В 1609 г. немецкий астроном и математик И. Кеплер издал свой труд «Новая астрономия», в котором обосновал вращение Земли и остальных планет вокруг Солнца. Еще раньше, в 1543 г., это сделал великий польский астроном и врач Н. Коперник, но он не мог найти объяснения некоторым странностям планетных орбит.

Кеплер справедливо заключил, что планетные орбиты имеют форму немного вытянутого эллипса, оттого движение этих светил на небе представляется земному наблюдателю неправильным.

Открытие немецкого астронома значительно продвинуло науку вперед и упорядочило систему физических знаний человечества. За формулировку законов обращения светил Кеплеру присудили полушутливый, но торжественно звучащий титул «законодателя неба». Однако астроном не смог ответить на главный вопрос: что заставляет космические тела двигаться вокруг Солнца и почему это движение происходит по столь необычной, замкнутой траектории. Ответ на него был найден спустя более чем полвека гениальным английским физиком И. Ньютоном.

О Ньютоне, как и о любом великом человеке, существует множество удивительных легенд. Говорят, что еще в детстве он проявлял неординарные способности, например, соорудил занимательную игрушку, двигателем которой служило беличье колесо.

Естественно, никаких книг или журналов «Сделай сам» под рукой у мальчика не было. Говорят также, что маленький Ньютон не любил учиться, но поставил перед собой цель стать первым учеником школы, чтобы превзойти заносчивых отличников. И это мальчику удалось.

Этому ученому приписывают постройку деревянного моста в Кембридже, собранного без единого гвоздя. Имеются также сведения о том, что Ньютон был крайне рассеян. Как-то раз, например, он, задумав сварить яйцо, опустил в кипяток свои часы.

Рассеянность гения — явление обычное, т. к. научная работа требует максимальной концентрации и не позволяет отвлекаться на посторонние вещи. Сам физик признавался, что успех в изысканиях возможен лишь тогда, когда ум не занят ничем другим, кроме поиска ответа к поставленной задаче. Насколько сложен был этот поиск, легко судить каждому, кто помнит приемы дифференцирования из школьной программы. Если ученики в школе решают дифференциальные уравнения по готовым формулам, то Ньютон так сделать не мог. Формул в те времена не существовало, равно как и самого дифференцирования. Оно было открыто самим Ньютоном. А решал он свои задачи (бывшие гораздо сложнее школьных) путем геометрических построений и расчетов. Геометрические приемы великого физика, по выражению одного из его биографов, напоминают старинное рыцарское оружие, которое современный человек не в силах ни поднять, ни представить, как с его помощью можно сражаться. Без дифференциальных же уравнений Ньютон никогда не смог бы получить желаемого результата.

Он измерял связанное с силой ускорение, которое является производной скорости, а скорость представляет собой производную от пройденного расстояния. Точное определение понятию «сила» дал именно Ньютон. Сила — это действие одного тела на другое (пассивное), вызывающее ускорение или деформацию пассивного тела. Если тело под действием силы приобретает ускорение, то оно направлено одинаково с вектором силы. Обе величины тесным образом взаимосвязаны и даже пропорциональны друг другу.

Интересно в таком случае, какая сила заставляет тела падать на Землю. Эта сила должна быть направлена к центру Земли и сообщать падающим телам одинаковое ускорение свободного падения практически в любом месте планеты. На самом деле, как сейчас достоверно установлено, ускорение свободного падения сильно меняется в зависимости от широты и массы вещества в данном участке планеты. По этой причине земной шар не является идеальным шаром. Он сильно сжат в Северном полушарии, имеет отчасти грушевидную, а отчасти картофелевидную форму, за что называется среди географов не шаром, а геоидом. Впрочем, из-за сходства с картофелиной некоторые предлагают называть форму нашей планеты потатоидом (буквально «картошковидный»).

Мысли о существовании такой силы зародились у Ньютона, когда ему было 23 года. Если верить дошедшей до нас истории, поводом для столь глубоких мыслей послужило яблоко, которое упало на голову молодому гению во время его отдыха в саду. Четко сформулировать закон всемирного тяготения Ньютон смог, когда занялся астрономией. Сила притяжения наглядно проявляется в космосе, где одни тела обращаются вокруг других.

Во-первых, причиной столь отчетливой выраженности являются колоссальные массы тел, сопоставимые с массой земли. Два человека притягиваются слабо из-за своей ничтожной массы, тогда как тяжелые планеты обладают колоссальной гравитацией (от латинского gravis — «тяжелый»). В зависимости от массы тело способно развивать определенную силу притяжения и таким образом взаимодействовать с другими телами. Верно ли это суждение? Ньютон попытался найти закономерности в движении Луны по околоземной орбите.

Луна обращается вокруг нашей планеты под действием силы тяжести, которая направлена к центру планеты. Сила сообщает спутнику ускорение, которое нетрудно замерить астрономическими методами.

Затем ученый сравнил ускорение Луны с ускорением свободного падения, которое сообщается падающим телам у земной поверхности. Оказалось, что ускорение убывает пропорционально квадрату расстояния, а значит, точно так же ведет себя и сила тяготения. Ньютон задается новым вопросом: как будет двигаться тело под действием силы тяжести, убывающей пропорционально квадрату расстояния?

Над этим вопросом работал и английский астроном Э. Галлей. Он предположил, что яркие кометы, наблюдаемые учеными вот уже 6 столетий подряд с четким интервалом во времени, — это периодические появления одной и той же кометы. Она находится в Солнечной системе и обращается вокруг Солнца, как и планеты. Ныне этот небесный объект называется кометой Галлея.

Астроном вычислил, что комета должна двигаться по эллиптической орбите с периодом около 76 лет, однако ничем более доказать свои суждения не смог. Тогда Галлей решил обратиться за помощью к Ньютону, о работах которого случайно услышал. Ньютон к тому времени уже точно знал, что сила, обратно пропорциональная квадрату расстояния, заставляет тело двигаться по эллипсу или подобным фигурам, относящимся к т. н. коническим сечениям. Между учеными завязалась дружба, и впоследствии их исследования во многом дополняли друг друга, что, несомненно, их значительно обогащало.

Современные астрономы могут точно сказать, что все тела в пределах Солнечной системы движутся по коническим сечениям. Преимущественно орбиты имеют эллиптическую форму, но есть гиперболические и параболические (у комет вблизи Солнца), а также приближенно круговые (у Луны и галилеевых спутников Юпитера). Подтвердилась и другая догадка Ньютона. Он первым предположил, что Вселенная бесконечна, иначе она бы сжалась под действием гравитации в точку. Мир действительно не имеет границ, он беспределен.

Ньютон утверждал: «Тяготение универсально», т. е. всемирно. Оттого его закон гравитации вошел в физику как закон всемирного тяготения. Если следовать научной строгости, то закон не соблюдается одинаково во всем бесконечном пространстве Вселенной. Но в каждой отдельно взятой точке космоса закон действует безупречно, а сама гравитация распространена повсеместно. Она представляет собой поле, отдаленно напоминающее магнитное. Через это поле массы обмениваются гравитационным взаимодействием и за счет этого взаимно притягиваются.

Притягивают и притягиваются все физические тела. Яблоко, например, тоже притягивает Землю, а наша планета падает на яблоко. К сожалению, мы не можем наблюдать подобный процесс. И этому существует объяснение. Два тела своими гравитационными полями приводятся в движение, протекающее относительно общего центра масс. Для системы тел Земля — Луна центр масс лежит внутри земного шара. Для Солнечной системы он лежит глубоко в горячих недрах Солнца. Для системы тел Земля — яблоко он находится почти в центре планеты. Туда и стремится попасть яблоко.