ОПЫТ Г.КАВЕНДИША: ПРОБЛЕМЫ ВОСПРИЯТИЯ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ

К.А.Томилин

В 1998 г. исполняется 200 лет опытам Г.Кавендиша по определению средней плотности Земли [1]. Г.Кавендиш, основываясь на методе измерения колебаний крутильных весов вблизи тела известной массы, определил, что плотность Земли равна 5,48 плотности воды (5.48 г/см³), что очень близко к современному значению 5,52 г/см³.

Опыт Кавендиша, его предыстория и последующие опыты по определению средней плотности Земли были детально исследованы Дж.Пойнтингом [2], Р.Мак-Кормаком [3], С.Филоновичем [4] и др. Основная часть статьи Кавендиша "Опыты по определению плотности Земли" была переведена на русский язык С.Филоновичем [5]. Вместе с тем существует ряд аспектов, которые историками науки не затрагивались. Речь идет прежде всего о принципиальном расхождении в оценке результата этого опыта между физиками и историками физики.

В научной и научно-популярной литературе XX в. получила необычайно широкое распространение версия, что Кавендиш измерял и измерил гравитационную постоянную (гравитационная постоянная G – коэффициент пропорциональности в законе тяготения Ньютона, ныне рассматривается как одна из фундаментальных постоянных). Версия о том, что Кавендиш измерил гравитационную постоянную, ныне присутствует практически во всех энциклопедических изданиях, таких как "Британника", "Larousse", "Физическая энциклопедия" и т. д., а также школьных учебниках и пособиях. Ряд авторов даже приписывают ему те или иные значения гравитационной постоянной, которые он якобы получил. Так, в "Британнике" утверждается, что Г.Кавендиш получил значение G=6,754·10^-11 м³/(кг·с³) [6, с.294]. Это же утверждают Е.P.Коэн, К.Кроув и Дж.Дюмонд [7, p.16], А.Кук [8, с.74] и др. Леон Купер в своем 2-х томном учебнике физики приводит другое значение – 6.71·10^-8 дин·см²/г² [9, т.1, с.79], а О.П.Спиридонов третье – (6.6 ± 0.04)·10^-11 м³/(кг·с³) [10, с.51]. Все эти значения гравитационной постоянной не имеют ничего общего с работой Кавендиша и вычислены позднее по полученному им значению средней плотности Земли. Версия, что Кавендиш измерил гравитационную постоянную, является своеобразным экспериментальным дополнением версии о введении гравитационной постоянной И.Ньютоном [10, с.46]; [11, с.4]. На самом деле, Ньютон не нуждался во введении гравитационной постоянной и ее, разумеется, не вводил, поскольку небесная механика оперирует только с кинематическими величинами или безразмерными параметрами типа отношения масс (в расчетах движения комет Ньютон использовал также т.н. гауссову постоянную Солнца). Гравитационная постоянная появилась в ньютоновском законе значительно позже и выполняла первоначально лишь роль размерного коэффициента, связанного с выбором единой практической системы мер в конце XVIII в. во Франции. Роль гравитационной постоянной было осознана лишь в конце XIX в., так, например, М.Планк в 1899 г. поставил ее в один ряд с постоянными c и h. А в 1930-е гг. М.П.Бронштейн, а затем в 1960-е гг. А.Зельманов представили эволюцию физики как переход к cGh-теории, т.е. общей теории, в которой все эти три постоянные играют фундаментальную роль. Это и привело к существенной модернизации в XX в. истории опыта Г.Кавендиша физиками, игнорировавшими как первоисточники, так и работы историков физики.

Историки физики, в отличие от самих физиков, говорят об измерении Кавендишем средней плотности Земли, что и было в действительности. Это касается как специальных работ, указанных выше, так и общих курсов В.Уэвелля, Ф.Араго, Ф.Розенбергера, И.К.Поггендорфа, Э.Хоппе, П.Лакура и Я.Аппеля. Неточность содержится лишь в учебнике П.С.Кудрявцева, где утверждается, что Кавендиш измерил и среднюю плотность Земли, и гравитационную постоянную. Б.И.Спасский и Я.Г.Дорфман вообще не включили опыт Кавендиша в свои курсы по истории физики (очевидно полагая, что измерение средней плотности Земли не выглядит фундаментальной проблемой после эпохальных открытий начала XX в.). М.Льоцци лишь упомянул о нем, отметив, что "метод Кавендиша, впоследствии усовершенствованный, позволил в прошлом веке произвести численное определение гравитационной постоянной". Безусловно, что значение средней плотности Земли и гравитационной постоянной связаны и Кавендиш мог бы получить значение гравитационной постоянной, если бы тогда была поставлена такая задача, однако понятия гравитационной постоянной еще не существовало в физической теории того времени. Лишь после опыта Кавендиша появилась возможность унификации единиц в теории тяготения и механике, – и эта возможность вскоре была реализована, по-видимому, впервые С.Пуассоном в "Трактате по механике" в 1811 г. [12, т.2, с.16]. Переход к единой практической системе мер неизбежно приводил к появлению размерного коэффициента ньютоновском законе тяготения. С.Пуассон, по-видимому, первым записал его в таком виде: Mmf/r², где f – сила притяжения единичных масс, находящихся на единичном расстоянии (от force (фр.) – сила) – и есть современная гравитационная постоянная (G).

Ряд историков науки утверждает, что Кавендиш ошибся в вычислении среднего арифметического при вычислении окончательного результата. Это утверждение основано на анализе окончательной таблицы, в которую Кавендиш свел данные всех 29 опытов (6-ти предварительных опытов с одной проволокой и 23-х основных опытов со второй проволокой). Это "обвинение" впервые было высказано в 1843 г. Ф.Бейли, который отметил, что среднее арифметическое 29 опытов – 5,448 г/см³, и повторялось затем Дж.Пойнтингом, Дж.Краузером, А.Берри, С.Филоновичем и др. Однако комментарий самого Кавендиша к полученным им результатам позволяет снять с него "обвинение" в арифметической ошибке. Кавендиш не утверждает, что вычисляет среднее всех 29 опытов. Кавендиш пишет, что среднее арифметическое результатов 23-х опытов со второй проволокой (первые 6 предварительных опытов он выполнил с проволокой, которая его не устраивала из-за недостаточной жесткости) дают значение 5,48 плотностей воды. Действительно, среднее арифметическое этих 23-х основных опытов – 5,4835 » 5,48 пл. воды, что в точности соответствует значению 5,48, приведенному Кавендишем.

Фундаментальное различие между физиками и историками физики в понимании цели и результата опыта Кавендиша выходит за рамки собственно опыта Кавендиша. Очевидно, что в основе этой модернизации истории науки – различное понимание исторической реальности у ученых и историков науки (аналогичное различие наблюдается у политиков и историков). Если историк стремится рационально реконструировать реальные события, то ученые, наоборот, стремятся свою научную картину мира "опрокинуть" в прошлое, наделить свою идеальную схему соответствующей реальной историей. Для физиков реальна лишь та история, которая соответствует современной физической картине мира. Кратко это различие можно выразить так: историки идеализируют материальное, а физики – материализируют идеальное. Вместе с тем было бы неправильным утверждать абсолютную истинность чисто "исторического" подхода, например, для истории физики игнорирование "физического" подхода ведет к непониманию эволюции физики. Поэтому реальная история может быть понята лишь в рамках дополнительности этих двух противоположных подходов.

Список литературы

1. Cavendish H. Experiments to determine the density of the earth //Phil. Trans. of Royal Soc. of London. 1798. Vol.88. P.469-526.

2. Poynting J.H. The mean density of the Earth. L., 1894. 156 p.

3. MacCormach R. John Michell and Henry Cavendish. Weighting the stars //Brit. J. Hist. Sci. 1968. Vol.4. № 14. P.126-155.

4. Филонович С.Р. Физический эксперимент и его восприятие //Исследования по истории физики и механики. М., 1988. C.5-36 (I); там же. 1989. C.38-69 (II).

5. Кавендиш Г. Опыты по определению плотности Земли //Голин Г.М.Филонович С.Р. Классики физической науки. М., 1989. C.255-268.

6. Britannica. 1973. Vol.8.

7. Cohen E.R., Crowe C.M., Dumond J.W.M. Fundamental constants of physics. N.Y., L., 1957.

8. Cook A.H. Experiments on gravitation //Three hundred years of gravitation. Cambridge, 1987.

9. Купер Л. Физика для всех. Введение в сущность и структуру физики. М., 1973.

10. Спиридонов О.П. Фундаментальные физические постоянные. М., 1991.

11. Милюков В.К., Сагитов М.У. Гравитационная постоянная в астрономии // Знание. 1985. № 9.

12. Poisson S.D. Traité de mecaniqué. Paris, 1811. T.1-2.