В «Схватке двух Наблюдателей, начало» было рассказано о совместных усилиях Тихо Браге и Иоганна Кеплера, которые привели к открытию трёх законов небесной кинематики. Они никак не подкрепили гелиоцентрическую модель Коперника, страдавшую, как и модель Птолемея, фундаментальным изъяном – несоответствием ряду эмпирических данных. Но, как мы увидим ниже, послужили ключевым рабочим материалом, обеспечившим переход Наблюдателя с земного на космический уровень.
Однако одних только законов Кеплера не хватило бы, не будь они дополнены законами динамики, открытыми Галилеем. Почему динамики, а не кинематики? Потому что Галилей анализировал уже не просто траектории, а их зависимость от массы тела, отсутствия или действия силы – фактора, побуждающего к движению.
Восхождение Галилея
Реальный личный вклад Галилея 1564-1642 в будущее торжество гелиоцентрической системы принято акцентировать на роли её защитника, пострадавшего от церковных преследований, тогда как он лежал в иной плоскости – в области механики. Не удивительно, Галилей был выдающимся физиком, но не столь блестящим астрономом.
К началу XVII века Галилей уже заработал научный авторитет: во-первых, как талантливый профессор, на лекции которого толпами стремились студенты университета в Падуе, во-вторых, остроумными изобретениями, в-третьих, трактатами «О движении» и «Механика». В его трактат «О движении» вошёл блестящий мысленный эксперимент, опровергший один из базовых постулатов физики Аристотеля, гласивший, что тяжёлые тела падают быстрее:
«Представьте два предмета, один из которых тяжелее другого, соединённых друг с другом верёвкой, и сбросьте эту связку с башни. Если мы предположим, что тяжёлые предметы действительно падают быстрее, чем лёгкие и наоборот, то лёгкий предмет должен будет замедлять падение тяжёлого. Но поскольку рассматриваемая система в целом тяжелее, чем один тяжёлый предмет, то она должна падать быстрее него. Таким образом, мы приходим к противоречию, из которого следует, что изначальное предположение неверно».
Но оглушительная общеевропейская слава пришла к Галилею в XVII веке и была связана, как это ни странно, с астрономией.
Медные трубы
Появление в 1604 сверхновой Кеплера пробудило всеобщий интерес к астрономии, в том числе и у Галилея, что в итоге перевернуло его жизнь.
В целом начало XVII века было выдающимся временем. Начнём с того, что длительное развитие оптики привело к созданию в 1606 в Голландии первых подзорных труб. Событие выдающееся, поскольку впервые за тысячелетия изучения Мира человек получил инструментальное усиление своего оптического канала восприятия, наиболее информационно насыщенного. Обладание «длинной рукой», позволяющей глубже проникать в окружающий мир, не могло не привести к неизбежному прорыву в физике.
В 1608 Ханс Липпершей, производитель очков из Нидерландов, изобрёл телескоп и подал заявку на патент. И хотя ему его не выдали, новость об изобретении распространились по всей Европе. Галилей мгновенно оценил идею направить подзорную трубу в небо. Поскольку физиком он был прекрасным, то опираясь на слухи об изобретении зрительной трубы, он разгадал её устройство и в 1609 изготовил свою личную, приспособив для астрономических наблюдений.
Первый телескоп Галилея имел трёхкратное увеличение. В том же 1609 он добился восьмикратного увеличения, а вскоре 34-кратного. Галилей успешно конвертировал гандикап первоизобретателя в лавры первооткрывателя: за два первых года наблюдений он открыл четыре спутника Юпитера, фазы Венеры (циклическое изменение её освещённости, подобное Луне), пятна на Солнце, вращение Солнца вокруг оси, горы на Луне, и даже измерил их высоту. А ещё увидел, что Млечный Путь фантастически распался на отдельные звёзды.
Свои первые открытия Галилей описал в сочинении «Звёздный вестник», изданном в 1610 в Венеции. Книга имела феерический успех во всей Европе. Заказать себе телескоп спешили даже коронованные особы. Несколько труб Галилей подарил Венецианскому сенату, назначившему его в знак благодарности пожизненным профессором с окладом 1000 флоринов – более 3,5 кг золота.
На Галилея свалилось всеобщее признание – он стал самым известным учёным Европы. В его честь сочиняют оды, в которых сравнивают с Колумбом – параллель очень точная, поскольку, получив в своё распоряжение «длинную руку», Галилей прославился в первую очередь не как исследователь, а как первооткрыватель. Поэтому не случайна обращённая к нему в апреле 1610, незадолго до гибели, просьба французского короля Генриха IV открыть и для него какую-нибудь звезду.
Кеплер подхватил тему
Кеплер был не только выдающимся астрономом и математиком, но и блестящим физиком. С его трудов «Дополнения к Вителлию» в 1604 и «Диоптрика» в 1611, в которых он подробно излагает геометрическую и физиологическую оптику, началась история оптики как науки. Кеплер впервые формулирует общую теорию линз и закон падения освещённости обратно пропорционально квадрату расстояния до источника. Описанный в его трудах физиологический механизм зрения принципиально верен. Кеплер выяснил роль хрусталика и сетчатки, верно описал причины близорукости и дальнозоркости, получил, наконец, возможность количественно оценить эффекты от разных типов линз, наблюдаемые создателями очков в предыдущие триста лет.
В сентябре 1610 Кеплер тоже обзавёлся телескопом. Глубокое понимание оптики позволило ему изложить в «Диоптрике» теоретические основы устройства телескопов и предложить улучшенную версию, известную как телескоп Кеплера. Если Галилей использовал собирающую выпуклую линзу на входе и вогнутую рассеивающую в окуляре, то Кеплер заменил последнюю собирающей линзой. Использование двух выпуклых линз, хотя и даёт перевёрнутое изображение, позволяет добиться большего увеличения. Ещё одно преимущество телескопа Кеплера в том, что в нём имеется действительное промежуточное изображение, в плоскости которого можно помещать измерительную шкалу. К 1640 такие трубы вытеснили менее совершенный телескоп Галилея, и все последующие телескопы-рефракторы – те, которые без зеркал, являются вариациями трубы Кеплера.
Ненаучная деятельность Галилея
Свалившаяся на Галилея слава не способствовала реальной научной деятельности. В 1611 он решил отправиться в Рим, где был принят с почётом и уважением. Он знакомится с Папой Павлом V и влиятельными кардиналами. Демонстрацию им телескопа Галилей сопроводил осмотрительными осторожными пояснениями. Его избрали членом научной «Академии деи Линчеи», основанной в 1603 графом Федерико Чези. Изначально академиков было четверо, Галилей стал шестым. Деи Линчеи послужила интеллектуальным центром итальянской науки.
Галилей проникся астрономией и моделью Коперника, поэтому в ходе длительных периодов пребывания в Риме пытался убедить Папу в её совместимости с Христианством. Но главным препятствием на пути к её признанию была не их несовместимость, а то, что модель была верна только по форме. Её содержание – кинематика – осталось прежним, птолемеевым, что было ахиллесовой пятой. Поэтому в данном конкретном случае назвать Галилея публичным защитником истины сложно.
Продолжение доминирования сторонников модели Птолемея не должно удивлять. Их правоту подтверждали всё те же объективные эмпирические факторы: ощущения огромного размера и неподвижности Земли, отсутствие звёздных параллаксов, быстро накапливаемые при расчётах в рамках гелиоцентрической модели погрешности. Силу объективных факторов поддерживали субъективные – присущий человеку консерватизм и административный ресурс церкви, игравшие за сторонников модели Птолемея. Католическая церковь сама навязала социуму формат взаимодействия – власть де-факто от папы, а не от Бога, не позволявший ей оставаться над схваткой, в стороне от социальных полемик, что, в конце концов, стало её слабостью.
Галилей, не страдавший от недостатка самомнения ещё до момента, когда поймал звезду славы, освоившись в Риме, осмелел и активизировал продвижение модели Коперника, чем спровоцировал доносы в инквизицию. Рост его влияния, независимость, резкая оппозиционность к физике Аристотеля способствовали формированию из числа её сторонников круга его активных противников.
В 1613 Галилей выпустил книгу «Письма о солнечных пятнах», в которой акцентированно отстаивал систему Коперника. Он был столь настойчив, что лишил римскую инквизицию возможности не заметить его активность: в 1615 она завела против него первое дело по обвинению в ереси. И каплей, переполнившей чашу терпения, стала даже не сама книга, а призыв к церкви публично высказать отношение к модели Коперника.
Попытка Галилея использовать славу и популярность, чтобы привлечь на свою сторону административный ресурс церкви при явном дефиците аргументов, была авантюрой. И она провалилась: церковь, как и призывал Галилей, публично высказалась, что не возражает против модели Коперника, как удобного математического приёма, но не принимает её в качестве описания реальности. А своей настойчивостью Галилей добился обратной реакции: в феврале 1616 одиннадцать экспертов инквизиции официально отнесли гелиоцентризм, на который до этого закрывали глаза, к опасным ересям и инициировали декрет о его запрете.
Церковь постаралась максимально мягко выйти из навязанного Галилеем конфликта. Кардинал-инквизитор Беллармино пригласил Галилея и заверил, что лично ему ничего не грозит, однако предупредил, что впредь поддержку ереси следует прекратить. А в марте 1616 Галилей в знак примирения и уважения был удостоен 45-минутной прогулки с Папой.
Пограничный физик
После 1616 Галилей на несколько лет сосредоточился главным образом на критике физики Аристотеля. В 1623 вышла его книга «Пробирных дел мастер», в которой он в форме направленного против иезуитов памфлета остроумно аргументировал научный метод, положенный в основание новой эмпирической физики. Однако сам он при этом не преминул выступить в духе Аристотеля: изложил свою теорию комет, согласно которой они – не космические тела, а оптические явления в атмосфере Земли. Позиция иезуитов была ближе к истине: кометы – внеземные объекты.
Ошибка с природой комет – зеркало двойственности Галилея. Там, где добыть эмпирические данные, проявив сноровку ума, было относительно просто, Галилей проявлял недюжинные способности физика нового поколения. Там, где данных хронически не хватало, или же их получение требовало длительного и упорного труда, Галилей не смирял гордыню, сторонясь необоснованных выводов, а сходу применял главный метод критикуемой им физики Аристотеля – умозрительный переход от единичных наблюдений к обобщениям.
Напомним, что так же, из чисто умозрительных соображений, Галилей категорически отверг эмпирические эллипсы Кеплера – его первый закон, опубликованный в 1609. Всё потому что он разделял господствовавшие тогда эмпирически непроверяемые представления о шарообразном замкнутом мире. В нём абсурдно предполагать, что траектория вечно движущегося по инерции тела может быть прямой, поэтому бесконечное инерциальное движение небесных тел может происходить только по идеальной круговой траектории. Логично, но неверно. Очевидно, что попадая в состоянии невозможности или сложности эмпирической проверки гипотез, Галилей мгновенно становился Аристотелем, вещающим умозрительные «истины», даже если они противоречили эмпирическим данным, как это было в случае с первым законом Кеплера.
В 1623 очередным Папой под именем Урбан VIII был избран давний знакомый и друг Галилея. Он хвалил книгу «Пробирных дел мастер» и запретил иезуитам продолжать полемику с Галилеем, однако отказал ему в просьбе отменить эдикт о гелиоцентризме, что нанесло бы удар по статусу инквизиции.
В 1624 Галилей опубликовал работу «Письма к Инголи». В ней он дал расширительное толкование принципа относительности – речь шла уже не просто об относительности движения, а о равноправии инерциальных систем отсчёта: равномерное движение в любой точке Земли не меняет результатов опытов. Также он заявил, что Луна и планеты притягивают находящиеся на них тела подобно Земле. В сумме эти утверждения были очень близки к полному обобщению на весь наблюдаемый мир утверждения о всеобщей универсальности результатов физических опытов, следовательно, и законов физики.
Очередной рецидив ненаучной деятельности
В 1632 вышла в свет книга «Диалог о двух главнейших системах мира», написанная в форме диалога трёх персонажей. В одном из них, приверженце системы Птолемея Симпличио, что по-итальянски означает «простачок», узнал себя и свои аргументы Урбан VIII. Папа иронию не оценил и пришёл в ярость.
Галилея, невзирая на эпидемию чумы, вызвали в Рим на суд инквизиции. Попал он туда отнюдь не из-за неодолимой силы излагаемых им в пользу геоцентризма аргументов, а из-за скатывания в формат ёрничанья и сатиры на недозволенном ему уровне. «Звезда», которую поймал Галилей, сыграла с ним злую шутку, лишив понимания границ допустимого в отношении сильных мира сего. Де-факто его судили за публичное покушение на репутацию верховного католического иерарха. Галилей пробыл в заключении считанные дни, но их хватило, чтобы основательно испугать его, в том числе заставить отречься от «ереси».
Заключительный всплеск научной деятельности
Репрессии за столь серьёзный для Средних веков демарш в целом были ничтожными. К тому же, лишив Галилея возможности публичной фронды, церковь не лишила его возможности работать, что в очередной раз пошло ему на пользу. Остаток жизни Галилей провёл окружённый заботой близких в условиях весьма умеренных ограничений, ненавязчиво контролируемых инквизицией. Столь ненавязчиво, что в мае 1636 Галилей провёл переговоры об издании в Голландии своего труда «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению» и затем тайно переправил туда рукопись.
Ограниченный в возможности ёрничать по-крупному, Галилей продолжил делать это по мелочи. «Беседы», заложившие основы сопротивления материалов и динамики, были написаны в формате диалогов тех же трёх персонажей, что и запрещённые «Диалоги», включая простачка Симпличио. Они вышли в 1638 и уже в 1639 попали в Италию, но не вызвали никакой реакции Урбана VIII – у него не было оснований узнавать себя в беседах на незнакомые ему темы.
Галилей умер в январе 1642, на 78-м году жизни, окружённый заботой.
Вклад Галилея в прорыв на уровень космического Наблюдателя
Несмотря на огромную энергию, растраченную на фронду, вклад Галилея в механику, способствовавший будущему торжеству гелиоцентрической модели, был ощутимым и важным.
Он сформулировал почти в законченном виде принцип относительности – об универсальном характере физических законов во всех инерциальных системах отсчёта. Оставалось уверенно обобщить его на весь наблюдаемый Мир.
Галилей опроверг два фундаментальных постулата физики Аристотеля. Первый: движение происходит, пока действует «побудительная причина», читай сила, и в её отсутствие прекращается. Он установил, что равномерное движение по инерции, в отсутствии силы, не прерывается. Второй постулат: скорость падения пропорциональна весу тела. Опыты Галилея позволили установить, что ускорение свободного падения не зависит от веса тела.
В «Беседах», своей последней книге, Галилей правильно описал законы падения – скорость нарастает пропорционально времени, а путь – пропорционально квадрату времени. В их поисках Галилей отказался от умозрительного метода Аристотеля в пользу аналитической интерпретации эмпирических данных. Неординарность его достижения подчёркивает отсутствие в то время хронометров и секундомеров. Галилей измерял промежутки времени водяными часами – открывая и закрывая краник в начале и конце интервала. «Мои секунды мокрые, но зато их можно взвешивать», – говорил он.
Там же в «Беседах» Галилей решил и задачу падения тела с отличной от нуля начальной горизонтальной скоростью. Он разложил его движение на горизонтальное – в отсутствии силы, как следствие, равномерное инерциальное, и вертикальное – под действием силы тяжести, следовательно, равноускоренное. В итоге доказал, что независимо от угла, под которым тело брошено к горизонту, оно всегда летит по параболе. Это была первая решённая задача динамики, дополнившая фактически открытый им первый закон динамики – инерциальное движение в отсутствии сил.
Не будь публичная жизнь Галилея столь бурной, ему, возможно, хватило бы времени и энергии, дабы понять, что при эксцентриситете эллипса близком к единице, его форма в области афелия с высокой точностью совпадает с параболой. Именно в афелии такого эллипса, с эксцентриситетом близким к единице, движется тело, брошенное возле поверхности Земли, поэтому его траектория и воспринимается как параболическая. Тогда камень, мысленно бросаемый Галилеем параллельно земле со всё возрастающей скоростью, не улетал бы в итоге от неё в бесконечность по параболе, а огибал бы Землю по окружности – эллипсу идеальной формы. Но при дефиците сил и времени куда проще было проигнорировать эмпирические эллипсы Браге-Кеплера.
Диспозиция после Галилея
В полемике со сторонниками геоцентризма Галилей отстаивал не истину, а одну из двух неполных моделей, поскольку слабые стороны гелиоцентрической модели никуда не делись. И его аналитические труды, как и труды Браге-Кеплера, ничем не усилили её основания, но сыграли в будущем.
Из-за проявившейся слабости обеих систем, и геоцентрической, и гелиоцентрической, в XVII веке наблюдалась модельная турбулентность. Как компромисс, к середине века стала популярной гео-гелиоцентрическая модель Тихо Браге. К ней могли добавлять и вращение Земли, и эллиптические орбиты Кеплера. Многообразие было свидетельством всеобщей модельной слабости вблизи от истины – она была рядом, но уловить её никак не удавалось.
Дополнительные факторы прорыва
Хотя истина ускользала, прорыв, очевидно, назревал. В числе прочих ему поспособствовал административный фактор: учреждение в 1662 Карлом II академии наук – «Лондонского королевского общества по развитию знаний о природе». Оно повысило информационную связность научного сообщества и обеспечило ему государственную финансовую поддержку.
Королевское общество продолжило положительный опыт Академии деи Линчеи, основанной, напомним, в 1603 графом Чези, избежав её недостатков. Во-первых, был снижен порог элитарности. Во-вторых, частное финансирование, которое оказалось ахиллесовой пятой деи Линчеи, сменило государственное. После смерти в 1630 графа Чези деятельность деи Линчеи постепенно сошла на нет – последняя книга её трудов вышла в свет в 1651, в том же году Академия прекратила существование. Государственное финансирование, несомненно, повысило устойчивость Королевского общества.
Неадминистративным фактором, способствовавшим прорыву, стал новый уровень развития математики – создание рабочего варианта дифференциального и интегрального исчисления, в чём преуспели Ньютон и Лейбниц. Их взаимодействие, если охарактеризовать его одной фразой, – это история о том, как один гений заставил другого придать гласности полученные им результаты.
Первое открытие матанализа – Ньютон, 1642-1727
В середине XVII века идеи системного анализа бесконечно малых витали в воздухе в ожидании, кто их алгоритмизирует в удобный для исследований математический аппарат. Поэтому Ньютону и Лейбницу было на кого опереться.
У Ньютона, кроме опоры на результаты Ферма, имелись более близкие источники базовых идей: английские математики Джон Валлис и Исаак Барроу, шотландский – Джеймс Грегори. Далее всех продвинулся Барроу, которого порой считают основоположником матанализа. Ньютону крайне повезло, что в 1664 Барроу начал чтение лекций по математике в кембриджском Тринити-колледже. Вскоре он стал не только его учителем, но и другом.
Увлёкшись математикой, Ньютон довольно быстро открыл биномиальное разложение для произвольного рационального показателя степени, в том числе и отрицательного, а опираясь на него, нашёл разложение функций в бесконечный ряд. Вскоре Ньютон довёл до состояния рабочего инструмента дифференциальное и интегральное исчисление, названное им методом флюксий. Однако он не торопился ни с кем им делиться, ограничившись полунамёками.
По официальной версии Ньютон не хотел публиковать его, дабы избежать споров и критики. На самом деле причина была иной – он был заинтересован в поддержании значимого гандикапа относительно других физиков. Отказываясь от публикации, Ньютон сохранял монополию на мощный инструмент анализа. Осознав, что с таким инструментом он близок к созданию объединённой картины мира, Ньютон гарантировал свои приоритеты, тормозя остальных.
Второе открытие матанализа – Лейбниц, 1646-1716
В размеренные планы Ньютона спокойно наслаждаться монополией, вмешался разносторонний гений Лейбница. Воспитанный в семье профессора философии и этики Лейпцигского университета, Лейбниц планировал заниматься философией, правом, логикой, в чём и преуспел. Но круг его интересов оказался гораздо шире, и матанализ попал в него. Нашлось в нём место и изобретениям. В том числе арифмометру уникальной конструкции, выполнявшему, помимо умножения и деления, возведение в степень и извлечение квадратных и кубических корней. С него всё и началось.
Демонстрация арифмометра в 1673 в Лондоне на заседании Королевского общества привела к избранию Лейбница его членом. От секретаря Общества Ольденбурга ему стало известно о работе Ньютона по теории бесконечных рядов и создании анализа бесконечно малых. Информация настолько заинтересовала Лейбница, что уже к 1675, пребывая на службе у Майнцского курфюрста, Лейбниц завершил черновой вариант математического анализа. А что ему было делать? Ждать пока Ньютон закончит свои открытия в физике и начнёт публиковать достижения в матанализе?
Подход Лейбница существенно отличался от ньютоновского. Если Ньютон создал наглядную физичную версию математического анализа – более кинематическую и геометрическую, то Лейбниц создал вариант более удобный для операций с формальной логикой. Кто на чём воспитывался, у того то и вышло.
Временное затишье
Лейбниц, как и Ньютон, поначалу не спешил с публикацией.
В 1676 они обменялись письмами с полунамёками о достижениях, в которых Лейбниц, в отличие от Ньютона, приоткрыл основания своего подхода.
В ноябре 1676 Коллинз, подозревая «недоброе», в переписке с Ньютоном безуспешно пытался убедить его опубликовать труды по матанализу. В ответ Ньютон уверил его в превосходстве своего метода над изобретённым Лейбницем.
В том же 1676 Генри Ольденбург, секретарь Королевского общества, столь же настойчиво просил Ньютона опубликовать во славу Англии свои математические открытия по анализу. Но Ньютон ответил, что уже пять лет занимается другой темой и отвлекаться не намерен.
Карьера криптоучёного
Ещё в 1666 Роберт Гук высказал догадку, что траектории планет являются суперпозицией инерциального движения по касательной к орбите и падения на Солнце как тяготеющий центр. Тем самым он был первым, кто разложил траекторию планеты подобно тому, как Галилей сделал это для тела, падающего на поверхность Земли. Сразу после этого в 1666-1667 Ньютон, судя по его записям, установил, что «стремление планет к Солнцу обратно пропорционально квадратам их расстояний от него». Но никому о великом открытии не сообщил, начав карьеру великого криптоучёного.
В 1680 в январском письме к Ньютону Гук, опираясь на анализ законов Кеплера, тоже ясно сформулировал закон обратных квадратов для силы тяготения в случае круговых орбит. Более того, выдвинул предположение, что эллиптическая форма орбит – его прямое следствие в более общем случае. Гук предложил Ньютону, как владеющему соответствующим математическим аппаратом, строго обосновать закон обратных квадратов для эллиптических орбит. Ньютон, которому тогда шёл тридцать восьмой год, отписался, что слишком стар для занятий подобной геометрией, после чего оборвал переписку. Впоследствии, как это полагается криптоучёному, утверждал, что сделал открытие раньше, независимо от Гука, но никому о нём не сообщал.
Достижения Гука по достоинству оценил С.И.Вавилов:
«Если связать в одно все предположения и мысли Гука о движении планет и тяготении, высказанные им в течение почти 20 лет, то мы встретим почти все главные выводы «Начал» Ньютона, только высказанные в неуверенной и мало доказательной форме. Не решая задачи, Гук нашёл её ответ. Вместе с тем перед нами вовсе не случайно брошенная мысль, но несомненно плод долголетней работы. У Гука была гениальная догадка физика-экспериментатора, прозревающего в лабиринте фактов истинные соотношения и законы природы. С подобной редкостной интуицией экспериментатора мы встречаемся в истории науки ещё у Фарадея, но Гук и Фарадей не были математиками. Их дело было довершено Ньютоном и Максвеллом».
«Гук нашёл ответ, не решая задачи», поскольку не владел необходимым математическим аппаратом. Под таким напором, как с его стороны, у Ньютона были все основания секретить «метод флюксий», чтобы единолично продвинуться как можно дальше по стезе открытий, сохраняя приоритет.
В 1682 с письмом к Ньютону обратился Эдмонд Галлей, предложив опубликовать научную работу по «общей теории движения». Ньютон привычно ответил отказом, аргументируя, что его более интересуют практические исследования, чем написание научных талмудов. Что характерно, не покривил душой: в это время он, не отрываясь, занимался алхимическими опытами. Зафиксировав записками в стол приоритеты на начала матанализа, законы динамики и тяготения, Ньютон, похоже, озаботился приоритетом в поиске «философского камня».
В 1684 Эдмонд Галлей в свою очередь вывел из третьего закона Кеплера, что в случае круговых орбит сила, управляющая движением планет, обратно пропорциональна квадрату их расстояния от Солнца. Однако в обобщении на эллиптические орбиты застопорился, также как Гук.
Утрата монополии
В августе 1684 Галлей посетил Кембридж и сообщил Ньютону, что совместно с Кристофером Реном и Робертом Гуком обсуждает задачу, как из закона тяготения вывести эллиптичность планетарных орбит, однако они пока не видят, как подступиться к решению. Ньютон привычно сообщил, что у него такое решение есть. Непривычно то, что он не ограничился сообщением и вскоре прислал решение.
Ознакомившись, Галлей оценил его значение. В ноябре он повторно навестил Ньютона и сумел, что непривычно, уговорить его опубликовать результаты. В чём причина столь резкой смены парадигмы? Неужели в обаянии Галлея? Конечно, нет. Групповой интерес неординарных учёных существенно повышал риски стратегии «хранить открытия в столе», тем более что они уже витали в воздухе.
Для Ньютона главным итогом приезда Галлея стало появление в протоколах Королевского общества записи от 10 декабря: «Господин Галлей… недавно видел в Кембридже м-ра Ньютона, и тот показал ему интересный трактат «О движении». Согласно желанию г-на Галлея, Ньютон обещал послать упомянутый трактат в Общество». Осознав, что дальше тянуть опасно, Ньютон приступил к написанию фундаментального труда «Математические начала натуральной философии». А очерк «О движении» стал на это время охранной грамотой его приоритетов.
Работа над «Началами» заняла два года 1684-1686. На первых порах она продвигалась ни шатко, ни валко. По воспоминаниям помощника Ньютон сначала писал главную книгу своей жизни в перерывах между алхимическими опытами. Но впоследствии резко ускорился, и тому была причина.
Размеренный ход его жизни разрушила публикация в журнале «Деяния учёных» заметки Лейбница по основам дифференциального исчисления. Случилось это в октябре 1684. Журнал, поскольку начал издаваться только в 1682, ещё не вошёл в круг основных изданий, вследствие чего его путь из Лейпцига в Кембридж занял почти год.
Ознакомившись с публикацией, Ньютон явственно осознал угрозу – его «метод флюксий» и «дифференциальное исчисление» Лейбница излагали одну и ту же математическую идею. Это означало, что монополия на инструмент удивительной силы разрушена. Анализ другими физиками, опираясь на него, земной и планетарной динамики стал вопросом самого короткого времени.
У Ньютона подгорело
Лейбниц так характеризовал практическую полезность и простоту нового инструмента: «То, что человек, сведущий в этом исчислении, может получить прямо в трёх строках, другие учёнейшие мужи принуждены были искать, следуя сложными обходными путями».
Из найденных Галилеем закономерностей падения тел на поверхность Земли прямо следует второй основной закон динамики. Его применение к небесным телам позволяло связать, приложив аппарат матанализа, закон обратных квадратов для силы тяготения с эллиптической формой орбит, а это является фундаментальным эмпирическим обоснованием и законов динамики, и закона всемирного тяготения. Тот же Гук, после элементарных практик с новым математическим инструментом, вполне мог проделать эти манипуляции и без Ньютона. Конечно, никто из физиков не сумел бы быстро сваять полную связную картину, как в «Началах» Ньютона, но быстро проработать её важнейшие фрагменты — легко, например, визуализировать давно мучавшую Гука связь. После этого «Начала» превратились бы из прорыва в компиляцию уже установленных ключевых закономерностей, а приоритеты Ньютона катастрофически померкли бы.
Похоже, что аппарат анализа бесконечно малых, приложенный к связке «найденные Галилеем закономерности падения тел + закон обратных квадратов для силы тяготения, проглядывавшийся в трудах Кеплера», и был тем самым мифическим «яблоком», упавшим на голову Ньютона.
После падения (усилиями Лейбница в 1684-1685) анализа бесконечно малых на головы остальных учёных у Ньютона подгорело, причём настолько конкретно, что любовь к практическим опытам мгновенно сменилась влечением к написанию талмудов. Ну, изменился неожиданно человек, бывает. Со стороны помощника Ньютона метаморфоза выглядела следующим образом: если сначала Ньютон писал «Начала» в перерывах между алхимическими опытами, которым уделял основное внимание, то затем с воодушевлением посвятил себя исключительно работе над главной книгой своей жизни – увлёкся, то есть. А как здесь не увлечёшься после столь откровенного «демарша» Лейбница?
Таков жестокий мир учёных, меняющих своим бескомпромиссным давлением жизненную траекторию гения. У Ньютона были все основания невзлюбить Лейбница так же, как он невзлюбил Гука. Своим острым умом они постоянно ставили под угрозу его приоритеты и жизненные планы. Но нам остаётся только благодарить их за дополнительный импульс процессу познания.
Окончание схватки двух Наблюдателей
Ускоренный Лейбницем Ньютон закончил «Математические начала натуральной философии» в 1686. Издание планировалось осуществить за счёт Королевского общества, но оно потратило свой бюджет на четырёхтомный трактат Уиллоби по истории рыб, оставшийся без спроса. «Начала» издал на собственные деньги Галлей, бесплатно получив от Общества 50 экземпляров трактата по истории рыб в качестве компенсации. Все три тома «Начал» вышли в свет 5 июля 1687. Тираж около 300 экземпляров был распродан за четыре года, что в то время для научных книг было очень быстро.
Выход «Математических начал натуральной философии» ознаменовал создание новой картины мира сразу в завершённом непротиворечивом виде. В ней математически строгая динамическая модель из трёх законов механики (аксиома), приложенная к закону всемирного тяготения (тоже аксиома), превратила эмпирические законы Кеплера в следствие, подтверждающее исходную аксиоматику.
Работа была, безусловно, выдающаяся. Мощь «Начал» в сведении массы разрозненных наблюдений, открытий, законов, решённых физических задач в единую физическую картину мира. Прилагаемый к ней аппарат матанализа дал в руки человека уникальные возможности анализа и прогнозирования поведения любых механических систем.
Расчёты в представленной Ньютоном модели Мира достигли невиданной доселе точности, в том числе позволили открывать планеты на кончике пера. Поэтому она сразу нашла всеобщее признание, несмотря на ненаблюдаемые звёздные параллаксы. С 1699 началось её преподавание в Кембридже, с 1704 – в Оксфорде.
Ньютон отслужил панихиду по геоцентрической системе во всех её формах. Как, впрочем, и по системе Коперника, поскольку утвердившаяся модель оказалась не совсем гелиоцентрической. Вернее, совсем не гелиоцентрической: Солнце в ней не покоится, а движется, подчиняясь общим законам, – тем же, что и остальные небесные тела. Солнечная система предстала объектом из счётного числа тел, тяготеющих к общему центру масс, и Ньютон не поленился дать оценку отклонения Солнца от него. Из-за превалирующего вклада Солнца в массу системы ~99,9%, модель близка к гелиоцентрической, по меньшей мере, таковой её можно рассматривать во многих приложениях.
В «Началах» Ньютон на кончике пера окончательно вытащил земного Наблюдателя на уровень космического, предоставив возможность наблюдать и исследовать мир далеко вне пределов Земли, не покидая её:
Разрешение проблемы параллаксов
После торжества закона всемирного тяготения астрономы продолжили упорно искать звёздные параллаксы, которых не могло не быть. Они прятались почти полтора столетия, что вызывало фрустрации. Причиной неудач была чрезвычайная удалённость звёзд – ближайшая из них Альфа Центавра находится в 4,36 св. лет от Земли, что соответствует параллаксу р=0,747″. Непросто обнаружить угловое смещение звезды, если его суточный максимум достигает лишь 0,013″ или ~1/300 000 гр/сутки.
Первым вывели из тени параллакс Веги. В 1837 в Дерптской обсерватории его измерил Василий Яковлевич [Фридрих Вильгельм] Струве р=0,125″. Как оказалось очень точно, поскольку истинное значение р=0,128″. К сожалению, результат был смазан повторным измерением, в котором Струве при обработке данных ошибся вдвое.
В 1838 в обсерватории Кёнигсберга немецкий астроном и математик Фридрих Бессель измерил параллакс звезды 61 Лебедя р=0,314″, истинное значение р=0,286″.
В том же 1838 английский астроном Томас Хендерсон в обсерватории на Мысе Доброй Надежды измерил параллакс ближайшей к нам звезды Альфа Центавра р=1,16″, истинное значение р=0,747″.
Первые результаты, несмотря на низкую точность, были столь выдающимся прорывом, что английский астроном Джон Гершель так прокомментировал их: «Стена, мешавшая нашему проникновению в звёздную Вселенную, была почти одновременно пробита в трёх местах».
С внедрением в начале XX века фотографического метода точность измерений повысилась до 0,01″. Поднаторев в определении параллакса, астрономы в 1913 определили через него несистемную единицу измерения расстояний – «парсек», сокращение от «параллакс» и «секунда», активно используемую в астрономии и астрофизике. Один парсек – расстояние до воображаемой звезды, параллакс которой равен одной секунде р=1″. Один парсек ≈ 3,26 световых лет.
Измерение параллакса позволило определять расстояние l до близких звёзд: выраженное в парсеках, оно связано с параллаксом формулой l=1/p.
Позже расстояние до звёзд научились измерять через красное смещение их спектра. Поэтому стала актуальной обратная формула p =1/l, дающая возможность вычислять ничтожно малые параллаксы.
На этом повествование о выходе земного Наблюдателя на уровень космического можно считать законченным. Далее два коротких, связанных с ним, но необязательных послесловия.
Послесловие 1: тиражирование продуктивной технологии
Технологию ускорения познания скопировал с «Академии деи Линчеи» не только Карл II.
Через четыре года, в 1666, Людовик XIV по предложению первого министра Жан-Батиста Кольбера, третьего в ряду его великих первых министров Ришелье-Мазарини-Кольбер, учредил Парижскую (Французскую) академию наук.
В 1700 Лейбниц, действуя через Софию Шарлотту Ганноверскую, с которой был дружен, сподвиг её супруга Фридриха I, короля Пруссии 1701-1713, основать Прусскую академию наук. Он стал её первым бессменным президентом вплоть до своей смерти в 1716. Научная репутация общества долгое время была низкой, во многом из-за скудного финансирования. Академия просуществовала до 1945. На её базе в 1946 была открыта Академия наук ГДР.
Активные контакты Петра I с Ганноверской династией, которой Лейбниц служил с 1676 до своей кончины, имели следствием регулярное общение царя с Лейбницем. Во многом его влияние привело к учреждению в 1724 Императорской академии наук в Санкт-Петербурге.
В XVIII веке были учреждены в 1739 Шведская королевская академия наук, в 1790 Чешское королевское научное общество. Остальные академии получили своё начало в XIX веке и позже.
Послесловие 2: ренессанс Галилея в фундаментальной физике
Внимательный читатель мог заметить, что Галилей, яростно выступавший против физики Аристотеля, постоянно использовал его главный метод умозрительного анализа. Следует признать, что некоторые умозрительные «опыты» Галилея вели к истине, но только самые элементарные и изящные. Тогда как все умозрительные суждения о сложных системах и процессах оказались провальными. Тому свидетельством объяснение комет оптической иллюзией или круговых орбит небесных тел тем, что такие траектории являются их естественным свойством, необходимым «для поддержания наилучшего расположения и совершенного порядка частей Вселенной».
То, что Галилей, критикуя Аристотеля, постоянно скатывался к его методу, естественно. Иного и быть не могло: в то время физики, оперировавшие в условиях расширяющихся, но всё ещё сильных ограничений эмпирических возможностей, просто были вынуждены активно прибегать к нему.
Но если Галилей двигался от Аристотеля к эмпирическому анализу, то в современной физике запущен обратный процесс. В тех областях бытия, в которые массово устремились физики, поскольку именно в них им видятся дальнейшие фундаментальные прорывы, они оказались эмпирически бессильны. Больно ударившись о неожиданно возникшее ограничение возможностей проникать вглубь материи, времени и Вселенной, они развернулись в обратном направлении – от эмпирической к Аристотелевой физике. То, что эмпирическое бессилие мгновенно рождает рецидивы Аристотеля, процесс объективный: для физика эмпирическое бессилие сродни развитию слепоты, а лишённому физического зрения, остаётся только умозреть.
Но с позиций победившей эмпирической физики возврат к Аристотелю должен сопровождаться останавливающим возгласом: «Фу, какие вы». В своё время им награждали сторонников Аристотеля и Птолемея, травили и продолжают травить носителей теологической картины Мира. Поэтому «новые старые физики», пытаясь избежать неприятного окрика, лакируют вынужденный возврат к прошлому ссылкой на использование мощного и сверхсложного математического аппарата – уж он-то точно «объективен», Ньютон не даст соврать.
Сложилась ситуация, когда за бессилие экспериментальной базы отдувается математический аппарат. В отсутствии физической лабораторной базы, адекватной решаемым задачам, его из инструмента исследований переквалифицировали в «математическую лабораторию». Но поскольку «математическая лаборатория» – сущность столь же умозрительная, как и любой математический инструмент, то опирание на неё суждений, аналогий, моделей не увеличивает их достоверность. Вот почему с началом использования «нового старого метода» огромным числом плодятся иллюзорные по содержанию модели – прямое следствие многовариантности базовой аксиоматики при исчезновении инструментов её тестирования.
Умозрительный выбор аксиоматики ведёт новых физиков к не менее умозрительным и непроверяемым Вселенным. Так и хочется воскликнуть: «не верю!». И добавить: «А король-то – голый!» Так оно и есть, поскольку от эмпирической физики, сдерживавшей полёты разума «одеждами» физической реальности, мы вернулись к демонстрации ничем не ограниченных фантастических полётов голого разума. Постепенно погружаясь в сей захватывающий процесс, «новые старые физики» продолжают называть его наукой, хотя четыре столетия убеждали себя и других, что к науке он не имеет никакого отношения. Убеждали с полным на то основанием, поскольку поставленный в прошлом длительный социальный эксперимент показал, что из тысяч умозрительных физических моделей верными оказались единицы, и то лишь по форме, а не по содержанию.
А пока что Галилей, как символ симбиоза эмпирической физики и физики Аристотеля, в котором изощрённой физики Аристотеля становится всё больше, рулит в полную мощь, и остановить процесс невозможно. Может нам нужны новые основания науки? Только честные. Но тогда придётся пересмотреть отношение к интуиции и к религии, и даже к Гегелю. Непросто это.
Оставить комментарий: