§ 4.1. Закон всемирного тяготения

Предшественник Ньютона, изобретатель микроскопа Роберт Гук, (1635-1703) вплотную подошел к закономерностям движения небесных тел, подробно описанных несколько позже в «Началах» Ньютоном. Историки науки [46, с. 113] не забыли отметить это событие: "Есть все основания считать Гука одним из ученых, спо­собствовавших открытию закона всемирного тяготения". Анало­гичное мнение академика С.И. Вавилова приводит М.В. Всильев [ 33, с.31]: " ... если свести гениальные высказывания, догадки Р. Гука в одно целое, то получаются все главные выводы «Начал» Ньютона, только высказанные в неуверенной и малодоказательной форме". Но только Ньютону удалось дать окончательную форму­лировку закона тяготения. Два тела притягиваются друг к дру­гу с силой прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

Математическое выражение закона всемирного тяготения имеет вид

M m

F = f----- ,                               (4.1)

R ²

где F - сила взаимного притяжения двух тел, имеющих массы М и т ; R - расстояние между центрами масс; f - коэффици­ент, названный гравитационной постоянной. Численное значение этого коэффициента впервые было определено (1798 г.) опытным путем Г. Кавендишем (1731 -1810), поэтому в литературе [151] встречается название постоянная Кавендиша. Современная вели­чина гравитационной постоянной f = 6,673 см³ / г сек² (система CGSE).

Математическая запись закона всемирного тяготения относи- лельно проста. Однако за этой простотой скрываются весьма не­простые и. непонятные явления, вызывающие множество принци­пиальных вопросов. Прежде всего, снова и снова возникает не­простой вопрос: что же такое сила? Если сила вызывает измене­ние движения, то почему в выражении (4.1) отсутствуют какие- либо скорости? Не менее важно знать, почему сила тяготения пропорциональна произведению масс, а не,. скажем, сумме взаи­модействующих масс, или сумме их квадратов? При этом при­поминается высказывание Ньютона о массе как мере материи. Верно ли такое определение? Если масса является мерой мате­рии, то чем тогда измерять вещество. Если Ньютон отождествлял вещество и материю (а это различные понятия для современнос­ти [21]), то такой подход абсолютно не приемлем. Как поступить в данном случае? Ортодоксальная физика не дает ответов на эти вопросы.

Капитальное исследование М У. Сагитова [151], касающееся природы и измерений гравитационной постоянной f, тоже порож­дает безответные вопросы. Что она представляет собой? Ка­кую величину характеризует? Составное это понятие или в нее входят какие-то более простые величины? Чтобы ответить на все эти вопросы, касающиеся всемирного тяготения необходимо обра­титься к «Физике материи» [21], но концептуально «Физика мате­рии» основана на иной парадигме, а мы рассматриваем ортодок­сальную парадигму естествознания, с целью оценки качества и надежности основных предпосылок. По ходу рассмотрения скла­дывается мнение, что без знания механизма тяготения весьма сложно прийти к какому-либо определенному выводу. Сложив­шуюся ситуацию хорошо понимал в свое время Ньютон, поэто­му в «Началах» он подчеркивал, что сперва необходимо осмыс­лить свойства и особенности силы тяжести и только потом мож­но будет узнать механизм тяготения. В то же время, понимая важность причин тяготения, Ньютон настойчиво пытался найти физическое обоснование выражению (4.1), найденному из наблю­дений за движениями планет.

Несмотря на то, что великий физик любил повторять «Гипо­тез я не измышляю», он в 1675 г. обращается к гипотезе эфира, который, как считали в то время многие ученые, заполняет кос­мическое пространство. Надо сказать, что Ньютон правильно уга­дал направление исследований. Притяжение тел в земных услови­ях он объяснял тем, что эфир непрерывными потоками устрем­ляется к центру Земли, увлекая своим движением все вещи и предметы и создавая давление на неподвижные тела. Это была логичная многообещающая гипотеза, которая привлекалась для объяснения механизма тяготения во второй половине ХХ в., но Ньютон не знал характеристик эфира и не мог связать их с вели­чинами закона всемирного тяготения (4.1).

В 1769 г. Ньютон разрабатывает новую гипотезу для объясне­ния механизма тяготения, наделяя эфир гипотетическим свойст­вом выдавливть тела в зоны якобы меньшей его концентрации возле вещественных тел. Предметы при этом должны были па­дать на поверхность Земли и планет.

Несколько позже (1706 г.) Ньютон неожиданно стал отрицать возможность существования эфира, а в 1716 г. он снова возвраща­ется к гипотезе выдавливания тел эфиром. Как отмечали в своей работе [ 33, с.46] М.В. Васильев и К.П. Станюкович, "Гениальный мозг Ньютона бился над разгадкой великой тайны и не находил ее. Этим и объясняются столь резкие метания из стороны в сто­рону". Подобные шатания по отношению к эфиру продолжались и после Ньютона, их отголоски прослеживаются и в наше "прос­вещенное" время.

Для объяснения механизма тяготения эфир привлекался не только Ньютоном. В 1782 г. австрийский физик Г. Лесаж пытался
объяснить притяжение тел ударами «ультрамировых» корпускул, якобы заполняющих космическое пространство и двигающихся в мировом пространстве с большими скоростями. Поскольку два тела прикрывают друг друга (экранируют) от ударов по линии, соединяющей их центры, то со стороны каждого из этих тел поток корпускул должен быть слабее, чем с противоположной (внешней) стороны, поэтому тела, находящиеся в среде быстро движущихся «ультрамировых» корпускул, должны притягиваться (сближаться). Гипотеза Г. Лесажа позволяла наглядно представить схему притяжения двух тел (рис. 4.1), но при тщательном анализе ее механистической основы были выявлены существенные недос­татки: удары корпускул должны были существенно разогревать все тела; сила приталкивания зависела от размеров тел и не зависе­ла от их масс; движение тел должно тормозиться корпускулами.

Особенно много попыток использовать эфир для объяснения природы силы тяжес­ти предпринималось во второй половине XIX в., когда активно обсуждалась гипотеза Г. Лесажа. Но все эти "эфирные" гипотезы носили объяснитель­ный характер. Они рисовали лишь ка­чественную картину взаимного притяже­ния тел, не затрагивая количественных параметров закона тяго­тения (4.1). Эта ситуация порождала отрицательное отношение многих ученых к самой возможности существования эфира, сох­ранявшееся до самого последнего времени.

Подтверждением отрицательного отношения к идее эфира яв­ляется высказывание авторов работы [164, с.48]: "Для объяснения механизма тяготения в первую очередь принимали, конечно, эфир. О, сколько раз в истории науки ученые отказывались от него и в бессилии снова возвращались к нему! Но еще ни одного яв­ления по настоящему не объяснил эфир, в том числе и самого себя". И это не единственное отрицательное отношение к идее эфира. Подобных высказываний, так или иначе отрицающих су­ществование эфира, в физической литературе можно найти очень много. Дополнительно см. главу 5.