Классический мир от Ньютона до Эйнштейна
advertisement
Классический мир от Ньютона до Эйнштейна Содержание Введение……………………………………………….2 Наука времён Ньютона……………………………….2 Мир глазами Исаака Ньютона………………………..5 Мир времён Эйнштейна………………………………12 Революционные изменения в физике………………...15 Альберт Эйнштейн…………………………………….17 Научная биография Исаака Ньютона…………………19 Заключение……………………………………………..28 Использованная литература……………………………29 1 Введение В период последних трёх столетий в науке произошли громадные изменения, не только количественные, но и качественные. Во многом это связано с развитием науки физики, и не даром этот период нередко называют временем между Ньютоном и Эйнштейном. По словам А. Эйнштейна, “Ньютон был первым, кто попытался сформулировать элементарные законы, которые определяют временной ход широкого класса процессов в природе с высокой степенью полноты и точности” и “… оказал своими трудами глубокое и сильное влияние на всё мировоззрение в целом”. Важная мировоззренческая идея единства небесного и земного, которую мы встречаем уже в работах Галилея и Ньютона, всё в большей мере побуждала применять фундаментальные образы механической картины мира к самым различным явлениям, непосредственно окружавшие человека. В XIX веке новый принципиально важный этап в развитии механической картины мира оказался связан с применением её основных представлений к созданию теории, объясняющей свойства газов, а затем жидкости и твёрдых тел. Наука времён Ньютона Хотя чувственные восприятия небесных тел, движения которых оказалось в центре внимания Галилея и Ньютона, с самого начала подсказывали образ точечного объекта, теоретическая идеализация материальной точки родилась не сразу. И Галилей, и Ньютон широко использовали понятие тела как движущегося объекта. Лишь позже, когда выяснилось, что поле тяготения сферически симметрического тела выглядит в точности так, как если бы вся 2 масса этого тела была сосредоточена в его геометрическом центре, в одной точке, идея теоретического замещения материальных тел идеализированными образами материальных точек могла рассматриваться как логически согласованная со всем содержанием теории. Идеализация материальной точки широко использовалась Л. Эйлером в его программе построения механики. В основе этой программы, которую Л. Эйлеру во многом удалось реализовать, лежало принципиальное убеждение, что сложные случаи механического движения могут быть теоретически представлены конструктивными моделями, построенными из образов взаимодействия и перемещающихся материальных точек. Логически исходным пунктом системы механики, по Л. Эйлеру, изложенные в его трактате выступают 1736 года теория движения свободной материальной точки и динамика точки при наличии связей. Кроме идеализации основного элементарного объекта в логической структуре теории принципиальное значение имеет идеализация основного элементарного процесса (в данном случае - формы движения). Галилей вплотную приблизился к выработке такой идеализации в представлениях о равномерном движении (по окружности), которое, раз начавшись, продолжается бесконечно, если этому не препятствует внешние действия. Р. Декарт поправил и дополнил Галилея, сформулировавший два исходных понятия:“…однажды пришедшее в движение тело продолжает двигаться, пока это движение не задержится каким-либо встречным телом.”, при этом “каждая частица материи в отдельности стремится продолжать дальнейшее движение не по кривой, а исключительно по прямой…”. Соединённые вмести эти два положения у И. Ньютона приняли форму первого закона механики. Для построения теоретических моделей механического движения 3 существенно система пространственно - временного описания. Введение системы координат и разработка математики переменных величин вооружили учёных универсальным средством теоретического изображения механического движения, сочетающего в себе высокую степень абстрактности (изображение движения тела математической функцией) с высокой степенью наглядности (графики функций в заданной системе координат мог непосредственно изображать траекторию перемещения тела в пространстве стечением времени). Теоретическое знание может выполнить свои основные функции лишь в том случае, если в нём отражена конкретная форма детерминации исследуемых явлений, прежде всего фундаментальные законы изменения состояния, взаимодействия. И. Ньютон ввёл понятие силы как причины изменения состояния движения по величине и по направлению (или одновременно по величине и по направлению). В механике Ньютона источниками и точкой приложения сил являются материальные точки. Центральное место в системе трёх законов механики занимает второй закон Ньютона -основной закон движения. Он связан с изменением состояния материальной точки с величиной и направлением действующей на него сил: ускорение, с которым движется тело прямо пропорционально силе действующей на это тело и обратно пропорционально массе этого тела. Данный закон позволяет объяснить и прогнозировать изменение механического движения тела в зависимости от величины и направления силы и от предшествующего состояния движения. Выдающейся заслугой Ньютона явилось установление конкретного закона, определяющего величину действующей силы для случая гравитационного взаимодействия, - закон Всемирного тяготения. Несмотря на ограниченность механической картины мира по её содержанию, 4 основные особенности методологии физического познания, проявившиеся в ходе создания и развития классической механики, воспроизводятся и в процессе построения последующих физических теорий, как бы ни отличалось их конкретное содержание и даже содержание фундаментального представление картины мира от концептуального содержания классической механики. В этом отношении классическая механика до сегодняшнего дня остаётся и классическим примером построения естественно - научной теории. Мир глазами Исаака Ньютона Пространство и время. Понятия пространства и времени являются философскими категориями и не определяются в естествознании. Для естественных наук важно уметь определять их численные характеристики - расстояния между объектами и длительности процессов, а так же - описывать их свойства, поддающиеся экспериментальному изучению. Измерение расстояний. Проблема ограниченности Вселенной. Измерить расстояние между двумя объектами - значит сравнить его с эталонным. До недавнего времени в качестве эталона использовалось тело, сделанное из твердого сплава, геометрическая форма которого слабо изменялась при изменении внешних условий. В качестве единицы длины был выбран метр, отрезок, сравнимый с характерными размерами человеческого тела. Очевидно, что в большинстве случаев эталон не укладывался целое число раз на длине измеряемого отрезка. Оставшаяся часть измерялась при помощи 1/10, 1/100 и т. эталона. В принципе считалось, что такую процедуру можно 5 продолжать до бесконечности, в результате чего получалось бы точное значение длины, выражаемое бесконечной десятичной дробью, т. е. вещественным числом. (В математике понятие вещественного числа возникло как результат обобщения описанной процедуры измерения длин отрезков). На практике многократное деление исходного эталона было невозможно. Для повышения точности измерения и измерения малых отрезков потребовался эталон существенно меньших размеров, в качестве которого по настоящее время используются стоячие электромагнитные волны оптического диапазона. В природе существуют объекты, значительно меньшие длин волн оптического излучения (молекулы, атомы, элементарные частицы). При их измерениях помимо неудобства сравнения с эталоном больших размеров возникает более принципиальная проблема: объекты, размеры которых меньше длины волны электромагнитного излучения, перестают его отражать и, следовательно, оказываются невидимыми. Для оценки размеров таких мелких объектов свет заменяют потоком каких-либо элементарных частиц (электронов, нейтронов и т.д.). Величина объектов оценивается по т. н. сечениям рассеяния, определяемым отношением числа частиц, изменивших направления своего движения, к плотности падающего потока. Наименьшим расстоянием, известным в настоящее время, является характерный размер элементарной частицы (м). Говорить о меньших размерах, по-видимому, бессмысленно. При измерении расстояний, значительно превышающих 1м, пользоваться 6 эталоном длины вновь оказывается неудобно. Для измерения расстояний, сравнимых с размерами Земли, применяют методы триангуляции (определение большей стороны треугольника по точно измеренной меньшей стороне и двум углам) и радиолокации (измерение времени задержки отраженного сигнала, скорость распространения которого известна, относительно момента передачи), Для много больших расстояний (до удаленных звезд и соседних галактик) указанные методы оказываются вновь неприменимы (отраженный радиосигнал оказывается слишком слабым, углы треугольника отличаются от на слишком малую величину). На столь больших расстояниях наблюдаемыми оказываются только самосветящиеся объекты (звезды и галактики), расстояния до них оценивается исходя из наблюдаемой яркости. Размеры наблюдаемой части вселенной имеют размеры порядка м. Вопрос о том, имеют ли смысл большие расстояния сводится к проблемам конечности и ограниченности Вселенной, до сих пор окончательно не решенным космологией. Со времен Ньютона считалось, что окружающий нас мир однороден и не может иметь границ (в противном случае возникал вопрос о их физической природе и о том, “что находится по другую сторону”). Однако, предположение о бесконечности Вселенной, совместно с естественным допущением о равномерном распределении звезд по объему и беспрепятственном распространении света в пространстве, приводил к заведомо абсурдному выводу о бесконечно ярком свечении ночного неба (т. н. парадокс ночного неба). Позднее пришло понимание того, что понятия бесконечности и неограниченности не эквивалентны друг другу (напр. шар не имеет границ, но площадь его конечна). 7 Измерение интервалов времени. Возраст Вселенной. Измерить длительность процесса - значит сравнить его с эталонным. В качестве последнего удобно выбрать какой-либо периодически повторяющийся процесс (суточное вращение Земли, биение человеческого сердца, колебание маятника, движение электрона вокруг ядра атома). Долгое время в качестве эталонного процесса использовались колебания маятника. За единицу измерения времени выбрали секунду (интервал, примерно равный периоду сокращения сердечной мышцы человека). Для измерения значительно более коротких времен возникла необходимость в новых эталонах. В их роли выступили колебания кристаллический решетки (кварцевые часы имеют характерный период колебаний в 1нс= с) и движение электронов в атоме (атомные часы с характерным временем с). Еще меньшие времена можно измерять, сравнивая их со временем прохождения света через заданный промежуток. по-видимому, наименьшим осмысленным интервалом является время прохождения света через минимально возможное расстояние (с). При помощи маятниковых часов возможно измерение временных интервалов, значительно превосходящих 1с (человеческая жизнь длится около с), но и здесь возможности метода не беспредельны. Времена, сравнимые с возрастом Земли (ок. с) возможно оценивать лишь по полураспаду атомов радиоактивных элементов. Максимальным промежутком времени, о котором имеет смысл говорить в нашем мире, по-видимому является возраст Вселенной, оцениваемый периодом в с (началом существования нашего мира принято считать Большой взрыв, произошедший в весьма малой области пространства, в результате которого возник 8 наблюдаемый сейчас мир, представляющий собой совокупность объектов, разлетающихся от начальной точки; события, произошедшие до Большого взрыва никак не влияют на настоящее и, следовательно, могут не рассматриваться). В классическом естествознании, занимающимся главным образом описанием макроскопических (сравнимых с размерами человеческого тела) объектов, предполагается, что процедура измерения основных пространственно-временных характеристик (расстояний и длительностей) в принципе может быть выполнена сколь угодно точно и при этом может практически не влиять на измеряемый объект и происходящие с ним процессы. Геометрические свойства пространства и времени. Геометрические свойства пространства изучаются геометрией, традиционно базирующейся на системе аксиом Евклида. В отличие от математики, для естествознания небезынтересен вопрос, соответствуют ли эти аксиомы реальным свойствам нашего. Опыт показывает, что для наблюдателя, движущегося без ускорения вдали от массивных тел, аксиоматика Евклида выполняется с хорошей точностью. Важной характеристикой материальных систем является их число степеней свободы (минимальной количество чисел, необходимое для исчерпывающего описания положения объекта в пространстве). Чем большим числом степеней свободы обладает объект, тем более трудоемко его описание. Возникает естественный вопрос о минимальном числе степеней свободы, которым может обладать объект в нашем мире. Опыт показывает, что для не 9 взаимодействующих с другими объектами тел это число равно 3 (тремя степенями свободы обладают, например, элементарные частицы с нулевым спином). Об этом свойстве нашего пространства говорят как о его трехмерности (иногда говорят, что трехмерность означает возможность задания трех взаимно перпендикулярных направлений в пространстве). Число степеней свободы большинства реальных объектов может быть существенно большим (спортивный велосипед с хорошо затянутыми болтами и гайками обладает как минимум 18 степенями свободы), однако при решении многих практических задач “внутренние степени свободы” оказываются несущественными (на финише велогонки положение педалей велосипеда лидера никем не регистрируется). Число рассматриваемых степеней свободы можно существенно сократить вплоть до трех (при движении в пространстве), двух (при движении по поверхности) или одной (при движении вдоль заданной кривой). Реальное тело при этом по существу заменяется моделью материальной точки (тело, размеры и форма которого в рассматриваемой ситуации несущественны). Для задания временных характеристик процессов может понадобиться несколько вещественных чисел (жизнь человека можно характеризовать, например, моментами его рождения, свадьбы и смерти). Однако существуют явления, для исчерпывающего временного описания которых достаточно одного числа (напр. распад элементарной частицы, который не имеет длительности, поскольку не может быть разделен на какие-то промежуточные процессы). Существование таких “элементарных” процессов позволяет утверждать, что время одномерно. Аналогично тому, как в пространственном описании вводилась модельное 10 представление о материальной точке, при описании эволюции во времени можно ввести понятие мгновенного события, т. е. процесса, длительностью которого в рассматриваемой ситуации можно пренебречь (напр. удар мяча о стену часто можно считать мгновенным, хотя детальное рассмотрение показывает, что это весьма сложный и многоэтапный процесс). Относительность свойств пространства и времени. Во времена Ньютона считалось, что свойства пространства и времени абсолютны, т. е. не зависят от наличия материальных тел, протекающих процессов и наблюдателей. Современная физика показала ограниченность таких представлений: геометрические свойства пространства и времени тесно связаны с наличием и расположением массивных тел, зависят от характера протекающих процессов и даже от состояния наблюдателя. В связи с этим сейчас принято говорить, что свойства пространства и времени относительны. В классическом естествознании рассматриваются макроскопические объекты и явления, происходящие в существующих независимо от них и друг от друга пространстве и времени, носящих абсолютный характер. Наука эпохи Эйнштейна Революция в физике, вызванная теорией Максвелла, всё же привела к рождению новой релятивистской картины мира. Важная роль в её создании и последовательном развитии принадлежит А. Эйнштейну. Необходимость её создания диктовалось требованием обеспечить логическую согласованность теоретической системы, а также 11 неодолимой силой опытных фактов. Недостающая внутренняя и внешняя согласованность теоретических представлений электродинамики в острой форме появилась с возникновением не устраненных физических парадоксов. Сегодня можно с уверенностью сказать, что их обнаружение явилось признаком кризиса физической картины мира и вместе с тем начавшейся революцией в физике. Один из важных парадоксов состоит в следующем. Из очень общих представлений о свойствах пространства и времени, казавшихся очевидными в рамках механической картины мира, непосредственно вытекали формулы преобразования координат от одной системы к другой, движущейся относительно первой (преобразования Галилея, непосредственно связанные с его принципом относительности). Как выяснилось, уравнение Максвелла не были инвариантными относительно преобразований Галилея, то есть к электромагнитным процессам галилеевский принцип относительности оказался не применим. Из этого следовал вывод, что в эксперименте можно выявить скорость равномерного прямолинейного движение объекта относительно поля (эфира). Однако сопоставление этих теоретических следствий с экспериментальными данными обескураживал физиков: в одних опытах(например, в явлении аберрации, то есть кажущиеся смещения наблюдаемых в телескоп звёзд из за движения Земли) эфир следовала считать абсолютно неподвижным; в других (например, в опытах по изменению скорости света в движущейся воде) - результат был таков, как если бы эфир частично увлекался движением воды. В формулировке А. Эйнштейна принцип относительности приобрёл более богатое физическое содержание: “Законы, по которым изменяются состояния 12 физических систем, не зависят от того какой из двух координатных систем движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, отнесены эти изменения состояния…”. А. Эйнштейн в первой публикации по основам специальной теории относительности онвводит понятие физического события в качестве фундаментального элемента новой картины мира, замещающего образ материальной точки. Во всех последующих работах Эйнштейн будет пользоваться идеализацией точечного пространственного - временного физического события как элементарного объекта теории, представляющего в теоретических моделях физическую реальность. Физическая картина мира Галилея - Ньютона, в которой мир отображён как множество материальных точек, движущихся в пространстве с течением времени, замещается в специальной теории относительности Эйнштейна картиной мира, представленной множеством точечных пространственно временных материальных событий. Глубокое единство материи движения, движения, пространство, времени получило здесь концентрированное выражение: на место образов вещей ставились образы материальных процессов. Специальная теория относительности предполагает существование материальных полей и материальных частиц, но изображает в теоретических моделях не частицы и поля непосредственно, а отношение между происходящими с ними событиями. В связи с этим можно сказать, что смысл теории относительности, отражённый в её наименовании, состоит не в том, что некоторые физические величины меняют численное значение при переходе к другой системе отсчёта (такие величины были в классической механики), а скорее в том, что эта теория отражает закономерности 13 отношений между событиями. Переход к новой картине мира сопровождался достаточно мучительным процессом исключения из теории фиктивных образов, в первую очередь понятие эфира с механическими свойствами. Образ эфира, понимавшегося в соответствии с представлениями механической картины мира, был замещён образом полевых процессов, выраженным с помощью идеализационных событий. По убеждению А. Эйнштейна, и специальная, и общая теория относительности основывается на полевых представлениях (поле и есть “эфир” в новом понимании). Революционные изменения в физике Острая критическая ситуация возникла на рубеже XIX и XX веков, когда выяснилось, что по крайней мере часть массы электрона связана с его электромагнитным полем, а в теоретических работах А. Пуанкаре и А. Эйнштейна было установлено взаимно однозначное соответствие между массой и энергией. Значительная часть учёных, не различавших до этого понятий массы, вещества и материи, восприняли эти результаты как доказательство исчезновения материи, как“растворение” её в электромагнитном поле и энергии. Отсюда делался вывод о крахе материалистической картины мира и экспериментальном доказательстве идеальной первоосновы мира. * Какой объект можно назвать “самым элементарным”. На протяжении всей истории развития науки независимо от того, принималась ли в качестве элементарного некая материальная субстанция или исходными элементами бытия считались некие чувственные “сущности” и “первичные идеи”, - во всех случаях элементарное всегда понималось как 14 то основное, неизменное и первичное, “из чего состоят все вещи, из чего как первого они возникают и во что как впоследствие они, погибая, превращаются”; при этом элементарное представляет собой “предельные части, на которые делимы тела, в то время как сами эти части уже неделимы на другие, отличающиеся от них по виду… Но если они и делятся, то получаются одного с ними вида части”. В течение длительного времени за наинизший известный уровень организации материи принимались атомы химических элементов, хотя уже открытие Д. И. Менделеевым периодического закона наталкивала на мысль, что в природе должно быть что – то ещё более элементарное, свойствами которого и объясняется этот закон. Первая элементарная частица была открыта Дж. Томсоном лишь в самом конце XIX века. Вначале нашего века опыты Э. Резерфорда обнаружили сложную структуру атома, а вскоре было установлено, что и ядро атома в свою очередь имеет сложное внутренние строение. В начале 30 - х годов были уже 5 частиц, входящих в состав атома и его ядра или принимающих участие во внутри атомных взаимодействиях: фотон, электрон - позитронная пара, протон и нейтрон. К настоящему времени число таких частиц достигло уже несколько сот и продолжает быстро возрастать. Оказалось, что свойства этих субъядерных частиц не проще, а, наоборот, сложнее, чем у атома и его ядра. Некоторые частицы это ультракороткоживущие, почти эфемерные образования со временем жизни, в течение которого частица успевает пролететь лишь расстояние, равное радиусу ядра; другие частицы оказались неожиданно очень тяжёлыми, даже тяжелее некоторых атомов. Для описания частиц потребовались совершенно новые понятия: спин, гиперзаряд, барионное и лептонное числа и т.д. Эксперимент показал, что субъядерный уровень необычайно бога и разнообразен. 15 Помимо того, что все открытые частицы участвуют в субъядерных взаимодействиях, они обладают ещё одним общим свойством. Попытки выделить среди них какие - то “более элементарные” объекты, из которых можно было бы построить все остальные окончились неудачей. Оказалось, что каждая такая частица состоит сразу из всех других. С точки зрения критерия относительности простоты эти частицы в равной степени элементарны. В целом совокупность субъядерных частиц, образно говоря, напоминает некую многомерную сферу, где нет ни первого, ни последнего элементаи где каждый элемент связан со всеми остальными. Альберт Эйнштейн и его теория относительности Альберт Эйнштейн, (14 марта 1879 - 18 апреля 1955) - физик; один из основателей современной физической теории; создатель Специальной и Общей теорий относительности; лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года. В 30-е годы эмигрировал из Германии в США и позже в знак протеста против национал-социализма отказался от немецкого подданства и вышел из состава Прусской и Баварской Академий наук. Также выступал против войны, в 1940-х - против применения ядерного оружия. В 1940 г. подписал письмо президенту США об опасности создания мощного ядерного оружия в Германии. Общая теория относительности В 1924 молодой индийский физик Шатьендранат Бозе в кратком письме 16 обратился к Эйнштейну с просьбой помочь в публикации статьи, в которой выдвигал предположение, положенное в основу квантовой статистики. Бозе предложил рассматривать свет в качестве газа фотонов. Эйнштейн пришёл к выводу, что эту же статистику можно использовать для атомов и молекул в целом. В 1925 Эйнштейн опубликовал статью на немецком языке, в которой излагал модель Бозе, применимую к системам тождественных частиц с целым спином, называемых бозонами. На основании данной квантовой статистики, известной ныне как статистика Бозе - Эйнштейна, двое физиков ещё в середине 20-ых годов теоретически обосновали существование пятого агрегатного состояния вещества - конденсата Бозе - Эйнштейна. Суть “конденсата” Бозе - Эйнштейна состоит в переходе большого числа частиц идеального бозе-газа в состояние с нулевым импульсом при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, когда длина волны де Бройля теплового движения частиц и среднее расстояние между этими частицами сводятся к одному порядку. Начиная с 1995, когда первый подобный конденсат был получен в университете Колорадо, учёные практически доказали возможность существования конденсатов Бозе Эйнштейна из водорода, лития, натрия, рубидия и гелия. Аутентичные наброски данной теории, выполненные Эйнштейном, были обнаружены в библиотеке Лейденского университета в августе 2005. Занимаясь разработкой статистики Бозе - Эйнштейна, Альберт Эйнштейн одновременно содействовал Эрвину Шрёдингеру в разработке уравнения Шрёдингера, объясняющего свойства волн де Бройля с позиций классической механики, что соответствовало статистике Больцмана. Вместе с тем, Эйнштейн считал, что исследования в данном направлении сочетания 17 классической и квантовой моделей идеального газа менее перспективны, чем дальнейшее развитие статистики Бозе - Эйнштейна, поэтому отказался от соавторства. Ньютон Биография Исаака Ньютона Сэр Исаа́к Нью́тон (англ. Sir Isaac Newton, 25 декабря 1642 - 20 марта 1727 по юлианскому календарю, использовавшемуся в Англии в то время; или 4 января 1643 - 31 марта 1727 по григорианскому календарю) - великий английский физик, математик и астроном. Автор фундаментального труда “Математические начала натуральной философии” (лат. Philosophiae Naturalis Principia Mathematica), в котором он описал закон всемирного тяготения и так называемые Законы Ньютона, заложившие основы классической механики. Разработал дифференциальное и интегральное исчисление, теорию цветности и многие другие математические и физические теории. Научной опорой и вдохновителями творчества Ньютона в наибольшей степени были физики: Галилей, Декарт и Кеплер. Ньютон завершил их труды, объединив в универсальную систему мира. Меньшее, но существенное влияние оказали другие математики и физики: Евклид, Ферма, Гюйгенс, Валлис и его непосредственный учитель Барроу. Похоже на то, что значительную часть своих математических открытий Ньютон сделал ещё студентом, в “чумные годы” 1664-1666. В 23 года он уже свободно владел методами дифференциального и интегрального исчислений, включая разложение функций в ряды и то, что впоследствии было названо формулой Ньютона-Лейбница. Тогда же, по его утверждению, он открыл 18 закон всемирного тяготения, точнее, убедился, что этот закон следует из третьего закона Кеплера. Кроме того, Ньютон в эти годы доказал, что белый цвет есть смесь цветов, вывел формулу “бинома Ньютона” для произвольного рационального показателя (включая отрицательные), и др. Все эти эпохальные открытия были опубликованы на 20-40 лет позже, чем были сделаны. Ньютон не гнался за славой. Стремление открыть истину было у него главной целью. В 1669 году Ньютон избирается профессором математики, преемником Барроу. Барроу пересылает в Лондон сочинение Ньютона “Анализ с помощью уравнений с бесконечным числом членов”, содержавшее сжатое изложение некоторых наиболее важных его открытий в анализе. Оно получило некоторую известность в Англии и за ее пределами. Ньютон готовит полный вариант этой работы, но найти издателя так и не удаётся. Он был опубликован лишь в 1711 году. Продолжаются эксперименты по оптике и теории цвета. Ньютон исследует сферическую и хроматическую аберрации. Чтобы свести их к минимуму, он строит смешанный телескоп-рефлектор (линза и вогнутое сферическое зеркало, которое полирует сам). Всерьёз увлекается алхимией, проводит массу химических опытов. 1672: демонстрация рефлектора в Лондоне - всеобщие восторженные отзывы. Ньютон становится знаменит и избирается членом Королевского общества (британской Академии наук). Позже усовершенствованные рефлекторы такой конструкции стали основными инструментами астрономов, с их 19 помощью были открыты иные галактики, красное смещение и др. Разгорается полемика по поводу природы света с Гуком, Гюйгенсом и другими. Ньютон даёт зарок на будущее: не ввязываться в научные споры. 1680: Ньютон получает письмо Гука с формулировкой закона всемирного тяготения, послужившее, по признанию первого, поводом его работ по определению планетных движений (правда, потом отложенных на некоторое время), составивших предмет “Начал”. Впоследствии Ньютон по каким-то причинам, быть может, подозревая Гука в незаконном заимствовании каких-то более ранних результатов самого Ньютона, не желает признавать здесь никаких заслуг Гука, но потом соглашается это сделать, хотя и довольно неохотно и не полностью. 1684-1686: работа над “Математическими началами натуральной философии” (весь трёхтомник издан в 1687 году). Приходит всемирная слава и ожесточённая критика картезианцев: закон всемирного тяготения вводит дальнодействие, несовместимое с принципами Декарта. 1696: Королевским указом Ньютон назначен смотрителем Монетного двора (с 1699 года - директор). Он энергично проводит денежную реформу, восстанавливая доверие к основательно запущенной его предшественниками монетной системе Великобритании. 1699: начало открытого приоритетного спора с Лейбницем, в который были вовлечены даже царствующие особы. Эта нелепая распря двух гениев дорого обошлась науке - английская математическая школа вскоре увяла на целый 20 век, а европейская - проигнорировала многие выдающиеся идеи Ньютона, переоткрыв их много позднее. На континенте Ньютона обвиняли в краже результатов Гука, Лейбница и астронома Флемстида, а также в ереси. Конфликт не погасила даже смерть Лейбница (1716). 1703: Ньютон избран президентом Королевского общества, которым управлял двадцать лет. 1705: королева Анна возводит Ньютона в рыцарское достоинство. Отныне он сэр Исаак Ньютон. Впервые в английской истории звание рыцаря присвоено за научные заслуги. Последние годы жизни Ньютон посвятил написанию “Хронологии древних царств”, которой занимался около 40 лет, и подготовкой третьего издания “Начал”. С работами Ньютона связана новая эпоха в физике и математике. В математике появляются мощные аналитические методы, происходит вспышка в развитии анализа и математической физики. В физике основным методом исследования природы становится построение адекватных математических моделей природных процессов и интенсивное исследование этих моделей с систематическим привлечением всей мощи нового математического аппарата. Последующие века доказали исключительную плодотворность такого подхода. Теория тяготения 21 Сама идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и до Ньютона. Ранее о ней размышляли Эпикур, Кеплер, Декарт, Гюйгенс, Гук и другие. Кеплер полагал, что тяготение обратно пропорционально расстоянию до Солнца и распространяется только в плоскости эклиптики; Декарт считал его результатом вихрей в эфире. Были, впрочем, догадки с правильной формулой (Буллиальд, Рен, Гук), и даже кинематически обоснованные (с помощью соотнесения формулы центробежной силы Гюйгенса и третьего закона Кеплера для круговых орбит). Но до Ньютона никто не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера). Только с трудов Ньютона начинается наука динамика. Важно отметить, что Ньютон опубликовал не просто предполагаемую формулу закона всемирного тяготения, но фактически предложил целостную математическую модель в контексте хорошо разработанного, полного, явно сформулированного и систематически изложенного подхода к механике: закон тяготения; закон движения (2-й закон Ньютона); система методов для математического исследования (математический анализ). В совокупности эта триада достаточна для полного исследования самых сложных движений небесных тел, тем самым создавая основы небесной механики. До Эйнштейна никаких принципиальных поправок к указанной модели не понадобилось, хотя математический аппарат был очень значительно развит. 22 Ещё одним следствием тяготения оказалась прецессия земной оси. Ньютон выяснил, что из-за сплюснутости Земли у полюсов земная ось совершает под действием притяжения Луны и Солнца постоянное медленное смещение с периодом 26000 равноденствий” лет. Тем (впервые самым древняя отмеченная проблема Гиппархом) “предварения нашла научное объяснение. Оптика и теория света Рефлектор Ньютона Ньютону принадлежат фундаментальные открытия в оптике. Он построил первый зеркальный телескоп (рефлектор), в котором, в отличие от чисто линзовых телескопов, отсутствовала хроматическая аберрация. Он также открыл дисперсию света, показал, что белый свет раскладывается на цвета радуги вследствие различного преломления лучей разных цветов при прохождении через призму, и заложил основы правильной теории цветов. В этот период было множество спекулятивных теорий света и цветности; в основном боролись точка зрения Аристотеля (“разные цвета есть смешение света и тьмы в разных пропорциях”) и Декарта (“разные цвета создаются при вращении световых частиц с разной скоростью”). Гук в своей “Микрографии” (1665) предлагал вариант аристотелевских взглядов. Многие полагали, что цвет есть атрибут не света, а освещённого предмета. Всеобщий разлад усугубил каскад открытий XVII века: дифракция (1665, Гримальди), интерференция (1665, Гук), двойное лучепреломление (1670, Эразм 23 Бартолин, изучено Гюйгенсом), оценка скорости света (1675, Рёмер), значительное усовершенствование телескопов. Теории света, совместимой со всеми этими фактами, не существовало. Дисперсия света В своём выступлении перед Королевским обществом Ньютон опроверг как Аристотеля, так и Декарта, и убедительно доказал, что белый свет не первичен, а состоит из цветных компонентов с разными углами преломления. Эти-то составляющие и первичны - никакими ухищрениями Ньютон не смог изменить их цвет. Тем самым субъективное ощущение цвета получало прочную объективную базу - показатель преломления. Ньютон создал математическую теорию открытых Гуком интерференционных колец, которые с тех пор получили название “Кольца Ньютона”. В 1689 г. Ньютон прекратил исследования в области оптики - по распространённой легенде, поклялся ничего не печатать в этой области при жизни Гука, который постоянно донимал Ньютона болезненно воспринимаемой последним критикой. Во всяком случае, в 1704 году, на следующий год после смерти Гука, выходит в свет монография “Оптика”. При жизни автора “Оптика”, как и “Начала”, выдержала три издания и множество переводов. Книга первая монографии содержала принципы геометрической оптики, учение о дисперсии света и составе белого цвета с различными 24 приложениями. Книга вторая: интерференция света в тонких пластинках. Книга третья: дифракция и поляризация света. Поляризацию при двойном лучепреломлении Ньютон объяснил ближе к истине, чем Гюйгенс (сторонник волновой природы света), хотя объяснение самого явления неудачное, в духе эмиссионной теории света. Ньютона часто считают сторонником корпускулярной теории света; на самом деле он, по своему обыкновению, “гипотез не измышлял” и охотно допускал, что свет может быть связан и с волнами в эфире. В своей монографии Ньютон детально описывал математическую модель световых явлений, оставляя в стороне вопрос о физическом носителе света. Другие работы по физике Ньютону принадлежит первый вывод скорости звука в газе, основанный на законе Бойля-Мариотта. Он предсказал сплюснутость Земли у полюсов, примерно 1:230. При этом Ньютон использовал для описания Земли модель однородной жидкости, применил закон всемирного тяготения и учёл центробежную силу. Одновременно аналогичные расчёты на сходных основаниях выполнил Гюйгенс, рассматривал тяготение таким, как будто его источник находится в центре планеты, так как, видимо, не верил в универсальный характер силы тяготения, то есть в конечном итоге не учел тяготения деформированного поверхностного слоя планеты. Соответственно Гюйгенс предсказал более чем вдвое меньшее сжатие, чем Ньютон, 1:576. Более того, Кассини и другие 25 картезианцы доказывали, что Земля не сжата, а выпукла у полюсов наподобие лимона. Впоследствии, хотя и не сразу (первые измерения были неточны), прямые измерения (Клеро, 1743) подтвердили правоту Ньютона; реальное сжатие равно 1:298. Причина отличия этого значения от предложенного Ньютоном в сторону Гюйгенсовского состоит в том, что модель однородной жидкости всё же не вполне точна (плотность заметно возрастает с глубиной). Более точная теория, явно учитывающая зависимость плотности от глубины, была разработана только в XIX веке. Прочие работы Параллельно с изысканиями, закладывавшими фундамент нынешней научной (физической и математической) традиции, Ньютон много времени отдавал алхимии, а также богословию. Никаких трудов по алхимии он не издавал, и единственным известным результатом этого многолетнего увлечения стало серьёзное отравление Ньютона в 1691 году. Парадоксально, что Ньютон, много лет трудившийся в Колледже святой Троицы, сам, видимо, в Троицу не верил. Исследователи его богословских работ, такие как Л. Мор, считают, что религиозные взгляды Ньютона были близки к арианству. Ньютон предложил свой вариант библейской хронологии, оставив после себя значительное количество рукописей по данным вопросам. Кроме того, он написал комментарий на Апокалипсис. Теологические рукописи Ньютона ныне хранятся в Иерусалиме, в Национальной Библиотеке. 26 Заключение Наука развивается поступательно. Каждое открытие обычно не отрицает накопленные знания человечества, а дополняет их. Таковой же является взаимосвязь ньютоновской модели мира и эйнштейновские ОТО и СТО. Эйнштейн не отверг Ньютона, он лишь обозначил, что законы Ньютона работают в “идеальном” мире, где не учитывается скорость и относительность тел друг друга. При больших же скоростях тел вступает в силу теория относительности. Ньютоновская теория тяготения вызвала многолетние дебаты и критику концепции дальнодействия. Первым аргументом в пользу ньютоновской модели послужил строгий вывод на её основе эмпирических законов Кеплера. Следующим шагом стала теория движения комет и Луны, изложенная в “Началах”. Позже с помощью ньютоновского тяготения были с высокой точностью объяснены все наблюдаемые движения небесных тел; в этом большая заслуга Клеро и Лапласа. Первые наблюдаемые поправки к теории Ньютона в астрономии (объяснённые ОТО) были обнаружены лишь более чем через 200 лет (смещение перигелия Меркурия). Впрочем, и они очень малы в пределах Солнечной системы. Ньютон также открыл причину приливов: притяжение Луны (даже Галилей считал приливы центробежным эффектом). Более того, обработав многолетние данные о высоте приливов, он с хорошей точностью вычислил массу Луны. 27 Литература 1. Спасский Б. И. История физики. — М.: Высшая школа, 1977. — Т. 4 2. Кузнецов Б. Г. Эйнштейн. Жизнь. Смерть. Бессмертие. М., Издательство "Наука", 1980г. 3. Всемирная энциклопедия www.wikipedia.com 4. Ньютон И. Математические начала натуральной философии. Пер. и прим. А. Н. Крылова. М.: Наука, 1989. 28