Ньютон. Закон всемирного тяготения

ГЛАВА 1 Почему движутся планеты?

Наука XVII века безуспешно билась над поставленными гелиоцентрической революцией вопросами, связанными с природой движения планет. В эти годы лихорадочных научных размышлений родился Исаак Ньютон. Рано проявившиеся способности открыли ему двери в Кембридж.

В 1652 году, в период правления Оливера Кромвеля, в Лондоне открылось первое кафе, и оно очень отличалось от более привычных таверн, которые в разгар пуританства считались вместилищами греха. Вскоре кафе будут открываться все чаще и станут местом встреч представителей всех слоев и званий: политиков, литераторов, коммерсантов и даже ученых. Неудивительно, что в их уютных стенах стали проводить свои встречи и дискуссии и члены созданного в это время Лондонского королевского общества – самого старого на сегодняшний день европейского научного учреждения. В дневнике Роберта Гука, секретаря королевского общества с 1677 года и до самой его смерти, описано более 60 лондонских кафе, которые посещали ученые в 1670-х. Научная биография Ньютона стартовала со встречи с Гуком в таком заведении. Позже Гук станет одним из самых заклятых врагов ученого, но начиналась история довольно мирно.

Был январь 1684-го, и Гук сидел в кафе с двумя другими прославленными членами общества, Эдмундом Галлеем и Кристофером Реном. Они спорили на тему, которая волновала человечество с незапамятных времен: как и почему движутся планеты на небе? Все трое разделяли страстный интерес к движению планет и многим другим научным проблемам, и, конечно. все они были членами Лондонского королевского общества. Эта троица участвовала в еженедельных научных собраниях, ученые ставили эксперименты и вели научные споры. Сам Гук занимал не только должность секретаря, но и пост куратора экспериментов.

В 1684 году Роберт Гук (1635-1703) был одним из ведущих ученых Англии, сделавшим значительный вклад в различные сферы науки. Его достижения, в частности теория упругости, используются в механике и инженерном деле. Исследования Гука по оптике и разработке микроскопов и телескопов имели огромную важность, а в 1665 году при поддержке Королевского общества была опубликована его знаменитая Micrographia («Микрография»), где великолепно описаны наблюдения ученого с использованием этих инструментов. Именно Гук ввел название «клетка» для обозначения основной единицы жизни. Ученый проявил себя и как архитектор – он наряду со своим другом Реном был одним из наиболее востребованных мастеров при реконструкции Лондона после пожара 1666 года.

Кристофер Рен (1632-1723), второй член общества, был в то время настоящей знаменитостью. Прежний глава Королевского общества и профессор савилианской кафедры астрономии в Оксфорде [1 Учреждена, наряду с кафедрой по геометрии, сэром Генри Савилем в Оксфорде в 1619 году на собственные средства. Эти две кафедры были названы савилианскими и получили большую известность. – Примеч. ред.], математик Рен в 1673 году был посвящен в рыцари, вскоре стал членом британского парламента и одним из четырех членов Великой масонской ложи Англии. Он первым рассчитал длину циклоиды – кривой, которая вызывала огромный интерес ученых того времени. Рен остался в истории как архитектор собора Святого Павла и других зданий, построенных или восстановленных после Великого лондонского пожара.

Эдмунд Галлей был самым молодым из троих. Он родился в 1656 году, был избран членом Королевского общества в 1678-м, после возвращения с острова Святой Елены, где он построил обсерваторию для изучения звезд Южного полушария. Галлей совершал и другие трансатлантические путешествия: так, с 1698 по 1699 год он командовал кораблем Paramour королевского морского флота в экспедиции, посвященной наблюдениям магнитного поля Земли.

Королевское общество не было первым научным союзом, созданным в Европе, однако это наиболее старая академия из действующих. Как говорят в самом Королевском обществе, его «происхождение восходит к „незримой коллегии" натурфилософов, которые начали объединяться в середине 1640-х годов, чтобы вести дискуссии и развивать новую философию познания природы и мира через наблюдения и эксперименты, сегодня называемые наукой».

Реверс монеты Королевского общества, на которой можно прочесть Nullius in verba, то есть «Ничьими словами». Девиз подчеркивает важность доказательств, основанных на научных экспериментах, а не только на словах авторитетов.

Датой официального основания общества считается 28 ноября 1660 года, когда Кристофер Рен зачитал манифест перед 12 коллегами. Два года спустя они получили государственную поддержку в виде королевской грамоты, подписанной Карлом II, королем Англии. Первым президентом нового объединения стал виконт Уильям Бра- ункер. Королевское общество и другие академии этого рода, созданные во второй половине XVII и начале XVIII века, стали площадкой для научной коммуникации, и это была крайне важная задача в эпоху, когда регулярное почтовое сообщение если и существовало, то было недостаточно ненадежным. В это же время впервые появились и научные журналы, в которых сообщалось об открытиях и прогрессе в той или иной сфере, и этот инструмент распространения знания со временем стал очень важным. В1665 году Королевское общество начало выпускать журнал Philosophical Transactions («Философские труды») – периодическое издание, в котором Ньютон опубликовал свои первые исследования о природе света и цвета. Первые академии – Лондонское королевское общество, Парижская, Берлинская и Петербургская академии наук (упомянем лишь самые главные) – стали локомотивами развития науки в XVIII веке. В это время университеты прежде всего выполняли роль учебных центров и все еще не освободились от груза средневековой схоластики. Однако Ньютон, связанный в течение 30 лет с Кембриджским университетом, был нетипичным ученым – его коллеги чаще стремились к академической деятельности: Гюйгенс и Кассини работали в Парижской академии наук, Эйлер – в Петербургской и Берлинской академиях.

Последствия идей Коперника затронули не только небо, но и землю: принцип движения Земли, помимо классических астрономии и космологии, также разрушил основы аристотелевой физики, которая до того времени была в Европе общепринята. Тела падают вниз, утверждала она, в связи с естественным стремлением предметов, имеющих массу, направляться к центру Вселенной, который, согласно Аристотелю и схоластам, совпадал с центром Земли. Но если Земля движется и не располагается в центре Вселенной, почему предметы падают вниз?

После этих исследований в свет вышла первая магнитная карта с использованием изогонов, которые объединяют точки с одинаковым магнитным склонением. Как и Рен, Галлей стал профессором кафедры астрономии в Оксфорде (с 1703 года), хотя из-за атеизма (не очень-то и скрываемого) получить этот пост ему было непросто. В 1720 году Галлей был назначен королевским астрономом и директором Гринвичской обсерватории, на этом посту он сменил Джона Флемстида (1646-1719). Именем ученого названа комета, орбиту которой он рассчитал. Галлей заявил, что комета появлялась в 1531 и 1607 годах и должна вернуться в 1758-м. Так и произошло, и хотя Галлей, умерший в 1742-м, не смог своими глазами увидеть это событие, его заслуги были признаны, и комета получила свое теперешнее имя.

Расчет орбиты кометы, опубликованный в 1705 году, не был самостоятельной работой Галлея – ему в этом помогло обсуждение проблемы с уже названными учеными, в том числе и памятным вечером 1684 года. Трое членов общества снова и снова возвращались к вопросу о движении планет: как и почему они перемещаются по небу? Проблема превратилась в самый важный вопрос естественной философии с того момента, как Коперник положил на лопатки астрономию, космологию и физику, унаследованные Европой от древних греков.

В поисках ответа на этот вопрос Гук предположил существование силы притяжения со стороны Солнца по отношению к планетам, обратно пропорциональной квадрату расстояния. (К тому же заключению пришел Рен несколькими годами раньше, а также, еще раньше, Галлей.) Отсюда возникает вопрос: как будет выглядеть орбита планеты, на которую распространяется такая центральная сила притяжения? Ответ очень важен: сравнение его с данными наблюдений позволило бы узнать, до какой степени верна изначальная гипотеза. Гук верил, что его закон притяжения согласуется с законами и эллиптическими орбитами, описанными Кеплером, но не знал, как доказать это достаточно убедительным способом. Рен и Галлей были согласны с Гуком – не напрасно они использовали третий закон Кеплера, чтобы сделать вывод о значении силы притяжения, – но и они не знали, как это доказать.

И тут Галлею пришла в голову блестящая идея: чтобы решить задачу, нужно обратиться за советом к ученому из Кембриджа, Лукасовскому профессору Тринити-колледжа и автору спорного труда о природе света и цвета. Этим нелюдимым типом, который славился своей обидчивостью и с которым у самого Гука сложились трудные отношения, был талантливый математик Исаак Ньютон.

1642 год стал годом смерти Галилея и годом рождения Ньютона, который появился на свет в Рождество в деревне Вул- сторп, графство Линкольншир.

Ньютон был единственным сыном полуграмотного рабочего, который также носил имя Исаак и умер еще до рождения мальчика. Мать Ханна, в девичестве Эйскоу, была из бедной, но образованной семьи. Едва Исааку исполнилось три года, как она вышла замуж во второй раз за строгого англиканского пастора по имени Барнабас Смит. Пастор забрал в свой дом Ханну, но не ее сына, который остался на попечении бабушки со стороны матери. Господину Смиту было около 60, что не помешало ему родить в браке троих детей, пока он не скончался спустя семь лет после свадьбы.

Различные авторы отмечают, что травма, нанесенная отсутствием отца и разлукой с матерью, глубоко отразилась на характере английского гения, на том, как он воспринимал свои исследования или относился к тем, кто осмеливался спорить с ним.

Весь жизненный путь Ньютона можно считать постоянным поиском истины с помощью науки, теологии или алхимии, а своим собеседником он считал прежде всего не современников, а неизвестного родителя, перевоплощенного в фигуру Бога Отца. Такая интерпретация не только не лишена интереса, но и делает понятнее чудовищную агрессивность, с какой Ньютон на протяжении всей своей жизни воспринимал критические замечания по поводу своей научной деятельности, сколь бы незначительными они ни были.

С другой стороны, разлука с матерью в раннем детстве сделала Ньютона чрезвычайно восприимчивым к чужим попыткам отнять у него то, что, как он считал, принадлежало ему по праву. Это, безусловно, объясняет ожесточенные споры ученого о первенстве в открытиях, которые Ньютон вел и с Гуком, и с Лейбницем.

Отталкиваясь от перечня фраз и имен, от записей, которые Ньютон делал в тетрадях в молодости, во время учебы, мы можем определить, по каким книгам он учился.

И тогда, сопоставляя списки, мы обнаруживаем, что первые слова из этих рядов точно совпадают с первыми словами из книг, откуда они были переписаны. Но в определенный момент маленький Исаак начинает создавать перечни, а не копировать их, связывая теперь слова свободными ассоциациями.

Овдовев в 1653 году, Ханна вернулась к матери и сыну. С собой она привезла еще троих детей, рожденных в браке с преподобным Смитом, и сотню книг. В основном они были посвящены теологии и, безусловно, способствовали зарождению и сохранению интереса к Библии, который Ньютон испытывал всю свою жизнь.

Возвращение матери создало в жизни мальчика определенное напряжение, которое повлияло на его будущее. За 18 лет, прошедшие с того момента, как Ньютон поступил в Кембридж в 1661 году, до смерти матери в 1679-м, сохранилось всего одно письмо из их переписки. Может быть, писем было много и они просто утеряны, однако это предположение достаточно маловероятно. Нет и свидетельств о частых посещениях Ньютоном родного дома: за 13 лет, начиная с длительного пребывания в Вулсторпе между 1665 и 1666 годами – так как университет был временно закрыт из-за эпидемии чумы – до смерти матери, сохранились свидетельства всего о трех посещениях родного дома, хотя вероятно, что еще один или два таких визита нам неизвестны.

Все говорят о том, что Ньютон родился в год смерти Галилея (1642). Однако это совпадение в датах жизни двух гениев – лишь кажущееся. На самом деле год смерти Галилея исчисляется по григорианскому календарю, в то время как год рождения Ньютона – по юлианскому, который в тот период еще использовался в Англии. По григорианскому календарю Ньютон родился 4 января 1643 года, что нарушает волшебство дат. Григорианский календарь был введен католической церковью в 1582 году; в календарной реформе участвовал и Коперник, и это подтолкнуло его к созданию собственной теории: «Математики настолько не уверены в движениях Солнца и Луны, что не могут ни доказать, ни отметить постоянную продолжительность времен года», – написал он в посвящении к своему De revolutionibus («О вращении небесных сфер»), адресовав эти слова папе Павлу III. Григорианская реформа календаря мгновенно прошла во всех католических странах юга Европы. В протестантских странах для этого потребовалось больше времени: в Дании, Голландии, немецких государствах переход на новый календарь произошел в 1700 году, в Великобритании и Швеции – в 1752 и 1753 годах соответственно.

Как написал Ричард Уэстфол, автор самой полной биографии Ньютона, «в мире существуют и более смелые проявления сыновней любви».

Однако все свои сыновние чувства Исаак Ньютон в полной мере проявил в последние дни жизни матери. Ханна лечила своего младшего сына, заболевшего лихорадкой, и заразилась от него. Ньютон приехал ухаживать за ней. Много лет спустя кто-то рассказал о его бессонных ночах, проведенных у смертного одра матери.

«Он заботился о ней с настоящим сыновним милосердием. Сидел ночи напролет рядом с ней, давал ей лекарства и перевязывал ее язвы собственными руками. Сэр Исаак Ньютон проявил невероятные расторопность и умение, облегчая страдания матери, вызванные действием лекарства, обычно применяемого при лечении этой болезни. Большую самоотдачу ученый не проявлял даже во время своих самых увлекательных экспериментов».

В завещании Ханна назвала Исаака своим душеприказчиком: вручая душу всемогущему Богу, она распорядилась, чтобы ее тело было похоронено достойно и по-христиански – так, как решит ее сын Исаак.

Лучше понять горе Ньютона, вызванное расставанием с матерью, поможет тетрадь с сохранившимися признаниями Исаака – Тетрадь Фицуилъям, по названию музея в Кембридже, где она хранится. Это личный дневник Ньютона, который он вел перед тем, как покинуть Кембридж из-за эпидемии чумы. В записях содержится ценная информация, например списки расходов и доходов ученого в кембриджский период между 1665 и 1669 годами, где указано, что именно он покупал для своих экспериментов по оптике или упражнений в иврите, который Ньютон выучил, чтобы лучше понять Библию.

Первый из серии известных портретов Исаака Ньютона, сделанных художником Готфридом Кнеллером. На этом лукасовскому профессору 46 лет. Всего за два года до этого он опубликовал свой труд «Математические начала натуральной философии».

Также он составил список самых тяжелых грехов, совершенных им за первые 20 лет жизни. Любопытно, что даже по прошествии многих лет Ньютон не вырвал из дневника страницы, содержащие настолько личную информацию. Правда, свои признательные записи он зашифровал, но ведь его блестящий ум не мог не догадываться, что расшифровка дневника – всего лишь вопрос времени. И действительно, так в конце концов и произошло – тайны Ньютона открыл Ричард Уэстфол. Возможно, ученый к этому и стремился: вовлечь других в мир своих грехов и преподать пример пуританства, пусть и немного хвастливого. В его записях упоминаются различные нечистые мысли и поступки, хотя самые главные грехи идут под номерами 13 и 14 и показывают, насколько вынужденное расставание с матерью ожесточило юношу. Он пишет: «Угрожал отцу и матери Смит сжечь их в своем доме» и «Желал смерти другому человеку и ждал ее».

В дискуссиях о научных приоритетах, которые красной нитью проходят через жизнь ученого, он всегда шел по пути отрицания заслуг «вторых изобретателей». Так, в 1715 году он написал, имея в виду Лейбница и открытие анализа бесконечно малых: «…вторые изобретатели не имеют прав». Такие высказывания наводят на мысль, что призрак преподобного Смита бродил в подсознании Ньютона.

В одном из упражнений по каллиграфии ясно видно, что молодой Ньютон перестал переписывать слова, дойдя до слова father («отец»), чтобы добавить от себя: stepfather («отчим»), fornicator («прелюбодей») и flatterer («льстец»). В другом списке, после wife («жена»), он добавил wedlock («брачный союз»), wooer («ловелас»), widow («вдова») и whore («распутница»). В одном из упражнений по латыни Ньютон, переписывая слова латинской грамматики, начинавшиеся с буквы В, остановился после brother («брат») и начал импровизировать: bastard («бастард»), barren («бесплодный»), blaspheimer («богохульник»), brawler («дебошир»), ЬаЫег («болтун»), Babylonia («Вавилония»), bishop («епископ»), bedlam («сумасшедший дом»), beggar («нищий»), Benjamin («Бенджамин») – так, кстати, звали младшего сына, рожденного Ханной в браке с пастором Смитом.

В возрасте 12 лет Исаак пошел в школу в Грэнтеме, в восьми километрах от дома. Жил он в доме аптекаря Уильяма Кларка, женатого вторым браком на подруге матери Ньютона. У этой женщины была дочь от предыдущего брака, на несколько лет младше мальчика. Ей мы и обязаны значительной частью своих знаний об английском гении в этот период: в 1727 году, когда ей было уже 82 года, она поделилась воспоминаниями о тех временах с Уильямом Стьюкли, апологетом Ньютона, который тогда собирал материал для биографии ученого. Госпожа Винсент, а именно так звали в 1727 году детскую подругу Исаака, рассказала, что он всегда был серьезным, молчаливым и задумчивым мальчиком и вместо игр со своими сверстниками предпочитал компанию девочек, которым строил маленькие столики, шкафчики и другие игрушки. Она также упомянула, что Ньютон был в нее влюблен. Вероятней всего, ухаживания одинокого подростка трудно было назвать романом, но если даже это и так, то Винсент говорила о первом и последнем романе Ньютона за всю его жизнь.

Многочисленные записи о снадобьях и лекарствах, которые появляются в некоторых тетрадях Исаака Ньютона в грэн- темский период его жизни, позволили некоторым авторам предположить, что именно аптекарь Кларк стал человеком, зародившим в Ньютоне страстное влечение к алхимии, а также естественный интерес к изготовлению зелий и лекарств.

По словам Стьюкли, Ньютон приобрел в Грэнтеме конструкторские навыки и не только делал игрушки для своих подруг, но и строил макеты ветряных мельниц, солнечные часы и другие занятные предметы. Ему с детства нравилось экспериментировать, и эта страсть принесла огромную пользу в научных исследованиях Ньютона, а между 1668 и 1671 годами ученый даже своими руками построил телескоп-рефлектор, благодаря чему его приняли в Королевское общество.

Стьюкли полагает, что соученики не слишком-то любили Исаака, потому что считали его чересчур хитрым. Они просто не доверяли этому мальчику, который так явно превосходил их в способностях и скорости мысли. Между подростками нередко вспыхивали жестокие драки. До нас дошел рассказ об одном таком происшествии, записанный Джоном Кондуиттом, мужем любимой племянницы Ньютона, который слышал его от самого ученого:

«Сын учителя приблизился к дерущимся и начал хлопать по плечу одного и подмигивать другому, чтобы подзадорить их. Хотя маленький Исаак не был таким сильным, как его противник, он проявил гораздо большую решительность и напор и бил того, пока он не заявил, что драться больше не желает, после чего сын учителя потребовал от Исаака, чтобы он обошелся с соперником как с трусом и растер тому нос об стену. Ньютон тогда схватил противника за уши и прижал лицом к церковной стене».

Закончив учебу в Грэнтеме, Ньютон вернулся домой. Ему было 17 лет, и мать предложила Исааку заняться семейной фермой. Она назначила надежного служащего, который обучал бы юношу всем секретам управления, но эти планы не вызвали энтузиазма у самого Исаака, который предпочитал проводить время в размышлениях, а не заниматься хозяйственными делами.

Однако дела эти все усложнялись, потому что незаинтересованность Ньютона начала создавать проблемы с соседями: стадо убегало и наносило потраву соседним владениям. Однажды юноша был оштрафован за то, что его овцы сломали изгородь, а в другой раз – за то, что свиньи зашли на чужое поле.

Когда ему говорили отвести на луг стадо овец, он садился под дерево с книжкой или занимался выстругиванием деревянных макетов.

Уильям Стьюкли о Ньютоне

Когда Ньютону предстояло отправиться на рынок с продуктами фермы, он поручал всю работу слуге, а сам посвящал время более интересным занятиям. Стьюкли рассказал, что Исаак даже платил слуге, чтобы тот сам занимался делами и оставил бы будущего ученого наедине с книгами на постоялом дворе или в библиотеке аптекаря Кларка.

Как говорит Стьюкли, из-за своей задумчивости Ньютон нередко попадал в комические ситуации: однажды он возвращался с рынка и вел лошадь в поводу, но так погрузился в свои размышления, что даже не заметил, когда лошадь освободилась. Только подойдя к ферме Исаак увидел, что держит в руках лишь повод.

Эта невнимательность и отсутствие интереса к тому, что должно было стать его будущей работой, вероятно, отравляли обстановку в доме. В своих признаниях, относящихся к 1662 году, ученый пишет о совершенных грехах, и они говорят сами за себя: «Отказался идти во двор по просьбе своей матери», «Ударил сестру», «Назвал Дороти Роуз падшей женщиной». Все это заставляет думать, что поведение Исаака становилось все более дерзким и создавало постоянную напряженность в семье.

В конце концов вмешался брат матери, и было решено отправить юношу в тот же университет, где учился дядя, – в Кембридж. Еще одним ньютоновским грехом, включенным в его список, была ругань со слугами. Их крайне удивлял хозяин, который был невнимателен к стаду, далек от рыночных дел и нередко, задумавшись, пропускал ужин (это же часто происходило с ним и в университетские годы). Совсем не странно, как говорит Стьюкли, что слуги его матери вздохнули с облегчением, когда Ньютон, приспособленный только для научной работы, покинул отчий дом.