Открытия Ньютона: Рене Декарт, Галилео Галилей, Роберт Гук, Иоганн Кеплер

В литературе можно найти самые разные оценки Ньютона как человека. Мы уже писали о том, насколько неоднозначной фигурой был Исаак Ньютон. Со временем, по мере публикации его обширных архивов, эти оценки только становятся еще более отрицательными. Если биографы ХIХ в. склонны к панегирикам в стиле «вся его жизнь была длительным размышлением», то его современный биограф Ф. Мануэль рисует портрет злобного человека с патологически деформированной психикой.

Поворотным для этого великого ученого и очень тяжелого человека стал 1688 год, когда Ньютона избрали в английский парламент и он на два года уехал из Кембриджа в Лондон. Вернувшись, Исаак Ньютон уже не обращался к научным занятиям. Возможно, из-за тяжелого психологического заболевания не очень ясного характера. Может быть, оно было вызвано переутомлением, накопленным в течение предыдущих лет, этого никто не знает.

Биографию Ньютона мы в общем плане уже излагали выше. Как отмечалось, Ньютон, при жизни считавшийся современниками величайшим и гениальным ученым, постоянно отказывался от предлагавшегося ему поста президента Королевского общества и дал свое согласие на избрание только в 1703 году, сразу же после смерти Гука. Одним из первых его действий на этом посту было уничтожение всех инструментов, бумаг и портретов умершего, и именно по этой причине Королевское общество располагает портретами всех своих членов, кроме одного.

Иногда пути открытий и изобретений к обществу крайне извилисты. Мало кто знает, например, что работы Ньютона в области тяготения стали известны в Европе благодаря Вольтеру, который в последние годы жизни посетил Англию и, вернувшись на материк, пропагандировал новый закон, произведший на него большое впечатление. Он же поведал миру и о знаменитом яблоке, якобы упавшем на голову Ньютона и послужившем поводом к открытию, о котором ему рассказала любимая племянница Ньютона, в семье которой тот жил последние двадцать лет. В связи с этим злой Вольтер ворчал, что своей популярностью и карьерой Ньютон обязан вовсе не научным трудам, а красоте племянницы.

Вернемся же к трем законам Ньютона, которые, как считается, стали фундаментом всей классической механики (они были изложены, как мы помним, в капитальном труде «Математические начала натуральной философии»). Но перед тем вспомним еще раз слова С. И. Вавилова, которые уже приводили в этой книге: «…в ХVII веке никто, кроме Ньютона, этих открытий сделать не мог, но нельзя оспаривать, что программа, план “Начал” был впервые набросаны Гуком».

Итак, первый закон гласит: физическое тело остается в покое или прямолинейно и равномерно движется с постоянной скоростью, если на него не действует никакая сила, то есть если телу не мешать, оно движется по инерции. Инерционные системы иначе называются «галилеевскими», потому что закон инерции – так еще называют первый закон Ньютона – открыл Галилей. Мы уже знаем, что он скатывал по наклонной плоскости шары и убедился: если шару не препятствовать, то, скатившись с некоторым ускорением, шар будет выходить на горизонтальную поверхность и далее катиться по прямой, не меняя уже приобретенной скорости.

Галилею, правда, так и не удалось сформулировать этот закон. Нигде в своих сочинениях он не написал, что шар будет катиться бесконечно долго, равномерно и прямолинейно. Более того, он считал, что рано или поздно это движение перейдет в круговое, ведь для итальянского физика «инерционным» движением было аристотелевское движение по кругу. Впрочем, сам термин «инерция» был введен не Галилеем, а Кеплером.

Кеплер думал, что физическое тело активно, а не пассивно сопротивляется действующей на него внешней силе. Другими словами, он представлял себе некую инерционную силу, внутренне присущую телу. Но кто же тогда открыл первый закон?

Авторство следует отдать Рене Декарту. Именно в декартовых «Началах» (1644 г.), а вовсе не в ньютоновых (1686 г.), мы находим чеканную формулировку: «Всякая вещь пребывает в том состоянии, в каком она находится, пока его что-либо не изменит». Правда, этот закон французский мыслитель трактовал шире, чем это предполагается первым законом Ньютона. Декарт писал: «Если некоторая частица материи квадратная, она пребывает квадратной, пока не явится извне нечто, изменяющее ее форму».

Эта формулировка демонстрирует, что Декарт отчетливо понимал суть закона инерции. Но если он сформулировал первый закон, то кто сформулировал второй?

Тоже Декарт! В его трактовке этот закон звучал так: «Всякое движущееся тело стремится продолжить свое движение по прямой». Декарту важно было этим законом подчеркнуть именно прямолинейность движения, хотя она прямо не вытекает из предыдущего закона. В разъяснениях ко второму закону Декарт ссылается на эксперимент с камнем, выпущенным из пращи. Камень раскручивается по окружности, и, казалось бы, если выпустить его из пращи, он продолжит совершать круговые движения. Но это не подтверждается в опыте, говорит Декарт. В точке пространства, где камень высвобождается из пращи, он начинает двигаться по касательной к окружности. Согласитесь, вложенное во второй закон содержание в определенном смысле продолжает логику первого закона.

Но если так, то, возможно, Декарту принадлежит и третий закон? Ответ положительный: да, принадлежит. Он звучит так: «Если движущееся тело встречает другое, более сильное тело, оно ничего не теряет в своем движении; если же оно встречает более слабое, которое оно может подвинуть, то оно теряет столько движения, сколько сообщает». Конечно, привычная нам формулировка третьего закона намного проще и иллюстративнее: сила действия равна силе противодействия; обе силы направлены по одной прямой в противоположные стороны. В формулировке же декартовского закона не ясен сам термин «сильное тело».

Выходит, если открытие первых двух законов движения физических тел следует все же отдать Декарту, то третий закон – целиком заслуга Ньютона?

Но увы. Третий закон в формулировке Ньютона не имеет той общности, на которую должен претендовать физический закон. Он касается двух сил, направленных в противоположные стороны, то есть мы имеем дело с частным случаем сложения двух векторных величин. Но силы могут быть направлены под углом друг к другу, и тогда следует воспользоваться общим правилом сложения векторных величин, а именно правилом параллелограмма, которое было известно еще Архимеду. Ньютону пришлось к своему третьему закону приписать целых шесть следствий, первое из которых касалось именно правила параллелограмма. Однако правило параллелограмма не является следствием третьего закона (или аксиомы, как назвал его сам Ньютон), а вот из правила параллелограмма путем логических рассуждений можно прийти к третьему закону!

Зададимся теперь вопросом: если у Декарта третий закон плох, у Ньютона – чуть менее плох, то, возможно, был какой-то другой ученый, давший исчерпывающую формулировку?

Тут мы в который раз ступаем на зыбкую почву споров о приоритете. Хотя все же истина превыше всего. С точки зрения логики, первые два закона Ньютона правильнее было бы объединить в один, как это сделал предшественник и во многом соперник Ньютона Роберт Гук. Этот объединенный закон звучал бы примерно так: если на тело действует сила, оно приобретает соответствующее ускорение; если такая сила отсутствует, то тело сохраняет свое инерционное состояние (то есть либо остается в покое, либо равномерно, прямолинейно и бесконечно долго движется в пространстве). А то, что Ньютон не совсем удачно сформулировал в качестве третьего закона механики, лучше было бы заменить законом сохранения количества движения. О нем прекрасно был осведомлен Декарт, хотя он и не сумел правильно им воспользоваться для описания всех возможных случаев соударения упругих тел. Ньютон сформулировал закон сохранения количества движения в качестве своего третьего следствия, которое тоже логически не вытекало из его третьего закона движения.

О том, какими были приключения закона всемирного тяготения, сказано достаточно. Теперь перейдем к следующему достижению Ньютона – формулировке теории света. И здесь нас ждет интереснейший факт: теорию света Ньютон не создавал. Просто в молодости он читал «Лекции по оптике», которые оставлял ему куратор Исаак Барроу. Потом он ставил эксперименты и писал работы на эту тему, но тот же Роберт Гук каждый раз находил в его выкладках множество поводов для серьезной критики. В отличие от Ньютона, в постановке опытов Гуку не было равных. В вопросах оптики он намного опережал Ньютона. Недаром публикацию своего основного труда по этой тематике, «Оптики» (1704 г.), Ньютон откладывал до самой кончины Гука.

Историки науки твердят, что Ньютон пропускал луч через небольшое отверстие в темную комнату. Луч падал на призму, за которой стоял экран. Исследуя появившийся на экране спектр, Ньютон пришел к выводу, что белый свет состоит из цветных лучей, которые, преломляясь в призме, отклоняются в разной степени. Ньютон измерил преломление лучей различных частей спектра. Для этого он пропускал через отверстие в экране лучи одного цвета так, чтобы они падали на призму. Оказалось, что наименьшим показателем преломления обладает красный цвет, а по направлению к фиолетовому концу спектра этот показатель возрастает.

На самом деле это утверждение, скажем осторожно, несколько грешит против истины. Возможно, подобные опыты Ньютон и производил. Но неужели до Ньютона никто в целом мире не видел радуги и не знал, что солнечный луч, пропущенный через призму, разлагается на цветной пучок света, соответствующий различным углам преломления? Конечно, измерялись и углы преломления красных и фиолетовых лучей. Все это проделывали многие естествоиспытатели задолго до Ньютона.

Но сам факт разложения белого света еще не составляет теории, поэтому, видимо, никому из предшественников Ньютона, скажем, в Древней Греции, и не пришло в голову выдать свое наблюдение за открытие: это тривиальные вещи, еще домохозяйки засмеяли бы. Но только не члены благородного Королевского общества Ее Величества. Ньютон не знал главного: что представляет собой свет – то ли это волны эфира, то ли частицы, движущиеся в пустоте. Он постоянно колебался; у него, в отличие от того же Гука, не было определенного представления об эфире: то он думал, подобно Декарту, что свет – это какой-то сильно разреженный газ, то приписывал ему спиритические качества, изображая неким божественным духом, который якобы вызвал движение Вселенной. К слову, серьезные ответы на вопросы и о природе света, и о том, что он собой представляет, дали через много лет после Ньютона.

Нам осталось только вспомнить преинтереснейшую историю, связанную с математикой, чтобы увидеть во всей своеобразной красоте «гений Ньютона». Речь идет о дифференциальном и интегральном исчислении. Мы уже любовались этой историей, когда говорили о великих спорах о приоритете. Сейчас всего несколькими фразами просто вспомним об этом.

Конечно, Лейбниц возмущался не просто так. Ньютон, как и в эпизоде с Гуком, просто обокрал Лейбница. Последний доверился ему, посчитав его порядочным человеком, а тот в ответ на это доверие бессовестно обманул его, объявив себя единоличным владельцем интеллектуальной собственности. Мало того что Ньютон присвоил чужое, так он еще и плохо разобрался в том, что присвоил себе: о дифференциалах Ньютон писал с ошибками, плохо понимая этот предмет, а интегралами вообще почти не занимался. Но кроме дифференциалов, известен еще бином Ньютона и вычислительный метод, приписываемый знаменитому английскому гению. Может быть, хотя бы эти разработки все-таки достойны того, чтобы прославить имя великого физика и естествоиспытателя?

Не совсем так. Вернее, совсем не так. Просто имя Ньютона прилепилось ко всему, что всеми правдами и неправдами попало в его «Начала». К сожалению, Ньютон не был настоящим ученым. Он брал ото всех понемногу, внося элементы спекуляции, которые очень нравились философам, но были ошибочны с точки зрения рациональной науки. Тому примеров предостаточно.

Третья книга Ньютона, «О системе мира». Вот что стало ее первым предложением: «Центр системы мира находится в покое», а потом: «Это признается всеми, ибо одни принимают находящейся и покоящейся в этом центре Землю, другие – Солнце». Это же противоречит элементарному физическому факту, о котором знал уже Архимед. Центр тяжести Солнечной системы будет менять свое положение (здесь имеется в виду именно это понятие) в зависимости от положения планет. Если Юпитер и Сатурн находятся в оппозиции, центр будет занимать одно положение в пространстве; если произойдет их соединение, центр переместится в другое место. Таким образом, центр системы мира никогда покоиться не будет!

Другим примером его ошибочного понимания физической картины мира может служить движение Луны. Для описания ее сложного хода вокруг Земли Ньютон принял объяснение Галлея, который ввел для орбиты Луны птолемеевский эпицикл. Это отступление от рациональной механики ставило крест на законе всемирного тяготения, который Ньютон якобы открыл.

А теперь еще раз вернемся к «Началам», которые Ньютон писал по конспекту Роберта Гука. Ньютон, сдав рукопись в печать в апреле 1686 года, о Гуке в ней вообще не упомянул. Галлей был другом и Ньютона, и Гука и знал предысторию открытия закона всемирного тяготения. Он убедил Ньютона сделать ссылку на Гука, и Ньютон в конце концов ее сделал, но в весьма оригинальной форме. Он написал, что идея об обратной пропорциональности силы притяжения квадрату расстояния принадлежит, помимо него самого, также Галлею (на его деньги печаталась книга), Рену (президенту Королевского общества) и Гуку. Галлей и Рен особого отношения к закону не имели, но против упоминания своих имен возражать не стали. Апелляции же Гука остались неудовлетворенными.

При переписке с Галлеем, отвечая на его настоятельную просьбу упомянуть имя Гука, Ньютон разглагольствует о различии физиков (к которым он причислял Гука) и математиков (к которым он относил себя): «Математики, которые все открывают, все устанавливают и все доказывают, должны довольствоваться ролью сухих вычислителей и чернорабочих. Другой же, который ничего не может доказать, а только на все претендует и все хватает на лету, уносит всю славу как своих предшественников, так и своих последователей… И вот я должен признать теперь, что я все получил от него и что я сам только подсчитал, доказал и выполнил всю работу вьючного животного по изобретениям этого великого человека». В другом месте: «Гук имеет лишь отдаленное представление о всемирном тяготении, основанное лишь на догадке. Одно дело изобретать гипотезы, другое – доказывать их… Гук имеет не большее право на закон обратных квадратов, чем Кеплер имеет право на закон эллипсов: догадки не считаются, а доказательств у Кеплера не было». Как видим, светоч науки отказывал в авторстве не только Гуку, но и Кеплеру, который вывел три закона на основе обобщения и обработки прямых экспериментальных измерений.

Одним словом, Исаака Ньютона нельзя считать основоположником классической механики. Он не открывал «трех законов Ньютона» и всемирный закон тяготения, не разрабатывал теорию света и интегрально-дифференциальное исчисление. Его единственное, но небесспорное достижение – его «Начала», где он собрал все упомянутые теории и гипотезы, не упомянув, правда, имен их авторов.

Исаака Ньютона и его «открытия» можно назвать классическим подтверждением закона Стиглера.