В которой мы узнаем больше о гении Исаака Ньютона и поймем, почему его физика стала маяком человеческой мысли во тьме непознанного

Галилей умер в 1642 году – в год рождения Ньютона. Великий итальянец не ограничивался в своей работе только астрономией. Он потрясал основы Аристотелевой физики и на Земле, показывая, к удивлению многочисленных читателей и ярости святых отцов, что внешность действительно бывает обманчива. Самое блестящее открытие Галилея касается природы тяготения. Даже сегодня, когда я читаю лекции, посвященные этой теме, и показываю, насколько неверными могут быть наши интуитивные представления, я вижу удивление и зачастую даже неверие на лице своих студентов. Как писал Аристотель и как подсказывают нам органы чувств, все объекты в мире стремятся к своему «месту в природе». «Места в природе» организованы в соответствии с иерархией четырех стихий. Они располагаются вертикально снизу вверх в такой последовательности: земля, вода, огонь и воздух. Это кажется совершенно логичным, ведь мы знаем, что, если подбросить камень в воздух (или бросить его в огонь или воду), он упадет вниз, а если разжечь костер, то языки пламени будут стремиться вверх. Из этого эксперимента можно сделать вывод, что чем тяжелее предмет, тем быстрее он упадет. Соответственно, гравитация должна каким‑то образом учитывать состав предмета. Почему бы и нет, если перо действительно падает на землю куда медленнее булыжника?

Проведя ряд потрясающих экспериментов, Галилей доказал, что ни Аристотель, ни наша интуиция не правы. Все предметы, вне зависимости от их веса, формы или состава, падают вниз с одной и той же скоростью. Различия могут объясняться лишь сопротивлением воздуха или разницей во времени броска. Если точнее, можно сказать, что все предметы, вне зависимости от их массы, в вакууме падают с одинаковой скоростью (хотя для того, чтобы объяснить разницу между весом и массой, необходимо было дождаться прихода Ньютона). Галилей описал кинематические характеристики свободного падения, измерив его скорость для различных объектов. Для осуществления таких измерений он придумал блестящий эксперимент – наблюдение за шарами, скатывающимися по наклонной поверхности. При этом он мог варьировать угол наклона, контролируя тем самым их скорость и рассчитывая время движения шара даже в отсутствие часов (которые к тому моменту еще не изобрели). Для измерения времени он использовал собственный пульс, музыку (так как все люди известны своей способностью чувствовать ритм) и даже воду, капающую в ведро. Чтобы убедиться, что в гроб Аристотеля загнано уже достаточно гвоздей, Галилей провел еще два опыта. В рамках одного из них, самого известного, он сбросил деревянный и свинцовый шары с верхушки Пизанской башни. Несмотря на разницу в весе, оба шара коснулись земли практически одновременно.[41]

Еще один эксперимент с падением предметов был проведен ранее, в 1602 году, во время мессы в Пизанском соборе, когда внимание Галилея привлек прислуживающий в алтаре мальчик, зажигавший свечи на большой люстре. Галилей заметил, что после того, как мальчик отпускал люстру, она некоторое время раскачивалась вперед и назад. К его удивлению, даже при уменьшении амплитуды время между полными колебаниями (период осцилляции) оставалось примерно одинаковым (на самом деле это верно лишь для колебаний с небольшой амплитудой). Позднее Галилей доказал, что время колебаний не зависело от массы объекта: при старте из одного и того же положения (то есть под одним и тем же углом к перпендикуляру) и легкие и тяжелые предметы колебались с одинаковой скоростью. Для колебаний с небольшой амплитудой время определяется лишь длиной подвеса и местным значением силы притяжения (которое в экспериментах Галилея оставалось неизменным).

Учитывая, что движение маятника представляет собой, по сути, контролируемое падение, тот факт, что маятники с разным весом имели равное время колебания, соответствовал данным эксперимента с шарами, движущимися по наклонной плоскости или сброшенными с Пизанской башни. Итак, свободное падение – это демократичное явление, ведь в нем все массы равны. Различия, которые мы будем наблюдать, если одновременно сбросим с высоты 10 футов перо и кадиллак, объясняются исключительно сопротивлением воздуха. В конце своей прогулки по Луне командир корабля «Аполло‑15» Дэвид Скотт одновременно выпустил из рук перо и молоток, чтобы провести опыт Галилея в вакууме. Видео, снятое во время этого эксперимента, поражает воображение и кажется совершенной магией, хотя и не должно удивлять тех, кому известно об открытиях Галилея.[42] Единственное волшебство здесь заключается в отсутствии всякого волшебства.

Пока Кеплер формулировал первые математические законы, описывающие орбиты небесных тел, Галилей работал над выведением законов, регулирующих движения более близких к Земле объектов. Природа стала подвластной рациональному объяснению через математические формулы и собранные данные. И Кеплер, и Галилей сумели сформулировать то, что мы сегодня называем эмпирическими законами природы, после проведения экспериментов и тщательного анализа данных. Помимо всего прочего, их история учит нас, что для открытия математических законов Природы крайне важна экспериментальная точность (подумайте о Кеплере с его отклонением 8 угловых минут и о Галилее с его замерами времени при свободном падении). Естественным наукам необходимы методы, включающие в себя как математические уравнения, так и точные приборы. Одно значение измерений – это всего лишь число, но вот ряд значений может указывать на тенденцию. Задача ученого – понять смысл этой тенденции, изучить вероятные закономерности и выразить их в терминах математических законов, применимых к аналогичным системам. Законы Кеплера работают для всех объектов, движущихся по орбитам, будь то в Солнечной или иной звездной системе (если только гравитация в ней не слишком сильна), а результаты экспериментов Галилея со свободным падением применимы для всех (постоянных) гравитационных полей.

Ньютон стал для науки великим объединителем, связав физику Земли с законами небес. Своим законом всемирного тяготения он показал, что и закон Галилея о свободном падении, и закон Кеплера о движении планет по сути являются одним и тем же. Ньютон приблизил небеса к Земле и ко всему человечеству и позволил человеческому уму проникнуть в их тайны. Если эмпирические законы его предшественников рассказывали о закономерностях процессов на Земле и над ней, то его закон описывал общий космический порядок в масштабе, доселе недоступном мыслителям. Будучи увлеченным алхимиком, Ньютон, должно быть, очень радовался, когда ему удалось найти практическое воплощение знаменитого выражения из «Изумрудной скрижали» Гермеса Трисмегиста, главного кодекса алхимии: «То, что находится внизу, аналогично тому, что находится вверху».[43] Для Ньютона математические принципы натурфилософии, алхимический поиск единства духа и материи и роль Бога как Создателя и хранителя мирового порядка были прочно связаны между собой.

Движения всех деталей космического механизма, будь то дальние планеты или падающее яблоко, подчиняются ряду правил, выраженных в одном уравнении. Неудивительно, что Ньютона превозносят как создателя современной науки, как воплощение силы разума, позволяющей познать мир вокруг.

Но многие забывают, что Ньютон не был типичным одиноким теоретиком, погруженным в поиски математических законов природы в своем кабинете в Кембридже. Он и правда был отшельником и отрицал любые прямые социальные контакты или обмен знаниями, чему существует множество документальных доказательств и что не раз отражалось в его биографиях. Гораздо меньше широкой публике известно о том, что Ньютон был старательным экспериментатором, проведшим много часов за изучением свойств света и алхимическими опытами в поисках тайных знаний. К этому мы еще вернемся чуть позже.

В оптике Ньютон занимался исследованиями природы видимого света, в частности, он определил, что тот состоит из напластования бесконечного количества цветов, находящихся в радуге между красным и фиолетовым. Более того, Ньютон изобрел новый тип телескопа, рефлектор, гораздо более мощный, чем рефракторный телескоп Галилея, дававший изображения с гораздо большим разрешением и не имевший цветовых искажений (так называемых аберраций). Благодаря рефлекторному телескопу, в котором использовалось зеркало, собирающее свет и фокусирующее его в глазах наблюдателя, Ньютон стал знаменитым еще до открытия законов механики и всемирного тяготения. К 1669 году он уже был назначен вторым Лукасовским профессором математики в Кембриджском университете. Эта должность была создана в 1663 году и существует до сих пор. С 1979 года ее занимал Стивен Хокинг, а после его ухода на пенсию место перешло к Майклу Грину – известному ученому, занимающемуся теорией струн.

В декабре 1671 года первый Лукасовский профессор Исаак Барроу, восхищавшийся работами Ньютона, отвез его рефлекторный телескоп в Лондон, чтобы продемонстрировать членам Королевского общества – знаменитого сообщества ученых, ставившего своей целью познание законов Природы. Еще через месяц Ньютон вступил в общество, тем самым закрепив за собой место среди элиты британской науки. Однако вместе со славой к нему пришла известность, а с известностью – профессиональная зависть и интеллектуальная конфронтация. Ньютону совсем не хотелось играть в эти игры, по крайней мере поначалу. Только после публикации в 1687 году «Начал», его труда, в котором были представлены законы механики и всемирного тяготения, и признания в качестве одного из величайших ученых всех времен Ньютон осмелился вернуться в общество.

Что касается алхимических работ Ньютона, то их он по большей части держал при себе, делясь лишь с избранными коллегами, например с одним из первых химиков Робертом Бойлем (кстати говоря, так же ревностно он охранял и свои теологические труды). Тем не менее ньютоновская новая теория мира распространялась на все области знаний быстрее лесного пожара, и Ньютон уже не мог это контролировать. Разумеется, теория, объясняющая динамику небесных тел воздействием невидимых сил не могла не вызвать интереса у теологов, тем более что эти силы, судя по всему, управляли всеми процессами в космосе – от падения самой крошечной песчинки до движения планет и комет. Могли ли верующие люди увидеть за силой гравитации что‑то иное, кроме воли Творца? Как объяснял Ньютон кембриджскому теологу Ричарду Бентли, только бесконечный космос мог являться отражением безграничной Божественной силы творения. Если Бог присутствует во всем космосе, значит, космос не имеет конца. В «Общем поучении» к «Началам» Ньютон пишет, что Бог и Вселенная суть одно и то же: «[Бог] существует всегда и присутствует везде и, будучи вечным и всеобъемлющим, представляет собой время и пространство».[44]

Новая теория гравитации Ньютона разбила небесный свод и показала, что простирающийся за ним космос безграничен. Вселенная предстала перед людьми во всей своей бесконечной и грозной красоте. Это был космос тысячи солнц, «находящихся на неисчислимых расстояниях друг от друга», в котором Земля оказалась лишь крошечной точкой в пустоте, не имеющей центра, лишь хрупким убежищем для человечества. Через несколько десятков лет после публикации революционных идей Ньютона французский математик и философ Блез Паскаль, вторя Кеплеру, описал экзистенциальный ужас, охватывающий его при мысли о безграничности мира: «Вечная тишина этого бесконечного пространства пугает меня». Если точнее, его мысль звучала так:

Когда я размышляю о мимолетности моего существования, погруженного в вечность, которая была до меня и пребудет после, о ничтожности пространства, не только занимаемого, но и видимого мною, растворенного в безмерной бесконечности пространств, мне неведомых и не ведающих обо мне, я трепещу от страха и недоуменно вопрошаю себя: почему я здесь, а не там, потому что нет причины мне быть здесь, а не там, нет причины быть сейчас, а не потом или прежде. Кто определил мою судьбу? Чей приказ, чей промысел предназначил мне это время и место?[45]

И сегодня, сталкиваясь с новыми научными открытиями, постоянно подтверждающими бесконечность времени и пространства, многие испытывают тот же ужас, что и Паскаль. Великого философа поддерживала в борьбе с его страхом христианская вера. Но как еще, если не с помощью религии, мы можем понять истинный смысл нашего мимолетного существования в этом мире?