Иэн Стюарт - Значимые фигуры. Жизнь и открытия великих математиков

…рациональная механика есть учение о движениях, производимых какими бы то ни было силами, и о силах, требуемых для производства каких бы то ни было движений… Поэтому и сочинение это нами предлагается как математические основания физики. Вся трудность физики, как будет видно, состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим силам объяснить остальные явления [13] Ньютон И. Математические начала натуральной философии. – М.: Наука, 1989. .

Это было дерзкое заявление, но, если посмотреть задним числом, его оптимизм был полностью оправдан. За следующее столетие первые озарения Ньютона выросли в новую научную область – математическую физику. Многие уравнения, полученные в этот период, используются до сих пор в приложении к теплу, свету, звуку, магнетизму, электричеству, гравитации, колебаниям, геофизическим явлениям и т. п. Мы вышли за пределы «классического» стиля в физике, познакомились с теорией относительности и квантовой теорией, но физика Ньютона поразительным образом сохраняет свою значимость и сегодня. А его идея описывать природу при помощи дифференциальных уравнений используется во всех областях науки, от астрономии до зоологии.

В первой книге «Начал» разбирается движение в отсутствие всякой сопротивляющейся среды – ни трения, ни сопротивления воздуха, ни гидродинамического сопротивления. Это простейший тип движения, описываемый самой красивой математикой. Начинается книга с объяснения метода предельных отношений, на котором зиждется все остальное. Как уже объяснялось, этот метод – не что иное, как математический анализ под маской геометрии. В самом начале устанавливается, что обратно-квадратичная зависимость силы притяжения эквивалентна Кеплеровым законам планетарного движения. На первый взгляд логическая эквивалентность Ньютонова закона трем законам Кеплера указывает на то, что Ньютон всего лишь переформулировал законы Кеплера и изложил их на языке сил. Но есть еще одна особенность – скорее предсказание, чем теорема. Ньютон, подобно Гуку до него, утверждает, что эти силы универсальны . Любое тело во Вселенной притягивает к себе любое другое тело. Это позволяет Ньютону сформулировать принципы, применимые ко всей Солнечной системе, и он подходит к задаче исследования системы из трех тел, движущихся под действием гравитационного притяжения.

Во второй книге разбирается движение в сопротивляющейся среде, включая и воздух. Рассматриваются гидростатика – равновесие плавающих тел – и сжимаемые жидкости. Исследование волн позволяет получить оценку скорости звука в воздухе – 1088 футов в секунду (331 м/с) – и закономерности ее изменения в зависимости от влажности. Современное значение этой скорости на уровне моря принимается равным 340 м/с. Завершается вторая книга критикой Декартовой теории образования Солнечной системы из вихрей.

Третья книга имеет подзаголовок «О системе мира»: в ней принципы, разработанные в первых двух книгах, применяются к Солнечной системе и астрономии. Приложения этих принципов поразительно подробны: неравномерности в движении Луны; движение спутников Юпитера, которых тогда было известно четыре; кометы; приливы; прецессия равноденствий; и особенно гелиоцентрическая теория, которую Ньютон сформулировал очень продуманно: «…общий центр тяжести Земли, Солнца и планет должен быть принят за центр мира… [и этот центр] или находится в покое, или же движется равномерно и прямолинейно» [14] Ньютон И. Математические начала натуральной философии. – М.: Наука, 1989. . Оценивая отношение масс Солнца, Юпитера и Сатурна, он вычислил, что этот общий центр тяжести располагается очень близко к центру Солнца, при этом ошибка не превышает диаметр Солнца. Он был прав.

Обратно-квадратичный закон притяжения на самом деле первым заметил Ньютон. Кеплер ссылался на математическую зависимость такого типа в 1604 г., говоря о свете; он утверждал, что пучок световых лучей, расходящихся из одной точки, должен освещать сферу, площадь которой растет как квадрат ее радиуса. Если количество света сохраняется, яркость должна быть обратно пропорциональна квадрату расстояния. Он предложил аналогичный закон и для «тяготения», но под тяготением при этом он подразумевал гипотетическую силу, при помощи которой Солнце толкает планеты по орбитам; он был убежден, что сила эта обратно пропорциональна расстоянию. Измаил Буллиальд был с этим не согласен; он утверждал, что эта сила должна быть обратно пропорциональна квадрату расстояния.