Страница 16 из 51
Суть в том, что плотность вещества определяется как отношение массы к объему.
НЬЮТОН ПРИЗЫВАЕТ ЭФИР
Проблема тяготения возникла перед Ньютоном в 1665–1666 годах, когда он, опасаясь эпидемии чумы, покинул Кембридж и вернулся в деревушку Вулсторп, где в 75 километрах от Кембриджа располагалась ферма его матери.
Там он занимался, в основном, исследованием оптических явлений. Но тайна тяготения вновь и вновь привлекала его внимание. Он впоследствии писал, что «постоянно думал об этом предмете».
В мемуаре «Об одной гипотезе, объясняющей свойства света» (1675 г.) он допускает существование эфира, имеющего «то же строение, что и воздух, но значительно разреженнее, толще и эластичней».
Ньютон считал эфир материальной субстанцией, состоящей из основного инертного вещества, к которому примешены различные газы и пары. «В пользу такой неоднородности, по-видимому, говорят электрические и магнитные истечения и начало тяготения». Он считает эфир универсальной средой и допускает, что «может быть, все вещи и произошли из эфира». Если так, то эфир играет в мироздании более важную роль, чем квинтэссенция Аристотеля.
Притяжение кусочков бумаги наэлектризованным стеклом он считает вызванным испарением и конденсацией эфира. «Гравитационное притяжение Земли может также причиняться непрерывной конденсацией некоторого схожего эфирного газа. Этот газ — не основное тело косного эфира, но нечто более тонкое и субтильное, рассеянное в нем, имеющее, возможно, маслянистую или клейкую, вязкую и упругую природу».
«Солнце, как и Земля, быть может, обильно впитывает газы для сохранения своего сияния и для сдерживания планет, чтобы они не удалялись от него».
Ньютон, как мы знаем, не ограничился этим качественным описанием. Из того, что тяжесть действует одинаково во все стороны, непосредственно следует, что она определяется только расстоянием от притягивающего тела.
Если принять это предположение, то Луна удерживается на ее орбите земным притяжением. И можно, учитывая законы, установленные Кеплером для планетных орбит, определить, что на лунной орбите сила притяжения Земли ослаблена по сравнению с ее величиной на поверхности Земли. Насколько? Во столько раз во сколько квадрат радиуса лунной орбиты больше квадрата радиуса Земли.
Ньютон проделал эти несложные вычисления. Они не совпали с принятой в то время величиной радиуса Земли. Ньютон не опубликовал свои вычисления.
Лишь в 1682 году, узнав о результатах нового, более точного измерения радиуса Земли, полученных Ж. Пикаром, Ньютон учел это в своих вычислениях и получил совпадение расчета с опытными данными.
Допустив существование эфира, Ньютон неизбежно приходит к понятию абсолютного пространства, заполненного эфиром, и абсолютного времени, в котором развиваются все события.
«Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и неподвижным».
Определить абсолютное прямолинейное перемещение тел, их перемещение относительно абсолютного пространства невозможно. Это вытекает из принципа относительности Галилея, положенного Ньютоном в основу механики. Но можно наблюдать другие движения относительно абсолютного пространства. Ньютон придумал такой опыт.
Следует подвесить на веревке сосуд с водой и, закрутив веревку, предоставить ей возможность раскручиваться. При этом наблюдаются следующие явления: сосуд приходит в движение, вода неподвижна и ее поверхность плоская. По мере раскручивания веревки вода тоже начинает вращаться. Одновременно повышается ее уровень у стенок и понижается в центре — часть воды удаляется от оси вращения. В начальный момент относительное движение сосуда и воды было наибольшим, однако никаких внешних проявлений этого относительного вращения воды не наблюдалось. Затем относительное движение сосуда и воды уменьшилось, вода пришла во вращение и это проявилось в удалении части воды от оси вращения.
Вывод Ньютона: «Таким способом могло бы быть определено количество и направление кругового движения внутри огромного пустого пространства, где не существовало бы никаких внешних доступных чувствам признаков…»
Теперь мы понимаем, как Ньютон пришел к идее о существовании «абсолютного пространства». Ведь опыт с водой во вращающемся сосуде позволил ему определить движение относительно «огромного пустого пространства», а не относительно каких-либо тел. Галилей не додумался до подобного опыта и рассуждал только о движениях относительно других тел.
Допустив существование эфира, заполняющего пространство, и приписав ему определенные свойства — маслянистую или клейкую, вязкую и упругую природу, Ньютон сазу видит необходимость объяснить, почему эфир не влияет на вечное движение планет.
Гипотеза немедленно порождает следующую гипотезу: может быть, несмотря на эти свойства, эфир проникает сквозь тела, не испытывая сопротивления? Тогда и тела, двигаясь относительно эфира, не испытывают трение об эфир и поэтому могут двигаться так, будто его нет.
Ньютон пытается проверить эту гипотезу опытом.
Он возвращается к своим одиннадцатифутовым маятникам и изучает, как влияет на их колебания трение о воздух и трение о воду. Последнее важно для выбора формы корпусов морских судов. В этих случаях трение возникает на наружных поверхностях движущихся предметов.
Иначе должно проявляться трение эфира. Эфир, проникая сквозь вещество, в пустоты между частицами вещества, должен вызывать дополнительное внутреннее трение.
«Поэтому я произвел испытание, чтобы определить сосредоточено ли полностью сопротивление, испытываемое телами при движении, на их наружной поверхности, или же и внутренние части претерпевают заметное сопротивление».
Он заполнил кадочку одного из маятников металлом, а кадочку другого оставил пустой. И наблюдал, как затухают колебания обоих маятников.
Опыт показал, что различие периодов и быстроты затухания колебаний этих кадочек меньше, чем одна пятитысячная. Можно было предположить, что различие, вызванное проникновением эфира сквозь кадочки, гораздо меньше. Оно столь мало, что тысячелетние наблюдения движений планет тоже не обнаруживают их трения об эфир.
Так, впервые, на основе опыта, была установлена противоречивая сущность эфира. Его способность проникать сквозь вещества, сочетаясь с маслянистостью и клейкостью, должна была привести к взаимодействию эфира с частицами, образующими вещество. Но опыты с маятниками и наблюдения планет противоречили этому. Противоречия остались не разрешенными. Но Ньютон иногда продолжал привлекать гипотезу эфира, чтобы проверить, можно ли при его помощи объяснить непонятные свойства вещей и процессов.
Начиналась драматическая страница в великой биографии великого физика — его единоборство с фантомом, призраком.
ДАЛЬНОДЕЙСТВИЕ. «ГИПОТЕЗ Я НЕ ИЗМЫШЛЯЮ»
Все известные Ньютону силы, возникающие в механике, передаются от одного предмета к другим посредством деформации, возникающих в месте соприкосновения предметов. К ним Ньютон относил силу инерции, проявляющую себя, когда один предмет воздействует на другой, вызывая изменение его скорости. Именно сила инерции этого другого предмета вызывает деформацию первого предмета.
Напомним, что Ньютон не знал о существовании сил инерции иного типа, источник которых невозможно указать. Мы знаем, что силы этого «другого» типа возникают и входят в выражение второго закона Ньютона. Возникают и должны входить в него, если наблюдаемые процессы и приборы, необходимые для их наблюдения, одинаково изменяют свою скорость вместе с лабораторией, где проводится опыт. Так вращение Земли приводит к появлению центробежных сил, стремящихся удалить все предметы от оси вращения. Для предметов, движущихся по поверхности Земли, если они перемещаются не поперек меридианов, возникают новые, неизвестные Ньютону, силы инерции — силы Кориолиса.
Есть еще одна сила, природа которой ускользала от понимания Ньютона. Это сила тяготения. Он нашел закон действия этой силы и описал его простой математической формулой. Выяснил, что силы тяготения образуют вокруг всех тел особое состояние. Это состояние выявляется только, если там, кроме рассматриваемого тела, существует еще какой-либо предмет. Мы называем это состояние — поле тяготения.