Между изданием Галилеева «Диалога» и Ньютоновых «Начал» прошло немногим более полувека. За это время в астрономии не было сделано ни одного особенно значительного открытия. И тем не менее именно в этот период старое, отжившее аристотелевское представление о мире, замкнутом скорлупой сфер, взорванное Коперником, Бруно, Галилеем, умерло окончательно, тихо и безвозвратно.
Любознательный читатель вправе спросить: почему финал длительной битвы идей падает на столь скучное время? Но не зря писал философ Гегель, что самое счастливое время то, о котором не пишут в учебниках истории. Попробуем разобраться. Прежде всего усилиями Кеплера и Галилея, Декарта, Бэкона и многих других система Коперника к этому периоду перестала быть сенсацией. Утихли страсти. Рассеялась скандальная атмосфера. Даже сама святая католическая церковь стала втихомолку пользоваться богопротивной теорией, дабы уточнить сроки наступления церковных праздников и подремонтировать календарь. Система Коперника стала рабочей гипотезой науки, проникнув во все страны.
В 1657 году ученый, иеромонах, филолог и проповедник Епифаний Славинецкий, «в философии и богословии изящный дидаскал, искуснейший в елиногреческом и славянском диалектах», был вызван из Киева в Москву для «риторического учения» и перевода греческих книг. Сохранились сведения, что в числе божественных сочинений перевел иеромонах на русский язык и шеститомное сочинение голландского математика и астронома Иоганна Блеу, содержащее изложение Коперниковой системы. Это первое, правда, не очень достоверное свидетельство о проникновении к нам в Россию нового мировоззрения. Переводчик назвал свой труд «Позорище всея вселенной». Слово «позорище» применено здесь в смысле «обозрение». Рукопись света не увидела. То ли сам благочинный перепугался изложенных в ней идей, то ли подсказали ему вовремя доброхоты из духовной братии. И все-таки это был первый проблеск наступавшей зари для просыпающейся после многолетнего татаро-монгольского ига России.
Не менее важным является и то, что, утомившись от общих рассуждений, люди стали интересоваться тем, что может дать наука практически. Такой перемене во взглядах весьма способствовала предприимчивая и развивающаяся буржуазия.
В астрономии совершенствуются методы наблюдений, улучшаются инструменты, уточняются таблицы движения планет. Данцигский бургомистр, астроном-любитель Ян Гевелий издает прекрасно иллюстрированную «Селенографию» — описание Луны. Люди с удивлением знакомятся с лунными Апеннинами и Альпами, с Морем Ясности и Морем Спокойствия. Из идеального аристотелевского тела Луна окончательно превратилась в планету подобную Земле.
Астроном Джованни Доменико Кассини, работавший в Париже, открыл вращение Марса и Юпитера. Но если планеты землеподобны, то почему отказать во вращении и Земле? Не есть ли это подтверждение опять-таки богопротивной, но мудрой Коперниковой теории?
Французские астрономы произвели важные работы по определению расстояний от Луны, Солнца и ближайших планет. Диаметр солнечной системы, ограниченный орбитой Сатурна — «высочайшей планеты», достиг почти трех миллиардов километров. Цифра просто невероятная… А тут еще датчанин Олаф Ремер, наблюдая затмения спутников Юпитера, вычислил величину скорости света, равную почти тремстам тысячам километров в секунду.
В общем, конечно, открытия были, но открытия явно прикладного характера. Была и еще одна задача, попытки решения которой сыграли большую роль в развитии астрономии.
В XVII веке все еще нет метода точного определения такой важной координаты на поверхности Земли, как долгота. Между тем колониальные устремления развитых стран требовали надежности морских перевозок. И впервые в истории для решения научной задачи сами государства вынуждены создавать научные учреждения. И не только создавать, но и финансировать и поощрять… В 1667 году для уточнения земных координат при помощи наблюдения небесных светил создается королевская обсерватория в Париже, восемь лет спустя — в Гринвиче, затем в Петербурге, в 1725 году.
Первым директором Гринвичской обсерватории был назначен Джон Флемстид, трудолюбивый и добросовестный наблюдатель, обладавший, по мнению современников, невероятно нудным характером. Король Карл II от щедрот своих подарил новому директору пышный титул «Королевский Астроном», скомпенсировав расточительность королевской души за счет более чем скромного жалования… Англичане большие любители традиций. Желая сохранить пышный старинный титул за директором Гринвичской обсерватории по сей день, они со временем увеличили его денежный эквивалент. Должность стала не только почетной, но и выгодной. Традиция родилась…
В задачу первого королевского астронома входило: «прилагать наибольшее старание и усердие к исправлению таблиц небесных движений и положений неподвижных звезд и точно так же находить столь желанные долготы мест для усовершенствования искусства навигации».
Наказ, правда, помог мало. И несколько лет спустя, отчаявшись получить решение «столь желаемой» задачи, английский парламент по предложению Ньютона объявляет конкурс на разработку наиболее точного метода определения долготы на море. Причем за ошибку не более 0,25 градуса (примерно 30 миль) назначена премия в 20 тысяч фунтов стерлингов — сумма по тем временам весьма внушительная. Позже были назначены еще две премии за менее точные решения: 15 тысяч фунтов при ошибке в 40 миль и 10 тысяч фунтов при ошибке в 60 миль. Окончательно решена была эта задача лишь в XIX веке, когда сначала русский штурман М. А. Акимов, а потом француз Сент-Илер предложили современный способ совместного определения широты и долготы места, удобный в судовых условиях.
Этот пример несколько меняет существующее мнение о скромной деятельности Ньютона в парламенте. Обычно принято считать, будто бы занятый своими мыслями Исаак Ньютон сидел на заседаниях палаты безучастно и лишь однажды взял слово. Получив торжественное разрешение председателя, ученый скромно попросил служителя закрыть окно, из которого дуло. После этого он снова погрузился в свои думы.
Это, конечно, анекдот. И автор склонен думать, что придумали его англичане, желающие создать вокруг имени Ньютона ореол необыкновенности.
Решение многих проблем того времени упиралось в вопрос о силе, управляющей движениями планет, движениями вообще и свободным падением тел в частности. Людям позарез нужен был хотя бы один количественный закон природы, позволяющий от разговоров вообще перейти к конкретным действиям.
Кеплер обработал результаты наблюдений Тихо Браге и своими законами сформулировал условия задачи, которую нужно было решить.
Затем Галилей установил принципы-правила, по которым задача о вожделенной силе должна была решаться. Гюйгенс, разработав теорию маятника, показал путь для наиболее простого ее решения. И тогда Ньютон ее решил, дав миру закон всемирного тяготения.
Интересно, что Ньютон и Гюйгенс, хорошо зная работы друг друга, долгое время не были знакомы. Их первая встреча произошла весьма курьезно. Гюйгенс приехал в Лондон и был приглашен выступить на заседании Королевского общества с докладом. Получил аналогичное предложение и Ньютон. Оба, как нарочно, выбрали самые неудачные темы своих сообщений. Так, Гюйгенс в присутствии Ньютона изложил свою ошибочную теорию тяготения. Ньютон же, в свою очередь, продемонстрировал неверные результаты измерений двойного лучепреломления в испанском шпате. (Следует помнить, что именно Гюйгенс был автором великолепной теории двойного лучепреломления.) Понятно, что после обмена такими докладами оба расстались, так и не испытав чувства взаимной симпатии.
Яблоко Ньютона
Случилось яблоку, упавши, перервать
Глубокие Ньютона размышленья,
И говорят, не стану отвечать
За мудрецов догадки и ученья,
Нашел он этим способ доказать
Весьма наглядно силу притяженья.
С паденьем, стало быть и с яблоком, лишь он
Был в силах справиться с адамовых времен.
Так писал Байрон. Анекдот о яблоке знают все. Но как связать падающий с ветки плод с сухой формулой закона?
Рассказ о яблоке имеет некоторую степень достоверности. Современник Ньютона Стекелей писал в конце жизни: «После обеда погода была жаркая; мы перешли в сад и пили чай под тенью нескольких яблонь; были только мы вдвоем. Между прочим, сэр Исаак сказал мне, что точно в такой же обстановке он находился, когда впервые ему пришла в голову мысль о тяготении. Она была вызвана падением яблока, когда он сидел, погрузившись в думы. Почему яблоко всегда падает отвесно, подумал он про себя, почему не в сторону, а всегда к центру Земли? Должна существовать притягательная сила в материи, сосредоточенная в центре Земли. Если материя тянет другую материю, то должна существовать пропорциональность ее количеству. Поэтому яблоко притягивает Землю так же, как Земля — яблоко. Должна, следовательно, существовать сила, подобная той, которую мы называем тяжестью, простирающаяся по всей вселенной…»
«Этот рассказ мало кому был известен, — пишет академик Вавилов, — но зато весь мир узнал похожий на анекдот пересказ Вольтера, слыхавшего об этом случае от племянницы Ньютона». Вольтеровская байка имела успех. И скоро предприимчивые наследники стали показывать яблоню, послужившую «главным поводом» появления «Начал» — великого произведения Ньютона, ставшего на долгие годы библией новой науки.
Весьма существенными были для разрабатываемой Ньютоном теории мысли, высказанные итальянцем Борелли в 1666 году. Борелли изучал движение спутников Юпитера и пришел к выводу, что хотя небесные тела и притягиваются, несомненно, друг к другу, однако вращательное движение вызывает в них некоторое стремление, направленное прочь от центра вращения. И если оба эти стремления равны друг другу, то спутники будут двигаться вокруг планеты, находясь всегда на одном расстоянии. Точно так же двигались планеты и вокруг Солнца…
Предположим, рассуждал Борелли, что планета находится на таком расстоянии от Солнца и движется с такой скоростью, что стремление от центра (сегодня мы называем его экономно «центробежной силой») меньше силы притяжения. Тогда планета начнет приближаться к светилу по спирали, пока обе силы не уравновесятся. Но вот, по инерции, открытой Галилеем, планета проскочила нейтральную орбиту и приблизилась к Солнцу ближе положенного. Сохранившаяся скорость движения заставит центробежную силу преодолеть притяжение. И планета снова начнет удаляться от светила по спирали…
В гипотезе Борелли нет ни строчки математических доказательств. Он просто постулирует существование силы притяжения и из нее логически выводит криволинейное движение планеты. Ньютона такой картезианский метод не удовлетворял. Прекрасный математик, он отдавал предпочтение количественным исследованиям. Вырвавшись из плена Декартовой философии, Ньютон выдвинул тезис «Гипотез не измышляю» и принялся считать.
Один из немногочисленных друзей Ньютона, астроном Эдмунд Галлей, рассказывал, что проблемой силы тяжести в связи с движением планет интересовались в то время многие. Самому Галлею в 1683 году удалось из третьего закона Кеплера вывести убывание тяжести с расстоянием по закону обратных квадратов. Однако получить эллиптическую орбиту движения светил он никак не смог. Однажды Галлей встретился в лондонской кофейне с архитектором Реном, строителем знаменитого собора святого Павла в Лондоне, и небезызвестным Робертом Гуком — физиком, математиком, экспериментатором и теоретиком, вечно бурлящим тысячей идей и ни одну из них не доводящим до конца. Разговор зашел о науке, о научных проблемах. Оказалось, что все трое отдали немало времени и сил одной и той же задаче. И никто успехом похвастаться не мог. Тогда Рен, самый богатый из всех троих, чисто в английском вкусе предложил на пари выплатить премию тому, кто докажет, что под действием силы тяжести, убывающей обратно пропорционально квадрату расстояний, движение небесных тел должно совершаться по эллиптическим орбитам. Однако ни дух соревнования, ни заманчивое предложение Рена к успеху не привели.
Как-то, зайдя к Ньютону, Галлей рассказал тому о споре и пари, заключенном в кофейне. А когда через некоторое время случай снова привел молодого астронома в Кембридж, Ньютон сообщил ему, что решение задачи у него в руках. Ровно через месяц Галлей получил от Ньютона рукопись краткого мемуара «О движении». По просьбе Ньютона мемуар этот не был напечатан в журнале Королевского общества, но его зарегистрировали на случай споров о приоритете.
Обстановка в Англии той эпохи была сложной. После смерти короля Карла II обострилась борьба партий. И Ньютону, имевшему покровителей как в одной партии, так и в другой, приходилось быть крайне осторожным. Он вообще не любил споров. И тем не менее судьба уготовила ему путь, на котором ни один его самостоятельный шаг не обходился без дискуссии.
Работая над вопросами тяготения, Ньютон много внимания уделял теории движения Луны. Это очень сложная математическая задача, потому что на ночное светило действовала не только сила притяжения Земли, но и притяжение Солнца. В математике эта задача известна как знаменитая «проблема трех тел». Имеются три большие массы, обладающие известными начальными скоростями, известным образом расположенные в пространстве, требуется определить их дальнейшее движение.
Несмотря на кажущуюся простоту, полное решение этой задачи получить чрезвычайно трудно.
Для проверки итогов вычислений Ньютону нужны были результаты наблюдений Луны. И он не раз обращался с просьбой к Флемстиду, наблюдавшему ночное светило. Однако упрямый и желчный королевский астроном вовсе не был намерен потакать «причудам мистера Ньютона», как он неоднократно выражался. Это приводило к осложнениям и неприятным ссорам.
Ньютон думал упорно. Отбросив все, он сосредоточил всю свою могучую умственную энергию на вопросе о движении Луны. Как-то Ньютон даже пожаловался Галлею, что от лунной теории у него болит голова и что она так часто заставляет его просыпаться, что он хотел бы никогда о ней не думать. В конце концов Галлей, чтобы помочь своему другу, без ведома Флемстида опубликовал результаты его наблюдений, заслужив небезосновательно прозвище «злонамеренного похитителя», которым наградил его королевский астроном. Зато Ньютон смог закончить работу над «Началами». Именно благодаря таблицам Флемстида Ньютон убедился в том, что величина ускорения движения Луны и ускорение падения тел у поверхности Земли очень хорошо согласуются с законом изменения силы тяготения в зависимости от квадрата расстояния. Это позволило сделать решающий вывод: сила, из-за которой падают тела на Земле, и сила, заставляющая ночное светило стремительно обращаться вокруг нашей планеты, — одна и та же.
Теперь три основных закона механики, равно как и закон всемирного тяготения, стали универсальными для Земли и неба. Год спустя после появления краткого мемуара «о движении» в большой степени благодаря убеждениям и уговорам Галлея появилась сначала рукопись, а затем и первая книга манускрипта, названного Ньютоном «Математические начала натуральной философии».
— Сэр Исаак разработал руду, которую я откопал, — ядовито, хотя и не без горечи, заметил Флемстид.
— Если он откопал руду, то я смастерил из нее золотое кольцо, — отпарировал Ньютон, который, несмотря на нелюбовь к спорам, еще меньше любил, когда о его работе отзывались без должного уважения и последнее слово оставалось за противником.
Ньютоновы «Начала» были удивительной книгой. «По убедительности аргументации, подкрепленной физическими доказательствами, книга эта не имеет себе равных во всей истории науки, — пишет Дж. Бернал. — В математическом отношении ее можно сравнить только с „Элементами“ Эвклида, а по глубине физического анализа и влиянию на идеи того времени — только с „Происхождением видов“ Дарвина».
Одним из важнейших общих философских выводов из ее содержания являлось то, что законы природы универсальны как для земных, так и для небесных объектов. Принципы Ньютона без дополнительных условий, гипотез и допущений объясняли движения тел в космосе и на Земле. Тогда как Декарту для объяснения тех же явлений требовалась гипотеза существования вихрей, а следовательно, и эфира. Физика Ньютона была строже и стройнее физики Декарта.