Михаил Терентьев - История эфира
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.
