет места в экспериментальной философии […]. И довольно того, что притяжение существует и действует по законам, истолкованным нами, и является достаточным для всех движений небесных тел и земного океана».