Phoenix Criminal Lawyer
декабря 10, 2009

 


 


Физика законы ньютона  Все главное, связанное с именем великого Ньютона (1643—1727), знакомо каждому со школьных лет: знаменитые законы динамики, закон всемирного тяготения, создание (одновременно с Лейбницем) новых математических методов — дифференциального и интегрального исчислений, ставших фундаментом современной высшей математики, изобретение телескопа-рефлектора, открытие спектрального состава белого света… Все свои великие открытия он сделал в молодые годы, в 1665—1667гг. (спасаясь в родной деревушке Вулсторпе под Лондоном от чумы, свирепствовавшей в городах Англии). В математике и физике — механике, оптике и других ее разделах,— наконец, в самом стиле научного мышления, в методах исследования природы более столетия господствовало направление, известное под именем ньютоновского. В основе ньютоновского метода лежит экспериментальное установление точных количественных закономерных связей между явлениями и выведение из них общих законов природы методом индукции, т. е. переходом от приближенных выводов из конечного числа конкретных наблюдений к предельным, абстрагированным от частностей точным законам. Развитие этого индуктивного метода начал Галилей. Ньютон довел его до логического завершения. Вразрез с многовековыми традициями в науке и, казалось бы, с главной целью ученого, Ньютон впервые сознательно отказался от поисков «конечных причин» явлений и законов и ограничился, в противоположность картезианцам, точным изучением количественных проявлений этих закономерностей в природе. В этом Ньютон был близок к Птолемею. На новом этапе развития знаний Ньютон обобщил в своей универсальной (но лишь феноменологической, т. е. не разъясняющей механизм явления) теории тяготения новые астрономические, физические и геофизические факты. В качестве отдельных элементов в его теорию гравитации вошли открытые Кеплером на базе гелиоцентрической системы Коперника кинематические законы планетных движений, открытые Галилеем закономерности прямолинейного движения тел под действием сил (динамика), теория центростремительной силы, возникающей при криволинейном движении, построенная Гюйгенсом.
 
Для математического описания, сведения в единую систему всех этих движений и взаимодействий тел самого различного рода, качеств, масштабов Ньютон (который, как и древнегреческие физики, для описания явлений пользовался главным образом геометрическими методами) впервые объединил число, геометрическую фигуру и движение. Свой метод расчета механических движений путем рассмотрения бесконечно малых приращений величин — характеристик исследуемых движений Ньютон назвал «методом флюксий» и описал его в сочинении «Метод флюксий и бесконечных рядов с приложением его к геометрии кривых» (закончено в 1671 г., полностью опубликовано в 1736 г.). Вместе с методом Лейбница он составил основу современных дифференциального и интегрального исчислений. В математике Ньютону принадлежат также важнейшие труды по алгебре, аналитической и проективной геометрии и др. С именем Ньютона связано открытие или окончательная формулировка основных законов динамики: закона инерции; пропорциональности между количеством движения (mv) и величиной движущей силы (F); равенства по величине и противоположности по направлению сил при центральном характере взаимодействия. Вершиной научного творчества Ньютона стала его теория тяготения и провозглашение первого действительно универсального закона природы — закона всемирного тяготения. Древняя идея взаимного стремления тел друг к другу, трактовавшегося даже как проявление «любви» между ними, освободилась благодаря Ньютону и от антропоморфности, и от мистической характеристики как принципиально непознаваемого «скрытого качества». В теории Ньютона тяготение стало эмпирически обоснованным постулатом, утверждавшим, что эта сила универсальна и проявляется между любыми материальными частицами, независимо от их конкретных качеств и состава, и всегда пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Физическая идея тяготения формировалась до Ньютона в трудах Кеплера, Гассенди, Буллиальда, Гюйгенса, Роберваля, Гука, Галлея (недаром Ньютон сказал, что он опирался на плечи гигантов…). Гук, а за ним Галлей даже утверждали обратную квадратичную зависимость притяжения от расстояния между телами. Но лишь гению Ньютона оказалось под силу объединить качественную идею тяготения с точным математическим расчетом и наблюдением. Идея превратилась в точный универсальный закон действия центральных сил лишь после того, как Ньютон показал неразрывную связь, взаимообусловленность законов Кеплера и закона изменения действия силы тяготения обратно пропорционально квадрату расстояния. Законы движения планет перестали быть эмпирическими правилами. Эта их роль была передана более глубокому уровню свойств материи — всемирному тяготению, которое в свою очередь стало рассматриваться как эмпирическое правило (и оставалось таковым более двух веков, до создания новой теории тяготения Эйнштейном). Причину и природу тяготения Ньютон не считал возможным обсуждать за неимением на этот счет достаточного количества фактов. Поэтому и физику, построенную на ее основе, и физическую картину мира, завершенную Ньютоном, можно назвать феноменологической.

 
Объяснение существа гравитации впервые было дано в общей теории относительности А. Эйнштейна, которая по существу является обобщенной теорией тяготения. Подход Ньютона к изучению явлений природы оказался исключительно плодотворным. Его теория тяготения была уже не общим натурфилософским учением, а точным (и более чем на два века единственным) рабочим инструментом исследования окружающего мира, прежде всего движения небесных тел. Закон всемирного тяготения стал физическим фундаментом небесной механики. Дальнейшее развитие естествознания блестяще подтвердило этот закон в масштабах планетной, звездной и внегалактической Вселенной. С появлением общей теории относительности (обобщенной теории тяготения) лишь ограничилась область применения (вернее, проявления) этого закона в той простой форме, в какой он был выведен у Ньютона. Из единого принципа — закона всемирного тяготения — Ньютон вывел в качестве простых следствий и уточнил при этом кеплеровы законы эллиптического движения планет и показал, что в Солнечной системе в общем случае движение ее членов может происходить по любому коническому сечению, включая параболу и гиперболу. На этом основании он сделал вывод о единстве законов движения комет и планет и включил впервые кометы в состав Солнечной системы. Ньютон дал математический (геометрический) метод вычисления истинной орбиты кометы по ее наблюдениям, что уже вскоре позволило Галлею открыть первую периодическую комету (комета Галлея). Разрозненные прежде и загадочные явления на Земле и на небе: приливы и отливы, сжатие планет (уже обнаруженное тогда у Юпитера), наконец, прецессия — нашли четкое объяснение в единой теории всемирного тяготения Ньютона. Он весьма точно вычислил и величину прецессии — 50″ в год,— выделив в ней солнечную и лунную составляющие. Новыми, подтвердившимися лишь после смерти Ньютона, были его выводы о сплюснутой у полюсов форме Земли (в отличие от господствовавшей тогда противоположной точки зрения Дж. Кассини). Ньютону принадлежит и великая заслуга объяснения возмущенного движения в Солнечной системе как неизбежного следствия устройства этой системы. Чисто кеплеровское движение, определяемое действием одного центрального светила — Солнца, как показал Ньютон, обязательно будет нарушаться у планет и спутников из-за их взаимного воздействия друг на друга. Эти отклонения от некоего правильного движения еще задолго до открытия законов Кеплера были впервые обнаружены Птолемеем в движении Луны. Ньютон открыл в ее движении новые неравенства, иначе, отклонения от кеплеровского движения — попятное движение узлов, годичное и параллактическое неравенства и др. Другая часть необъятного научного наследия Ньютона стала фундаментом создания физической оптики и дальнейшего развития наблюдательной астрономии. Ньютон был тонким экспериментатором-универсалом: металлургом, химиком, но главным образом оптиком. Он, как и многие его современники, занимался шлифовкой линз для рефракторов и упорно искал форму объектива, свободного от аберраций, особенно от хроматической. Это привело его к открытию в 1666 г. сложного состава белого света и к первым исследованиям преломления монохроматических лучей, которое оказалось зависящим от цвета луча. Последнее открыло Ньютону причину хроматической аберрации линзовых объективов. Сделав вывод о принципиальной неустранимости этого дефекта стеклянных объективов (что было верно для однолинзовых объективов), он, в поисках ахроматического объектива, изобрел в 1668 г. отражательный зеркальный телескоп — рефлектор. Правда, у него были здесь неизвестные ему предшественники, высказавшие ту же идею: итальянец Зукки (1616 г.) и англичанин Грегори (1663 г.).

 
Но именно Ньютон впервые довел идею до реализации — построил в 1672 г. первый в мире рефлектор, к тому же особой оригинальной конструкции, которая известна как ньютонианская система. Этот маленький инструмент (с длиной трубы всего 15 см и диаметром объектива 2,5 см) уже позволил наблюдать спутники Юпитера и стал прародителем будущих могучих орудий зондирования глубин звездной, а затем и внегалактической Вселенной. За это изобретение Лондонское королевское общество избрало его своим членом в 1672 г. Тогда же Ньютон изложил перед членами Королевского общества свою новую корпускулярную концепцию света. Итоговое сочинение «Оптика» он опубликовал в 1704 г. Надо сказать, что в оценке его основополагающего труда по механике «Математические начала натуральной философии» (1687) английская академия не проявила достаточной проницательности, и без самоотверженного участия Э. Галлея этот величайший труд вряд ли бы увидел свет. Несмотря на свой знаменитый девиз: «Гипотез я не измышляю», Ньютон как мыслитель крупнейшего масштаба не мог не задумываться и над предельно общими проблемами мироздания. Но и здесь он применял метод индукции: не давая волю фантазии, анализировал прямые логические следствия уже установленных законов. Так, распространив на всю Вселенную закон тяготения, подтвержденный тогда лишь для Солнечной системы, Ньютон рассмотрел возможную структуру гравитирующей Вселенной при двух противоположных допущениях — конечной и бесконечной Вселенной. Он пришел к выводу, что лишь во втором случае материя могла существовать в виде множества космических объектов — центров гравитации. В конечном же объеме все они рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира. Таким образом, уже само наблюдение бесчисленных звезд (которые давно считались «солнцами») подсказывало мысль о бесконечности мирового пространства. Поэтому фундаментом для всех последующих гравитационных «ньютонианских» моделей Вселенной стало представление о бесконечном пространстве, в котором находятся бесчисленные материальные космические объекты, связанные друг с другом силой всемирного тяготения, определяющей характер движения этих объектов. Ньютон задумывался и над проблемой происхождения такой упорядоченной Вселенной. Однако здесь он столкнулся с задачей, для решения которой еще не располагал научными фактами. Он первым отчетливо понял, что одних только механических свойств материи для этого недостаточно (впрочем, предшественником Ньютона в этом можно назвать Аристотеля). Ньютон также критиковал концепции атомистов-механистов, справедливо утверждая, что из одних только неупорядоченных механических движений частиц не могла возникнуть вся сложность мирового порядка и богатство существ в мире. Обнаружив неизбежность возмущений в движениях планет и спутников (т. е. отклонений от кеплеровых законов), которые могли иметь вековой характер, нарастая со временем, Ньютон в то время не имел никаких оснований для уверенности в устойчивости, сохранении уже имевшихся гравитирующих систем, например, планетной. Оставалось прибегнуть лишь к некоей более могучей, чем тяготение, организующей силе, каковою в его эпоху мыслился разве что бог. Тайной оставалось и начало орбитального движения планет. Поэтому Ньютон допускал некий божественный «первый толчок», благодаря которому планеты приобрели орбитальное движение, а не упали на Солнце. Объяснив упорядоченное движение планет естественной физической причиной — законом всемирного тяготения, он, тем не менее, вынужден был сделать вывод о необходимости время от времени подправлять расшатывающийся механизм планетных движений. Потребовалось всего полвека развития науки и общего мировоззрения под воздействием открытий самого Ньютона, чтобы появились мыслители, категорически отвергнувшие идею божественного начального толчка и внесшие в естествознание идею естественной эволюции материи, в космосе определяемой силами гравитации. Первым из таких мыслителей был И. Кант. Но, как это обычно бывает, в массе своей последователи Ньютона нередко отходили от подлинно глубоких идей самого Ньютона, забыв или вовсе не зная о его осторожных и тонких замечаниях. Подобно тому, как в свое время поклонники Птолемея вульгаризировали его математическую модель мира, представляя его эпициклы и деференты действительно существующими материальными ободами и колесами, так и в XVIII в. более сложная общефизическая картина мира, проступавшая перед мысленным взором Ньютона, хотя и не освободившаяся еще от религиозных покровов (вспомним Кеплера с его «мистическим» языком!), была конкретизирована и избавлена от недомолвок (в которых заключался порой глубокий смысл). Утвердилось представление о существовании бесконечного пустого межпланетного и межзвездного мирового пространства. Между тем Ньютон склонялся скорее к идее крайней разреженности мировой материи, не вызывающей заметного торможения планет. В пылу борьбы с картезианством утвердился и жесткий принцип дальнодействия — как передачи действия тяготения через пустоту и мгновенно, т. е. с бесконечной скоростью. Ньютон же считал необходимым наличие некоего передатчика этого действия, «агента», правда, опять-таки допуская его, быть может, нематериальную природу… Но подобные «объясняющие» идеи уже не вдохновляли XVIII век — век просвещения, возрождающихся материалистических учений, набиравшего темп экспериментального естествознания. На этом этапе развития научного познания наиболее эффективным оказался именно феноменологический подход в объяснении явлений, могучий индуктивный метод Ньютона. Именно феноменологическая, но опиравшаяся на строгие количественные законы физика Ньютона определила новую гравитационную физическую картину мира, которая под именем ньютонианской на два века стала основным направляющим и контролирующим фактором в развитии естествознания. На ее основе формировались все более сложные и совершенные модели Вселенной — астрономические аспекты картины мира, по мере накопления наблюдательных сведений о составе, структуре и свойствах ранее известных и вновь открываемых космических объектов.

 

В статье Новый вариант большого взрыва и новый 1000 вопрос рассматривается очень красивая и интересное, но по своей сущности весьма фантастическая идея.

 

Комментировать