Классическая физика Ньютона

Классическая физика И. Ньютона

Сделал, что смог, пусть  другие сделают лучше.

И. Ньютон 

       (1)  Творчество  Ньютона по праву относится к вершинам научной мысли. В нем сочетались мастерство экспериментатора и смелость мысли теоретика. Важную роль сыграл Ньютон в формировании методологии научного исследования. С именем Ньютона связывают установление основных положений классической механики, ограниченность которой была осознанна лишь в начале XXв. Ньютон сформировал целую научную программу, под влиянием которой физика развивалась в XVIII – XIX вв.  Первые научные работы Ньютона относятся к оптике. В 1666 г. пропуская свет через трехгранную стеклянную призму, он обнаружил его сложный состав,  разложил их на семь цветов (в спектр); т.е. открыл явление дисперсии.

        (2) Известность как физик Ньютон получил после 1668г., когда им была изобретена   первая модель телескопа – рефлектора. (Это изобретение и послужило поводом для его избрания в членом Лондонского Королевского общества). В дальнейшем Ньютон развил свою теорию и поставил ряд новых оптических опытов. В частности, в экспериментах с так называемыми «кольцами Ньютона» было продемонстрировано свойство    периодичности, присущее свету. Взгляды ученого на природу были довольно сложными. Ньютон пытался соединить представление о свете как о потоке корпускул с элементами волновой теории, принять которую в целом он не мог, поскольку она не объясняла прямолинейность распространения света.

        (3) Очень интересная  также мысль Ньютона о возможном превращении тел в свет и обратно. «Превращение тел в свет и света в тела соответствуют ходу природы, которая как бы услаждается превращениями», - говорил Ньютон. И действительно, в 1933-1934 гг. были открыты факты превращения заряженных частиц электрона и позитрона в свет и обратно. Так Ньютон предугадал одно из далеких будущих открытий  атомной физики. Впоследствии, в XVIII в. теория Ньютона была упрощена, и его имя оказалось неразрывно связанным с корпусной теорией света. Резкая полемика Ньютона с Гуком по вопросам оптики привела к тому, что итог своих исследований Ньютон повел лишь в 1704 г., после смерти Гука, в сочинении «Оптика».  Больших успехов достиг Ньютон в небесной механики, и в частности, они увенчались открытием в 1846г. планеты Нептун.  На основании теоретических вычислений Леверье (и одновременно с ним Адамса) Галле в указанном месте неба обнаружил эту планету. В память о такой точности сделанных вычислений и родились слова: «планета Нептун открыта на кончике пера».  Механикой Ньютона мы пользуемся постоянно и сегодня, решая как земные, так и космические задачи.

      (4)   Наиболее значителен вклад Ньютона в развитие механики. Интересуясь проблемами механики еще в середине 60-х годов, Ньютон благодаря настойчивости Э. Галилея систематизировал свои результаты в этой области в фундаментальном труде «Математические начала натуральной философии» (1687). С.И. Вавилов дал такую обобщающую характеристику этого сочинения: «В истории естествознания не было события более крупного, чем появление «Начал» Ньютона …Ньютоново учение о пространстве, времени, массах и силах давало общую схему для решения любых конкретных задач механики, физики и астрономии. Величественный приме системы мира, разработанный Ньютоном, увенчанный открытием всемирного тяготения, увлекал науку на этом пути, на примере ньютоновской схемы ко всем разделам физики. Возникла «классическая физика» по образу и подобию «Начал».

      (5)   «Начала» - вершина научного творчества Ньютона – состоят их трех частей: в первых двух речь идет о движении тел, последняя часть посвящена системе мира.

           К первому изданию  «Начал»  Ньютон написал свое собственное   предисловие, где он говорил  о  тенденции современного  ему естествознания «подчинять  явления природы законам  математики»  - формулировка законов  Ньютона  в русском переводе, сделанном  академиком А.Н. Крыловым.

1.Всякое тело продолжает  удерживаться в состоянии покоя  или равномерного прямолинейного  движения, пока и поскольку оно  не нуждается приложенными силами  изменить это состояние

2.Изменения количества  движения пропорционально приложенной  движущей силе и происходит  по направлению той прямой, по  которой эта сила действует.

3.Действию всегда есть  равное и противоположное противодействие,  иначе, - взаимодействия двух тел  друг друга между собой равны  и направлены в противоположные  стороны.

     Четвертым законом,  который Ньютон формулирует   в своих «Началах», был закон   всемирного тяготения.

     (6) Начала Ньютона знаменовали новую эру в развитии науки. Они явились прочным фундаментом, на котором успешно строилась физика XVIII-XIX вв., получившая название классической. Книга подводила итог всему сделанному за предшествующие столетия в учении о простейших формах движения материи.

       Следует  отметить, что, хотя Ньютон разработал  основы дифференциального  и  интегрально исчисления во многом  под влиянием размышлений над  проблемами динамики, в «Началах»  он пользуется традиционными  математическими методами, восходящими  еще к Евклиду Архимеду. Ньютон  считал, что новое физическое  содержание его труда будет  восприниматься читателями легче,  если методе решения задач  останутся традиционными. Для  современного читателя синтетические  геометроалгебраические приемы доказательств Ньютона в определенной степени затрудняют чтение книги.

  (7)   Значение «Начал» для дальнейшего прогресса науки состоит не только в конкретных результатах (формулировка законов движения, закона всемирного тяготения, объяснение законов Кеплера), но и в том, что эти результаты продемонстрировали эффективность ньютоновского подхода к объяснению природных явлений, который ученый хотел распространить и на другие области физики. В предисловии «Начал» Ньютон писал: «Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы, рассуждая подобным же образом,  ибо многое заставляет меня предполагать, что все эти явления обуславливаются некими словами, с которыми частицы тел, вследствие причин покуда неизвестных, или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются и удаляются друг от друга. Так как эти силы неизвестны, то до сих пор попытки философов объяснить явления природы оставались бесплодными». Так родилась ньютоновская программа изучения физических явлений, которую разрабатывали многие естествоиспытатели XVIII – первой половины XIX вв.

      (8)   В работах Ньютона раскрывается его мировоззрение и методология исследований. Ньютон был стихийным материалистом. Он был убежден в объективном существовании материи, пространства и времени, в существование объективных законов мира, доступных человеческому познании. Ньютон, что, материя является инертной и неспособной к самодвижению, а пустое абсолютное пространство безразлично к материи, то в качестве правоисточника движения он вынужден принять «первый толчок».  

         Своим  стремлением  свести все к  механике Ньютон поддерживал   механический материализм (механицизм).

          Свой метод познания, названный  в последствии методом принципов, Ньютон изложил в «Правилах философствования». Этих правил четыре:

1.«Не принимать в природе  иных причин сверх тех, которые  истины и достаточны для объяснения  явлений».

2.Одинаковым явлениям  необходимо приписывать одинаковые  причины.

3. Независимые и неизменные  при экспериментах свойства тел,      подвергнутых исследованию, надо  принимать за общие свойства  материальных тел.

4.Законы, индивидуально найденные  из опыта, нужно считать верным, пока им противоречат другие  наблюдения.

     «Так должно  поступать, - заключает Ньютон, - доводы  наведения  не уничтожались  предположениями».

       (9)Таким образом, если Декарт хотел освободить науку от беспричинных представлений с помощью  порой произвольных допущений, то Ньютон хотел освободить ее от всякого произвола только путем однозначного и единственно правильного объяснения природы.

       Ньютон  серьезно интересовался богословскими  вопросами. Он был автором «Толкования  на книгу пророка «Даниила»,  «Апокалипсиса», «Хронологии». Но стихийные  естественнонаучные воззрения Ньютона  были настолько сильны, что богу  он отводил незавидную роль  часовщика мира, обитателя пустого  пространства, который не оказывает  влияния не движущиеся тела. Поистине прав Ф. Энгельс, сказав, что «с богом никто хуже не обращается, чем верующие в него естествоиспытатели».

       (10) Существует трактовка образа Ньютона, по которой он представляется человеком, всецело погруженным в свои мысли, далеким от всех житейских треволнений, отрешенным от всего земного. Видимо, это не так.   Огромное влияние оказал Ньютон и на развитие методологии научных исследований. Его «метод принципов», реализованный в «Началах» и «Оптики», состоит в следующем: на основе опыта формулируются наиболее общие закономерности – аксиомы – из них дедуктивным путем выводятся законы и положения, которые должны быть проверены на опыте. Согласие с опытом этих исследований служит гарантией справедливости основных положений теории. Этот путь построения физического знания оказался необычайно плодотворным. Свой метод Ньютон противопоставил господствующему тогда в естествознании  стремлению, во что бы то ни стало объяснить явление даже с помощью не обоснованных опытом гипотез, догадок и спекуляций. Ньютон полагал, что на такой основе построить истинную физическую теорию  нельзя. Если на данном этапе нет возможности объяснить причины, то следует ограничиться установлением из экспериментов некоторой закономерности.  Отсюда его решительное кредо: «Гипотез не измышляю». «Все же что не выводиться из явлений, должно называться гипотезою; гипотезам же метафизическим, физическим, механическим, скрытым свойствам не место в экспериментальной философии», - писал он в «Общем поучении» второго издания «Начал».  Cлова Ньютона нельзя принимать буквально: гипотеза - необходимый рабочий инструмент  познания. Ньютон неоднократно в своем творчестве прибегал к гипотетическим моделям, строил предложения, которые затем часто отбрасывал. Но в отличие от гипотез ньютоновские принципы, являющиеся обобщением эксперимента, остались непоколебимыми, и при дальнейшем развитии науки была лишь сужена область их применения. Сам Ньютон понимал, что все, созданное им, не есть окончательная истина, что познание мира бесконечно: «Не знаю, чем я могу казаться миру, но сам себе я кажусь мальчиком, играющем на морском берегу, развлекающимся тем, что до поры до времени отыскиваю камешек более цветистый, чем обыкновенно, или красивую раковину, в то время как великий океан истины расстилается передо мною неисследованным».

        (11)В 1688г. после прихода  к власти Вильгельма Оранского в  Англии был избран парламентом, депутатом которого стал Ньютон. Некоторые биографы Ньютона, считают его парламентскую деятельность случайным эпизодом, ссылаясь на то, что он ни разу не выступал публично на заседаниях парламента. Передают анекдот, что единственным словесным выступлением Ньютона было обращение к служителю: «Закройте окно - дует». На самом деле Ньютон не был пассивным созерцателем работы парламента, и его переписка с вице-канцлером университета свидетельствует о его большой политической работе по установлению взаимоотношений между университетом  и новым правительством.

     (12)  Научная деятельность Ньютона в лондонский период его жизни не ограничилась изданием в 1704г. «Оптики», работой по переизданию «Начал» и некоторыми математическими трудами. К тому времени Ньютон достиг вершины славы и признания. В 1705г. королева Анна возвела его в рыцарское достоинство. В королевском обществе он пользовался непререкаемым авторитетом. В последние годы жизни Ньютона, его авторитет признала уже вся Европа, в том числе картезианская Франция и Германия Лейбница.

     (13) На надгробной плите могилы Ньютона высечены слова: «Здесь покоится то, что было смертно в Исааке Ньютоне». Надпись на памятнике  Ньютона гласит: «Здесь покоится сер Исаак Ньютон, дворянин, прилежный, мудрый и верный истолкователь природы, который почти божественным разумом первый доказал с факелом математическое движение планет, пути комет и приливов океанов. Пусть смертные радуются, что существовало такое украшение рода человеческого.

    (14)  Научный подвиг Ньютона по достоинству оценен и современниками, и потомками. Законы Ньютона заучивались в авторской формулировки, знание их считалось почти обязательным почти во всех школах мира. Целые поколения людей воспитывались на его законах, как незыблемом фундаменте научного познания природы. Новая физика изменила представления Ньютона о пространстве и времени, массе действии, но не отбросила его механику, а только определила границы ее применимости. И сегодня мы постоянно пользуемся творениями великого ученого, идейное богатство его работ вдохновляет творческую физическую мысль. По словам С.И. Вавилова «Ньютоновская физика – не историческая реликвия, а основа естествознания сегодняшнего дня».