Вселенная. Путешествие во времени и пространстве - Сергей Арктурович Язев
Кеплер, сформулировав свои законы движения планет, решил, что они свидетельствуют в пользу идеи о силовом воздействии Солнца на планеты. «Навострите уши, физики: ведь предпринимается замысел вторжения в вашу область!» — писал астроном.
Современник Кеплера Уильям Гильберт (1544–1603) занимался помимо прочего изучением магнетизма. Он выдвинул предположение, что Земля является огромным магнитом (об этом говорило поведение стрелки изобретенного Гильбертом компаса). Магнетизм был наглядным примером физической силы, и ученый допускал, что это универсальная сила, которая действует во всей Вселенной. На рубеже XVI−XVII веков всерьез обсуждалась идея — не вращается ли Земля под действием магнитных сил? Даже приливы и отливы пытались объяснить магнитным влиянием Луны.
В 1609 году (в том же году Галилей построил первый телескоп) Иоганн Кеплер сформулировал гипотезу о том, что Солнце — тоже магнит и оно вращается (вращение Солнца было вскоре подтверждено наблюдениями солнечных пятен в телескоп). Вращение Солнца создает вихрь в прозрачном веществе — эфире, который наполняет всю Вселенную, полагал Кеплер. Этот эфирный вихрь и заставляет планеты двигаться вокруг Солнца — чем дальше от Солнца, тем медленнее.
Это была очень неплохая идея, которая тем не менее оказалась неверной. Но элементы этой идеи впоследствии подтвердились. Солнце действительно магнит, оно действительно вращается, и магнитное поле, простираясь во все стороны от светила, вращается вместе с Солнцем[14]. Но оказалось, что планеты движутся совсем по другой причине.
Французский ученый и философ Рене Декарт (1596–1650) предложил картину мира, в которой существовало множество вихрей эфира, подобных описанному Кеплером. Каждый вихрь — это система, подобная Солнцу, вокруг которого вращаются планеты, увлекаемые вихрем. Центральные светила (в том числе Солнце) состоят из маленьких «тонких» частиц, излучающих свет, а планеты построены из более тяжелых «темных» частиц, отброшенных центробежной силой вращения вихря.
Декарт кое в чем был прав: Солнце и звезды состоят из сравнительно легких частиц раскаленного газа (точнее, плазмы), планеты — из более тяжелых частиц, а также частиц, объединенных друг с другом в еще более тяжелые частицы твердого вещества. Но идея об изначальных вихрях, заполняющих Вселенную, оказалась неверной.
Поразительно, что указанный научный поиск происходил в то же самое время, когда церковь запрещала систему Коперника, настаивала на правильности системы Птолемея с твердыми хрустальными сферами и Землей в центре. Труды Декарта, как и многие труды других исследователей, попали в Индекс запрещенных книг.
…Как известно, решение задачи было найдено великим английским физиком, которого звали сэр Исаак Ньютон (1642–1727). Его заслуженно считают основоположником классической физики. Ему принадлежит великое научное достижение — он открыл закон всемирного тяготения.
Конечно, идея о том, что в мире существует некая сила притяжения, не раз появлялась задолго до сэра Исаака, и здесь можно было бы назвать множество известных имен (например, Роберт Гук, 1635–1703). Но объединить в одну стройную концепцию идею о силе притяжения и три экспериментально подтверждаемые закона Кеплера удалось только Ньютону.
Относительность движения тела в разных системах измерения.
Широко известна история о том, как яблоко (в одном из вариантов — упавшее прямо на голову Ньютона) привело его к мысли о существовании силы тяготения. Это, конечно, не так: то, что все предметы на Земле притягиваются к ней, люди осознали задолго до Ньютона.
Во времена Ньютона уже было понятно (это убедительно показал еще Галилей), что если на тело не действуют никакие силы, то тело будет двигаться прямолинейно и равномерно. Аристотель двумя тысячами лет раньше ошибочно полагал, что в таких условиях тело вообще не будет двигаться. Понятия инерции (способность тела сохранять скорость неизменной) в те времена еще не существовало. Кроме того, находится тело в покое или движется — зависит от наблюдателя. Так, например, с точки зрения водителя автомашины, сумка на сиденье покоится, а с точки зрения прохожего — она быстро перемещается вместе с автомобилем.
Исаак Ньютон, английский математик, физик, астроном и теолог, открыл силу тяготения.
Биограф Ньютона Уильям Стьюкли («Воспоминания о жизни Ньютона», 1752 год) сообщает: «Ньютон сказал мне, что мысль о гравитации пришла ему в голову, когда неожиданно с ветки упало яблоко. “Почему яблоки всегда падают перпендикулярно земле?” — подумал он».
Тем не менее по рабочим тетрадям Ньютона видно, что его теория всеобщего тяготения вовсе не была озарением, а развивалась постепенно. Сам Ньютон в одном из писем 1686 свою запись окончательной формулировки закона тяготения датирует лишь приблизительно: «более 15 лет назад».
Ньютон размышлял о движении Луны. Луна летит по своей орбите вокруг Земли. Со времен Кеплера было известно, что орбита представляет собой замкнутую кривую линию — эллипс. Если бы никакой силы не было, Луна двигалась бы равномерно и прямолинейно. Но эллипс — не прямая линия! И если Луна движется не по прямой, значит, на нее действует какая-то сила. Что это может быть за сила?
Раз Луна летает вокруг Земли, естественно было предположить, что источник этой силы связан с Землей.
Вблизи поверхности Земли предмет в свободном состоянии (например, то же яблоко), как и Луна, не движется равномерно: оно падает отвесно с ускорением, двигаясь к центру Земли. Раз есть ускорение, значит, опять работает какая-то сила. Это следует из закона, открытого тем же Ньютоном:
где F — некая сила,
— масса тела, — ускорение тела. Из формулы видно, что если сила не равна нулю, то не равно нулю и ускорение. Наоборот: если нет ускорения, это значит, что результирующая сила, приложенная к телу, равна нулю.Ньютон догадался, что сила, заставляющая Луну отклоняться от движения по прямой, и сила, заставляющая падать яблоко (а также прижимающая к полу самого Ньютона), — это одна и та же сила!
Это была гениальная догадка и абсолютно правильное решение.
На первый взгляд, движения падающего яблока и Луны совсем не похожи. Яблоко падает к центру Земли, а Луна все время летит вокруг Земли в направлении, перпендикулярном направлению к центру нашей планеты. Но эти движения не похожи только на первый взгляд. Если бы Луна остановилась в своем движении вокруг Земли,
