13.2.4. Идеи о силах тяготения

После пионерских работ Кеплера и подтверждающих их астрономических открытий Галилея самой революционной научной идеей XVII века в Европе стала гелиоцентрическая система Мироздания т.е.система Коперника-Кеплера. Эта система отчётливо показывала, что все небесные тела движутся не вокруг каких-то мифических «эпицентров», а вокруг конкретных материальных тел, которые, скорее всего, и являются первопричиной этих движений. Обсуждением этой первопричины занялись не только учёные, но и многие философы и даже теологи. Так что идея о взаимопритяжении небесных тел буквально «повисла в воздухе» просветлённой Европы. Так французский астроном И. Буйо (1605–1694) в своей «Популярной астрономии» (1645) писал, что если бы сила тяготения распространялась от Солнца так же, как и свет, то она изменялась бы аналогично, т.е. уменьшалась обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Аналогичные соображения высказывал и итальянский астроном Дж. А. Борелли (1608–1679) в своей книге «Теория медицейских планет, выведенная из физических причин» (1666), в которой он сравнивал движение планет с движением камня на конце вращающейся пращи, подверженного действию силы натяжения пращи и силы Гюйгенса (центробежной). Естественно, что и Гук не мог не заинтересоваться силой тяготения, занимаясь поиском причин, вызывающих атмосферное давление воздуха.

Сначала Гук предположил, что взаимное притяжение небесных тел имеет магнитную природу (эту же мысль высказывал ранее и Кеплер), однако, проделав ряд экспериментов с магнитами, он отказался от этой идеи. Зная, что, согласно законам Кеплера, планеты и их спутники движутся по эллиптическим орбитам, он в 1666 году проделал серию опытов с колебаниями сферического маятника, подвешенного к потолку. Он установил, что шар маятника, как и планеты, движется по эллипсу, однако центром притяжения здесь является центр эллипса, а не его фокус. На основании проведённых опытов он пришёл к ряду весьма нетривиальных выводов, которые изложил в своём выступлении на заседании ЛКО от 03.05.1666: «Я намерен изложить систему Мира, весьма отличающуюся от всех до сих пор предложенных; она основывается на следующих трёх положениях:

1. Все небесные тела не только обладают тяготением своих частей к их собственному общему центру, но и притягиваются взаимно одно к другому внутри их сфер действия.

2. Все тела, совершая простое движение, будут продолжать двигаться по прямой линии, если только они не будут постоянно отклоняться от неё некоторой внешней силой, побуждающей их описывать окружность, эллипс или какую-либо иную кривую.

3. Это притяжение тем больше, чем тела ближе. Что же касается отношения, в котором эти силы уменьшаются с увеличением расстояния, то я сам не определил его, хотя и проделал с этой целью некоторые эксперименты. Предоставляю сделать это другим, у которых найдётся для этой задачи достаточно времени и знаний».

Видно, что здесь уже есть закон движения тела по инерции, однако ещё нет закона обратных квадратов, к которому он пришёл только через 12 лет. Итог своих первоначальных исследований, выполненных в 1666 г., Гук подвёл в своём сочинении «Опыт доказательства вращения Земли», опубликованном в 1674 г. Толчком к продолжению работ по определению силы тяготения явилось ознакомление его со знаменитой книгой Гюйгенса «Маятниковые часы» (1673), в которой уже была приведена формула для центробежной силы. С её помощью Гук довольно быстро пришёл к заключению, что: «силы тяготения направлены к центру Земли», и что они «действуют в отношении, обратном квадрату расстояния». Однако этих заклчений было ещё недостаточно для построения строгой формулы для силы тяготения. Поэтому Гук, сознавая свою математическую неподготовленность для решения этой задачи, обратился в 1679 году с письмом к Ньютону, приглашая его забыть былые разногласия по проблемам света и оптики и заняться совместной разработкой закона тяготения.

Ньютон, которому в это время было всего 37 лет, ответил, что он уже староват для занятий математикой и механикой и вряд ли может чем-либо помочь Гуку (в действительности же он в это время увлечённо занимался алхимическими экспериментами с целью получения золота). Тем не менее, он сообщил Гуку об одной своей механической задаче, связанной с падением небольшого шарика с башни к центру Земли. Эта задача Ньютона – отклонение падающей точки от местной вертикали – стала классической задачей механики, вошедшей в университетские учебники, т.к. она наглядно демонстрировала эффект собственного вращения Земли. Как продолжение этой задачи Ньютон поставил вопрос о том, как будет двигаться этот шарик дальше, если он не сталкивается с земной поверхностью, а пролетает внутрь Земли по радиальной шахте и попадает в окружающую центр Земли полость, лишённую воздуха. В своём комментарии к этой задаче (которую можно назвать "задачей Тартальи",см.п.9.3.2) Ньютон предположил, что шарик, долетев до полости, стал бы описывать вокруг её центра спиральную траекторию.

Задача Ньютона очень заинтересовала Гука, который организовал её обсуждение на очередном заседании ЛКО от 04.12.1679. По результатам обсуждения Гук к следующему заседанию (т.е. через неделю) подготовил список критических замечаний по поводу рассуждений и выводов Ньютона и направил его автору. Буквально через день Ньютон прислал Гуку пространное письмо, из которого следовало, что его понимание процесса падения шарика существенно отличается от Гуковского. Особенно резко это отличие проявлялось в описании движения шарика в центральной полости.

Вопреки Ньютону, Гук предположил, что шарик будет описывать не спиральную, а замкнутую эллипсоподобную орбиту, спираль же получится только при наличии сопротивления воздуха.

Развивая эту идею, Гук провёл ряд экспериментов с падающим шариком и использовал обнаруженный недавно Галлеем факт замедления колебаний маятника на вершине горы. Все эти результаты он в январе 1680 г. письменно сообщил Ньютону, сопроводив их следующими словами: «Я предполагаю, что притяжение обратно пропорционально квадрату расстояния до центра». Кстати, к такому же выводу пришел расчетным путем и сам Галлей в 1684 г., т.е. еще до появления трактата Ньютона.Что касается притяжения внутри Земли, то оно, по мнению, Гука должно убывать по закону, похожему на «закон Гука». Поэтому траектория шарика в земной полости будет центрально-эллиптической, подобно траектории апекса сферического маятника. Что касается наружных траекторий, то они должны быть эксцентрично-эллиптическими. Чувствуя, что ему недостаёт математического мастерства, чтобы доказать эти утверждения, Гук предложил Ньютону заняться этим. На это письмо Ньютон не ответил, однако он внял призыву Гука и через пять лет выпустил свою знаменитую книгу с полным решением поставленных Гуком задач.

Стоит отметить, что в рукописи книги не было даже упоминания о роли Гука в открытии закона Всемирного тяготения. Увидев это, Э. Галлей, ставший спонсором издания и давно друживший как с Гуком, так и с Ньютоном, убедил последнего вставить в текст ссылку на слова Гука. Ньютон сделал это, но весьма оригинальным образом, написав, что именно закон обратных квадратов соответствует 3-му закону Кеплера, «как утверждали независимо Рен, Гук и Галлей». Этим замечанием Ньютон резко принизил роль Гука в великом открытии, сведя её к роли застольного собеседника, обсуждающего злободневные вопросы в кругу друзей. В действительности же Гук занимался проблемой тяготения более 20 лет и был несомненным пионером в этой области, явно превосходя Ньютона в большинстве споров на эту тему. Естественно, что после выхода ньютоновских «Начал» в свет в 1687 году он счёл себя обокраденным и начал тяжёлый и нескончаемый спор о своём приоритете. Чтобы хоть как-то оправдаться в этом споре, Ньютон в одном из писем Галлею описал различие в подходах к естествознанию у математиков и физиков (считая при этом себя математиком, а Гука – физиком, что, в общем-то, соответствовало действительности): «Математики, которые всё открывают, всё устанавливают и всё доказывают, должны довольствоваться ролью сухих вычислителей и чернорабочих. Другой же, который ничего не может доказать, а только на всё претендует и всё хватает на лету, уносит всю славу…» Далее Ньютон признаёт всё же, что «его исправление моей спирали побудило меня найти закон, с помощью которого я вывел эллипсы». Итог этому историческому спору подвёл академик С. И. Вавилов: «Не решая задачи математически, Гук нашёл её правильный ответ. И это не случайно брошенная мысль, но, несомненно, плод долголетней работы. У Гука была гениальная догадка физика-экспериментатора, и он не мог идти прямой и безукоризненной дорогой «математических начал» Ньютона, но своими окольными тропинками он пришёл туда же».

Хотя выход в свет «Начал» остался поначалу малозаметным событием (слава к этой книге пришла значительно позже, уже в XVIII веке), в спор о приоритете был вовлечён большой круг специалистов, и в ответ на их вопросы Ньютон стал утверждать, что закон обратных квадратов он знал ещё в 1665–1666 году (когда ему было всего 23 года). Некоторые сомнения в этом утверждении связаны с теми фактами, что ни в одной из его ранних работ этого периода не упоминается об этих результатах, да и получить их без знания формулы Гюйгенса для центробежной силы было бы крайне затруднительно (эта формула была опубликована в книге Гюйгенса «Маятниковые часы» только в 1673 году). Печальным итогом этого спора стала инициатива Ньютона по уничтожению всех рукописей, инструментов и даже портретов Гука сразу после его смерти, когда Ньютон занял пост президента ЛКО. Эта мелкая месть хотя и не умаляет гениальности Ньютона, но показывает, что он сознавал превосходство Гука как гениального физика-экспериментатора. Также у него были серьёзные основания для беспокойства о своём приоритете в авторстве закона Всемирного тяготения.

Подводя итог научной деятельности Гука, необходимо отметить как её грандиозный объём (в течение 40 лет он еженедельно на заседаниях Общества демонстрировал от двух до четырёх экспериментов по новым явлениям или приборам, так что их общее количество достиг+ло по его словам 2000!), так и её невероятно широкий диапазон (оптика, механика, пневматика, астрономия, навигация, аэростатика, медицина, палеонтология, геология, география, биомеханика, метрология, метеорология, хронометры, зубчатые механизмы, барометры, архитектура и строительство, арифмометр, паровая машина). Им впервые была предложена оптимальная строительная арка в форме перевёрнутой цепной линии, а также выбрана точка отсчета для шкалы температур – точка таяния льда (позднее она же была предложена Гюйгенсом). Однако реализована эта идея была лишь 100 лет спустя, когда шведский ботаник Карл Линней (1707–1778) "перевернул" 100-градусную шкалу своего соотечественника астронома Цельсия (в его шкале от 1742 года за 0° была принята температура кипения воды, а за 100°- температура таяния льда). В результате шкала Цельсия - Линнея быстро вытеснила прочие температурные шкалы – шкалу Фаренгейта (1709) и шкалу Реапюра (1730) и благополучно существует до сих пор.пюра(1730)снила прочие температурные шкалы 1742 года за 0 и высочайшей научной продуктивност

К концу жизни Гук стал весьма состоятельным человеком благодаря своей зодческой деятельности, и общался с широкими кругами лондонской элиты, включая королевское семейство. Однако своей семьи он не создал и лишь взял к себе на воспитание племянницу для помощи по хозяйству. Умер он в 1703 г. и был похоронен в присутствии всех членов ЛКО.

Оценивая его гений с высоты 300-летнего рубежа можно сказать, что по плодотворности и богатству физико-механических идей он не имел себе равных в истории науки. При этом его идеи были чрезвычайно реалистичны и конструктивны, что выделяло Гука как из его современников, так и из его коллег последующих поколений. Один перечень его талантов и интересов производит впечатление: гениальный физик-экспериментатор, уникальный механик-интуиционист, выдающийся изобретатель, первоклассный архитектор и градостроитель, профессор геометрии, виртуозный мастер в целом ряде ремёсел и т.д. и т.п. Пройдя все ступени научной карьеры в ЛКО – от лаборанта-куратора до президента, – он во второй половине XVII века пользовался широчайшей известностью в научном мире (хотя немалую роль в этом сыграли и его приоритетные споры). Однако в XVIII – XIX вв. Гук оказался в забвении и лишь XX век принёс ему заслуженное признание и память, включив его в пантеон первоклассных учёных и изобретателей. В XX веке именем Гука были названы кратер на видимой стороне Луны и кратер на Марсе.

Резюме: Работа с Р. Бойлем, пневматика и капиллярность, закон Бойля-Мариотта и закон Гука, оптические эксперименты. Куратор ЛКО, труды ЛКО, их тематика. У. Броункер и Дж. Валлис. Кутлеровские лекции, микроскопия, волновые модели и движения. Архитектурно-строительная деятельность. Идеи и эксперименты по проблеме тяготения, переписка и противостояние с Ньютоном, спор о приоритете в открытии закона Всемирного тяготения. Р. Гук – уникальный физик и инженер.