Луна падает на Землю, как яблоко. Просто всё время промахивается

Камень падает вниз, а Луна висит в небе и не падает. Две тысячи лет это считалось самым очевидным различием между землёй и небом. В XVII веке Исаак Ньютон показал, что различия нет: Луна падает так же, как яблоко, и обоими движениями правит одна сила. Через полтора века эта мысль позволила найти планету, которую никто ещё не видел, причём нашли её на бумаге.

Две тысячи лет небо жило по своим правилам

Аристотель разделил мир надвое. Под Луной всё тленно: тяжёлое стремится вниз, лёгкое вверх, а любое движение рано или поздно затухает. Над Луной всё совершенно: светила сделаны из особого вещества, эфира, и вечно кружат по идеальным окружностям.

Это было логично. Телега без лошади встаёт, брошенный камень падает, а планеты тысячелетиями ходят по небу и не устают. Странно было бы думать, что ими правят те же законы, что и булыжником.

Потом картина пошла трещинами. В 1543 году Коперник поставил в центр мира Солнце. В 1610 году Галилей увидел в телескоп горы на Луне и спутники Юпитера. Иоганн Кеплер вывел, что планеты ходят по эллипсам, а не по кругам. Как они движутся, стало понятно. Почему они так движутся, по-прежнему не знал никто.

Ньютон спросил, докуда достаёт земная тяжесть

В 1665 году чума закрыла Кембриджский университет, и 22-летний Ньютон уехал на семейную ферму в Вулсторп. Много лет спустя он рассказал другу, Уильяму Стьюкли, что мысль о тяготении пришла ему в саду, когда упало яблоко. По голове оно его не било, это позднейшее украшение.

Вопрос был простой и дерзкий. Тяжесть действует на вершине дерева и на вершине горы. Почему бы ей не дотянуться до Луны? Тогда её сила должна слабеть с расстоянием. Ньютон предположил, что она слабеет как квадрат расстояния. Луна примерно в 60 раз дальше от центра Земли, чем яблоко, значит, тянет её в 3600 раз слабее.

Яблоко за первую секунду падения пролетает около пяти метров. Поделите на 3600, и выйдет, что Луна должна за секунду «падать» к Земле примерно на полтора миллиметра. Ровно настолько её путь каждую секунду отклоняется от прямой линии. Ньютон записал, что числа сошлись «довольно близко». Оставалась загадка: если Луна падает, почему она до сих пор не упала?

Луна падает всё время и всё время промахивается

Ответ дал закон, который ломал Аристотеля сильнее всего: тело, которое никто не толкает и не тормозит, движется прямо и не останавливается. Телега встаёт из-за трения, а не потому, что «устала». В пустоте космоса тормозить нечему.

Ньютон объяснил это мысленным опытом. Поставим пушку на очень высокую гору и выстрелим вбок. Ядро упадёт вдали. Выстрелим сильнее, и оно упадёт ещё дальше. Если разогнать его почти до 8 километров в секунду, земля будет изгибаться под ним так же быстро, как оно падает. Ядро станет падать вечно и никогда не долетит до земли. Это и есть орбита.

Так сегодня летает Международная космическая станция. На её высоте, около 400 километров, тяготение лишь немного слабее, чем у вас на кухне. Космонавты парят не потому, что Земля их отпустила, а потому, что они падают вместе со станцией. Ньютон всё это понимал, но почти двадцать лет никому не рассказывал.

Формула нашла планету, которую никто не видел

В 1684 году астроном Эдмунд Галлей приехал к Ньютону в Кембридж и спросил, по какой линии пойдёт планета, если её притягивает сила, слабеющая как квадрат расстояния. Ньютон сразу ответил: по эллипсу. Он давно это вычислил. Галлей уговорил его всё записать и в 1687 году издал «Математические начала натуральной философии» на собственные деньги. В книге стояли три закона движения и закон всемирного тяготения: любые два тела притягивают друг друга, и сила зависит от их масс и квадрата расстояния между ними.

Закон начал предсказывать. Галлей рассчитал, что комета, виденная в 1682 году, вернётся около 1758-го. Он умер в 1742-м, а в конце 1758 года комета появилась. Теперь она носит его имя.

Самый громкий триумф случился позже. Уран, открытый в 1781 году, двигался чуть не так, как велели расчёты. Француз Урбен Леверье предположил, что его тянет неизвестная планета, и вычислил, где она должна быть. 23 сентября 1846 года Иоганн Галле в Берлине навёл телескоп в указанную точку и в первую же ночь нашёл Нептун меньше чем в градусе от предсказанного места. Казалось, закон Ньютона безупречен. Но у него было слепое пятно.

Читайте также: «Снег» на экране старого телевизора отчасти был светом Большого взрыва

Ньютон не знал, что такое тяготение, и честно это признал

Ньютон описал, как действует сила, но не мог объяснить, как Солнце тянет Землю через пустоту. Он прямо написал: «Гипотез не измышляю». Ответ дал Альберт Эйнштейн в 1915 году: тяготение оказалось искривлением пространства и времени. Новая теория объяснила крошечную странность в движении Меркурия, с которой ньютоновские расчёты не справлялись, а сегодня поправки на неё нужны спутникам GPS.

Но для ракет, мостов и полётов к другим планетам законов Ньютона хватает с огромным запасом. По ним прокладывали путь к Луне для «Аполлонов» и гравитационные манёвры «Вояджеров». Каждый кадр компьютерной игры и каждая тренировка робота в виртуальном симуляторе вычисляют то же самое: сила, масса, ускорение, шаг вперёд.

Уронив ключи, вы ставите тот же опыт, что Луна ставит над Землёй уже четыре миллиарда лет. Разница лишь в скорости вбок. Ньютон стёр границу между небом и землёй, и с тех пор вселенная стала местом, которое можно посчитать: если законы одни для яблока и для звёзд, то, поняв яблоко, можно понять и звёзды. Другие истории о таких переломах мысли ждут в наших статьях.

Ещё в «Высоких технологиях»

Гормон роста не только растит мышцы во сне, но и будит мозг утромНобелевка-2026: как водоросль научила учёных включать мозг светомКальмар переписывает свои гены на ходу: 5 тысяч неизвестных белков

Все материалы раздела →