Закон є законом. Але він бездоганним буде тоді, коли міцно та всебічно обґрунтовано узаконений. А як бути з першим законом Ньютона? Чи на міцній основі він ґрунтується? Чи правильно його застосовують вже кілька століть в астрономії? Чи варто його застосовувати і зараз для пояснення руху планет?
Як стверджував Декарт, "для того, щоб пізнати істину, необхідно раз у житті поставити під сумнів, наскільки це можливо".
У "Фізиці для допитливих" Еріка Роджерса сказано так: "Правило "з гірки на гірку" вказує ще на одну обставину. Галілей розглянув граничний випадок, коли другий пагорб горизонтальний, тобто схил відсутній. Тоді куля, що скотилася з першого пагорба, повинна продовжувати свій рух по горизонталі нескінченно довго. Таким чином, Галілей відкрив сутність першого закону руху Ньютона: Якщо на тіло не діє сила, то воно продовжує рухатися з постійною швидкістю (по прямій). Хоча Галілей цього і не знав, у його руках був ключ до вирішення однієї із загадок, пов'язаних з рухом планет. Які сили підтримують рух планет, Місяця та інших небесних тіл? Що підштовхує їх вздовж напрямку руху по орбітах. На це запитання зараз можна було б відповісти: сила не потрібна, так як рух цих тіл триває сам собою" стор. 167.
Ось хто приспав зухвале прагнення думки до пізнання таємниць руху планет і заморозив її майже чотири сотні років. Ось найсильніший холодильник.
Чому поставлено під сумнів 1 закон Ньютона
Тож у чому ж неспроможність і помилковість першого закону Ньютона? Чи не підвів Галілей Ньютона своїм авторитетом? Чи була потреба Ньютону користуватися земним досвідом Галілея? І нарешті, чому неосмисленим і неперевіреним прийняли перший закон руху Ньютона астрономи світу, які зробили категоричний висновок, що рух небесних тіл триває сам собою?
Поставлені ці питання не заради забави. Якщо людина по-справжньому прагне до пізнання навколишнього світу, то вона повинна і по серйозному поставитися до такої і подібної до неї постановки запитань, не дивлячись на століттями встановлену непорушність: вона по-справжньому ще не перевірена, не доведена.
Що ж спонукає до сумніву правильності першого закону Ньютона? Невже стільки століть ним користувалися і раптом він виявився невідповідним?
Кожен раніше відкритий закон природи є насамперед ключем до пізнання на сьогодні невідомого і загадкового. Голих законів, які могли б існувати самі по собі поза тісним зв'язком із загальним обсягом явищ і наслідків у матеріальному світі не буває, тому що не буває явищ, які могли б протікати поза законом. Тому кожен відкритий закон природи має свою сферу впливу і пояснює її до настільки вичерпних понять, коли вже немає місця для подальшої постановки запитань, що безпосередньо стосуються його. Такий закон має бути простим за своєю структурою та доступним до повного розуміння його змісту.
Глибокий аналіз умов, що передували його виникненню та сфери поширення на навколишній світ, викликає деякі підозри важливого значення в пізнавальному напрямку, в результаті якого виникають серйозні заперечення і недовіра до сталих уявлень в астрономічній науці, особливо в розділі небесної механіки.
Спочатку слід поговорити про причини, які послужили до відкриття і формулювання першого закону Ньютона.
Добре осмислюючи початкові кроки лабораторних досліджень Галілея, дещо наводить на думку, що не все узгоджується з тим, що передбачається законом. І незважаючи на такий солідний стаж існування його в побуті, він все ж таки не виправдовує покладених на нього "обов'язків": не дає приводу до розгадки, чому не всі планетні тіла мають однакові орбіти; чому орбіта має бути еліптичною, а не круговою; чому центр тяжіння повинен бути зміщений в один із фокусів еліптичної орбіти; чому існують різні види орбіт: еліптичні, параболічні, гіперболічні; і, нарешті, що могло б стати початковим поштовхом до виникнення імпульсу руху планети навколо центру тяжіння.
Перший закон руху Ньютона, у прописці небесної механіки, говорячи сучасною мовою займається явним окозамилюванням і приспанням пильності наукової думки, мовляв, все гаразд і навіщо вам знати більше: рух планет вічний і нескінченний.
І все ж наслідки, що склалися, беруть початок від Галілея.
Галілей свого часу проводив найпростіші досліди з кулькою на похилій площині.
Сила авторитету зіграла свою роль на багато століть. І якщо в даний час вже через 380 років після смерті Галілея виникає питання про перегляд наслідків його висновків, то все ж таки слід сказати відверто, що початковим винуватцем неспроможності 1-го закону руху Ньютона слід вважати Галілея через його впертість в омані.
Ось що пише далі Ерік Роджерс про незалежність руху.
"Складання швидкостей, сил і т.п. за правилом паралелограма було тільки відкрито; по суті, воно означало, що один вектор не впливає на інший - вони діють незалежно і складаються геометрично. У своїх експериментах Галілей наполягав на тому, що рухи (і сили) не залежать один від одного, наприклад, прискорений рух по вертикалі і постійний рух по горизонталі просто складаються як вектори, один рух не впливає на інший, який відбувається незалежно, він застосував це правило до польоту снарядів і показав, що їх траєкторії є параболами." стор 167.
Що буде тут помилковим, і хто у чому винний? Не будемо аналізувати поняття про вектори, оскільки це вимагає окремого дослідження. Здається, що вони завели в оману самого Галілея. Але що це був за експеримент, який давав привід Галілею наполягати на тому, що рух і сила не залежать одне від одного, поки так і залишається загадкою. Якщо він і проводив такі експерименти і прирівнював до рухів небесних тіл, тобто висновки експериментів переніс у область небесної механіки, то це було неправильне перенесення. Пізніше ми побачимо, як рух небесних тіл залежить від впливу сили.
Незрозуміло, які він мав на увазі постійний рух горизонталлю особливо в земних умовах. Та й чи можливий такий рух природного походження, якщо він мав на увазі разом із цим прискорений рух по вертикалі, спричинений природним шляхом – шляхом тяжіння Землі. Але якщо він експериментував прискорений рух по вертикалі в земних умовах і до того ж мав на увазі постійний рух планет по горизонталі, то він не врахував того, що і планети рухаються так само за допомогою тих же сил, які викликають на Землі прискорений рух по вертикалі. Але якщо він поєднав воєдино або прирівнював рух, викликаний штучним шляхом (кулька на похилій площині) і природним (падіння тіло під вагою), то це був неправильний підхід до постановки питання, що призводило до неправильних висновків. Та й з якою метою треба було проводити подібні експерименти, щоб робити неприродні висновки?
Адже і без цього кожному було і тоді, і тепер зрозуміло, що рух немислимий без застосування сили. А якщо так, то між ними і має існувати якась залежність.
Галілей проводив експерименти в земних умовах і по земному робив свої висновки, а вхопилися ці висновки застосовувати в пізнанні руху тіл зовсім в інших масштабах, в іншому фізичному середовищі, в інших умовах.
Для історії науки було б цікаво знати, хто першим подав голос перенести висновки експериментів Галілея в область небесної механіки. Можливо, ще на часі Ньютона склалася в тодішній науці загальноприйнята думка, що стала своєю авторитетністю підставою для формулювання 1-го закону руху. А тому, можливо, не Галілея слід звинувачувати за необґрунтованість 1-го закону руху Ньютона, а самого Ньютона, який не замислюючись, скористувався гарними висновками експериментів Галілея і побудував на їх основі свій перший закон. Очевидно, авторитетні експерименти Галілея для Ньютона були настільки очевидні і поза сумнівом, що, не піддаючи їх всебічній перевірці, без вагань прийняли результати за істину.
Принагідно слід було б зробити і такого роду зауваження. Авторитетом Ісаака Ньютона скористувався і Альберт Енштейн. Він так само виклав поняття про рух тіл у своїй загальній теорії відносності з тими ж помилковими наслідками. Про це йтиметься пізніше.
У чому Ньютон неправий
За що слід було б дорікнути Ньютону? Беручи на віру висновки експериментів Галілея, він не сумнівався в достовірності, щоб поставити цілу низку питань, які самі по собі напрошуються, як тільки виникає необхідність застосування цього закону в пізнанні таємниць небесної механіки, який так явно виглядає голо, про що вже згадувалося на початку викладу.
Ньютон не врахував того становища, що незначні на перший погляд дрібниці можуть призвести до серйозних підозр. "Якщо на тіло не діє сила, воно продовжує рухатися з постійною швидкістю (по прямій)". Це лише висновок з експерименту, що проводився в земних і суто земних умовах, а не в космосі. Але цей висновок не може бути так одразу перетворено на закон хоча б по тій маленькій дрібниці - "по прямій". Це перша зачіпка.
Постає питання, про які планети може бути розмова, щоб вони існували поза полем тяжіння? А якщо йдеться про планети Сонячної системи, то кожна з них обов'язково повинна бути в полоні сонячного тяжіння і відчувати на собі вплив його сил. Сонце притягує до себе кожну планету та утримує її на круговій орбіті. А якщо притягує, то це вже каже, що на планету діють якісь сили. Та й чимала сила дії з боку Сонця. Якщо вірити, то "тяжіння між Сонцем і Землею неймовірно велике - його може замінити хіба що сталевий канат з діаметром, рівним діаметру Землі". (Е. Роджерс. Стор. 301). І планета рухається вже не прямою, чого вимагає перший закон руху Ньютона. Ось це перше, що йде врозріз із законом. Друге, що не узгоджується з формулюванням закону те, що кожна планета рухається своєю орбітою з непостійною швидкістю, а закон вимагає руху з постійною швидкістю. І третє те, що швидкість руху по орбіті, що змінюється, якраз і залежить від впливу центру тяжіння - від Сонця.
Невже цього не міг помітити Ньютон чи хтось із інших астрономів уже на протязі понад три сотні років?
Адже всі добре знають, що Земля рухається орбітою навколо Сонця і що цей рух нерівномірний: швидкий він у перигелії, повільніше - в апогеї, а кажуть офіційно мовою науки, що Земля, як і інші планети Сонячної системи, рухається відповідно до першого закону руху Ньютона . Де ж логіка, де самокритичний аналіз власних суджень? І що тут зіграло роль: неглибокодумне ставлення чи оманлива видимість руху планет із постійною швидкістю вже більше трьох сотень із часу Ньютона? Неглибокодумне над сформульованим законом, який так добре узгоджується з явною видимістю і не турбує з якоюсь незрозумілістю.
Процеси, що відбуваються між Землею та Сонцем
Для повного уявлення про механізм впливу сил гравітації Сонця слід було б добре подумати, як і в яких напрямках надає їх центр тяжіння. Сказати просто - центр тяжіння відхиляє тіло від прямолінійного руху, тобто. відтягує убік на себе не буде повністю осмисленим поняттям у всіх його подробицях. Складається враження начебто відхилення руху Землі від прямолінійного до кругового дрібниця, що не грає будь-якої ролі в порушенні швидкого польоту планети. Але якщо уважніше уявити весь механізм цієї взаємодії у системі, стає зрозумілим, що крім простого відхилення Землі від прямолінійного руху має відбуватися ще й гальмування.
Адже насправді, між Землею і Сонцем відбувається протиборство і до того ж великої сили, щоб планета втрималася на орбіті (нагадаємо про сталевий канат). Постає питання, звідки Земля повинна черпати енергію, щоб встояти в цьому протиборстві? Чи не за рахунок свого швидкого руху вперед (30 км/с)? Чи не за рахунок того, що інерційна маса планети прагне зберегти прямолінійний і лише прямолінійний рух? Чи не тому, що вона рухається згідно із законом інерції? Адже цей закон динаміки і без зайвих коментарів зрозумілий: чим швидше мчить тіло, тим більш прямим і рівномірним є його шлях руху. Значить, на це протиборство має бути витрачено відповідно певну кількість енергії. З якого арсеналу? Тільки із її загальної суми кінетичної енергії! Якщо ж взаємно-тяжіння між двома центрами гравітації відбувається безперервно, те й безперервно має вичерпуватися енергія кінетичного руху Землі.
Логічно, кінетична енергія планети весь час має зменшуватися, а разом із нею має й уповільнюватися її поступальний рух, тобто планета повинна рухатися все повільніше і повільніше рік у рік. Але чи помічаємо це уповільнення? Ні. Планета рухається на орбіті поступово і жодного відставання не виявляється.
У чому ж справа? Якщо такий механізм взаємодії між Землею і Сонцем насправді має місце, виникає нове непорозуміння: звідки Земля черпає енергію для стабільного руху по орбіті? Звідки вона набирає сили для погашення витраченої енергії на протиборство? Сонце своїм тяжінням забирає частину енергії із кінетичного запасу Землі. А хто їй дає назад? За рахунок чого вона поповнюється?
Як одне, так і інше - незаперечні докази в галузі земної механіки. Парадокс. Тут ми підійшли до кричущої неузгодженості.
А якщо з'являється парадоксальний стан цілком реальних обставин дослідження, це вже говорить про щось незвичайне, яке в той же час нам здається зовсім звичайним, знайомим і добре зрозумілим.
І якщо перерахувати ще раз, то справді все виглядає звичайним: Сонце впливає на Землю своїм тяжінням і утримує її на орбіті - факт. Тіла, що рухаються з великою швидкістю, прагнуть тільки прямолінійного руху - закон. Але між фактом та законом замість узгодженості виникає суперечливість. Мабуть, тут чогось не вистачає, або щось ми не так розуміємо.
Нетерплячому все це може здатися, як зайва витівка, тому що ми звикли думати про все вже улагоджене: "ніякі сили тут не потрібні, тому що рух Землі триває сам собою".
Так, було б усе зрозуміло, якби планети рухалися прямою лінією і поза полем тяжіння, де б були відсутні впливові сили гальмування їх поступальних рухів. Цього й не підозрювали законодавці небесної механіки.
Енгельс свого часу сказав: "Ньютонівське тяжіння... не пояснює, а представляє наочно сучасний стан руху планет". Але як бачимо, і в цій даній наочності ще не все гладко.
Не буде помилкою, якщо скажемо так само і про Йоганна Кеплера: він теж надає наочно сучасний рух планет, але не пояснює.
- "Кожна планета рухається по еліпсу, в одному з фокусів якого знаходиться Сонце". Чому? Він не пояснив.
- "Радіус-вектор (лінія, що з'єднує Сонце та планету) описує за рівні проміжки часу рівні площі". Чому? Він не пояснив.
- "Квадрати періодів обігу планет пропорційні кубам їх середніх відстаней від Сонця". Чому? Ні він, ні хтось інший не пояснив цих загадок.
Для того, щоб осмислено зрозуміти закони руху небесних тіл, тобто дати пояснення законів Ньютона насамперед потрібно знайти пояснення законів Кеплера. Адже Ньютон виводив свої закони на основі законів Йоганна Кеплера. Але нажаль!
Постановка питань така: сформульовані закони Кеплера не змінювати, а лише поставити як запитальні пропозиції, тобто з добавкою слова "чому?"
Направляючим поняттям у дослідженні має бути вже розглянуте питання: звідки беруться поновлюванні сили для руху планети на орбіті, якщо сонячне тяжіння постійно гальмуюче діє на стрімкий рух планети?
Тут ми можемо скористуватися вже наявними знаннями про закони руху тіл у земних умовах, тобто застосувати закони механіки земної у пізнанні законів механіки небесної.
