2.2. Исаак Ньютон (1643-1727)

We use cookies. Read the Privacy and Cookie Policy

2.2. Исаак Ньютон (1643-1727)

В то время, как континентальная Европа была пленена величественной картиной природы, выдвинутой Декартом, в Англии делал первые шаги в своем образовании И. Ньютон, которому было суждено эту картину разрушить. Но не следует воспринимать последующие события как какое-то общественное потрясение. Слова «континентальная Европа» означают здесь всего несколько сотен человек, в большинстве своем французов, — такова была в то время общая численность научного сообщества и узкого слоя образованных людей, непрофессионально интересующихся наукой. (Тиражи научных изданий были порядка 100-400 экземпляров).

Роль Ньютона в развитии науки преувеличить невозможно. Бели пытаться представить ее развитие без Ньютона, как ни наивна такая попытка, то можно думать, что при спокойном развитии не менее ста лет потребовалось бы физике, чтобы выйти на тот рубеж, где она оказалась благодаря Ньютону в 80-е годы XVII века. Какие основания так считать?

Исаак Ньютон (1643-1727)

Только через 70-80 лет результаты, полученные Ньютоном в механике, были воспроизведены аналитическими методами. Начало развитию этих методов положено работами того же Ньютона. Геометрические приемы, которые использовал Ньютон для решения проблем, требующих применения анализа бесконечно малых, доведены им до абсолютного совершенства. (Впоследствии никому не удалось решить таким способом ни одной более трудной задачи.) Но дело не только в чрезвычайной изобретательности Ньютона при разрешении конкретных, частных проблем. Он совершенно изменил подход к изучению механики и физики. Несмотря на то, что известные нам со школьной скамьи законы Ньютона были подготовлены предшествующим развитием физики, использовать их в том контексте, как это сделал Ньютон, а также исследовать оптические явления как Ньютон, — ко всему этому никто из его современников даже близко не подошел. Нужно еще учесть такое обстоятельство. Картезианская физика и методология в то время, то есть в посленьютоновский период, уже препятствовали точному изучению природы. Полное преодоление картезианской натуральной философии потребовало почти сотню лет, причем в тех условиях, когда работы Ньютона уже были выполнены и обще-признаны. Наконец, заметим, что результаты деятельности Ньютона не имели прикладного значения по меньшей мере 100-150 лет, а в XVII веке они тоже не вызвались какой-либо практической необходимостью. Интерес к расчетам траекторий небесных тел всегда был связан с Великой Навигационной Проблемой определения долготы. Но с ней всегда справлялись эмпирически, причем с точностью гораздо лучшей, чем могли обеспечить теоретические вычисления в XVII веке. (В XVIII веке проблема была окончательно решена на технологическом пути после создания точных пружинных хронометров.) Оптические работы Ньютона в общем плане были инициированы потребностями, возникшими в процессе усовершенствования подзорных труб, но очень скоро Ньютон отошел от исходных целей весьма далеко. Таким образом, он занимался исключительно чистой, абстрактной наукой, не связанной прямо и не стимулированной непосредственно общественными потребностями. Все сказанное убеждает, что наша оценка того, насколько Ньютон «опередил свое время», является довольно консервативной.

Исаак Ньютон родился 4 января 1643 года в деревне Вульстроп в 10-ти км от городка Грэнтэм, вблизи восточного побережья Англии. Грэнтэм находится на 200 км севернее Лондона, примерно на половине пути до Лондона лежит Кембридж, и на этом небольшом участке прошла вся долгая жизнь Ньютона, который умер в Лондоне 21 марта 1727 года в возрасте 84-х лет. То, что его гений смог реализоваться в Англии того периода не является случайностью.

Несколько раз Англии, сравнительно небольшой островной стране (в XVII веке в ней проживало около 5 млн. человек, примерно втрое меньше, чем во Франции), было суждено сыграть критическую роль в истории европейской цивилизации. Один из таких моментов совпал с периодом зрелости Ньютона. К 1688 году, после гражданской войны, начавшейся в 1642 году между сторонниками короля и парламента, после казни короля, после протектората О. Кромвеля (1653—1658), реставрации королевской власти (на престол взошел Карл II), ожесточенной борьбы между «тори» (сторонниками королевской власти) и «виги» (сторонниками парламента), после переворота 1685 года, в результате которого очередной король Джеймс II (Яков II) был изгнан, к власти пришли виги, на престол вступил вызванный из Франции Вильгельм Оранский, — в Англии, наконец, утвердился и стабилизировался общественный строй — парламентская монархия, который стал образцом для других государств Европы. Ньютон был членом учредительного парламента 1688 года и участвовал в создании парламентской системы.

Интересно, что примерно через сто лет Англия снова выйдет в лидеры, начав промышленную революцию, и снова выдвинет в естествознании фигуры, близкие по масштабам к Ньютону. (Речь идет о Фарадее и Максвелле.)

Энергия и творческий потенциал английской нации периода XVI-XVII веков проявляет себя во многих сферах. Напомним, что 1564-1616 (1623?) — годы жизни Шекспира, 1620 — год высадки первых поселенцев Новой Англии и начало интенсивного участия англичан в колонизации Северной Америки, с 1561 по 1626 годы жил Фрэнсис Бэкон. Формально Англия выглядела периферией Европы, но она не была отсталой страной. Может быть она отличалась от Франции отсутствием внешнего блеска придворной жизни, большим аскетизмом, сильными пуританскими традициями, но напряжение культурной жизни в ней было чрезвычайно велико. Современниками Ньютона в Англии были Р. Бойль (1627-1691), Р. Гук (1635-1703), Д. Локк (1632-1704), Т. Гоббс (1588-1679), И. Барроу (1630-1697), Э. Галлей (1656-1742), Х. Рен (1632-1723). Причем, это далеко не полный перечень разнообразно талантливых людей, каждый из которых оставил заметный след в истории культуры. Пожалуй, лишь Франция в этот период могла бы предъявить не менее яркое созвездие имен.

Ньютон по рождению принадлежал к сословию свободных крестьян. Его отец, владелец фермы в Вульстропе, умер до рождения И. Ньютона. Мать, до замужества Анна Эйскоу, происходила из образованной фермерской семьи и по свидетельствам современников была женщиной «исключительных достоинств и доброты». Вскоре она вторично вступила в брак со священником В. Смитом. Среди родственников Ньютона, кроме фермеров, были священник, врач, аптекарь.

Смерть отца не помешала Ньютону получить полноценное начальное образование. Он учился в школе города Грэхема, проживая в доме дяди, аптекаря, с хорошей по тем временам химической лабораторией. Несомненно, это обстоятельство сказалось в постоянном интересе Ньютона

алхимии, который он впоследствии проявлял. (В XVII веке алхимия была вполне почетной наукой, алхимиками получено много полезных фактов.) Программа обучения Ньютона предполагала подготовку к университету и включала чтение, письмо, арифметику, чтение на латинском, древнегреческом и древнееврейском языках.

В возрасте 18-ти лет Ньютон поступает в Тринити-колледж в Кембридже, где, в основном, проходят последующие 35 лет его жизни сначала как студента, потом (с 1665 года) как бакалавра, затем — члена колледжа. В 26 лет (с 1669 года) Ньютон — профессор математической кафедры, учрежденной в 1663 году на средства богатого мецената Г. Лукаса. Этой (Лукасовской) кафедре было суждено просуществовать почти в неизменном статусе до наших дней. Профессура на ней со времени Ньютона является знаком высшего отличия в науке.

Профессором Лукасовской кафедры был И. Барроу — тьютор (наставник) Ньютона в Тринити-колледже, член Королевского Общества, первой в истории нового времени Академии, образованной в 1660 году, незадолго до описываемых событий. Он передал кафедру Ньютону после того, как стал придворным священником в Лондоне. Тринити-колледж был учебным заведением полумонастырского типа, его члены должны были принимать обет безбрачия, и Ньютон никогда не был женат.

В 1696 году в возрасте 53-х лет Ньютон покидает Кембридж и становится в Лондоне сначала хранителем, а потом директором монетного двора. В течение 30-ти лет, прожитых им в Лондоне, он мало работает в физике и математике, а занимается переизданием книг, общественной и государственной деятельностью, богословскими исследованиями. Ньютон — член парламента с 1688 года, президент "Королевского Общества с 1703 года. В начальный период его функции в качестве хранителя монетного двора требовали большой активности. (Англия проходила через этап борьбы за укрепление своей финансовой системы.) Достаточно сказать, что он лично отправлял на казнь фальшивомонетчиков! В каком-то смысле после переезда в Лондон Ньютон становится другим человеком. В конце жизни он был чрезвычайно знаменит, его авторитет, особенно в Англии, был подавляющим, хотя, как уже говорилось, в физике он почти не работал, и лишь очень немногие действительно понимали то, что он сделал в науке.

Тридцатипятилетний период в Кембридже тоже не был творческим с начала и до конца. В нем выделяются два поразительных всплеска. Один относится к интервалу 1665-1667 годов, в течение которого Ньютон жил в Вульстропе, скрываясь от чумы, свирепствовавшей в Англии в 1664-1667 годах. «В то время я был в расцвете моих изобретательских сил, — пишет Ньютон в своей записной книге, — и думал о математике и философии больше, чем когда-либо после.» В те годы он создал анализ бесконечно малых — дифференциальное и интегральное исчисление («метод флюксий», в терминологии Ньютона), начал сооружать первый в истории отражательный зеркальный телескоп (за его создание он был избран в Королевское Общество в 1672 году), выполнил знаменитые оптические эксперименты.

Дальше была довольно спокойная полоса. Ньютон с большим трудом решался на открытую публикацию своих результатов. Его оптические работы увидели свет только через 5-6 лет после того, как были закончены, математические — через 45 лет в отдельном небольшом мемуаре, а в полном объеме лишь после его смерти в 1736 году. Когда Ньютона избирали в Академию, он был (по характеристике Барроу) молодым человеком с «необычайными способностями», мужем «славным и выдающихся знаний», который еще практически ничего не опубликовал. После того, как в 1672 году он, наконец, напечатал свои исследования о свете, последовала ожесточенная полемика и приоритетные споры (в основном с Гуком), после которых Ньютон ограничил свои контакты с внешним миром. С 1672 по 1684 годы он ведет замкнутую жизнь, читая лекции, которые мало посещают и плохо понимают, занимаясь алхимией и размышляя о принципиальных проблемах механики и тяготения, на которых застопорилась его работа в конце 60-х годов.

Наконец, в 1684 году в возрасте 42-х лет под влиянием некоторых внешних факторов Ньютон начинает беспрецедентную по интенсивности деятельность, закончившуюся через полтора года созданием «Математических начал натуральной философии». Весной и осенью 1866 и весной 1867 года выходят последовательно три книги «Начал». В совокупности — это около 700 страниц текста, содержащего десятки теорем, сотни следствий и решений прикладных задач, многие из которых, по отдельности, могли бы составить славу любому исследователю. Поэтому можно сказать, используя современные критерии и терминологию, что за полтора года Ньютон написал больше сотни блестящих статей.

После этого научная активность Ньютона затухает. В 1691-1693 годах он переживает кратковременное психическое расстройство, вызванное, возможно, последствиями перенапряжения, а в возрасте 53-х лет, как уже говорилось, прекращает научную работу и перебирается в Лондон. Таким образом, его активный творческий период составляет 22 года (1665-1686).

При жизни Ньютона были опубликованы две книги: «Начала» и «Оптика». В 1713 году вышло второе издание «Начал», где были сделаны исправления и добавления, а также нашло отражение изменившееся отношение Ньютона к отдельным лицам (исчезли некоторые ссылки). Первое прижизненное издание «Оптики» относится к 1704 году, потом было еще два — в 1717 и 1721 годах. В каждом новом издании делались небольшие изменения, в основном касающиеся главы «Вопросы», где Ньютон излагает не то, что он сделал и в чем уверен, а то, над чем он размышлял. Сейчас собран и проанализирован обширный архив Ньютона: его письма, неопубликованные статьи, записные книжки. Хорошо изучены также работы, представленные им в Королевское Общество. О некоторых из них мы расскажем, описывая эволюцию представлений Ньютона об эфире.

Через год после смерти Ньютона были изданы «Лекции по оптике» — мемуары, представленные в Королевское Общество в 1672 году и являющиеся первым подробным изложением его оптических работ. Вышла также отдельной книжкой переписка со священником Бентли, который читал курс лекций «Опровержение атеизма» и опирался в них на «Начала». В письмах Ньютона к Бентли, написанных в 1663 году, содержатся пояснения, как надо читать и понимать «Начала», а также изложение его взглядов на природу тяготения.

То, что в Тринити-колледже пересеклись пути Ньютона и Барроу, является очень большой удачей, так как с этого момента интересы молодого Ньютона направляются в сторону наиболее важных вопросов натуральной философии. Барроу — первоклассный физик, математик и переводчик античных геометров — был, кроме прочего, звеном, связывающим Тринити-колледж с Королевским Обществом в Лондоне. Это важно, так как в английских университетах были сильны средневековые традиции. В то же время Королевское Общество объединяло группу передовых людей, называвших себя «бэконианцами». В начале XVII века Фрэнсис Бэкон обрушился с яростной критикой на университетское естествознание. Он выступил с проповедью о преобразующей роли науки, целью которой, как он считал, должно быть не мудрствование, а власть над природой; критерии ее истинности не в традициях и следовании авторитетам, а в опыте 0 практических приложениях. Влияние Ф. Бэкона среди английских ученых было очень сильным.

Вера в преобразующую роль нарождающейся науки видна из любопытного высказывания члена Общества Дж. Гленийлла: «Несомненно, что развитие науки необычайно увеличит возможности человечества. Нам станут доступными Южные моря. Может быть, Луна станет столь же доступной, как Америка. Для наших потомков купить пару крыльев будет столь же естественно, как для нас пару башмаков. Станет возможным разговаривать с человеком, находящимся в Индии как будто он стоит рядом в комнате, превращать пустыни в плодородные земли и, наконец, восстанавливать волосы». В одном из писем в 1669 году Г. Ольденбург, секретарь Королевского Общества, который вел научную переписку и в отсутствие периодики выполнял роль «человека-журнала» (ранее аналогичную деятельность во Франции с еще большим размахом осуществлял М.Мерсенн (1588-1648)), так характеризует текущие задали: «Наше общество сейчас занято исследованиями и пониманием Природы и Законов Движения более углубленно, чем когда-либо прежде. ... Поскольку Природа не будет понята, пока не понято движение, тщательное исследование последнего является обязанностью философов».

Несмотря на то, что Ньютон работал в одиночестве, он не отставал и не забегал вперед. С конца 60-х годов он занимается живыми проблемами, решает задачи, которые «актуальны» в том смысле, что интересуют многих. Поэтому его публикации воспринимаются сразу и сразу же вызывают горячую полемику. Тем большее удивление сейчас вызывает стремление Ньютона десятилетиями скрывать свои результаты. Объяснение этому, по-видимому, нужно искать в глубокой религиозности Ньютона, которая, в частности, формировала у него надличное отношение к человеческой деятельности. Бог Ньютона был суровым и аскетичным. Человек живет в вечности, и труд его — для потомков; с этим чувством Ньютон входит в жизнь и покидает ее. «Не надо сохранять архивов, над рукописями трястись», — эти слова поэта, были бы для Ньютона совершенно чужды. Он тщательно, до последней строчки, хранит все, что им сделано. Кроме всего прочего, именно религиозность, как ни странно, облегчила для него выработку правильных концепций в натуральной философии.

Рассказывая об эфире, следует различать взгляды самого Ньютона и картину Природы, вытекающую из его «Начал», которая в наших глазах собственно и связывается с «ньютонианством». Ньютон пришел к написанию «Начал» после многолетних размышлений об общей задаче движения, которые отражены в мемуарах, представленных им в Королевское Общество. При этом он несколько раз изменял свою позицию. «Начала» являются отражением этапа, когда он признал свое поражение в попытках понять механизмы, которыми действует Природа, и стал на путь математического описания фактов, тщательно избегая вопросов «почему?». Он оценивал в тот момент такой способ действий как единственно разумный. В разделе «Начал» под названием «О правилах исследования Природы» он высказывается в том смысле, что если из опыта нечто следует, то это правильно, это нужно принять и дальше анализировать следствия. В конце книги он говорит: «Довольно того, что тяготение на самом деле существует и действует согласно изложенным законам и вполне достаточно для объяснения всех движений небесных тел и моря». А в «Поучении» (разд. 2) он выражает свою позицию в такой форме: «Под словом «притяжение» я разумею здесь вообще какое бы то ни было стремление тел к взаимному сближению, происходит ли это стремление от действия самих тел, которые или стараются приблизится друг к другу, или приводят друг друга в движение посредством испускания ими эфира, или это стремление вызывается эфиром, или воздухом, или вообще какой-либо средою, материальной или нематериальной, заставляющей погруженные в нее тела приводить друг друга в движение. В этом же смысле я употребляю слово «импульс», исследуя в этом сочинении не виды сил и физические свойства их, а лишь их величины и математические отношения между ними». В таком же контексте он добавляет во втором издании «Начал» в «Общем поучении» свою знаменитую фразу: «... Гипотез... не измышляю».

С картезианской точки зрения без правдоподобных гипотез о механизме явлений нет физики. Поэтому вполне логична реакция на «Начала» в журнале французской Академии: «Было бы хорошо, если бы он [Ньютон] дал нам физику, столь же блестящую как его математика». Поэтому стремление исследовать «виды сил и физические свойства их» продолжалось как до, так и после выхода «Начал», причем сам Ньютон большую часть жизни участвовал в этом процессе. Окончательное признание факта, что некоторые существенные вещи в природе принципиально нельзя выразить в терминах повседневного опыта, произойдет еще нескоро, а до тех пор каждый переворот в физике будет связываться с новой формальной математикой, с новыми абстракциями и ощущением дискомфорта при попытках наглядной интерпретации фактов.

Итак, в какой-то момент взгляды Ньютона оказались в гармонии с Природой, и он написал гениальное сочинение, в котором практически все верно. В определенном смысле это достигнуто дорогой ценой. Без философии, без интерпретации причин, лежащих в основе явлений, физика развиваться не может. Чрезвычайная осторожность, проявленная им при написании «Начал», сослужила плохую службу физике в Англии, которая почти сто лет после смерти Ньютона находилась в состоянии, близком к импотенции. Отношение к «Началам» и их создателю у англичан было похоже на религиозное поклонение, они следовали духу этого сочинения, считая, что ясный и прямой путь в науке указан в нем раз и навсегда.

В то же время путь самого Ньютона к строгим математическим концепциям «Начал» не был прямым. Чрезвычайно интересно и поучительно попытаться его проследить.

В 1661 году Ньютон начинает заносить в большую записную книгу, подаренную отчимом, свои соображения обо всем прочитанном. В книге десятки страниц посвящены религии, философии, математике, физике. Поначалу все идет вперемежку с заметками о денежных тратах и пр. В 1664 году под общим заглавием «Вопросы, относящиеся к различным философиям» начинаются систематические записи по проблемам механики. Здесь конспекты книг Декарта, Гоббса, Дигби, Мора — людей, порвавших с аристотелевскими традициями и пытавшихся дать новую систематическую картину природы. Здесь выписки из книги Чарльтона об атомистической философии Эпикура и Гассенди. Эпиграф к этим заметкам Ньютон заимствует у Чарльтона: «Лучше быть другом Истины, чем другом Платона и Аристотеля».

Таким образом, уже в 1664 году Ньютон не скован традициями, принятыми в системе университетского образования, но еще должен сделав выбор между картезианством и атомизмом. Ньютон склоняется к атомизму, хотя в «Вопросах» еще нет резкой и саркастической критики Декарта, которая появится позже. Однако он выдвигает возражения против декартовой теории распространения света. (По Декарту, свет мгновенно передается за счет давления тонких частиц на столб эфира между глазом и светящимся телом. Этот столб действует, как палка, которую толкают с одного конца, в то время как другим она упирается в человеческий глаз.) Он возражает также против вихревой теории притяжения и представляет себе гравитацию как следствие «эфирного душа», иначе говоря, результатом увлечения тел потоком эфирных частиц, летящих к центру Солнца, Земли и любого большого гравитирующего объекта. (Эта идея не была новой и встречалась, в частности, у К. Дигби.) Ньютон постепенно склоняется к вере в атомы и видит их, в духе Г. Мора, как мистические тела, одновременно и точки, и частицы материи, неделимые и малые настолько, насколько вещи могут быть малы. Важно, что «Вопросы» — это не только компиляция. В них предвосхищены многие черты последующего пути Ньютона. В них уже содержится идея о простых цветах и сложной структуре белого цвета, размышления об эфире, обеспечивающей невидимые механизмы многих явлений. «Эфир заполняет все механистические философии также плотно, как он заполняет всю вселенную согласно этим философиям», — отмечает Р. Вестфаль в современном профессиональном исследовании «Силы в Ньютоновской физике» (1971). У Ньютона в середине 60-х годов эфир — причина сцепления тел и причина гравитации; позже, в 70-е годы, среди других функций эфир будет объяснять механику оптических явлений.

Эфир Ньютона и эфиры Декарта, Гассенди, Гоббса, Бойля и других философов XVII века отличаются деталями, которые не столь существенны в приложениях. Например, идея протяженной материи, как мы видели, не мешала Декарту вводить частицы, движение которых моделирует непрерывную эфирную среду. В практическом плане эфир прекрасно выдерживал как философскую непрерывность, так и атомизм.

Около 1665 года Ньютон предпринял конкретное исследование законов движения и столкновения тел, изложив результаты в той же записной книжке (статья «Об отражениях»). В этот момент молодой Ньютон очень близок к Декарту в понимании природы движения и формулирует правильные принципы, почти поднимаясь на уровень, предшествующий написанию «Начал». Через несколько лет, не сумев преодолеть практические и концептуальные проблемы, он сделает шаг назад, а вскоре надолго оставит занятия механикой. Но в 1665 году, размышляя о прямолинейном движении тел, Ньютон вводит понятие силы как внешней причины изменения движения при столкновениях. Он измеряет силу F в единицах изменения импульса тела ?mv, фактически рассматривая не силу, а импульс силы Ft, что совершенно естественно в задачах о столкновениях. Таким образом, Ньютон использует «Второй закон Ньютона» в виде ?mv = Ft. (В такой форме этот закон для отдельных задач столкновения использовался Р. Декартом и Х. Гюйгенсом, но они, так же как Ньютон в 1665 году, не осознавали его универсальный характер, не имели ясности в интерпретации понятий массы и силы.) Он формулирует также «Первый закон Ньютона» (который содержится у Декарта) в виде двух аксиом.

1. Количество (здесь количество материи в теле, эквивалент массы.— М.В.Т.), которое движется, никогда не остановится, пока не появится внешняя причина (внешняя сила).

2. Количество всегда будет двигаться по прямой, пока внешняя сила не остановит его.

Из аксиом 1 и 2 следует динамическая эквивалентность равномерного движения и покоя. Из аналогичных аксиом Декарт еще раньше вывел принцип относительности движения и (ошибочно) распространил его на все типы движения, включая круговое. Существует точка зрения, что ему это было нужно, для избежания обвинений, аналогичных тем, которые были предъявлены Галилею Святой Инквизицией. Если движение относительно, то утверждение о вращении Земли вокруг Солнца есть условность, не более, чем прием, облегчающий вычисления. С разным успехом, в другой системе координат, можно рассматривать Землю центром Солнечной системы, и Церковь может быть спокойна. Сейчас мы знаем, что именно так обстоит дело в общей теории относительности Эйнштейна, и в философском плане Декарт был прав в этом вопросе, но он не мог, конечно, сформулировать правила перехода от одной системы отсчета к другой.

В конце 60-х годов в статье «О законах движения» Ньютон пытается включить круговое движение в схему столкновений. В этой статье, в частности, впервые используется закон сохранения углового момента. Здесь Ньютон запутывается в проблемах. Он считает, как и все предшественники, что в процессе движения по окружности на тело действует «внутренняя сила», направленная от центра («центробежная сила»), которая другой природы, чем силы F, фигурирующие в столкновениях. Внешняя сила F в круговом движении ему нужна, чтобы компенсировать эту «внутреннюю силу» и препятствовать центробежному стремлению тела. Поэтому закон ?mv = Ft недостаточен. Кроме того, Ньютон ясно видел, что декартов принцип относительности для круговых движений не работает: требуется абсолютная система координат. Не найдя способа интерпретировать круговое движение в тех же терминах, какие использовались в задачах о столкновениях, он пытается унифицировать механику, распространяя на прямолинейные движения те представления, которые возникли из задачи о движении по окружности. В результате он отказывается от простых и ясных концепций, развитых в предыдущих статьях.

В следующей работе, «Гравитация и равномерное движение жидкости» (конец 60-х-начало 70-х годов), Ньютон уже яростный антикартезианец. Здесь «сила — причина движения и покоя», здесь физическое движение имеет абсолютный смысл, здесь инерция — «это сила внутри тела». Идея относительности теперь вызывает у него особенно резкий протест: «Если (как у Декарта. — М.В.Т.) ни одно движение нельзя назвать истинным, абсолютным и более предпочтительным по отношению к другим, и все они, рассматриваемые по отношению к близким и далеким телам, все в равной степени условны, тогда ничего более абсурдного нельзя придумать». Предположим, развивает Ньютон эту тему, мы хотим узнать положение Юпитера год назад. Частицы среды, звезды сместились и не могут дать точку отсчета. Ясно, «что никто из тех, кто следует картезианской доктрине, включая самого Бога, не смог бы определить прошлое положение любого движущегося тела ... поскольку из-за изменения положения всех тел, само понятие места уже не существует в природе».

Для того, чтобы избежать ужасных последствий всеобщей относительности, Ньютон изобретает Абсолютное Пространство, существующее независимо от частиц материи, в котором положения тел имеют абсолютный смысл. Но если Материя для Ньютона уже не эквивалентна протяжению, если она и Пространство не сводятся одно к другому, то что же такое Материя? И здесь устами Ньютона говорит скептик, отрицающий декартову веру в возможности постижения природы разумом: «Объяснение этого должно быть более неопределенным». Он постулирует три самых общих свойства частиц материи:

они должны быть движимы,

они непроницаемы и, встречаясь друг с другом, отражаются по определенным законам,

они могут вызывать ощущения в сознании и могут двигаться сознанием.

Являются ли эти частицы телами в обычном понимании и каковы их детальные свойства, Ньютон отказывается обсуждать. Он говорит: «Так как мы уверены в нашей возможности двигать наши тела, то мы не можем отказать Богу в той же способности. Предположим, Он препятствует телам проникнуть в данную область пространства. Каким способом мы могли бы отличить такой участок пространства от тела?» Абсолютное пространство наполняется «определенным типом бытия, подобного во всем телам и чье создание мы не можем отрицать, поскольку оно во власти Бога, так что едва ли мы можем сказать, что это не тело». В итоге Бог заменяет эфир, но дает возможность действовать эфирным механизмам, которые Ньютон уже привык использовать.

К счастью, на этом уровне философские взгляды Ньютона не застывают. В наиболее явной форме следующий этап выражен в работе «Гипотезы, объясняющие свойства света» (1675), которая была послана в Королевское Общество вместе с описанием опытов по оптическим явлениям в тонких пленках.

Ньютон представляет себе природу как большую механическую систему в духе предшественников. Все пространство заполнено эфиром — средой, похожей на воздух, но гораздо разреженнее, тоньше и эластичнее. Он по-прежнему придерживается картины эфирного душа, в которой поток эфира к Земле толкает тела и вызывает видимость притяжения. Притяжение наэлектризованных тел он тоже объясняет с помощью эфирных токов, возникающих после того, как в результате трения испаряется часть эфира, конденсированного в электрических телах. Для объяснения оптических явлений Ньютону нужны вариации плотности. Эфир, согласно его представлениям, менее плотный в порах тел. Когда корпускулы света проходят сквозь эфир и встречают различные зоны плотности, они меняют .направление движения. Такой механизм позволяет Ньютону единообразно описывать законы преломления, отражения и явления в тонких пленках. Существенно, что при ударе света по границе раздела тел, которая одновременно является поверхностью перепада эфирной плотности, в эфире возникают волны. Эти волны не свет, но они влияют на распространение света. Двигаясь быстрее, чем световые корпускулы, они меняют условия последующего прохождения светового пучка. Поэтому, когда свет доходит до другого края тонкой пленки, он периодически встречает там либо зону разрежения, либо зону уплотнения. Такой механизм позволяет объяснить периодическое чередование световых полос, наблюдающееся в опытах. Таким образом, свет для Ньютона — это поток корпускул (мелких частиц), а отдельные явления в световых пучках, которые для своего естественного объяснения требуют представлений о волновой природе, он объясняет волнообразным процессом, «наведенным» в той среде, где двигаются корпускулы. (От таких эфирных механизмов для объяснения периодических эффектов в распространении света Ньютон не отказывался никогда. Позже это не помешало ему устранить эфир при описании других явлений.)

Сейчас бросаются в глаза очевидные трудности, имеющиеся в подобной картине. Почему, скажем, свет от далеких звезд не тормозится в эфире? Современному человеку это трудно понять, но в XVII веке казались убедительными объяснения, апеллирующие к так называемым «активным принципам», на которых строилась вся алхимия. Их множество. Так, если вода и масло не смешиваются друг с другом, хотя их поры по другим соображениям должны давать достаточно свободы, чтобы смешивание могло произойти, то это объясняется «принципом асоциальности» между водой и маслом. Если вода стремится принять в воздухе форму капли и тем самым максимально сократить свою поверхность, — это следствие «принципа несовместимости» между водой и воздухом. Есть также «принцип отторжения», который работает в одном круге явлений, «принцип соединения», работающий в другом, и т. д. Поэтому Ньютон, когда нужно, считает возможным вспомнить об «активных принципах». Так, свет движется от звезд к Земле из-за того, что «он постоянно понуждается вперед принципом движения, который поначалу ускоряет его, пока сопротивление эфирной среды не дает силу, равную силе этого принципа». Почему свет в более плотных средах распространяется быстрее, чем в менее плотных? (Такое странное свойство необходимо, чтобы в корпускулярной картине получить правильные законы преломления.) От объяснения этого вопроса Ньютон также уходит, изобретая очередной «активный принцип». И так далее.

В мышлении Ньютона продолжала сказываться традиция, чуждая механистической, картезианской философии. Не случаен его интерес к алхимии, который проявляется особенно сильно в 70-е годы. Его занимают проблемы сцепления тел при контакте, механизмы растворения в воде и кислотах. В статье «О воздухе и эфире» Ньютон говорит о расширении воздуха из-за того, что «некоторый принцип, действующий на расстоянии, заставляет частицы удаляться друг от друга». Сила, вызывающая удаление, обратно пропорциональна расстоянию.

Статья не закончена, и, может быть, это отражает неудовлетворенность Ньютона. Вряд ли при всей любви к алхимии его устраивало состояние дел. Сначала «активные принципы» для распространения света, потом отталкивание на расстоянии для частиц воздуха — все это не лучше, чем «асоциальность», «принцип отторжения» и пр. Должно возникать ощущение неплодотворности избранного пути.

Где-то в конце 70-х годов Ньютон поставил опыт с маятником, который сыграл важную роль в развитии его представлений. Он раскачивал ящик, сначала пустой, потом заполненный железом, и изучал затухание колебаний попеременно в воздухе и пустоте. Он обнаружил, что удаление воздуха практически не влияет на затухание маятника. Отсюда следовал вывод, что сопротивление, которое испытывает маятник за счет трения в эфире значительно больше сопротивления воздуха. Однако, после замены пустого ящика железной сплошной гирей такого же размера, Ньютон обнаружил, что никакого дополнительного сопротивления от перемещения в эфире внутренних частей гири не возникает. Отсюда он вычислил, что сопротивление эфира по крайней мере в 5000 раз меньше, чем сопротивление воздуха, что резко противоречит выводам предыдущего опыта. Сыграл свою роль факт этого противоречия, или добавилась совокупность большого числа трудностей в объяснении с помощью эфирных механизмов законов сцепления тел и природы химических связей, но так или иначе, вскоре после незавершенной статьи «О воздухе и эфире» Ньютон резко меняет свои взгляды.

Он отказывается от эфира и представляет теперь Природу как пустое пространство, где движутся материальные тела. «В начале Бог создал материю в виде твердых, массивных, жестких, непроницаемых движущихся частиц, которые удовлетворяли его нуждам». «Тела гораздо более разрежены, чем обычно думают». Так 37/38 объема воды, по Ньютону, занимает пустое пространство. Как получается, что некоторые тела свободно пропускают свет в любом направлении? Нужно предположить «некоторую удивительную и очень хитро придуманную разреженную структуру расположения частиц по образу сетки». Тела действуют друг на друга на расстоянии, притягиваясь и отталкиваясь с определенной большой силой.

Ньютон заселяет Природу силами, действующими через пустое пространство. Это происходит в районе 1679 года, и в этот момент рождается новая динамическая философия. Перелом в мировоззрении в творческом плане, по-видимому, был чрезвычайно существенным для Ньютона. Так же, как Декарт и другие представители механистической философии, Ньютон стремится исходить из небольшого числа общих принципов, из которых все выводится, но в отличие от Декарта, он психологически подготовлен изучать действие этих принципов в применении к простейшему из мыслимых объектов — точечной частице в поле внешней силы. Задача чрезвычайно упрощается.

Ньютон изложил свои новые взгляды в заключении к «Принципам», но потом изъял этот текст. Тем не менее, последующие 30 лет жизни, когда на вершине своей творческой мощи произвел «Принципы», а затем «Оптику», он отвергал существование эфира, а точнее, избегал упоминаний о нем. Но во второй декаде XVIII века эфир снова появляется в его сочинениях. Ньютон говорит об эфире в конце «Поучения», добавленного ко второму изданию «Принципов» в 1713 году, а в 1717 году во втором издании «Оптики» содержится восемь новых вопросов, где обсуждается эфир. Эфир по-прежнему является вибрационной средой для объяснения периодических явлений в тонких пленках, эфирный механизм объясняет преломление света, распространение тепла и гравитацию. Но силы, как физическая реальность, по-прежнему живут в представлениях Ньютона и сосуществуют с эфиром. Упругость эфира, отнесенная к единице плотности, по Ньютону, очень велика — в 10 раз больше упругости воздуха. Такие свойства возможны, если частицы эфира стремятся оттолкнуться друг от друга с большой силой. Но не будем заниматься подробным анализом взглядов старого Ньютона. Они интересны с точки зрения человеческой психологии, но уже не служат импульсом к творчеству.

Возвращаясь к периоду, непосредственно предшествующему моменту создания «Принципов», подчеркнем, что отказ от концепции эфира для Ньютона, в отличие от большинства его последователей, не означал перехода в лоно новой философии, основанной на принципе дальнодействия. В письме к Бентли от 25 февраля 1692 года он вполне определенно высказывается на этот счет: «Не разумно считать, что неживая, грубая материя будет действовать (без посредства чего-то еще, что не материально) и влиять на другую материю без взаимного контакта. ... То, что гравитация должна быть внутренним и существенным качеством материи, так что одно тело может действовать на другое на расстоянии, через вакуум, без посредства чего-то еще, через что и посредством чего действие или сила может быть передана от одного тела к другому, — является для меня столь великим абсурдом, что я думаю, ни один человек, хоть немного компетентный в философских вопросах, никогда такую точку зрения не примет. Гравитация должна быть вызвана агентом, действующим постоянно согласно определенным законам, но является ли этот агент материальным или нематериальным, — это вопрос, который я должен оставить на рассмотрение моих читателей».

По-видимому, сам Ньютон думал, что такой «агент» имеет нематериальную природу, хотя в письменной форме никогда свою позицию в этом вопросе четко не формулировал. Однако, в записках, содержащих описание дискуссий, проходивших на заседании Королевского Общества 20 февраля 1697 года, Д. Грегори сообщает, что: «Кристофер Вин смеется над верой мистера Ньютона в то, что гравитация не возникает из-за механических причин, а изначально введена Создателем». И далее в заметках, относящихся уже к 1705 году, Грегори пишет: «Откровенная правда в том, что он [Ньютон] верит, что Бог всеприсутствует в буквальном смысле».

Как бы то ни было, но устранение эфира в пользу сил, которые управляются Богом по определенным законам, имеет огромное преимущество, так как позволяет использовать математические методы в описании движения. Это путь к количественной, а не качественной (словесной) динамике. Вспомним, что для Декарта галилеевская кинематика свободного падения тел являлась мало осмысленным упражнением, так как никакой эфирный механизм, который должен быть причиной падения, не может обеспечить постоянство ускорения для всех тел.

Итак, в конце 70-х годов Ньютон в философском плане подготовлен к тому, чтобы обсуждать проблему сил и движения с плодотворной исходной позиции. Но он еще далек от идеи универсальной гравитации. Ведь первоначальным импульсом для введения сил, действующих на расстоянии, послужили для него размышления о законах сцепления тел. Но в этой области, как мы знаем, универсальных сил нет, а имеется легион возможностей и вариантов. Кроме того, Ньютону длительное время не поддавалась математическая задача о вычислении силы, действующей между двумя шарами конечного радиуса, если задана сила между точечными элементарными объемами. Не имея решения этой задачи, он не мог надежно вычислить ускорение свободного падения камня у поверхности Земли. Еще в чумной период в Вульстропе Ньютон понял, что закон Кеплера Т2 = const ? R3 (квадраты времен обращения планет пропорциональны кубам расстояний до центра орбиты) следует из предположения, что сила гравитации обратно пропорциональна квадрату расстояния (F = const/R2). По-видимому, в то же время он научился вычислять по заданной силе центростремительное ускорение планеты, т.е. он знал формулу F = mv2/R (которая раньше была получена Гюйгенсом). Но все это касалось точечных объектов. Притяжение тел у поверхности Земли и, соответственно, законы их движения, Ньютон не умел вычислять. Он делал такие попытки, но по разным причинам получал заметное отличие в ускорении свободного падения камня и центростремительного ускорения Луны. Поэтому он не воспринимал чисто словесные утверждения об универсальности гравитации, которые делались неоднократно разными людьми.

В 1679 году Ньютон снова вернулся к проблеме кругового движения. Толчком для него, по-видимому, послужила переписка с Р. Гуком, который предложил Ньютону возобновить свои связи с Королевским Обществом, прерванные в 1672 году.

Р. Гук в свое время испортил Ньютону много крови своими претензиями на приоритет в оптических открытиях, впоследствии он вновь вступит в приоритетный спор, касающийся закона F = const/R2 для силы притяжения. Этот разносторонний и чрезвычайно талантливый человек имел скверный характер. В науке его имя связано с «законом Гука», кроме того он сделал много важных изобретений в физике и технике, но еще больше ему принадлежит идей и высказываний, которые он бросал недоработанными на половине дороги. После того, как систематичный и осторожный Ньютон решался, наконец, на публикацию законченных и глубоко продуманных работ, появлялся Гук с требованиями упоминания своей фамилии, поскольку в свое время он говорил нечто подобное. Вообще говоря, это обычная ситуация, но в случае приоритетных споров Ньютона и Гука она доведена до крайности из-за резкой противоположности характеров. В конце жизни имя Гука вызывало у Ньютона исключительное раздражение. В результате он устранил всякие ссылки на Гука как в «Началах», так и в «Оптике», хотя, по крайней мере в одном случае, это было совершенно несправедливо.

В письме, написанном в 1679 году, Р. Гук изложил Ньютону свои представления о круговом движении. Он рассматривал мысленный опыт с бросанием камня по касательной к поверхности Земли. Прямолинейное движение по инерции в результате действия центральной силы тяжести превращается в движение криволинейное, и камень в конечном счете падает на Землю. Но в предельном случае, с возрастанием начальной скорости, Гук получал движение по замкнутой орбите (камень как бы становился спутником Земли). Гук не мог извлечь из этого мысленного эксперимента ничего количественного, так как не владел аппаратом, но Ньютон, приняв его картину и отказавшись от представления о круговом движении как результате равновесия противоположных сил (силы притяжения и внутренней центробежной силы), смог вернуться при описании такого движения к концепции внешней силы в сочетании с принципом инерции. Ему потребовалось около пяти лет, чтобы преодолеть оставшиеся препятствия, и в конце 1684 года он уже был подготовлен к работе над «Принципами», которые превратили универсальную гравитацию из простой идеи в демонстрируемый и неизбежный вывод и которые заложили основы науки Механики в том виде, как мы воспринимаем ее сейчас. Последующая история отмечена многими выдающимися достижениями, но они касаются уже развития и усовершенствования математических методов, возникавших в процессе решения конкретных задач.

Фактически в 1679 году Ньютон вернулся к своим взглядам середины 60-х годов, изложенным в первых работах по механике столкновений. Рассуждая в терминах внешней силы, действующей на тело со стороны силового центра, Ньютон использовал технику бесконечно малых, рассматривая тяжесть как ряд последовательных импульсов, вызывающих дискретные изменения направления движения. В результате круговое движение естественно вписалось в общую картину механики столкновений. Вслед за этим Ньютон вывел, что закон силы F = const/R2 приводит к эллиптической орбите. Когда в 1684 году его посетил Галлей и обратился с вопросом, касающимся связи закона F = const/R2 с фактом эллиптичности планетарных орбит, Ньютон был готов сразу представить соответствующее доказательство. Галлей вполне осознал важность этого результата, кроме того на него произвела сильное впечатление мощь использованных Ньютоном методов. По-видимому, реакция Галлея и его настоятельные просьбы все изложить в систематическом виде повлияли на Ньютона, но к тому моменту он и сам прекрасно понимал на что может претендовать. В это время Ньютон, по-видимому, уже справился с задачей о притяжении двух шаров конечного радиуса, или, во всяком случае, понимал характер решения; кроме того, тогда же появились уточненные данные о радиусе Земли, так что универсальность силы притяжения в применении к Луне и к телам непосредственно у поверхности Земли могла быть им количественно проверена. Отсюда следовал естественный шаг к универсальному Закону Всемирного Тяготения. Осознание всех этих проблем вызвало творческий импульс, о котором уже говорилось.