Создание классической теории гравитации. На плечах гигантов⁠⁠

«Я видел дальше других лишь потому, что стоял на плечах гигантов» — эту знаменитую фразу Исаак Ньютон написал в 1676 году в письме своему научному оппоненту Роберту Гуку.
Важно подчеркнуть, что сама метафора про «плечи гигантов» имеет древнее происхождение и использовалась задолго до Ньютона. Однако тут стоит учитывать контекст: Роберт Гук отличался невысоким ростом и страдал от сутулости. Поэтому, вероятнее всего, самая известная в научном мире фраза — это изящный щелчок по носу, которым Ньютон наградил своего оппонента.
Вообще, Исаак Ньютон был весьма непоследовательной и ершистой личностью. Многие свои открытия он не считал нужным публиковать сразу, но если к тем же результатам приходил кто-то другой, он тратил всю свою энергию, чтобы доказать и отстоять личное первенство.
В этом отношении показателен его конфликт с немецким философом и математиком Готфридом Лейбницем. К тому времени прошло уже около ста лет с тех пор, как Европа полностью перешла на десятичную систему счисления, что дало мощный толчок развитию математики. Ньютон и Лейбниц — независимо друг от друга — создали дифференциальное и интегральное исчисление (то, что позже назовут математическим анализом). Свои наработки в этой области Ньютон сделал на несколько лет раньше Лейбница, но опубликовал их значительно позже. Из-за этого разгорелась настоящая общеевропейская приоритетная война [1].
В ходе этого противостояния Ньютон показал себя далеко не с лучшей стороны. Он не только не брезговал анонимными пасквилями в адрес Лейбница, где обвинял его в обмане и плагиате, но так же публиковал о Лейбнице злопыхательные статьи, подписываясь инициалами других ученых.
В этой битве победа осталась за Ньютоном: он буквально в клочья разорвал моральное и интеллектуальное благополучие оппонента. Когда Лейбниц умер, за его гробом шел лишь один человек — его личный секретарь.
Подводя итог, следует отметить, что Ньютон обладал эмоциональной, а порой и откровенно истеричной натурой. Если ему казалось, что он уступил в споре, он мог впасть в депрессию на долгие месяцы или даже годы, полностью забросив исследования. Вероятно, такие черты характера уходили корнями в его тяжелое детство.
Исаак Ньютон родился в конце 1642 года в деревне Вулсторп графства Линкольншир. Мальчик появился на свет раньше срока и был настолько слаб, что мать даже не надеялась, что он выживет. Отец Исаака умер за три месяца до его рождения.
Когда ребенку было три года, мать во второй раз вышла замуж. Отчим сразу невзлюбил пасынка; естественно, Ньютон отвечал ему тем же. Мальчика отправили жить в дом к бабушке, и он тяжело перенёс разрыв с матерью. Впоследствии Ньютон вспоминал, что в те годы его преследовало навязчивое желание сжечь дом, где жили его родные, вместе со всеми обитателями. Именно тогда начал формироваться замкнутый характер будущего гения.
В школе юный Ньютон поначалу ничем не выделялся. Более того, в сохранившихся отчетах учителей он фигурирует как худший ученик в классе. Однако вне школьных стен он рос смышленым и невероятно любознательным ребенком. Его увлекали механизмы: мальчик мог днями напролет ковыряться в сломанных часах, изучать чертежи мельницы, чтобы затем собрать ее из картона, мастерил воздушных змеев и водяные часы.
Когда будущему ученому исполнилось десять лет, умер его отчим. Произошло долгожданное воссоединение с матерью, а также братом и двумя сводными сестрами. Поскольку дела в школе у Исаака шли из рук вон плохо, мать решила, что будет лучше забрать его домой — помогать по хозяйству. Но непоседливому подростку совершенно не давались фермерские дела, и пользы от него было куда меньше, чем вреда. Поняв, что хозяйство нужно спасать от такого «помощника», семейный совет постановил: Исаака нужно вернуть в школу, пусть хоть образование получит.
И тут произошло маленькое чудо: у Ньютона проснулась бешеная тяга к учебе. По легенде, во время драки с местным хулиганом он получил травму головы, в результате которой его мысли «прочистились», и у Ньютона появилась способность к обучению. Но скорее всего, просто юный Исаак решил победить обидчика не только физически, но и интеллектуально, став лучшим в классе. Способности Ньютона раскрылись настолько ярко, что после школы он успешно сдал экзамены в Кембриджский университет, получив статус «сайзера» (sizar). Студентам с таким статусом разрешалось не платить за обучение — они отрабатывали его, выполняя различные хозяйственные поручения при университете.
Вторая — и самая известная — легенда, связанная с великим физиком, — это «яблоко Ньютона». Сейчас сложно установить, кто именно придумал эту историю. По одной версии, это был биограф Уильям Стьюкли; по другой, Ньютон сам рассказал эту байку своей племяннице Кэтрин, а уже она поделилась ею с мыслителем Вольтером. На самом деле не так уж важно, падало ли яблоко в действительности. Эта история отлично помогает понять, как люди той эпохи воспринимали мир, и почему именно Ньютону удалось открыть закон всемирного тяготения.
Дело в том, что в ту эпоху, во многом благодаря наследию Аристотеля, в науке царили предрассудки. Считалось, что мироздание строго делится на две части: земной («подлунный») несовершенный мир и небеса — обитель Бога [2]. Из этого логично вытекало, что и законы в этих мирах действуют разные. То есть природа силы, притягивающей камень к земле, и силы, удерживающей планеты на орбитах, считалась принципиально различной.
К моменту зрелости Ньютона законы движения планет Кеплера были уже общепризнанными. В университетских кулуарах активно обсуждалась идея о том, что планеты удерживаются на орбитах некой силой, исходящей от Солнца, и что эта сила убывает пропорционально квадрату расстояния [3].
То есть, «плод знания созрел», но яблоко Ньютона еще не упало. Невозможность (или нежелание) современников перешагнуть через метафизику Аристотеля и открыто объединить законы земной физики с небесной механикой можно охарактеризовать известной строчкой: «Стояли звери около двери...»
И Ньютон стал тем, кто эту дверь открыл. Он первым осознал, что падающее с ветки яблоко, вращающаяся вокруг Земли Луна и летящие вокруг Солнца планеты подчиняются одной и той же физике. Доработав механику Галилея, Ньютон сформулировал три классических закона движения, объединил их с законами Кеплера и математически доказал: все тела притягиваются друг к другу в зависимости от их массы, и это притяжение убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.
Здесь стоит подчеркнуть: о самой силе притяжения и о том, что она убывает с квадратом расстояния, догадывались и до Ньютона. Об этом прямо писал упоминавшийся выше Роберт Гук. Но главная, абсолютная заслуга Ньютона состоит в великом синтезе. Он первый объединил падающее земное яблоко с вселенским механизмом, что вращает всё сущее в небесах.

Примечания

[1] Справедливости ради надо заметить, что этика научных взаимоотношений в те времена только зарождалась. Кроме того, отношения между протестантской Англией и континентальной Европой были натянутыми, поэтому конфликт имел еще и политический оттенок. Интересно, что в 1693 году Ньютон написал Лейбницу весьма доброжелательное письмо, намекая, что готов разделить лавры первенства. Конфликт взорвался позже из-за анонимки, написанной Лейбницем (что доказали уже после его смерти: был найден черновик).
И последнее, что хотелось бы отметить в этой истории: от полной нищеты Лейбница спасла только пенсия в 2000 гульденов, которую ему назначил российский император Пётр I.

[2] Аристотель, описывая геоцентрическую систему, называл земной мир «подлунной сферой». Он полагал, что всё внутри нее состоит из четырех стихий (земли, воды, воздуха, огня) и что эти субстанции крайне нестабильны и подвержены распаду. За лунной же сферой начиналось царство идеального эфира и обитель богов — вечная и совершенная Вселенная.

[3] Вероятнее всего, идею о том, что сила притяжения между гравитирующими телами убывает с квадратом расстояния, впервые высказал французский астроном Исмаэль Буйо. В некоторых источниках приводится латинский текст, который может быть связан с этой идеей. Однако в его главном астрономическом труде «Астрономия Филолая» (1645), где он поддержал законы Кеплера, не удалось найти прямую цитату с формулировкой закона обратных квадратов.
Поэтому можно считать, что первое чёткое и достоверно доказанное предположение о том, что сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, высказал Роберт Гук — в 1674 году в мемуаре «Попытка доказательства годичного движения на основе наблюдений».