Читатель вправе задать второй, не менее важный вопрос: еще Галилей установил, что все тела, независимо от их массы, падая с одинаковой высоты, приобретают в конце падения одинаковую скорость. Нет ли здесь противоречия со вторым законом Ньютона?
Вместе с этими законами механики Ньютон сформулировал еще важнейший закон — Закон тяготения. Совокупность этих законов стала основой того, что называют классической физикой.
Закон тяготения очень прост: сила взаимного притяжения двух тел пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Но при всей его простоте в нем скрыты трудные вопросы. Некоторые решены, другие остаются без ответа, по сей день.
Смена богов
Общеизвестно, что вес тела определяется его притяжением к Земле. Почему при определении веса предмета не нужно принимать во внимание его расстояние от Земли и учитывать массу Земли? Мы не сомневаемся в том, что читатель ответит на этот вопрос. Вероятно, читатель попутно обдумает и то, как связан вес предмета с его массой. Является ли вес тела столь же фундаментальной характеристикой предмета, как его масса?
А вот еще вопросы, к которым мы хотим привлечь внимание читателя. Они тревожили не только Ньютона, но и других ученых на протяжении трех веков.
Прочтем еще раз формулировку второго закона механики. Обратим внимание на слово «пропорциональна». Какова эта пропорциональность? Ньютон не смог определить ее числовую величину из «первых принципов», хотя и стремился к этому. («Принципами» он называл основные характеристики явлений и процессов, которые ученый должен извлечь из наблюдений Природы или из специально проведенных опытов). Ньютон определил из опыта и из астрономических наблюдений величину коэффициента пропорциональности между силой, действующей на тело, и его массой.
Наиболее сложным из вопросов, связанных с законом тяготения, является вопрос о причине тяготения. Ньютон не нашел ответа на этот вопрос. Он пробовал опереться на свойства эфира, но не достиг цели.
Не он первый надеялся на помощь эфира.
Эфир вошел в обиход, когда римляне перевели на латынь труды древнегреческого философа Аристотеля. Аристотель учил, что весь мир состоит из сочетаний четырех сущностей: огня, воздуха, воды и земли. На этой основе он объяснял свойства всех веществ и предметов, ход известных ему процессов.
Одно оставалось необъяснимым — вечное вращение звездного неба. Аристотель не мог смириться с этим пробелом. После многих попыток и сомнений он ввел пятую сущность — квинтэссенцию, незримый эфир, образующий небесную твердь, к которой якобы прикреплены звезды. Эфиру, по мысли Аристотеля, присуще одно единственное, но главнейшее свойство — вечное вращательное движение вместе со звездами и планетами, со всем, что есть во Вселенной. Увы, эфир Аристотеля не играл никакой роли в подлунном мире. Но после Аристотеля проходили века, а эфир продолжал играть противоречивые роли в науке — от него физика не может избавиться до сих пор. Его то хоронят, то возрождают вновь.
Ньютону, в его время, еще не было известно то, что известно ученым сегодня.
Естественно, неудачей закончилась попытка Ньютона привлечь эфир к решению конкретной проблемы, возникшей перед рождающейся новой физикой. Ньютон подвел итог своим размышлениям откровенной и горестной фразой: «Я не знаю, что такое эфир».
Но неудача не остановила Ньютона. Он считал основной задачей физики — находить закономерности в явлениях Природы и описывать их методами математики. Он считал это более важным, чем выяснение вопроса — почему происходит то или иное явление. Если ему не удавалось найти ответ, он оставлял вопрос потомкам.
До наших дней вопрос о причинах, порождающих тяготение, не решен. Даже Эйнштейн, создав теорию гравитации (гравитация — это латинское «тяготение»), не ответил на этот вопрос. Он лишь далеко продвинулся по пути, избранном Ньютоном — подробно описал математическими символами закономерности полей тяготения и извлек из них следствия, подтвержденные опытами.
Вопрос о том, почему поле тяготения обладает свойствами, описываемыми теорией гравитации, почему гравитационное взаимодействие таково, каким мы его знаем, почему в Природе существуют различные взаимодействия и соответствующие силы, еще стоит перед учеными.
Закон тяготения, сформулированный Ньютоном, содержит еще одну тайну. Попробуем применить этот закон к трем телам. Пусть два из них находятся на сильно различающихся расстояниях от третьего.
Теперь представим себе, что третье тело сместилось в пространстве. К чему это приведет? Ясно, что при этом изменится взаимное расстояние, а значит и взаимное притяжение между телами. Что здесь неожиданного? Подумай об этом, читатель!