Закон всемирного тяготения: Роберт Гук, Исаак Ньютон

Конечно, не возникает сомнений, что ученому следует заботиться о приоритете своих открытий. Без этого он может лишиться столь желанного звания первооткрывателя. Нечто подобное произошло со знаменитым ученым Робертом Гуком – приоритет открытия закона тяготения был признан не за ним, а за Ньютоном. Но отчасти в этом виноват сам Гук.

Знаменитая Британская Академия наук берет свое начало с Общества распространения физико-математических экспериментальных наук, официально признанного в 1662 году специальной грамотой Карла II и получившего, в соответствии с той же грамотой, звание «Королевское общество», а также герб с девизом Nullius in Verba («Ничто словами»). В первый состав сего уважаемого объединения входили 40 человек – все, кто помимо активного участия в работе Общества обязался вносить ежемесячные взносы в размере 40 фунтов стерлингов.

Первым президентом будущей Академии (как сказали бы сейчас, а на ту пору – «куратором») стал назначенный на эту должность молодой и амбициозный изобретатель Роберт Гук, которому на тот момент было всего 27 лет. Однако к этим годам он уже изобрел и построил воздушный насос, а после экспериментов с этим устройством открыл знаменитый закон газового состояния. Только сообщение об этом законе опубликовал не сам Гук, а Роберт Бойль в своей книге в 1660 году – видимо, поэтому открытие вошло во все школьные и университетские курсы физики под названием закона Бойля, точнее Бойля – Мариотта. И это несмотря на то, что Бойль ничего себе не присваивал, честно указав имя первооткрывателя. Эта история вполне достойна второй части нашей книги, где мы поговорим о законе Стиглера. А покамест вернемся к Гуку.

В возрасте 18 лет Р. Гук перебрался в Оксфорд – город энциклопедической науки, вполне отвечавшей как его характеру, так и запросам ума. Его вполне устраивало петь в церковном хоре, лишь бы быть поближе к знаниям. Оксфорд занял важное место в его жизни: здесь в 1654 году он стал работать ассистентом у Роберта Бойля, который был всего на 8 лет старше паренька. Ученые вскоре подружились и оставались верны своей дружбе до конца жизни. Гук оказался прирожденным экспериментатором, здесь для него открылось большое поле деятельности. Он много работал в области математики, механики, совершенствовался в естественных науках, изучал астрономию. Однако, несмотря на несомненные математические способности, его главные устремления направлялись все-таки в поле механики, и уже в 1655–1656 гг. в Оксфорде он приобретает широкую известность именно как механик и физик.

Как куратор экспериментальных работ в Королевском обществе (будущей Академии наук) он должен был еженедельно докладывать на заседаниях о новых научных достижениях в области естественных наук, сопровождая свои доклады демонстрацией экспериментов (и аккуратно делал это в течение 35 лет!). Информации о чужих достижениях не всегда хватало для полновесных докладов, так что Гук восполнял их отсутствие сообщениями о собственных. И поверьте, этому самородку было о чем рассказать!

Исключительно талантливый экспериментатор и конструктор научных приборов, этот ученый вел биологические, географические, геологические и физические исследования. Он изобрел основные метеорологические приборы, установил зависимость барометрического давления от состояния погоды, впервые оценил высоту атмосферы. Многие его изобретения вошли в золотой фонд науки и техники, но его изобретательская производительность была так высока, что он просто не успевал публиковать хотя бы краткие сообщения, удостоверяя свой приоритет. Ведь на следующей неделе предстояло демонстрировать на очередном заседании общества новые эксперименты, и все силы надо было отдать подготовке.

Первые 35 лет Королевское общество было, по сути, Робертом Гуком, который практически единолично наполнял содержанием его работу. Он был автором устава Общества, регулярно составлял планы исследований и программы работ, неустанно читал лекции и делал доклады о выдающихся достижениях в науке за истекший период. Лишь после смерти Гука И. Ньютон, на семь лет моложе его, согласился принять на себя обязанности президента Королевского общества, от чего постоянно отказывался при жизни своего великого соперника.

Гук имел самое прямое отношение к открытию другого всеобъемлющего закона физики – закона всемирного тяготения, сейчас связанного только с именем Ньютона. К концу жизни Гук сделал около 500 научных и технических открытий. Они составляют основу современной науки, но по разным причинам приписываются другим людям. К ним относятся, например, открытия клеточной структуры растений, красного пятна на поверхности Юпитера, волновой природы света. В силу особенностей характера и из-за чрезвычайно широкого круга интересов Гук многие свои открытия не доводил до конца и утрачивал приоритет, по поводу которого ему приходилось часто спорить с Ньютоном, Гюйгенсом и другими учеными. В конце концов такие потери и споры сделали его предельно замкнутым, сдержанным и неуживчивым. По существу, в современной классической физике Гук известен только как автор закона упругой деформации: сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна удлинению тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещения частиц тела при деформации. Сам Роберт Гук в 1660 году формулировал свое открытие куда короче: «Каково удлинение, такова и сила».

История не слишком лояльно обошлась с этим человеком. Достаточно сказать, что он является единственным членом Королевского общества, портрет которого не сохранился, и мы располагаем только словесным описанием его облика.

А теперь давайте все-таки вернемся к закону всемирного тяготения. Для начала скажем, что никакого яблока не было: эту историю выдумала племянница Ньютона и рассказала ее биографу, а тот практически дословно повторил ее рассказ.

Роберт Гук был поистине великим исследователем, однако в замкнутом мирке ученых прослыл великим склочником, и не без оснований: даже своего друга, первого покровителя и наставника Роберта Бойля он однажды обвинил в том, что тот присвоил способы усовершенствования воздушного насоса, придуманные им, Гуком. Позднее Гуку за свои слова пришлось извиняться. Гук ополчился и на Гюйгенса, заявив, что великий физик украл у него идею часов со спиральной пружиной (чего тоже в действительности не было). Доходило до смешного: например, когда Ньютон представил Обществу придуманную им конструкцию секстанта, Гук тут же заявил, что изобрел такой прибор более 30 лет назад (хотя всем было известно, что он секстантов никогда не изготавливал).

Заметим, что это была далеко не первая стычка двух великих физиков. В 1675 году Ньютон прислал Королевскому обществу свой трактат с новыми исследованиями и рассуждениями о природе света. И Гук сразу же обвинил его в плагиате. Он заявил, будто все, что есть ценного в этой работе, уже было значительно ранее опубликовано в его, Гука, книге «Микрография». Позже он записал в своем дневнике: «Я показал, что господин Ньютон использовал мои гипотезы об импульсах и волнах».

Сэр Исаак Ньютон был тут же извещен об этих обвинениях секретарем Королевского общества. Надо признать, Ньютон сделал все, чтобы уладить конфликт. Он признал, что использовал некоторые идеи Гука. И это было чистой правдой, книга Гука «Микрография» была в числе настольных книг Ньютона. Сам Гук тут же остыл и принес Ньютону извинения, сказав, что «поторопился с выводами, не изучив досконально всей работы». Ученые помирились, и, что показательно, Ньютон до самой смерти Гука не публиковал своих работ по физике света: его знаменитая монография «Оптика» вышла лишь в 1704 году, через год после того, как Гука не стало.

Поэтому неудивительно, что ученые Англии воспринимали Гука как весьма своеобразную, скажем осторожно, личность, с которой лучше не связываться. И эта репутация в конце концов сыграла с ним злую шутку. Произошло это так: когда в 1686 (первый том) и в 1687 (второй том) годах вышла знаменитая работа Ньютона «Математические начала натуральной философии», где излагался закон всемирного тяготения, Гук сразу же заявил о том, что Ньютон присвоил себе его идеи. Ученому с репутацией завистника и скандалиста, разумеется, никто не поверил. И напрасно, потому что, по иронии судьбы, на этот раз правда была на стороне Гука.

Слава первооткрывателя закона тяготения, конечно же, навсегда закреплена за сэром Исааком, законы Ньютона, с которыми мы знакомимся в средних классах школы, вряд ли когда-нибудь станут называться как-то по-другому. Но может быть, хотя бы ради правды и восстановления справедливости, следовало бы провести исследования писем и дневников Роберта Гука, которые показали бы, что идею об универсальной силе тяготения Гук впервые высказал еще где-то в середине 1660-х годов. Позже она была изложена ученым в трактате «Попытка доказательства движения Земли», который был опубликован в 1674 году. Правда, сам закон был сформулирован им весьма туманно – Гук говорил лишь о том, что, возможно, сила, с которой одно тело притягивает другое, пропорциональна их массам.

Ясной формулировки (в том виде, в котором этот закон знаем мы) пришлось ждать шесть лет. Лишь в письме от 6 января 1680 года Ньютону Гук четко излагает закон всемирного тяготения, а заодно предлагает своему соратнику строго математически обосновать его, показав при этом связь с первым законом Кеплера для некруговых орбит. Эта просьба неслучайна: Гук прекрасно знал, что Ньютон более сведущ в математике, да и вообще в теории, в то время как сам Роберт Гук был сильным экспериментатором. Так что, как видим, яблоко тут совсем ни при чем – Ньютон получил формулировку закона уже в готовом виде.

Тут самое время еще раз вернуться назад и вспомнить другого великого ученого – Галлея. Да-да, того самого, охотника за знаменитой кометой. Так вот, Галлей наблюдал за кометой в ранние утренние часы в своей домашней обсерватории в Айлингтоне. И его наблюдения не подтвердили гипотезы «прямолинейного движения» небесной гостьи, существовавшей тогда. За счет чего же искривлялась ее траектория и какой она становилась?

Ньютон, к которому обратился с этим вопросом Галлей, сходу ответил, что орбитой кометы является эллипс, и в доказательство привел свои расчеты, которые прислал своему коллеге в конце 1684 года.

А вышеуказанный трактат Гука «Попытка доказательства движения Земли» был опубликован десятью годами ранее. И вот выдержка из него:

«Я изложу теперь систему мира, которая отличается во многих отношениях от до сих пор известных, но которая во всех отношениях согласуется с обычными законами механики. Она основана на трех предположениях. Первое заключается в том, что все без исключения небесные тела обладают способностью притяжения или тяжести, направленной к центрам, благодаря которой тела не только удерживают свои собственные части и препятствуют им улетучиваться в пространство, как это – мы видим – делает Земля, но, кроме того, они притягивают также все другие небесные тела, находящиеся в сфере их действия; следовательно, не только Солнце и Луна влияют на тело и движение Земли, как и Земля на них, но также Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн значительно влияют своей притягательной силой на движение Земли, точно так же, как Земля имеет значительное влияние на движение этих тел. Второе предположение заключается в том, что все тела, однажды приведенные в прямолинейное и равномерное движение, продолжают это движение по прямой линии до тех пор, пока какие-либо другие силы не отклонят и не обратят это движение в движение по кругу, эллипсу или другой более сложной кривой линии. Третье предположение – в том, что притягательные способности проявляются с большей силой по мере того, как тела, на которые они действуют, приближаются к центру, откуда силы исходят. Каковы же последовательные степени возрастания сил на различных расстояниях, я еще не проверил на опыте…» Это было сказано на десять (!) лет раньше.

Итак, попытаемся выяснить долю участия каждого ученого в открытии закона всемирного тяготения. Сводится ли все к тому, что Гук догадался и сформулировал, а Ньютон математически вычислил? Нет, это не совсем так. Именно Гуком был открыт и доказан математически закон всемирного тяготения (сам Гук называл его «закон обратных квадратов для центральной гравитационной силы»). Причем это обоснование было безупречным, а все уравнения Гука были правильными. Однако он обосновал справедливость этого закона только для тел, движущихся по круговым орбитам. Ньютон же, в свою очередь, предоставил уравнения, описывающие движения по эллиптическим орбитам, то есть доказал справедливость закона для реально движущихся небесных тел. Любопытно, что об этом его и просил сам Гук, сообщив перед тем результаты своих расчетов. Можно сказать, что Ньютон сделал важную часть работы, однако это вовсе не давало ему права заявлять, что закон всемирного тяготения – исключительно его рук (точнее, ума) дело.

Универсальность этого закона, его глубина и мощь настолько поражали разум, что даже у самого сэра Исаака он дал сбой в сторону тщеславия. Ньютон, поначалу всецело признававший соавторство, а зачастую и единоличное авторство Гука, с некоторых пор вдруг повсюду стал утверждать, что сделал это открытие раньше и независимо от Гука (тут-то и пригодилась легенда о яблоке, приведшем Ньютона в состояние прозрения). Возможно, подобное поведение Ньютона было вызвано появлением многочисленных памфлетов, в которых его в открытую называли плагиатором. Эти слова еще больше раздули конфликт, однако Королевское общество встало на сторону Ньютона, и в итоге был признан его приоритет. Выпады Гука проигнорировали – зачем, мол, слушать заведомого склочника.

А между тем тщательнейший анализ архивов Ньютона ни к чему не привел: каких-то документов, записок, расчетов, писем, подтверждающих его претензии на единоличное авторство великого закона, найдено так и не было. Более того, обнаружены письма, прямо свидетельствующие об обратном, – в них сэр Исаак признается, что действительно думал о тяготении, но сходу эта задачка ему не далась, и он ее забросил. А вернулся к ней лишь после того самого письма Роберта Гука.

Получается, Ньютон действительно присвоил чужое открытие? На самом деле – не совсем: без той части расчетов, которую выполнил Ньютон, зависимость тяготения от массы тел нельзя было считать полностью доказанной. Другими словами, без работы сэра Исаака закон можно было рассматривать лишь как частный случай (к тому же идеальный, то есть не существующий в действительности), а не как общую закономерность. Логичным выходом из ситуации было бы признание того, что закон сформулировали два великих ученых (и, соответственно, называть его следовало бы законом всемирного тяготения Гука – Ньютона). Однако, к сожалению, этого до сих пор так и не произошло.

Один из выводов по результатам своего исследования научной деятельности Исаака Ньютона академик С. И. Вавилов сформулировал так: «Написать “Начала натуральной философии” в ХVII веке никто, кроме Ньютона, не мог, но нельзя оспаривать, что программа, план “Начал” был впервые набросан Гуком».

Случившееся в истории о Роберте Гуке, Исааке Ньютоне и их претензиях на открытие закона всемирного тяготения можно назвать побочным эффектом феномена множественных открытий. Роберт Гук, блестящий ученый, невероятный гений, так и не получил заслуженных лавров основоположника современной физики. И хотя его имя не исчезло со страниц учебников совсем – о Гуке вспоминают всегда, когда говорят об открытии постоянства температуры таяния льда и кипения воды или о волнообразном распространении света и интерференции, – все же о том, что именно он первым догадался связать силу тяготения с массой тела, предпочитают не упоминать.