Ньютонівська революція

План

1. Ньютон і його час

2. "Математичні начала натуральної філософії" і їх структура

3. Закон всесвітнього тяжіння

4. Математичне узагальнення

5. Ньютонівська оптика

6. Атомістичні погляди Ньютона

7. Учення Ньютона про ефір

8. Ньютонівська Ідея дальньої дії

9. Простір, час, рух

Ньютон і його час

Узагальнивши розрізнені результати своїх попередників у струнку теоретичну систему знання (ньютонівську механіку), Ньютон (1643-1727) став основоположником класичної теоретичної фізики. Він сформулював її цілі, розробив методи й програму розвитку, яка була означена таким чином: "Було б непогано вивести з начал механіки й інші явища природи". В основі ньютон і вського методу лежить експериментальне встановлення точних кількісних закономірних зв'язків між явищами й виведення з них загальних законів природи методом індукції.

Ньютон народився в рік початку великої громадянської війни в Англії і пережив за своє довге, вісімдесятип'ятилітнє життя страту Карла І, правління Кромвеля, реставрацію Стюартів, другу, так звану "безкровну" славну революцію 1688 р. і помер за зміцнілого конституційного режиму. Він був сучасником Петра І і Людовіка XIV. Але політичні бурі, очевидно, не залишили глибоких слідів у житті Ньютона. Він був, принаймні зовні, аполітичним "філософом" у тому широкому розумінні, у якому це слово застосовувалося в давнину.

Життя Ньютона спливало спокійно, мирно й одноманітно; помер він неодруженим, нікуди не виїжджав за межі Англії, подорожі його обмежувалися невеликими відстанями від Грентема до Кембриджу й Лондона (близько 200 км). Ньютон відзначався міцним здоров'ям, ніколи не мав особливо близьких друзів, родичів чисто "життєва" біографія Ньютона майже обмежується послужним списком та десятком анекдотів-легенд. Усе це тільки показна оболонка справжньої діяльності Ньютона, яка поглинала його повністю, принаймні, у першій половині життя; плодами її стали "Оптика", "Математичні начала натуральної філософії" і метод флюксій.

Ньютон, незважаючи на небачену широту своїх наукових інтересів, не був універсальним генієм, як Леонардо да Вінчі, чи "полігієтором" (знавцем усіх наук), як Лейбніц. Його думки й робота зосереджувалися на "натуральній філософії", або фізиці; математика й астрономія в його руках були, зрештою, методом і матеріалом для вирішення основних фізичних завдань. Богословські й історичні знання Ньютона можна розглядати як неминучу данину часу, властиву багатьом його сучасникам.

Мирна одноманітність життя й зосередженість думки та роботи були тими сприятливими чинниками, які допомагали Ньютону із неупередженістю стороннього глядача усвідомити разючі розміри й велич досягнень пізнання, але якість наукової спадщини вченого є секретом генія, що залишився незрозумілим і для нього самого. Ми можемо тільки захоплюватися ним.

Народився І. Ньютон у невеликому селищі Вульсторп у графстві Лінкольн 5 січня 1643 р. у родині дрібного фермера. Його дитячі і юнацькі роки минали в середовищі фермерів і сільських пасторів. У дитинстві Ісаак жив в основному на піклуванні бабусі. Схильний до самітності, міркувань, завзятий у навчанні хлопчик успішно закінчив школу і в 1660 р. вступив до Кембриджського університету. Усі свої великі відкриття він зробив або підготував у молоді роки — з 1665 по 1667 pp., рятуючись у рідному Вульсторпі від чуми, що лютувала в містах Англії. Серед цих відкриттів — закони динаміки, закон всесвітнього тяжіння, створення (одночасно з Лейбніцем) нових математичних методів диференціального й інтегрального числення, що стали фундаментом вищої математики; винахід телескопа-рефлектора, відкриття спектрального складу білого світла й ін.

"Математичні начала натуральної філософії" і їх структура

Безпосередня мета "Начал" — наведення доказів на користь закону всесвітнього тяжіння як такого, що безпосередньо випливає із застосування принципів механіки до руху небесних тіл. Підготовку цієї безпосередності було проведено з вражаючою майстерністю. "Начала" побудовані дуже чітко, і ця чіткість, де випадкова. Наслідуючи Евкліда, Ньютон спочатку вводить визначення основних фізичних понять — маси, кількості руху, сили й т.п., потім ідуть аксіоми, або закони руху.

"Книга І, Про рух тіл" — вирішення ряду динамічних задач, які стосуються руху матеріальних точок і твердих тіл. Розглянуто основні питання стосовно закону ценг тральної сили, коли орбіту задано; зроблено спробу розв'язати й обернену проблему. Поряд із законом обернених квадратів у цих задачах фігурують й інші закони.

"Книга II, Про рух тіл". Мета другої книги — нищівна критика вихрової теорії Декарта, основна тема — гідродинамічні й гідростатичні задачі, закони руху тіл в середовищі з опором, хвильовий рух, найпростіші випадки вихрових рухів.

"Книга III, Про систему світу". Найбільш фізичною щодо змісту й найбільш вагомою за результатами була третя книга. Спочатку йдуть "Правила дослідження природи". Сформульовано чотири правила, зміст яких полягає в тому, що якщо з досліду щось випливає, то це вірно, і далі не потрібно вести філософські дискусії, а потрібно ці твердження застосовувати й спостерігати, що із цього вийде. Якщо наслідки узгоджуються з дослідом, то теорія правильна.

Наступний розділ називається "Явища". У ньому ретельно перераховано основні експериментальні факти — "явища". "Явища" описано дуже грунтовно. Наприклад, перевіряючи 3-ій закон Кеплера для супутників Юпітера, Ньютон докладно описує, за допомогою якого телескопа, якої довжини, за допомогою якого "пречудового мікрометра" було проведено вимірювання й т.д. Результатом аналізу наведених "явищ", а також деяких інших фактів Ньютон вважав встановлення факту, що "тяжіння існує до всіх тіл взагалі і є пропорційним масі кожного з них" і "тяжіння до окремих рівних частин тіл оберненопропорційне квадратам відстаней до цих частин".

Далі йде певна кількість теорем про властивості Сонячної системи. Є теореми про форму Землі, широтну залежність ваги й багато іншого. І, нарешті, йде найскладніше: кількісна теорія Місяця, теорія припливів і теорія комет.

Закон всесвітнього тяжіння

Ще в давнину, спостерігаючи за рухом планет, люди здогадувалися, що всі вони, разом із Землею, рухаються навколо Сонця. Пізніше, коли було забуто, про що знали колись, це відкриття заново зробив Коперник. І тоді виникли нові запитання: як саме планети рухаються навколо Сонця" який характер їхнього руху? Чи рухаються вони по колу й Сонце знаходиться в центрі, чи вони рухаються по якійсь іншій кривій? Як швидко вони рухаються? І так далі. З'ясувалося це не так швидко. Після Коперника знову настали неспокійні часи й розпочалися суперечки про те, чи обертаються планети разом із Землею навколо Сонця, чи Земля знаходиться в центрі Всесвіту. Тіхо Браге знайшов вихід із скрутного становища, що склалося на той час. Він прийшов до висновку, що потрібно дуже уважно стежити, де з'являються на небі планети, точно записувати дані спостережень і тоді уже вибирати між двома супротивними теоріями. Це і було початком сучасної науки, становленням нових підходів до правильного розуміння природи — спостерігати за явищем, записувати всі подробиці й використовувати їх для того чи іншого теоретичного тлумачення. І от Тіхо Браге у своїй обсерваторії фіксував щоночі положення планет. Величезну кількість високоточних даних Браге заповідав Кеплеру, який і спробував дати відповідь на питання, як рухаються планети навколо Сонця. У кінцевому підсумку Кеплер установив, що планети рухаються навколо Сонця по еліпсах, а Сонце знаходиться в одному з фокусів. Потім він відкрив другий і третій закони, які названі його ім'ям. Ці три закони вичерпно описують рух планет навколо Сонця. Але яка сила змушує планети рухатися?

Тим часом Галілей досліджував закони руху звичайнісіньких предметів, що були в нього під рукою. Вивчаючи рух кульки по похилій площині, хитання маятника й т.д., Галілей відкрив принцип інерції, відповідно до якого, якщо на предмет ніщо не діє і він рухається з певною швидкістю по прямій лінії, то рух відбуватиметься із цією ж швидкістю по цій же прямій лінії вічно.

Потім прийшов час Ньютона. Розмірковуючи над питанням: а якщо кулька не котиться по прямій лінії, що тоді? — він відповів так: для того, щоб хоч якось змінити її швидкість, потрібна сила. Наприклад, якщо ви підштовхнете кульку в тому напрямку, у якому вона котиться, то вона покотиться швидше. Якщо ви помітили, що вона повернула вбік, значить сила діяла збоку. Силу можна охарактеризувати добутком двох величин — прискорення й маси тіла. Силу можна і виміряти: наприклад, якщо ми прив'яжемо до мотузки камінь і почнемо крутити його над головою, то відчуємо, що мотузку треба тягти. Чим більша маса, тим сильніше потрібно тягти мотузку. Коли камінь рухається по колу, величина швидкості не змінюється, зате змінюється її напрямок. Ньютон вирішив, що планеті, яка обертається навколо Сонця, не потрібна сила, щоб рухатися вперед; якби ніякої сили не було, планета рухалася 6 по дотичній. Але насправді планета рухається не по прямій. її рух постійно відхиляється в бік Сонця. Щоб так викривити траєкторію, потрібна сила. Стало зрозуміло, що джерело цієї сили знаходиться десь біля Сонця. І Ньютонові вдалося довести, що другий закон Кеплера — закон рівності площ — безпосередньо випливає із