Ашот Григорьян - Механика от античности до наших дней

В ньютоновом законе тяготения мы выделим три наиболее характерных момента. Во-первых, в этом законе сила тяготения есть универсальный принцип. При его выводе из свойств материи принимается во внимание только одно — наличие массы. Масса, по Ньютону, — всеобщая характеристика любой материи. Поэтому закон тяготения, распространяющийся на все тела, безотносительно ко всем другим их свойствам, — это высшее, математизированное выражение идеи единства Вселенной, подготовлявшееся трудами Коперника, Кеплера, Бруно, Галилея. В законе тяготения исчезает противоположность небесного и земного, «подлунного» и «надлунного». Во-вторых, тяготение основано на взаимодействии тел, а не на одностороннем притяжении одного тела другим. И, в-третьих, понятие силы тяготения у Ньютона уточнено количественно.

Первые шаги к математизации силы притяжения были сделаны Кеплером. В своей «Новой астрономии» (1609) Кеплер опубликовал первые два закона движения планет, носящие его имя и открытые им при обработке данных, относящихся к Марсу. Десятью годами позже (1619) в «Гармонии мира» Кеплер дополнил их третьим законом: кубы средних расстояний планет от Солнца пропорциональны квадратам времен их обращения, или, как формулировал сам Кеплер на языке своего времени, — средние расстояния от Солнца стоят в «полуторном отношении» к времени обращения.

Показательно, что уже в 30—40-х годах Декарт задумывался над опытами, которые могли бы позволить определить убывание и возрастание тяжести на разных расстояниях от центра Земли, сознавая вместе с тем всю трудность подобной задачи. Обсуждая в переписке с Мерсенном вопрос о том, имеет ли тело большую или меньшую тяжесть, находясь к центру Земли ближе, чем находясь вдали от него, Декарт замечает: «Единственно, что можно сказать, что природа тяжести есть вопрос факта, т. е. люди не могут определить ее иначе, как производя опыты, а из опытов, производимых здесь, в нашем воздухе, нельзя судить о том, что происходит гораздо ниже, около центра Земли, или гораздо выше, за облаками, ибо если убывание или возрастание тяжести происходит, то маловероятно, чтобы оно происходило везде в одинаковой пропорции» {116} 116 Декарт. Сочинения, т. II, стр. 224—225. .

Проектируя возможный опыт, Декарт тут же отмечал его трудности. Опыт заключается в следующем: кусок свинца вместе с веревкой взвешивается на вершине башни, а затем прикрепляется одним концом к чашке весов и опускается в колодец. Разность в весе должна свидетельствовать о неравномерности земного притяжения. Декарт понимал, что опыт мог дать результаты лишь в том случае, если разница в весе весьма значительна, между тем глубина колодца и высота башни мала по сравнению с радиусом Земли.

Декарт добавил описания довольно странных для современного читателя опытов или наблюдений над птицами. «Крупным птицам, например журавлям и аистам, гораздо легче летать на высоте в воздухе, чем внизу, и это нельзя целиком отнести на счет силы воздуха, ибо то же самое бывает и в тихую погоду, а это дает основание думать, что их удаленность от Земли делает их более легкими. Подтверждают нам это и бумажные змеи, запускаемые детьми, и весь снег, находящийся в облаках» {117} 117 Там же, стр. 226. .

Наконец, Декарт всерьез обсуждал версию об артиллерийских ядрах, якобы пущенных вертикально вверх и не вернувшихся на Землю. В этой же связи Декарт высказал и приведенные выше соображения о том, что планеты упали бы на Землю, если бы «большое расстояние между ними не парализовало этого их стремления», т. е. тяжесть должна убывать с увеличением расстояния.

Не удивительно, если Декарт в конечном итоге оказался вынужденным обратиться от проектируемых конкретных экспериментов к теоретическому рассуждению, произвести чисто мысленный эксперимент или, как выражался он сам, «произвести наши вычисления, подобно тому, как астрономы предполагают средние движения светил равномерными, чтобы легче рассчитывать истинные, которые неравномерны».

Через 11 лет после смерти Декарта, в 1661 г. (еще до своего официального утверждения), Лондонское королевское общество поручило особой комиссии исследовать вопрос о природе тяжести. 14 марта 1666 г. Роберт Гук сделал в Обществе сообщение, в котором писал: «Хотя тяжесть, по-видимому, есть одно из самых универсальных начал в мире, до недавнего времени пренебрегали ее изучением. И тем не менее ученая пытливость наших дней нашла в ней предмет новых размышлений; Гильберт делает из нее способность магнитного притяжения, присущую частям земного шара; благородный лорд Веруламский частично присоединится к этому мнению, а Кеплер, не без оснований, делает из тяжести свойство, присущее всем небесным телам» {118} 118 Декарт. Сочинения, т. II, стр. 227. .

Исходя из подобных же представлений, Гук предполагал, что тяжесть тел должна уменьшаться с возрастанием расстояния от центра Земли. Если Декарт только обдумывал возможности экспериментов, то Гук отважился и на экспериментирование. Он производил опыты на здании Вестминстерского аббатства и на вершине собора св. Павла. Он взвешивал тело вместе с проволокой на вершине башни и у поверхности земли. Опыты не могли дать, по признанию самого Гука, точных результатов как по причине колебаний столь длинной проволоки, так и по причине движения воздуха. Нескольких гранов на весах достаточно было, чтобы привести весы в колебательное движение.

Вслед за тем Гук столь же безуспешно произвел эксперименты в колодцах глубиной от 90 до 330 футов.

В докладе, сделанном 23 мая того же года, Гук вернулся к вопросу о силе тяжести в связи с движением планет. Криволинейность планетных орбит должна вызываться некоторой постоянно действующей силой: либо большей плотностью эфира около Солнца, либо притяжением тела, находящегося в центре. Наконец, восемь лет спустя, в 1674 г., Гук опубликовал мемуар под заглавием «Попытка доказать годовое движение Земли на основе наблюдений».

Излагаемая им здесь система мира основана на трех предположениях. Во-первых, все небесные тела производят притяжение к своим центрам, притягивая не только свои части, как мы это наблюдали на Земле, но и другие небесные тела, находящиеся в сфере их действия. Таким образом, не только Солнце и Луна оказывают влияние на форму и движение Земли, а Земля — на Луну и Солнце, но также Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн влияют на движение Земли; в свою очередь притяжение Земли действует на движение каждой планеты. Второе предположение Гука — это закон инерции: «Всякое тело, получившее однажды простое прямолинейное движение, продолжает двигаться по прямой до тех пор, пока не отклонится в своем движении другой действующей силой и не будет вынуждено описывать круг, эллипс или иную сложную линию». Наконец, третье предположение заключается в том, что «притягивающие силы действуют тем больше, чем ближе тело, на которое они действуют, к центру притяжения».