Общеизвестно, что вес тела определяется его притяжением к Земле. Почему при определении веса предмета не нужно принимать во внимание его расстояние от Земли и учитывать массу Земли? Мы не сомневаемся в том, что читатель ответит на этот вопрос. Вероятно, читатель попутно обдумает и то, как связан вес предмета с его массой. Является ли вес тела столь же фундаментальной характеристикой предмета, как его масса?

А вот еще вопросы, к которым мы хотим привлечь внимание читателя. Они тревожили не только Ньютона, но и других ученых на протяжении трех веков.

Прочтем еще раз формулировку второго закона механики. Обратим внимание на слово «пропорциональна». Какова эта пропорциональность? Ньютон не смог определить ее числовую величину из «первых принципов», хотя и стремился к этому. («Принципами» он называл основные характеристики явлений и процессов, которые ученый должен извлечь из наблюдений Природы или из специально проведенных опытов). Ньютон определил из опыта и из астрономических наблюдений величину коэффициента пропорциональности между силой, действующей на тело, и его массой.

Наиболее сложным из вопросов, связанных с законом тяготения, является вопрос о причине тяготения. Ньютон не нашел ответа на этот вопрос. Он пробовал опереться на свойства эфира, но не достиг цели.

Не он первый надеялся на помощь эфира.

Эфир вошел в обиход, когда римляне перевели на латынь труды древнегреческого философа Аристотеля. Аристотель учил, что весь мир состоит из сочетаний четырех сущностей: огня, воздуха, воды и земли. На этой основе он объяснял свойства всех веществ и предметов, ход известных ему процессов.

Одно оставалось необъяснимым — вечное вращение звездного неба. Аристотель не мог смириться с этим пробелом. После многих попыток и сомнений он ввел пятую сущность — квинтэссенцию, незримый эфир, образующий небесную твердь, к которой якобы прикреплены звезды. Эфиру, по мысли Аристотеля, присуще одно единственное, но главнейшее свойство — вечное вращательное движение вместе со звездами и планетами, со всем, что есть во Вселенной. Увы, эфир Аристотеля не играл никакой роли в подлунном мире. Но после Аристотеля проходили века, а эфир продолжал играть противоречивые роли в науке — от него физика не может избавиться до сих пор. Его то хоронят, то возрождают вновь.

Ньютону, в его время, еще не было известно то, что известно ученым сегодня.

Естественно, неудачей закончилась попытка Ньютона привлечь эфир к решению конкретной проблемы, возникшей перед рождающейся новой физикой. Ньютон подвел итог своим размышлениям откровенной и горестной фразой: «Я не знаю, что такое эфир».

Но неудача не остановила Ньютона. Он считал основной задачей физики — находить закономерности в явлениях Природы и описывать их методами математики. Он считал это более важным, чем выяснение вопроса — почему происходит то или иное явление. Если ему не удавалось найти ответ, он оставлял вопрос потомкам.

До наших дней вопрос о причинах, порождающих тяготение, не решен. Даже Эйнштейн, создав теорию гравитации (гравитация — это латинское «тяготение»), не ответил на этот вопрос. Он лишь далеко продвинулся по пути, избранном Ньютоном — подробно описал математическими символами закономерности полей тяготения и извлек из них следствия, подтвержденные опытами.

Вопрос о том, почему поле тяготения обладает свойствами, описываемыми теорией гравитации, почему гравитационное взаимодействие таково, каким мы его знаем, почему в Природе существуют различные взаимодействия и соответствующие силы, еще стоит перед учеными.

Закон тяготения, сформулированный Ньютоном, содержит еще одну тайну. Попробуем применить этот закон к трем телам. Пусть два из них находятся на сильно различающихся расстояниях от третьего.

Теперь представим себе, что третье тело сместилось в пространстве. К чему это приведет? Ясно, что при этом изменится взаимное расстояние, а значит и взаимное притяжение между телами. Что здесь неожиданного? Подумай об этом, читатель!

В течении трех веков поколения физиков, как и самого Ньютона тревожил вопрос о том, почему взаимодействие этого тела с двумя другими изменяется одновременно, несмотря на то, что расстояние между ними различно?

Это может быть объяснено, если предположить, что сила тяготения распространяется в пространстве с бесконечной скоростью. Физики обозначили это словом «дальнодействие». Ньютон считал дальнодействие невозможным. Но в закон тяготения не входит время. Значит, сила тяготения, описываемая этим законом, мгновенно охватывает весь мир, конечно, убывая по величине по мере увеличения расстояния.

Ньютон не мог примириться с этим следствием закона тяготения, но был вынужден оставить и эту загадку потомкам.

Разрешил ее только Эйнштейн. Он бился над ней с 1905 года, когда создал Специальную теорию относительности, до 1915 года, когда завершил построение Общей теории относительности — теории гравитации. Эйнштейн покончил с дальнодействием, показав, что гравитационное взаимодействие распространяется в пространстве не с бесконечно большой скоростью, а с конечной, хотя и очень большой скоростью — со скоростью света. Эйнштейн посеял смуту в среде физиков, которым пришлось пересматривать казалось бы незыблимые устои классической физики.

Остановимся на законе тяготения и сравним его с вторым законом Ньютона. И в тот, и в другой входят величины, имеющие одинаковое название «масса». И в том, и в другом случае «масса» выражает количественную характеристику материи. Почему мы обращаем на это внимание? Разве это не одна и та же характеристика?

Присмотревшись внимательно, мы заметим различие. В законе тяготения масса выражает связь между силой и расстоянием, точнее между силой взаимного притяжения двух масс и расстоянием между ними. Во втором законе механики масса выражает связь между силой и ускорением.

Различие столь велико, что физики дали этим массам уточняющие названия. Массы, входящие в закон тяготения, называют тяжелыми или гравитационными массами. Массу, входящую во второй закон механики, называют инертной массой.

Такое название подчеркивает, что ускорение тела зависит от его инерции, от того, что Ньютон предпочитал называть «врожденной силой материи».

Вспомните — еще Галилей обнаружил, что период качания маятника не зависит ни от веса его груза, ни от материала, из которого он изготовлен. Ньютон тщательно повторил опыты Галилея и подтвердил его результат с высокой, для того времени, точностью. Погрешность была меньше, чем одна тысячная.

Вывод Ньютона: тяжелая (гравитационная) масса и инертная масса пропорциональны. Вес тела и его инерция пропорциональны. Это следует из опыта с маятниками.

Сейчас эта пропорциональность установлена с относительной погрешностью, не превышающей одну миллионную долю от одной миллионной (дробь, в которой между запятой и единицей стоят одиннадцать нулей).

Эйнштейн пришел к заключению о том, что пропорциональность между гравитационной и инертной массами отражает более глубокую общность — их эквивалентность. Исходя из этого, он создал Общую теорию относительности — теорию гравитации. Мы дадим читателю возможность пройти вслед за Эйнштейном по пути от принципа относительности, установленного Галилеем, через Специальную теорию относительности к теории гравитации.