Имя Ньютона тесно связано с понятием тяготения

         Лучше всего это можно проиллюстрировать,  сравнивая законы Ньютона и  Хаббла с эмпирическими законами  деформации. Гук нашел, что в  случае упругой деформации напряжение  пропорционально величине деформации, что выражается формулой 

       S=p/j,                          (1)

       где j - модуль упругости, иногда называется жесткостью, S - величина упругой деформации, а p - деформирующая сила, называемая напряжением. Примерно тогда же Ньютон установил, что деформация текучести  пропорциональна вязкости вещества и продолжительности действия нагрузки, что выражается другой формулой:

       S= pt/n,                           (2)

       где S - деформация,  p - напряжение, t - время действия нагрузки, n - эмпирический модуль вязкости (динамическая вязкость). Для случая одновременной вязкоупругой деформации законы Ньютона и Гука были объедены  Максвеллом в одну общую формулу, поскольку в этом случае оба закона действуют совместно (так и я объединяю законы Ньютона и Хаббла). Итак, мы получаем уравнение деформации Максвелла:

       S=p/j+pt/n.                      (3)      

         Дальнейшие эксперементы по деформированию  стали, льда и мрамора показали, что если чисто упругая деформация  обусловлена упругим отклонением  атомов от положений равновесия  и исчезает после снятия напряжения, а чисто вязкая деформация  связана с диффузией атомов, происходящей  статистически с атомами, которые  обладают более высокой энергией  тепловых колебаний, то все  другие виды деформации представляют  собой смещения по поверхностям  легкого скольжения в кристаллических  зернах. Поэтому эмпирическое уравнение  деформации принимает вид 

       S=p/j+pt/n+bt^1/3,                (4)

       где b - еще одна эмпирическая константа. Физика полна примерами того, как  подобные эмпирические законы оказываются  несостоятельными, когда их экстраполируют за пределы тех условий эксперемента, на основе которых они были выведены.        

         Какое все это имеет отношение  к кажущемуся конфликту между  законом всемирного тяготения  Ньютона и законом разбегания  галактик Хаббла? Он просто означает, что хотя оба закона справедливы,  размеры орбиты Марса, наблюдавшейся  Браге, были слишком малы, чтобы  можно было заметить влияние  закона Хаббла. На основании наблюдений  Браге вывел свой закон Кеплер, а на основе выводов Кеплера  в свою очередь Ньютон сформулировал  закон всемирного тяготения. В  лекции на Джонстоновских чтениях  1976 г. я соединил законы Ньютона  и Хаббла в общее уравнение  - точно так же, как Максвелл  объединил законы упругой и  вязкой дефформации: 

       F = Gm₁m₂(1/d² - ad²H⁴/c⁴),              (5)

       где, G - гравитационная постоянная, m₁ и m₂ - массы двух тел, H - скорость разбегания галактик, найденная Хабблом, c - скорость света, a - безразмерный коэффициент, определяемый эмпирически. Величины H и с надо брать в четвертой степени для соблюдения размерности. Термин "размерность" употребляется в физике и прикладной математике в специфическом смысле: правильностью размерностей проверяется, в каких степенях надо вводить в формулу той или иной физической характеристики массу М, длину L и время T. Размерность никак не связана с конкретными значениями величин. Таким образом, скорость - это частное от деления  расстояния на время, т.е. L¹T^-1 (независимо от того, велика ли скорость или очень мала), энергия - это произведение массы на квадрат скорости, т.е. ML²T^-2, и т.д. В любом правильно составленном уравнении все размерности должны быть согласованными, и это требует, чтобы в объединенный закон Ньютона - Хаббла отношение H/c входило в четвертой степени.     

         Что означает уравнение (5)?  Если опустить последний член, оно просто возратится к закону Ньютона. Если опустить член, содержащий 1/d², остается только разбегание Хаббла. Сравнивая величины, видим, что H - чрезвычайно малое число, а с - очень большое. Следовательно, дробь H/с заведомо очень мала: если возвести ее в четвертую степень, получается фантастически малая величина. Поэтому в случае когда расстояние d ограничено размерами Солнечной системы, этот член настолько близок к нулю, что его нельзя обнаружить, анализируя орбиты планет, и то, что остается, - закон Ньютона в том виде, как он его и  вывел. Однако член 1/d² становится все меньше при увеличении расстояния d, а единственный изменяющийся сомножитель во втором члене уравнения - это d², и поэтому второй член, вначале крайне малый, становится все больше и больше и на  каком-то расстоянии должен сравняться с первым членом, т.е. их разность сократится до нуля, а значит, притяжение будет нулевым.      

         Это рассуждение приводит к  числовому значению коэффициента  а. Когда я вставил в уравнение  (5) числовые значения для Вселенной  и принял постоянную а равной  единице, то d оказалось радиусом  познаваемой Вселенной. Чтобы  из этого уравнения получить  наблюдаемые скорости разбегания  галактик, а следует принять равным 10²⁰: тогда ньютоновское притяжение и хаббловское  отталкивание сравняются при расстоянии 10⁵ световых лет.     

         Итак, мое уравнение (5) с успехом  объединяет эмпирический закон  Ньютона и эмпирический закон  Хаббла. Расстояние, на котором притяжение  становится нулевым, - это начальное  расстояние между галактиками,  так как на меньших расстояниях  материя стремится сблизиться  и образовать галактику, а на  больших расстояниях действует  космическое отталкивание, которое  и объясняет тот непонятный  при других толкованиях факт, что триллионы галактик примерно  одинаковы по размерам - точнее, их  размеры образуют гауссово распределение  около некоторого среднего. На  еще больших расстояниях тела  начинают отталкиваться, и это  отталкивание усиливается с увеличением расстояния. Ближе всех к нашей Галактике (Млечному пути) находится галактика Большого Магелланова  Облака: она лишь немного дальше минимума Ньютона - Хаббла, а наш ближайший спиральный сосед - большая туманность М31 в созвездии Андромеды - располагается на расстоянии около 2 млн. св. лет.     

         Скорость света  С  и постоянная Хаббла H  - именно те постоянные, которые должны были появиться при таком обобщении ньютоновского закона тяготения. Они представляют собой две наиболее фундаментальные константы, связанные с космическими расстояниями, так как отношение с/Н является радиусом познаваемой Вселенной; квадрат этого отношения - космологическая постоянная, которую Эйнштейн вынужден был ввести в свои уравнения общей теории относительности для объединения электромагнитного и гравитационного полей; четвертая степень данного отношения - это по существу объем Вселенной в четырехмерном пространстве-времени ( так называемый гиперобъем). Эпитет "познаваемый" относится не только к способностям разума, но и к возможностям познания любых физических характеристик - энергии, массы, излучения. Следовательно, присутствие величины (Н/с)⁴ в приведенном уравнении означает, что скорость уменьшения гравитационного притяжения  с  расстоянием, минимальное расстояние между галактиками и гиперобъем познаваемой Вселенной - все эти величины внутренне взаимосвязаны.      

         Как уточнение исходных данных  требовало введения дополнительных  членов в уравнение Максвелла  и как постепенно уточнялась  формула для фигуры Земли, так  и новые данные, получаемые в  результате дальнейших наблюдений, могут потребовать некоторого  изменения закона Ньютона - Хаббла, записанного здесь в виде уравнения (5). Кривизна графика на рис. 105 не очень точно соответствует современной формулировке закона Хаббла, согласно которой скорость разбегания галактик составляет Н км в секунду на 1 мегапарсек (Мпс). Но значение Н пока еще удается определять только грубо, и результат сильно меняется в зависимости от методов оценки.      

         При дальнейших исследованиях,  возможно, будет найдена общая  картина распределения галактик  и, быть может, потребуется  ввести в уравнение еще один  член. Например, трое астрофизиков  из Гарвардского университета (Джон  Хухра, Валери де Лаппаран и  Маргарет Геллер) сообщили о существовании  своего рода пустот с поперечником  порядка 100 млн.св. лет, которые  кажутся лишенными каких-либо  галактик. "Если мы правы, - говорят  исследователи, - то эти пузыри  наполняют Вселенную, как мыльная  пена в корыте". Поистине они  мыслят с космическим размахом, если могут вообразить мыльные  пузыри размером более тысячи  галактик, но их "корыто" может  вместить миллиард миллиардов  таких "пузырей"!

       Данный  радиус тела массой M, можно интерпретировать как границу сферы гравитационного  воздействия на другие массивные  тела во Вселенной, учитывая, конечно, анизотропность свойств эфира вокруг любого вращающегося тела. То, что галактики  не связаны гравитационными силами, вовсе не значит, что они не связаны  электромагнитными силами, которые  охватывают всю Вселенную.  
Все поля взаимодействуют только с полями, и при том селективно взаимодействуют. И все известные поля уменьшают свою напряжённость в квадратичной зависимости.

       Наиболее  значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов — мельчайших в мире частиц.  
Античный атомизм был первой теоретической программой объяснения целого как суммы отдельных составляющих его частей. Исходными началами в атомизме выступали атомы и пустота. Сущность протекания природных процессов объяснялась на основе механического взаимодействия атомов, их притяжения и отталкивания. Механическая программа описания природы, впервые выдвинутая в античном атомизме, наиболее полно реализовалась в классической механике, со становления которой начинается научный этап изучения природы.  
Поскольку современные научные представления о структурных уровнях организации материи были выработаны в ходе критического переосмысления представлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня, то начинать исследование нужно с концепций классической физики.

       Формирование  научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира — механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию нового способа описания природы — научноеоре-тического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, которые становились предметом научного исследования. Галилей писал: «Никогда я не стану от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество и более или менее быстрого движения для того, чтобы объяснить возникновение вкуса, запаха и звука». Выделение отдельных характеристик объекта позволяло строить теоретические модели и проверять их в условиях научного эксперимента. Эта методологическая концепция, впервые сформулированная Галилеем в труде «Пробирные весы», оказала решающее влияние на становление классического естествознания.  
И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

       В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпус-кулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц — атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.  
Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи. Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Считалось, что все физические процессы можно свести к перемещению материальных точек под действием силы тяготения, которая является дальнодействующей.  
Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий. Отсюда и вера в то, что теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во Вселенной или предсказать будущее с абсолютной определенностью. И. Р. Пригожий назвал эту веру в безграничную предсказуемость «основополагающим мифом классической науки».  
Механистический подход к описанию природы оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области — оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рам-ках механистической картины мира.  
Разрабатывая оптику, И. Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет потоком материальных частиц - корпускул. В корпускулярной теории света И. Ньютона утверждалось, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы, которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света, попадая в глаз. На базе этой теории И. Ньютоном было дано объяснение законам отражения и преломления света.  
Наряду с механической корпускулярной теорией, осуществлялись попытки объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно - на основе волновой теории, сформулированной X. Гюйгенсом. Волновая теория устанавливала анаогию между распространением света и движением волн на поверхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предполагалось наличие упругой среды, заполняющей все пространство, - светоносного эфира. Распространение света рассматривалось как распространение колебаний эфира: каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картину волны, которая перемещается в пространстве от одного момента времени к другому. Главным аргументом в пользу своей теории X. Гюйгенс считал тот факт, что два луча света, пересекаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех в точности, как два ряда волн на воде.  
Согласно же корпускулярной теории, между пучками излученных частиц, каковыми является свет, возникали бы столкновения или, по крайней мере, какие-либо возмущения. Исходя из волновой теории X. Гюйгенс успешно объяснил отражение и преломление света.  
Однако против нее существовало одно важное возражение. Как известно, волны обтекают препятствия. А луч света, распространяясь по прямой, обтекать препятствия, не может. Если на пути луча света поместить непрозрачное тело с резкой гранью, то его тень будет иметь резкую границу. Однако это возражение вскоре было снято благодаря опытам Гримальди. При более тонком наблюдении с использованием увеличительных линз обнаруживалось, что на границах резких теней можно видеть слабые участки освещенности в форме перемежающихся светлых и темных полосок или ореолов. Это явление было названо дифракцией света. Именно открытие дифракции сделало X. Гюйгенса ревностным сторонником волновой теории света. Однако авторитет И. Ньютона был настолько высок, что корпускулярная теория воспринималась безоговорочно даже, несмотря на то, что на ее основе нельзя было объяснить явление дифракции.  
Волновая теория света была вновь выдвинута в первые десятилетия XIX в. английским физиком Т. Юнгом и француз-ким естествоиспытателем О. Ж. Френелем. Т. Юнг дал объяснение явлению интерференции, т.е. появлению темных полосок при наложении света на свет. Суть ее можно описать с помощью парадоксального утверждения: свет, добавленный к свету, не обязательно дает более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. Причина этого заключается в том, что согласно волновой теории, свет представляет собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды, или волновое движение. При наложении друг на друга цепочек волн в противоположных фазах, где гребень одной волны совмещается со впадиной другой, они уничтожают друг друга, в результате чего появляются темные полосы.  
Явления интерференции и дифракции могли быть объяснены только в рамках волновой теории и не поддавались объяснению на основе механической корпускулярной теории света.  
Другой областью физики, где механические модели оказались неадекватными, была область электромагнитных явлений. Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж. К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира.  
Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель X. К. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М. Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток. Осмысливая свои эксперименты, он ввел понятие «силовые линии». М. Фарадей, обладавший талантом экспериментатора и богатым воображением, с классической ясностью представлял себе действие электрических сил от точки к точке в их «силовом поле». На основе своего представления о силовых линиях он предположил, что существует глубокое родство электричества и света, и хотел построить и экспериментально обосновать новую оптику, в которой свет рассматривался бы как колебания силового поля. Эта мысль была необычайно смела для того времени, но достойна исследователя, который считал, что только тот находит великое, кто исследует маловероятное. М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его работы стали исходным пунктом исследований Дж. К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Используя высокоразвитые математические методы. Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие «поле сил» первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж. К. Максвелл придал ему физический смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность: «Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии». Обобщив установленные ранее экспериментальным путем законы электромагнитных явлений (Кулона, Ампера, Био-Савара) и открытое М. Фарадеем явление электромагнитной индукции, Максвелл чисто математическим путем нашел систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле. Эта система уравнений дает в пределах своей применимости полное описание электромагнитных явлений и представляет собой столь же совершенную и логически стройную теорию, как и система ньютоновской механики.  
Из уравнений следовал важнейший вывод о возможности самостоятельного существования поля, не «привязанного» к электрическим зарядам. В дифференциальных уравнениях Максвелла вихри электрического и магнитного полей определяются производными по времени не от своих, а от чужих полей: электрическое — от магнитного и, наоборот, магнитное — от электрического. Поэтому если меняется со временем магнитное поле, то существует и переменное электрическое поле, которое в свою очередь ведет к изменению магнитного поля. В результате происходит постоянное изменение векторов напряженности электрического и магнитного полей, т.е. возникает переменное электромагнитное поле, которое уже не привязано к заряду, а отрывается от него, самостоятельно существуя и распространяясь в пространстве. Вычисленная им скорость распространения электромагнитного поля оказалась равна скорости света. Исходя из этого Максвелл смог заключить, что световые волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущность света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж. К. Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально подтверждена немецким физиком Г. Герцем в 1888 г.  
В экспериментах Г. Герца в результате искровых разрядов между двумя заряженными шарами появлялись электромагнитные волны. Когда они падали на круговой проволочный виток, то создавали в нем токи, о появлении которых свидетельствовали искры, проскакивающие через разрыв. Г. Герц успешно провел отражение этих волн и их интерференцию, т.е. те явления, которые характерны для световых волн, а затем измерил длину электромагнитных волн. Зная частоту колебаний, он смог подсчитать скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равна скорости света. Это прямо подтвердило гипотезу Максвелла.  
После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующей физической реальности. Был открыт качественно новый, своеобразный вид материи. Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.