§ 3. Создание системы классической математической физики (механики) Ньютоном и открытие закона всемирного тяготения

Ко времени начала научной деятельности Ньютона, т. е. к 60-м г. XVII в., накопилось немало новых фактов в физике и астрономии. Ньютон обобщил их, завершив создание классической механики — динамики, в основе которой лежали три установленных им закона. Он завершил и начатое Галилеем создание системы понятий и принципов механики.

В астрономии на протяжении почти полувека после открытий Кеплера и по заданной им программе естествоиспытатели тщетно пытались найти физическое основание трех законов — правил планетных движений. В поле зрения физиков и астрономов входила древняя идея: тяготение как некая вполне реальная сила, проявляющаяся, например, в явлениях магнетизма и способная не только притягивать тело, но и двигать его «вбок», т. е. в перпендикулярном направлении. Вставал вопрос, по какой траектории могло бы двигаться тело в пространстве под действием подобной силы. Описать количественно действие силы тяготения, а именно решить, по каким кривым будут двигаться тела под действием такой силы, никому не удавалось.

И эту задачу решил Ньютон, создав свою гениальную теорию всемирного тяготения.

В качестве отдельных элементов в его теорию гравитации вошли открытые Кеплером кинематические законы планетных движений, открытые Галилеем закономерности прямолинейного движения тел под действием сил и построенная Гюйгенсом (1629—1695) теория центростремительной силы, возникающей при криволинейном движении.

Древняя идея взаимного стремления тел друг к другу, трактовавшегося даже как проявление «любви» между ними, освободилась благодаря Ньютону и от антропоморфности, и от мистической характеристики как принципиально непознаваемого «скрытого качества», не поддающегося количественному изучению. В теории Ньютона тяготение стало эмпирически обоснованным постулатом, утверждавшим, что эта сила универсальна и проявляется между любыми материальными частицами независимо от их конкретных качеств и состава, пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Физическая идея тяготения формировалась до Ньютона в трудах Брахмагупты и Бируни, Коперника и Кеплера, Гассенди, Булио (Буллиальд), Гюйгенса, Роберваля, Гука, Галлея. Гук, а за ним Галлей даже утверждали обратную квадратичную зависимость притяжения от расстояния между телами (а догадки об этом были уже у Кеплера, опиравшегося на аналогию законов механики и геометрической оптики). Роль Гука как предшественника Ньютона особенно велика. Гук настойчиво пытался вывести из закона силы тяготения (которая, как он полагал, свойственна всем телам Вселенной) эллиптическую форму планетных орбит. Он, как и все остальные предшественники Ньютона, не добился успеха в решении этой задачи. Но в 1679 г. в письме к Ньютону Гук привлек его внимание к основной проблеме — форме кривой движения тела под действием силы притяжения, пропорциональной 1/r².

Объединить качественную идею тяготения с наблюдаемыми законами движения небесных тел оказалось под силу только гению Ньютона. Идея превратилась в точный универсальный закон гравитации как центральной силы лишь после того, как Ньютон показал неразрывную связь и взаимообусловленность правил Кеплера и уже допускавшейся зависимости силы тяготения от расстояния. Законы движения планет перестали быть эмпирическими правилами. Эта их роль была передана более глубокому уровню свойств материи — всемирному тяготению. Причину и природу тяготения Ньютон не считал возможным обсуждать за неимением на этот счет достаточного количества фактов (как в свое время Птолемей по той же причине не пытался решать вопрос об истинной пространственной структуре планетной системы). Поэтому теорию тяготения Ньютона можно называть феноменологической. Более глубокое объяснение гравитации было дано только в общей теории относительности Эйнштейна.