НЬЮТОН ИСААК

НЬЮТОН ИСААК

НЬЮТОН ИСААК

ЖИЗНЬ И ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ НЬЮТОНА.

НЕУДАЧ НЕ БЫВАЕТ.

Жизнь и деятельность великого ученого Исаака Ньютона со всей убедительностью показывает, что неудач не бывает — бывают только «уроки», из которых надо делать правильные выводы, обращая «минусы» в «плюсы».

Когда Ньютон был школьником-середнячком в учебе, его больно ударил одноклассник, — и Ньютон принял решение превзойти его в учебе, став первым учеником в школе.

Когда Ньютону было 14 лет, мать забрала его из школы, чтобы он помогал ей по хозяйству, — и Ньютон научился учиться по книгам самостоятельно, что помогло ему подготовиться к поступлению в университет лучше всех.

Когда Ньютон окончил университет, разразилась эпидемия чумы, — и ему пришлось на два года уехать в родную деревню. В одиночестве, вдали от научных центров и библиотек, Ньютон сосредоточенно работал — и именно в эти годы у него родились идеи, навсегда прославившие его имя.

ДЕТСТВО, ОТРОЧЕСТВО, ЮНОСТЬ.

Исаак Ньютон родился в рождественский вечер 25 декабря 1642 г. в деревне Вулторп в графстве Линкольншир, Англия. У семьи была маленькая ферма. Это было уединенное место, однако Ньютон получил самое лучшее образование, какое было только возможно в округе.

В 12 лет его послали в небольшой город Грэнтхем, находившийся неподалеку, для посещения средней грамматической школы. Вначале он не обнаружил большого интереса к занятиям и часто оказывался худшим учеником в своем классе. Но однажды по дороге в школу один из учеников ударил Исаака в живот, и тот был вынужден вступить в драку. Это событие происходило на кладбище. Ньютон вышел из драки победителем, однако его не удовлетворила чисто физическая победа. Он решил превзойти противника в учебе и начал усиленно заниматься. Вскоре Ньютон стал лучшим учеником в школе.

Обычно мальчик не присоединялся к играм школьников, зато он всегда находил время для различных занимательных поделок — так же, как в свое время Галилей и Тихо Браге. Ньютон построил действующую модель ветряной мельницы, которая стояла недалеко от школы. Затем он смастерил водяные часы. Идея, конечно, была давно известна: Ньютон сделал так, чтобы капли воды падали равномерно и, когда уровень воды в сосуде снижался, деревянный поплавок заставлял стрелку часов двигаться. Часы были очень популярны среди соседей, которые часто заходили поинтересоваться который час.

Ньютон также научил сверстников делать бумажных змеев. Он смастерил бумажные фонари для поддержки свечей. Зная, что соседи боятся комет, Ньютон однажды привязал один из своих фонарей к хвосту змея и запустил его в небо в темную зимнюю ночь. Соседи были очень напуганы.

Однажды в Грэнтхеме дул сильный ветер. Ньютон решил измерить его силу очень интересным способом. Сначала он прыгал по ветру и отмечал наибольшую длину прыжка. Затем проделывал то же против ветра и снова делал замер длины. Разность между этими двумя измерениями он считал силой ветра.

Когда Исааку было 14 лет, его мать решила, что он должен помогать на ферме, так как хотела, чтобы сын стал фермером. И Ньютон вернулся из Грэнтхема домой. В каждый базарный день Исаака посылали в Грэнтхем под присмотром старого слуги для обучения торговле. Однако слуге было очень трудно справиться с этим поручением и тем более научить Исаака чему-либо из умения торговать, так как иногда он даже не мог заставить мальчика дойти до Грэнтхема. Слуга был вынужден оставлять его под деревом на дороге с какой-либо книгой и, возвращаясь с базара из Грэнтхема, находил его все еще читающим книгу. Когда мать Исаака посылала его в поле пасти овец, он обычно сидел под деревом с книгой или мастерил какую-либо модель и не обращал внимания на овец, которые бродили среди посевов.

Наконец, мать Ньютона поняла, что ее сыну надо продолжать образование. Исаака опять послали в Грэнтхем для подготовки в колледж.

Теперь в школе он обнаружил необыкновенные способности в математике и не только быстро наверстал все упущенное, но и лучше всех подготовился к поступлению в университет. В 18 лет Ньютон поехал в Кембридж для поступления в университет, где он стал одним из лучших студентов. В Кембридже он с увлечением занялся логикой и изучил трактат Кеплера, посвященный оптике. Ознакомившись с геометрией Евклида, Ньютон счел ее детской забавой и начал изучать геометрию Декарта. Для этого ему пришлось напряженно работать, что его не смутило – он усиленно изучал математику. Вскоре появилась его первая оригинальная работа – будучи еще студентом, он открыл теорему, которая была впоследствии названа «Теоремой о биноме Ньютона». Однако учебу пришлось прервать в связи с разразившейся в Лондоне эпидемией чумы. Ньютон был вынужден уехать на родину в Вулторп.

ДВА ГОДА ВЕЛИКИХ ИДЕЙ.

В 1665 г. в возрасте 22 лет Ньютон окончил Тринити-колледж, ничем не прославившись за время учебы. И тут в Англии разразилась эпидемия чумы. Ньютон укрылся от нее в родной деревне Вулсторп и провел там в сосредоточенных размышлениях около двух лет. История не знает другого случая, когда одному человеку за два года пришло в голову столько великих идей — почти все свои открытия, навечно прославившие его имя, Ньютон задумал именно тогда, в деревенской глуши. Для молодого Ньютона Вулсторп оказался «приютом спокойствия, труда и вдохновенья» (как впоследствии Михайловское для молодого Пушкина).

Именно в эти годы Ньютон сформулировал (пока только для себя!) основные законы механики и закон всемирного тяготения, а также основные положения математического анализа — дифференциального и интегрального исчисления.

В один из летних дней 1665 или 1666 года ему пришло в голову, что яблоко, падающее с дерева, и планеты, кружащиеся вокруг Солнца, подчиняются действию одной и той же силы. Ньютон машинально перевернул клочок бумаги с пунктами договора об отцовском наследстве, к которому не имел отношения, придвинул чернильницу и записал первую формулировку закона всемирного тяготения.

Случайно этот листок сохранился. Он был найден в 1965 г., ровно через триста лет, после того, как Ньютон сидел на скамейке перед домом в Вулторпе и смотрел на траву, куда покатилось яблоко.

Тогда же Ньютон догадался, почему бесцветный солнечный луч разлагается на семь цветов радуги, и первым разложил солнечный свет в спектр (с помощью стеклянной призмы). Этим он доказал, что белый свет — составной.

В эти же годы Ньютон рассчитал и построил своими руками первый зеркальный телескоп, принцип действия которого основан не на преломлении, а на отражении света. Этот небольшой телескоп оказался более сильным, чем прежние линзовые телескопы. За это Ньютон был избран членом Королевского общества задолго до того, как получили признание его великие открытия.

ПУБЛИКАЦИИ НЬЮТОНА.

Эти открытия Ньютона отделены от публикации его публикаций десятилетиями: главная его книга, «Математические начала натуральной философии», увидела свет только в 1687 году, через 20 лет после «чумных» лет. Такая большая отсрочка была вызвана несколькими причинами. Во-первых, долгое время Ньютону не хватало точных подтверждений его теорий, что было обусловлено недостатком астрономических данных (прежде всего о размерах и форме Земли). Во-вторых, Ньютон постарался изложить основы открытого им дифференциального и интегрального исчисления на языке Евклида и Архимеда, (привычном современным ему математикам), так как он понимал, что новые понятия всегда чрезвычайно трудны для понимания.

Наконец, Ньютон предвидел (не без оснований), что публикация его открытий может вызвать долгие и неприятные споры о приоритете (первенстве во времени открытия), а он питал отвращение к таким спорам. Только настойчивость его друга Эдмунда Галлея (открывателя кометы, носящей с тех пор его имя) заставила Ньютона представить миру свои величайшие открытия.

Приводим отрывок из предисловия Ньютона к своей главной книге.

«… Сочинение это предлагается нами как математические основания физики. Вся трудность физики, как будет видно, состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим силам объяснить остальные явления. Для этой цели предназначены общие предположения, 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 и остальные явления природы, рассуждая подобным же образом, ибо 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 друг от друга. Так как эти силы неизвестны, то до сих пор попытки философов объяснить явления природы оставались бесплодными. Я надеюсь, однако, что или этому способу рассуждения, или другому, более правильному, изложенные здесь основания доставят некоторое освещение.

При издании этого сочинения оказал содействие остроумнейший и во всех областях науки ученейший муж Эдмунд Галлей, который не только правил типографские корректуры и озаботился изготовлением рисунков, но даже по его лишь настояниям я приступил и к самому изданию. Получив от меня доказательства вида орбит небесных тел, он непрестанно настаивал, чтобы я сообщил их Королевскому обществу, которое затем своим благосклонным вниманием и заботливостью заставило меня подумать о выпуске их в свет… Я усерднейше прошу о том, чтобы все здесь изложенное читалось с благосклонностью и чтобы недостатки в столь трудном предмете не осуждались бы, а пополнялись новыми трудами и исследованиями читателей.»

ДРУЗЬЯ И НЕДРУГИ.

Друзьями и покровителями Ньютона были английские ученые Барроу, Валлис и Бойль, а также голландский ученый Гюйгенс. Они признавали талант Ньютона и приоритет его открытий.

А вот английский ученый Гук и немецкий ученый Лейбниц считали, что некоторые открытия они сделали раньше Ньютона. Гук приписывал себе открытие закона всемирного тяготения, а Лейбниц — открытие дифференциального и интегрального вычисления. В течение более 300 лет историки науки исследуют эти споры.

Современная точка зрения такова: Гук, действительно, высказал «закон обратных квадратов» раньше, чем это Ньютона, который долгие годы молчал об этом открытии. Однако идея всемирного тяготения тогда уже витала в воздухе. Не одному Гуку было понятно, что наличие силы, убывающей обратно пропорционально квадрату расстояния, может объяснить существование круговых орбит в соответствии с третьим законом Кеплера. Однако объяснить эллиптические орбиты не удавалось никому. Когда Эдмунд Галлей обратился к Ньютону за помощью в этом вопросе, тот спокойно ответил, что задача уже решена: он знает и может доказать, как из убывания силы тяготения обратно пропорционально квадрату расстояния следует, что планеты должны двигаться по эллипсам!

Таким образом, только Ньютон с помощью открытого им дифференциальному и интегральному исчислению смог убедительно обосновать закон всемирного тяготения и предсказать его важнейшие следствия, среди которых прецессии Земли и Луны (медленный поворот осей их вращения), сплюснутость земного шара у полюсов, приливы и отливы в океане и другие факты. Поэтому весь научный мир считает сегодня именно Ньютона открывателем закона всемирного тяготения. Но лучше бы, конечно, на Гука сослался бы в своих трудах сам Ньютон — тогда этого не пришлось бы делать (с различными оговорками) историкам науки.

Лейбниц же оспаривал у Ньютона приоритет открытия дифференциального и интегрального исчисления. Сегодня принято считать, что оба великих ученых пришли к этим открытиям независимо друг от друга.

СТИЛЬ МЫШЛЕНИЯ НЬЮТОНА.

Ньютон был мыслителем интуитивного, а не формально-логического стиля, хотя был и искуснейшим вычислителем. Его интуиция жадно охватывала любые объекты науки, которые поддавались воображению и исчислению. К тому же трудность задачи не охлаждала его интерес к исследованию, а, наоборот, усиливала его.

Видимо, по стилю мышления Ньютон был больше геометром. Это проявилось, например, в геометрическом подходе к доказательству основных положений фактов в уже упоминавшейся книге «Математические начала натуральной философии».

В третьей книге «Начал» приведены «Правила философствования»

I. Не следует искать в природе других причин, кроме тех, которые достоверны и достаточны для объяснения явлений. – Недаром философы говорят: природа ничего не делает напрасно. Напрасно – значит при помощи многих средств, когда можно обойтись немногими. Природа проста и не роскошествует излишними причинами вещей.

II. Поэтому одинаковые явления нужно объяснять по возможности одними и теми же причинами. – Например: дыхание у человека и у животного; падение камня в Европе и в Америке; свет от огня в очаге и свет от Солнца; отражение света на Земле и на планетах.

III. Свойства тел, которые невозможно ни усилить, ни ослабить, и которые присущи всем телам, над коими можно ставить опыты, следует считать всеобщими свойствами, принадлежащими всем телам. Дело в том, что свойства тел постигаются лишь опытным путем, поэтому те свойства, которые постоянно обнаруживаются в опыте и которые невозможно преуменьшить, надо считать общими свойствами. Не нужно ничего выдумывать помимо опыта, не следует также пренебрегать сходством в природе, ибо природа всегда проста и всегда согласуется сама с собой».

Позже, в 1713 г., когда готовилось второе издание «Начал», Ньютон прибавил к этим правилам еще одно:

«IV. В экспериментальной науке выводы, сделанные из наблюдений, следует считать достоверными или почти достоверными (хотя бы некоторые гипотезы и противоречили им) до тех пор, пока не будут обнаружены другие явления, на основании которых эти выводы будут либо подкреплены и уточнены, либо отброшены».

НЬЮТОН — ПАРЛАМЕНТАРИЙ.

Ньютон был плохим оратором и считал, что в споре истина не рождается, а погибает (что, к сожалению, часто бывает правдой). Поэтому он избегал любого вмешательства в политику. Но в 1687 г., когда король Англии Яков II попытался ущемить привилегии университетов, Ньютон стал одним из лидеров ученой оппозиции. Поэтому после последовавшего вскоре свержения короля Ньютона избрали в парламент. Там он пробыл пять лет, не произнеся ни одной речи: во время заседаний он мысленно вел научные или богословские рассуждения.

НЕОБЩИТЕЛЬНОСТЬ НЬЮТОНА.

Увлеченный новой проблемой, Ньютон творил, не нуждаясь ни в ком. Заставить его поделиться своими открытиями с ученым миром, заставить молчальника разомкнуть уста — было очень трудно! Например, Галлей, обнаружив в тетради Ньютона новую, не известную еще работу, в которой он разглядел большое открытие, ждал целых два месяца, чтобы получить от автора трактат «О движении» в 24 страницы. При этом Ньютон просил… ни в коем случае не публиковать эти результаты, а только зарегистрировать трактат в протоколе заседания Королевского общества.

ПОЗДНИЕ ГОДЫ.

Когда Ньютону было около 60 лет, он был назначен директором Монетного двора. И здесь он тоже сделал открытие: придумал делать насечку на ободе монет — для того, чтобы серебряные монеты не обпиливали. Это, казалось бы, незначительное усовершенствование спасло Англию от инфляции! Ньютон возглавлял Монетный двор в течение 24 лет, до конца жизни. В 65 лет ученый был возведен в рыцарское достоинство и стал именоваться «сэр Исаак Ньютон». Умер Ньютон в на 85-м году жизни.

УВЕКОВЕЧЕНИЕ ПАМЯТИ НЬЮТОНА.

Надпись на саркофаге Исаака Ньютона в Вестминстерском соборе гласит:

«Здесь лежит Исаак Ньютон, Рыцарь, тот, кто разумом, почти божественным, вознеся над собой факел математики, первым доказал движение планет, пути комет и приливы океанов, изведал разницу лучей света и рождающееся отсюда различие цветов, чего прежде никто не подозревал. Верный, мудрый, прилежный толкователь природы, старины и священной истории, он утверждал своею философией всемогущество разума, а нравом воплотил простоту евангелия. Родился 25 декабря 1642. Отошел 20 марта 1727. Пусть поздравят себя смертные с тем, что некогда существовало такое украшение человеческого рода».

Надпись в стихах, сочиненная в ХУШ веке поэтом Александром Попом и вырезанная над входом в дом, где родился Ньютон, Вулторп, графство Линкольн:

Nature and Nature’s laws lay hid in night.

God said: Let Newton be. and all was light.

«Природа и законы Природы были скрыты во тьме. Бог рек: да будет Ньютон! И воссиял свет».

МЕТОДЫ НЬЮТОНА.

Ньютон изложил свои астрономические исследования в «Принципах». Он использовал метод дедукции (получение большого числа выводов из нескольких законов), но его метод существенно отличалась от дедуктивных методов древних греков и их последователей. Ньютон создал свою теорию не на основе умозрительных аксиом, а на основе предположений, вытекающих из эксперимента. Он получал из теории следствия, которые в дальнейшем проверял, насколько мог, экспериментально. Поэтому его теория была связана с действительностью, с экспериментом и четкими определениями. Она могла предсказывать явления, которые, в свою очередь, проверялись опытом. Теория Ньютона «объясняла» множество чудес, сводя их к обычным уже известным явлениям.

«Hypotheses non fingo» — «Гипотез не измышляю», — писал он и прямо говорил, что причина тяготения ему неизвестна: он не знает, как передается сила тяготения. Однако закон тяготения, если тщательно рассмотреть его следствия, позволяет объяснить законы Кеплера и многие другие явления.

И тем не менее в последних своих работах Ньютон высказал много остроумных догадок о природе света, строении атома и даже о механизме гравитации.

Когда Ньютона спрашивали, каким путем он пришел к своим открытиям, он отвечал: «… я всегда думал о них. Предмет исследования постоянно передо мной, и я жду, пока первые пробивающиеся лучи рассвета постепенно не осветят его сильным и ярким светом». По-видимому, это и был его метод: спокойное, постоянное обдумывание, непрерывное вынашивание мысли. Вероятно, именно таким образом родились и другие великие идеи.

ИДЕИ НЬЮТОНА.

Как творец науки Ньютон создал новый стиль, который до сих пор еще сохраняет свое значение. Как научный мыслитель он является выдающимся основоположником идей. Они рождались у Ньютона гораздо чаще, чем можно было бы объяснить простой удачей. Он сформулировал законы движения, которыми мы пользуемся и поныне и которые мы считаем очень точным приближением к действительности. Он пришел к идее всемирного тяготения. На основании скудных данных ему удалось оценить массу Земли, хотя в те времена проверить достоверность оценки было невозможно. Только после опытов Кавендиша Земля была «взвешена», то есть определена ее масса. Для своей оценки массы Земли Ньютон предположил, что плотность твердых тел не может быть меньше плотности воды. Плотность же центральных частей Земли должна быть больше, чем горных пород, находящихся на поверхности. Исходя из этого, он предположил, что средняя плотность земного вещества в 5 или 6 раз превосходит массу воды такого же объема (на самом деле — в 5,5 раз: интуиция и тут не подвела Ньютона).

Ньютон считал, что свет — это поток частиц (корпускул) и на основании этого предположения создал теорию, объяснявшую интерференцию света в тонких пленках (открытую и изученную им). Это была удивительная теория, в которой считалось, что свет состоит из частиц, сопровождаемых волнами. Однако через сто лет волновая теория света полностью заменила корпускулярную, поскольку в значительно большей степени соответствовала опытным данным. Больше чем столетие теория света Ньютона вызывала только улыбку ученых. Однако уже в начале двадцатого века с открытием квантовой механики выяснилось, что Ньютон все-таки оказался прав: теперь твердо установлено, что свет действительно является потоком частиц, удивительным образом сочетая в себе свойства и волн и корпускул!

СОВРЕМЕННИКИ О НЬЮТОНЕ.

Вот как описывали Ньютона Джон Кондуитт, муж племянницы ученого, и Хамфри Ньютон, однофамилец Исаака Ньютона, который был его учеником, подмастерьем и слугой и прожил с ним бок о бок около пяти лет.

«Он был мягок, держался очень скромно и никогда не терял равновесия; был кроток, любезен, но всегда погружен в себя. Не помню, чтобы он когда-нибудь смеялся, разве только однажды, в ответ на вопрос какого-то знакомого: что он нашел интересного у Евклида? Сэр Исаак был затворником, вечно сидел над своими бумагами, редко бывал в гостях, да и к нему мало кто заглядывал: два – три человека, больше я никого не видел. Он не любил развлечений, не катался верхом, не играл в кегли; все это он считал пустой тратой времени. Из своей комнаты он выходил только затем, чтобы читать лекции в университете… Когда к нему приезжали издалека, он принимал гостя с достоинством, в меру почтительно, но без заискивания. Он до такой степени был погружен в свои занятия, что ел очень редко, часто вообще забывал о еде, так что, бывало, зайдешь к нему в комнату, а обед стоит нетронутый. Спать ложился не ранее как в два или три часа пополуночи, иногда сидел до пяти, даже до шести, и в общем спал не более четырех – пяти часов, особенно весной и осенью, в пору листопада…

Я не замечал, чтобы он пил когда-либо вино, эль или подобные напитки, разве только за едой, да и то самую малость. Очень редко выходил к обеду в общую трапезную, обычно только по праздникам…

У сэра Исаака в эти годы не было ни учеников, ни товарищей по комнате, потому что, мне кажется, они только мешали бы его занятиям. Лишь один раз за все время он хворал… и несколько дней он пролежал не вставая. Болезнь свою он переносил терпеливо и мужественно…

НЬЮТОН О СЕБЕ.

В жизнеописании сэра Исаака Ньютона, которое было составлено физиком Дэвидом Брюстером более ста лет назад, приведены слова Ньютона, сказанные им незадолго до смерти. Неизвестно, при каких обстоятельствах они были произнесены и кому были адресованы. Может быть – самому себе. Эти слова стали крылатыми, их без конца повторяют и пересказывают. Вот они – в оригинале и в переводе на русский язык:

I do not know what I may appear to the world, but to myself I seem to have been only like a boy, playing on the seashore, and diverting myself in now and then finding a smoother pebble or a prettier shell than ordinary, whilst the great ocean of Truth lay all undiscovered before me.

«Не знаю, за кого меня принимает мир, но себе самому я кажусь лишь мальчиком, который играл на морском берегу, забавляясь тем, что время от времени ему попадался редкий камушек или ракушка красивей других, — между тем как великий океан Истины лежал весь закрытый передо мною».

РАССКАЗЫВАЮТ, ЧТО….

…Исаак Ньютон часто так глубоко погружался в свои научные занятия, что становился очень рассеянным. Однажды к нему зашел джентльмен, однако ему сказали, что сэр Исаак занят исследованиями, и ему нельзя мешать. Так как наступило время обеда, посетитель сел в столовой ожидать хозяина. Слуга поставил на стол блюдо с жареным цыпленком, накрытое крышкой. Прошел целый час, но Ньютон не появился. Почувствовав сильный голод, гость съел цыпленка, накрыл крышкой блюдо с костями и попросил слугу приготовить хозяину новую порцию.

Однако прежде чем второй цыпленок был приготовлен, Ньютон зашел в комнату, приветствуя посетителя. Затем он сказал: «Я очень устал и проголодался. Надеюсь, Вы подождете, пока я пообедаю, а затем я буду в Вашем распоряжении.» С этими словами он поднял крышку и, без всякого удивления повернувшись к джентльмену, сказал: «Все-таки мы, ученые, странные люди. Я совершенно забыл, что уже пообедал.»

В этот момент вошел слуга со вторым цыпленком. Посетитель пояснил, что произошло. Рассмеявшись от души, голодный ученый приступил к обеду.

…Однажды Ньютон задумался над проблемой. Служанка зашла в комнату и принесла яйцо, которое она хотела сварить на огне спиртовки в его присутствии, чтобы быть уверенной, что все сделано правильно. Ньютон хотел остаться один и сказал ей, что сварит яйцо сам. Служанка положила яйцо на стол рядом с часами Ньютона и попросила его не оставлять яйцо в кипящей воде более, чем на две с половиной минуты. Можно представить себе ее удивление, когда, вернувшись, она застала Ньютона стоящим перед спиртовкой, глядя внимательно на яйцо в своей руке, в то время как часы варились в маленьком чайнике над спиртовкой…

…Ньютон очень не любил отвлекаться от своих занятий, особенно по бытовым мелочам. Чтобы выпускать и впускать свою кошку, не подходя к двери. Он прорезал в ней специальную дыру. Когда же у кошки появились котята, он проделал в двери для каждого котенка по дополнительному маленькому отверстию.

КАК РАЗВИВАЛАСЬ ТЕОРИЯ МИРОЗДАНИЯ ДО НЬЮТОНА?.

В Ш в. до н. э. древнегреческий ученый Аристарх впервые попытался измерить расстояния от Земли до Солнца. Оно оказалось, по его данным, в 19 раз больше расстояния от Земли до Луны. Зная видимые размеры Солнца, Аристарх сделал отсюда вывод, что Солнце намного больше Земли. Поэтому естественно предположить что малое тело движется вокруг большого, а не наоборот; то есть Земля вращается вокруг Солнца, и так же движутся все остальные планеты. Сочинения Аристарха Самосского не сохранились, и о его системе мира мы знаем со слов Архимеда.

Между 1512 и 1516 годами, то есть через 1900 лет, польский монах и ученый Николай Коперник подвел итог своим мыслям о мироустройстве в трактате «Малый комментарий», где дал первый набросок гелиоцентрической системы. Позднее Коперник собрал все доказательства движения Земли и других планет по околосолнечным орбитам в сочинении «Шесть книг о круговращениях небесных сфер» (1543). Книга вышла после смерти автора.

В 1600 г. лейб-медик королевы Елизаветы Уильям Гилберт выпустил книгу «О магните», где утверждал, что Земля притягивает Луну. В другом труде Гилберта, найденном после его смерти, говорилось, что оба небесных тела притягиваются друг к другу, но действие Земли сильнее из-за большей массы.

В 1609 г. императорский математик в Праге Иоганн Кеплер закончил обработку астрономических наблюдений Тихо Браге и вывел два закона движения планет. Каждая планета, включая Землю, движется по эллипсу, при этом Солнце находится в одном из фокусов эллипса. Таков первый закон Кеплера. Второй закон: планеты движутся неравномерно; по мере приближения к Солнцу скорость планеты возрастает, а затем, при удалении от Солнца, снова уменьшается. Другими словами, направленный на планету луч Солнца, перемещаясь вслед за ней, «заметает» равные площади за равные промежутки времени.

Через девять лет к открытым им законам Кеплер прибавил третий закон, который относится не к одной планете, а ко всей системе планет Солнечной системы. Закон утверждает, что чем дальше планета отстоит от Солнца, тем длиннее большая ось ее эллиптической орбиты, но если сравнить между собой размеры орбит соседних планет и периоды их обращения вокруг Солнца, то окажется, что размеры орбит растут быстрее. Более точно: квадраты периодов пропорциональны кубам диаметров орбит. Чем дальше планета от Солнца, тем медленнее она движется. Например, Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/с, а Юпитер — со скоростью 13 км/с.

Примерно в это же время Галилео Галилей в Италии размышлял над тем, почему планеты не останавливаются. Ведь Аристотель учил, что всякое движущееся тело перестает двигаться, как только перестает действовать посторонняя сила, толкающая его. В книге «Беседы и математические доказательства по поводу двух новых наук…», Галилей пишет, что дело обстоит как раз наоборот: скорость, однажды сообщенная движущемуся телу, должна сохраняться вечно, если нет внешних препятствий движению. Поэтому вопрос, почему небесные тела не останавливаются, следовало бы вывернуть наизнанку: а почему, собственно, они должны остановиться?

В 1666 г. член флорентийской «Академии опыта» Джованни Борелли предложил свое объяснение движений небесных тел. С одной стороны, тела стремятся сблизиться, с другой – планета, вращаясь вокруг самой себя, должна была бы «укатиться» прочь. Обе силы попеременно перевешивают друг друга, и планета оказывается то ближе, то дальше от Солнца – вместо окружности получается вытянутая орбита.

Мы видим, что мысль ученых, продвигаясь ощупью, блуждает где-то совсем недалеко от истины. Это напоминает игру «холодно – горячо». В 1674 г. Гук напечатал в «Философических Трудах» статью «Попытка доказать годичное движение Земли». В нем говорилось, что все космические тела обладают силой тяготения, направленной к их центрам; эта сила не дает самим телам развалиться на куски, и она же притягивает к ним соседние тела. И если они меньше размером, то они начинают вращаться вокруг более крупных тел. Сила притяжения ослабевает по мере увеличения расстояния между телами.

ДВИЖЕНИЕ КОМЕТ И ВОЗМУЩЕНИЯ ДВИЖЕНИЙ ПЛАНЕТ.

Ньютон установил, что существуют три типа траекторий движения тела под действием гравитационной силы.

Первый тип – эллиптические орбиты (планета вначале находится не очень далеко от Солнца или движется не слишком быстро). Два других типа – незамкнутые орбиты: параболические и гиперболические. В случае параболической или гиперболической орбиты тело появляется только один раз и исчезает навечно. Таким образом, кометы, случайно «заглядывающие в гости» в Солнечную систему, должны двигаться по орбитам последних двух типов.

Тихо Браге и Кеплер показали, что кометы «не чудесные явления», а тела, пересекающие, как тогда думали, орбиты планет только один раз. Их можно видеть лишь потому, что они освещаются солнечным светом, и по той же причине их можно наблюдать, когда они находятся на небольших расстояниях от Земли. Ньютон показал, что кометы движутся по очень вытянутым эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце. Их движение определяется, как и движение планет, гравитацией. Кометы уходят далеко за пределы орбит самых далеких планет, все время замедляясь; наконец, «развернувшись», они после долгого путешествия прилетают опять, снова разворачиваются и опять удаляются. Эллиптическая орбита кометы может быть измерена, и время ее возвращения может быть точно предсказано. Одна из наиболее знаменитых комет названа по имени ее открывателя Эдмунда Галлея. Это первый пример удачного предсказания времени возвращения кометы, интервал между ее «визитами» оказался равным 76 годам. Ньютон как раз вовремя указал на одну из старых записей Кеплера и предсказал время будущих возвращений этой кометы. Когда кометы стали возвращаться точно в предсказанное время, они потеряли свою таинственность, но не потеряли своей славы. Ранее кометы всегда вызывали интерес и даже священный ужас. Странно, но даже в наши дни случается встретить в широкой печати мистическое объяснение появления кометы как «чудесного события». Регулярное возвращение комет в предсказанные сроки позволяет проверить наши наблюдения и дает еще одно подтверждение закона всемирного тяготения. Можно проследить появление комет в прошлом. Например, комета Ньютона, которую он наблюдал в 1680 г., и возвращение которой можно ожидать в 2255 г., могла быть той самой кометой, которая, по преданиям, возвестила о гибели Юлия Цезаря.

Ньютону также удалось проанализировать множество более сложных явлений, таких, как, например, небольшие возмущения планетных орбит. Эти отклонения траекторий от эллиптической формы могут быть объяснены гравитационным взаимодействием между самими планетами. Земля притягивается не только к Солнцу, но и к каждой из планет (с разной, конечно, силой). Эффект проявляется в виде небольших отклонений (возмущений) основных орбитальных движений. Исследование их привело к неожиданному открытию в 1781 г. Вильямом Гершелем седьмой планеты (позднее названной Ураном). Возмущения в орбите Урана в дальнейшем привели к открытию планеты Нептун, а возмущения в орбите Нептуна привели к открытию Плутона.

ОБЪЯСНЕНИЕ ПРИЛИВОВ.

Ньютон объяснил также океанские приливы, происходящие под действием гравитационного притяжения Луны и Солнца. Он показал, что приливы и отливы обусловлены притяжением Луны. Ближайшая к Луне часть океана притягивается сильнее (она ближе), вода поднимается – и возникает прилив. Однако прилив возникает и на противоположной стороне Земли: здесь вода притягивается Луной слабее, чем суша, и поэтому притяжением Луны Земля «отрывается от воды». Можно считать, что у Луны имеется как бы необычный спутник – океанский водяной горб Земли, который мы называем приливом.

Сходным образом действует но воды океана и притяжение Солнца. Два раза в месяц, когда солнечные и лунные приливы совпадают, наблюдаются особенно большие приливы.

Вот почему в течение суток наблюдается два прилива. Земной шар как бы «проворачивается» при суточном вращении под приливными горбами, подставляя под них новые участки земной поверхности. В результате сложных процессов, вызываемых трением и инертностью водяных масс, приливные горбы задерживаются, поэтому приливной горб находится не точно под Луной, а отстает в среднем на четверть суток.

Ньютон смог разделить «приливное» действие Луны и Солнца и благодаря этому оценить массу Луны по величине вызываемого ею прилива. Непосредственно определить массу Луны было невозможно в течение двух столетий.



Рассказы об ученых по физике.