«Энергия» 1988 г №4, с.23-28

История открытия и освоения невесомости полна драматической борьбы идей, которая далеко не всегда ограничивалась одними только академическими спорами. И непонимание самых простых истин демонстрировали порой совсем неплохо образованные люди. Не верите? Давайте заглянем в книги, знакомые с детства.

Вот «Аэлита» А. Толстого. Написана в 1922 году. Инженер Лось и его спутник Гусев на космическом корабле покинули Землю. Каковы их ощущения? Корабль достигает такой скорости, когда наступают заметные изменения частоты пульса, темпа всех биологических процессов. Заметьте: по Толстому, изменения зависят от скорости, а не от ускорения. Совсем непохоже на то, что мы видим на экранах телевизоров во время сеансов космической связи...

А вот Уэллс. «Первые люди на Луне». 1901 год. Космический корабль изобретателя Кейвора начал спуск на Луну. Двигатели не работают, корабль просто свободно притягивается к спутнику нашей планеты. И что же — в кабине корабля сразу же появилась сила веса, направленная к Луне! А возьмите романы Жюля Верна «С Земли на Луну» и «Вокруг Луны», написанные в 1865 году. В них с невесомостью тоже многое напутано...

Если лучшие писатели-фантасты, творившие совсем недавно, допускали в вопросе о невесомости такие грубые просчеты, то что же было в более отдаленные эпохи? Там путаницы намного больше. А еще точнее: почти все, что думали по этому поводу, было заблуждениями. И начало им положил крупнейший мыслитель древнего мира Аристотель, создавший учение о движениях.

Согласно взглядам Аристотеля, существуют две группы движений — естественные и насильственные. Естественные реализуются под действием двух начал — тяжести и легкости. Тяжесть — это стремление всех тел к центру мира, в котором находится наша Земля. Легкость — свойство удаляться от этого центра. Все прочие движения насильственные. Ни о какой невесомости не было и речи.

В оправдание ученых античности надо сказать, что среди них встречались и такие, которые имели на этот предмет более здравую точку зрения. Это прежде всего великий греческий ученый и инженер Спор.

Вы не знаете такого? Правильно, современники настолько уважали его ум и изобретательность, что дали ему прозвище «мудрейший», по-гречески «Архимед». Ему, в частности, принадлежит открытие закона плавучести. Вот его собственная формулировка:

«Тела, которые тяжелее жидкости, будучи опущены в жидкость, погружаются все глубже... и, пребывая в жидкости, теряют в своем весе столько, сколько весит жидкость, взятая в объеме этих тел».

Именно этот закон используют космонавты, когда в бассейне гидроневесомости проходят на Земле предполетную тренировку.

Судьбы открытий Архимеда и учения Аристотеля сложились совершенно по-разному. Архимед погиб от руки захватчиков, а его труды были забыты настолько основательно, что Галилею пришлось восстанавливать их в правах в ожесточенных спорах со схоластами. Учение Аристотеля, мирно скончавшегося в своей постели, наоборот, провозгласили догмой, не подлежащей критике. Церковь освятила ее своим авторитетом и строго карала всякое отступление от канона.

Первый удар по обветшавшей картине мира нанес гениальный труд Коперника «Об обращениях небесных сфер». Правда, в вопросе о тяготении Коперник был крайне осторожен. Он писал следующее: «По моему мнению, тяжесть есть не что иное, как естественное устремление, которым божественное провидение творца миров одарило части для сочетания и соединения их в единое целое в форме сфер».

Кажется, все по канону. Но не помогло! Церковь запретила книгу Коперника как еретическую. Поднялся на костер Джордано Бруно, отстаивавший идеи Коперника. Отрекается от них Галилей. Вспомним текст, под которым святая инквизиция вынудила подписаться ученого:

«Признан я сим святым судилищем весьма подозреваемым в ереси, будто придерживаюсь и верю, что Солнце есть центр мира и неподвижно, Земля же есть центр и движется... От чистого сердца и с непритворною верою отрекаюсь, проклинаю, объявляю ненавистными вышеназванные заблуждения и ереси».

До конца его дней церковь держала престарелого ученого в заточении. Одно за другим на узника обрушивались несчастья: умерла любимая дочь, силы которой подорвала тревога за отца, затем наступила слепота.

Находясь в заточении, ослепший прозорливец диктует ученикам сочинение, ставшее итогом всей жизни — «Беседы и математические доказательства о двух новых науках». Центральная его идея: «падающие тела движутся с неизменным ускорением». Бросая с высокой башни различные предметы, Галилей давным-давно убедился в истинности своих суждений.

Рисунки А. Балдина

В «Беседах» предложена классификация движений, отличающаяся от аристотелевой, а именно: рассмотрены равномерное и неравномерное движения. В книге содержится закон инерции, хотя и отсутствует его полная формулировка. Все это позволило Галилею опровергнуть одну из ошибок Аристотеля, отрицавшего возможность невесомости.

Галилей рассуждал следующим образом:

«Мы ощущаем груз на наших плечах, когда сопротивляемся движению, к которому он стремится; но если бы мы опускались с такой же скоростью, с какою перемещается свободно падающий груз, то каким образом он мог бы давить на нас?.. Выведите из этого заключение, что при свободном и естественном падении малый камень не давит на большой и, следовательно, не увеличивает его веса, как то бывает при покое».

Как верно заметил Шопенгауэр, кто ясно мыслит — ясно излагает. Вес тела — это сила, с которой оно давит на опору. Поместим и тело и опору в кабину лифта, которая начала свободно падать. Очевидно, тело перестанет давить на опору и его вес исчезнет. В кабине такого лифта наступит состояние невесомости. Не правда ли, как просто?

Друзья и ученики понимали значение этой работы Галилея для науки. Но издать «Беседы» в Италии оказалось невозможным. Они были опубликованы в 1638 году, в протестантской Голландии, в знаменитой лейденской типографии Эльзевиров. В этом году мир отметит 350-летний юбилей великой книги.

Мы с вами все так быстро поняли, что должны предположить легкое торжество идей Галилея. Однако на самом деле судьба его открытий оказалась непростой. Уже в 1651 году ученый-иезуит Дж. Риччиоли опубликовал книгу, претенциозно названную «Новый Алмагест». Просто «Алмагест» назывался знаменитый труд Птолемея. Риччиоли попытался опровергнуть Галилея.

Что ж, иезуиту, как говорится, сам бог велел. Гораздо удивительнее другое. Представлениям Галилея о невесомости серьезный удар нанесли работы Р. Декарта, в частности, «Начала философии».

С одной стороны, Декарт продолжил и развил исследование закона инерции, предложил его полную формулировку. Сформулировал он также и закон сохранения движения. Правда, узнав об осуждении Галилея, Декарт не решился опубликовать эти свои сочинения, и они были изданы только после его смерти.

Но, с другой стороны, в новой картине мира, которую Декарт противопоставил учению Аристотеля, также не нашлось места невесомости.

По теории «достославного Картезия» (как его называл Ломоносов), Вселенная заполнена тонкой жидкостью, которая вращается вокруг Солнца и планет. Эти вихри захватывают планеты в круговое движение вокруг Солнца. Таким образом, сила тяготения объясняется вихревыми движениями частиц.

Вот что писал Декарт по поводу невесомости в одном из своих писем: все сказанное Галилеем «о скорости тел, падающих в пустоте и т. д., лишено основания, так как ему следовало сперва определить, что такое тяжесть; и если бы он знал ее сущность, он знал бы, что она равна нулю в пустоте».

Таким образом получалось, что состояние невесомости должно было наблюдаться только в вакууме. Утверждение Декарта согласовывалось с его теорией, но не согласовывалось с экспериментом, не могло объяснить многих явлений, которые хорошо знали астрономы. Уж если сам Декарт не понял, то... Так что утверждение современного поэта о том, что «ученый, сверстник Галилея, был Галилея не глупее», следует считать недоказанным.

Помню, в нашей студенческой газете была помещена такая эпиграмма:

Упало яблоко на голову Ньютона И дало мыслям ход, до наших дней нетленным, Тебя ж, чтоб думал, надо бить до стона По заднице осиновым поленом.

Не уверен, что предложенный метод мог улучшить мыслительный процесс объекта этого четверостишия, но убежден, что яблоко не должно делить лавры с сэром Исааком.

Сколько спелых яблок падало на весьма неглупые головы! А кроме синяков, никаких последствий. Созрела идея, вот в чем первопричина. И если даже действительно упало яблоко, то почему Ньютон не подумал, как всякий иной человек, что вот, мол, еще лето прошло, и дел невпроворот, и жизнь летит стрелой... Почему он задал наивный вопрос, который никто не задавал до него ни себе, ни другим, ни природе?

Яблоко должно было угодить в хорошо подготовленную голову. К тому же пострадавший обязан был обладать неимоверной работоспособностью, чтобы разгадать одну из основных тайн движения.

Известен рассказ секретаря гениального ученого, его однофамильца Гэмфри Ньютона, относящийся к тому времени, когда шла работа над «Математическими началами натуральной философии».

«Занятиями увлекался он настолько, что часто забывал обедать... Раньше двух-трех часов он редко ложился спать, а в некоторых случаях засыпал только в пять, шесть часов утра... судя по его озабоченности и постоянной работе, думаю, что он стремился перейти черту человеческого искусства».

По не вполне понятным причинам Ньютон долго не публиковал результаты своих исследований по механике и астрономии. В конце концов сделать это его уговорил Эдмунд Галлей. Поскольку у Королевского общества не оказалось средств, Галлей издал «Начала» за свой счет. Совсем недавно мы отмечали 300-летие со дня выхода этой удивительной книги.

Название, которое дал своему труду Ньютон, в известной мере было вызовом последователям Декарта, картезианцам. Значение этой работы для становления науки трудно переоценить. «До Ньютона и после него, — писал академик С. И. Вавилов, — до нашего времени человечество не видало проявления научного гения большей силы и длительности».

Для нас важно одно: невесомость в теории Ньютона впервые получила научное обоснование. С помощью строго сформулированных законов движения, а также открытого Ньютоном закона всемирного тяготения можно показать, что не только в кабине падающего лифта, как это следовало из рассуждений Галилея, но и на борту космического аппарата, свободно двигающегося в поле сил тяготения, должно наступать состояние невесомости. В книге Ньютона впервые говорится даже об «искусственных спутничках Земли».

Доказательство невесомости, по Ньютону, очень простое. Рассмотрим «спутничек», вращающийся вокруг Земли по круговой орбите. Вращение «спутничка» порождает центробежную силу, способную уравновесить силу тяготения. Произведя подсчет, нетрудно убедиться, что скорость, с которой «спутничек» движется по круговой орбите вблизи Земли, должна составлять около 8 км/с. Позже эту величину стали называть первой космической скоростью. Поскольку и сам «спутничек», и все находящиеся на нем предметы движутся с одинаковой скоростью и с одинаковым ускорением, на его борту наступает состояние невесомости.

Теория всемирного тяготения покончила с вихревой теорией Декарта. С помощью законов Ньютона стало возможным путем математических вычислений получать точные результаты. Это позволило выдвинуть очередную грандиозную задачу — создать небесную механику, объясняющую всю совокупность наблюдательной информации, которая была накоплена астрономией. За ее решение взялись последователи Ньютона — блестящая плеяда корифеев механики XVIII века Эйлер, Клеро, Лагранж, Лаплас.

Но оставался вопрос, который не заинтересовал никого из этих выдающихся ученых. Очень простой вопрос: если существует невесомость, то нельзя ли использовать ее для решения какой-либо полезной задачи?

Такие вопросы не были праздными для ученых XVII—XVIII веков.

Вспомним, например, как определял цели Лондонского Королевского общества Роберт Гук, один из его основателей: «Повышать значение натуральных вещей и всех полезных искусств, мануфактур, практической механики, инженерного дела и изобретательства при помощи экспериментов».

Честь открытия невесомости принадлежит Галилею. Строгое научное обоснование этого явления основано на теории Ньютона. Иногда говорят, что в прежние времена путь нового открытия в инженерную практику был намного длиннее, чем теперь. Это не совсем верно. Приведем конкретный пример. В «Беседах» Галилея обсуждается еще один ошибочный принцип механики Аристотеля — боязнь пустоты, якобы присущей природе. Галилей критикует этот принцип. А в 1643 году, спустя всего год после смерти ученого, его ученики Э. Торричелли и В. Вивиани открывают вакуум — «торричеллиеву пустоту».

Потребовалось всего четыре года, чтобы это открытие получило практическое применение: Блез Паскаль построил первый барометр. Чуть позже Роберт Бойль в Англии и Отто Герике в Германии изобретают первые воздушные насосы. Затем возникает идея паровой машины... Нет, инженеры XVII века не хуже наших современников умели ценить практическую силу новых физических идей!

А вот с невесомостью все получилось не так. Правда, один положительный пример все же известен. Английский промышленник Уильям Уоттс в 1782 году взял патент на производство дроби посредством сбрасывания капель расплавленного свинца с высокой башни. Падая, капли оказывались в состоянии невесомости, приобретали сферическую форму и успевали затвердеть до того, как долетали до земли. А еще через три года тот же Уоттс для этой цели построил в Бристоле первую башню. Кстати, подобный способ используется до сих пор. Очень простой способ. Почему же потребовалось целых полтора века, чтобы додуматься до него?

Может быть, не было потребности? Нет, потребность была: войны в Европе велись почти непрерывно. Может, невесомости просто не повезло — на нее не обратил внимание человек масштаба Паскаля? Но позвольте, с этой задачей справился Уоттс, человек, в науке совершенно безвестный. Тогда в чем же дело?

Ответ на поставленный вопрос, думается, надо искать в том положении, в котором оказалась теория тяготения после работ Ньютона. Согласно его представлениям, тяготение действует на расстоянии, передается мгновенно, причем без участия какой-либо промежуточной среды. Такое объяснение современники воспринимали с трудом.

Одним из первых с критическими замечаниями выступил голландский ученый X. Гюйгенс. В 1691 году он писал, что не может согласиться с теорией тяготения Ньютона, т. к. она не объясняет, почему все материальные тела притягиваются друг к другу, а также потому, что эта теория «допускает существование в мировом пространстве только разреженной материи, которая не оказывает сопротивления движению планет и комет. Тогда представляется невозможным объяснить ни действие тяготения, ни света». Примерно с таких же позиций критиковал теорию Ньютона и Г. Лейбниц.

Все эти трудности своей теории видел и сам Ньютон. Он искал, но так и не смог найти такого объяснения тяготения, которое удовлетворило бы его. В переписке с Р. Бентли Ньютон обсуждает, например, вопрос, не проявляется ли в законе всемирного тяготения существование бога. Именно такую позицию позже активно отстаивали некоторые его ученики и последователи, например, Котс. Однако сам Ньютон подытожил свои попытки раскрыть физический механизм тяготения по-иному: «Причину этих свойств силы тяготения я до сих пор не смог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю».

И после Ньютона физики предпринимали попытки найти ответ на эти вопросы. Однако белых пятен остается еще очень много. «Наука всегда неправа, — говорил любитель парадоксов Бернард Шоу. — Потому что, решив одну проблему, она тут же выдвигает несколько новых.»

В прошлом году отмечался еще один юбилей: тридцатилетие запуска первого спутника. Это событие открыло, наконец, дорогу к широкому практическому использованию невесомости.