Владимир Кирсанов - Научная революция XVII века
В двух последующих теоремах, где речь идет о мере центростремительной силы, Ньютон использует другой подход к понятию силы и, следовательно, другую математику. Здесь действие силы рассматривается не как последовательность импульсов, а как непрерывное действие. В качестве математического аппарата используется метод флюксий, т. е. дифференциальное исчисление. В результате Ньютон получает, что движение под действием центростремительной силы является равноускоренным: «Путь, который тело проходит под действием центростремительной силы с момента начала движения, пропорционален квадрату времени» [13, с. 278].
Итак, Ньютон пользуется тремя различными концепциями силы: сила-импульс, производящая дискретное приращение движения (f = Δ(mv)), непрерывно действующая сила, порождающая ускорение (f = ma), и, наконец, врожденная сила, понимаемая как внутренний движитель, которая поддерживает постоянную скорость движения (f = mv). Такая разноречивая трактовка не устраивала Ньютона, и в дальнейшем он переписывает свой трактат, стремясь установить единый подход к понятию силы. В третьем, окончательном варианте он заменяет Гипотезу II Законом II, который гласит: «Изменение состояния движения или покоя пропорционально движущей силе и производится по направлению прямой линии, по которой действует сила» [13, с. 298].
Как отмечает Уэстфолл, наличие в определении слов «состояние движения или покоя», которые подразумевают динамическую идентичность равномерного движения и покоя, характеризует первый шаг Ньютона назад к принципу инерции, который он отбросил около 20 лет назад [2, с. 414]. Законы III и IV — дальнейшие шаги в этом направлении. Закон III является формулировкой принципа относительности: движения тел друг относительно друга в данном пространстве будут теми же самыми вне зависимости от того, покоится ли это пространство или движется равномерно и прямолинейно. Закон IV утверждает, что взаимодействие тел не изменяет состояние движения или покоя их общего центра тяжести. Закон I есть перефразированное Определение I первого варианта: под действием одной лишь врожденной силы тело движется равномерно и прямолинейно.
В этом наборе законов в основном уже содержится фундамент новой динамики. Ньютону остается более четко провести границу между врожденной силой и приложенной, а следовательно, более четко определить эти понятия. Он делает это в двух статьях, написанных сразу после трактата «De motu». В них он поясняет: «Присущая, врожденная и существенная сила есть способность, посредством которой тело продолжает пребывать в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, и она пропорциональна количеству тела» [13, с. 311]. Затем он уточняет, что врожденная сила есть характеристика не тела, а материи как таковой. Наконец, он предлагает для нее другое название: vis inertiae, или сила инерции. Уточняется и понятие приложенной силы: «Эта сила состоит в одном лишь действии и не остается в теле, когда действие заканчивается» [13, с. 318]. Итак, Ньютон приходит к осознанию двух важнейших понятий новой науки. С одной стороны, это понятие инерции, которая присуща материи и измеряется ее количеством, с другой — это понятие движущей силы, внешней по отношению к телу, которая может быть измерена по изменению движения, ею производимому. Правда, у него есть еще колебания относительно того, можно ли считать движение по окружности с постоянной скоростью равномерным движением, но в процессе уточнения понятия инерции он приходит к выводу, что этого делать нельзя, что движение по инерции необходимо должно быть прямолинейным. Именно новый взгляд на движение по окружности определил новую суть его орбитальной динамики, позволив ему в дальнейшем рассматривать изменение направления аналогично изменению скорости и осознать динамическую тождественность равномерного кругового движения и равноускоренного прямолинейного движения.
Когда Галлей прочел рукопись Ньютона, он сразу понял, что имеет дело с гениальной научной работой, и снова поспешил в Кембридж, чтобы вместе с Ньютоном ее обсудить. Он убедил Ньютона послать свое исследование в Королевское общество, но тот решил сначала дополнить его и расширить. Прошел год, прежде чем он смог послать его секретарю Общества. За это время девять страниц первоначального трактата превратились в две книги. Первую книгу Ньютон назвал «О движении тел» («De motu corporum»), и она впоследствии составила основу Книги I и Книги II «Начал». Вторая книга под заглавием «О системе мира» («De mundi systemate») была опубликована лишь после смерти Ньютона. Рукопись обеих книг была передана в университетскую библиотеку в качестве отчета о лекциях, которые Ньютон должен был читать в 1684, 1685 и 1687 гг.
С декабря 1684 г. Ньютон был буквально одержим работой над книгой, которую он назвал «Математические начала натуральной философии». Гук, а затем Галлей побудили его взяться за труд, революционное значение которого для науки он понимал лучше всех, а главное — теперь он был в состоянии его выполнить. Однофамилец Ньютона, его секретарь Гемфри Ньютон рисует в своих записках впечатляющий образ человека, целиком поглощенного своими исследованиями: «Его занятия были столь напряженными и серьезными, что он едва-едва ел, а часто и вовсе забывал о еде. Входя к нему в комнату, я часто видел, что еда осталась нетронутой, а когда я напоминал ему о ней, он отвечал мне: “Разве?” И подойдя к столу, съедал кусочек-другой, стоя... В некоторых редких случаях, когда он намеревался обедать в столовой колледжа, он выходил на улицу и вдруг поворачивал в другую сторону, затем останавливался, поняв, что ошибся, и быстро возвращался назад. Иногда вместо того, чтобы идти в столовую, он снова шел в свой кабинет... Случалось, что во время прогулок в саду он вдруг внезапно останавливался, резко поворачивался и взбегал по лестнице, как новый Архимед восклицая “Эврика!”. Затем он бросался к столу и начинал писать стоя, даже не позаботившись подвинуть к себе кресло» [2, с. 406]. Целью Ньютона было построение динамики как точной математической науки, чтобы затем с ее помощью указать путь решения конкретных физических и астрономических проблем. Эта задача была решена в поразительно короткий срок: 5 апреля 1687 г. Галлей, который взял на себя все хлопоты по публикации «Начал» и даже заплатил издателю из своего кармана, сообщил Ньютону, что получил «последнюю часть его божественного трактата». 5 июля 1687 г. книга была напечатана. Ньютон впоследствии постоянно обращался к работе над ней, внося изменения и поправки. Второе издание «Начал» вышло в свет в 1713 г. под наблюдением Роджера Котса, а третье — в 1724 г. под наблюдением Генри Пембертона.
Титульный лист «Математических начал натуральной философии»Первое издание в ряде пунктов существенно отличалось от последующих. Например, в нем отсутствовала знаменитая фраза «Гипотезам не место в натуральной философии», как, впрочем, и все целиком «Общее поучение», из которого она взята. Более того, Книга III начиналась с «Гипотез», которые в дальнейшем были частично исключены, а частично переработаны и названы «Явлениями» или же «Правилами философствования». Кардинальной переработке подверглась вся Книга II. Очевидно, Ньютон не был полностью удовлетворен тем, как были им первоначально написаны некоторые разделы: не все важные проблемы ему удалось решить полностью, это были в первую очередь вопросы, относящиеся к траектории комет, движению Луны и так называемой проблеме Кеплера. Наконец, появились новые астрономические данные, которые следовало учесть,— сообщения Дж. Кассини о спутниках Сатурна и таблицы Флемстида.
«Начала» состоят из трех больших частей, или Книг. В Книге I «О движении тел» Ньютон шаг за шагом развивает основы классической механики, в результате получая достаточно полную систему определений и теорем. Затем он использует полученную теорию для решения задач Книги III «О системе мира» — расчета движения планет, спутников и комет. Книга II, имеющая тот же заголовок, что и Книга I, — «О движении тел», стоит особняком в общем плане его труда и посвящена механике сплошных сред, в основном гидродинамике.
Книга I предваряется двумя разделами. В первом из них даются определения основных физических понятий: массы, количества движения, инерции (которую Ньютон называет vis insita, т. е. «врожденная сила»), приложенной силы и центростремительной силы.
«Определение I. Количество материи (масса) есть мера таковой, устанавливаемая пропорционально плотности и объему ее» [15, I, с. 22].
«Определение II. Количество движения есть мера такового, устанавливаемая пропорционально скорости и массе» [15, I, с. 23].
«Определение III. Врожденная сила материи есть присущая ей способность сопротивления, по которой всякое отдельно взятое тело, поскольку оно предоставлено самому себе, удерживает свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения» [15, I, с. 24-25].
