ГЛАВА 3. НЬЮТОН И МАТЕМАТИЗАЦИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Ньютон

Сэр Исаак Ньютон в предисловии к своему гениальному сочинению “Математические начала натуральной философии” пишет: “...сочинение это нами предлагается как математические основания физики. Вся трудность физики, как будет видно, состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим силам объяснить остальные явления... Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы”. Эта цитата содержит, по существу, смысл и цель научной методологии, открытой Ньютоном, по которой физические явления могут быть описаны математическими зависимостями и представлены таким образом количественно, и, наоборот, на основе количественно определенных наблюдений математически могут быть получены физические законы.

Методология Ньютона дала математический ключ, применяемый на протяжении двух столетий при решении различных физических проблем, определивших направления в естествознании.

Исаак Ньютон родился в год смерти Галилея 5 января 1643г. (по новому стилю) в деревушке Вулсторп недалеко от Грэнхема графства Линкольншир ( по старому стилю 25 декабря 1642г., отсюда иногда возникает путаница с годом рождения Ньютона). Отец Исаака Ньютона -небогатый фермер, умер за несколько месяцев до рождения сына, поэтому в детстве Исаак находился на попечении родственников. Первоначальное образование и воспитание дала Исааку Ньютону его бабушка, а затем он учился в городской школе Грэнхема. Особыми успехами в школе И.Ньютон не отличался и ничем не выделялся из воспитанников. Но однажды, после школьной потасовки, получив удар кулаком от лучшего ученика класса, он решил отомстить своему обидчику успехами в учебе, и действительно стал учиться лучше всех. Удачнее кулаком никто, пожалуй, не действовал.

Школу по недостатку средств Исааку пришлось оставить, и в 16-летнем возрасте вернуться в деревню к матери, к тому времени овдовевшей во второй раз и желавшей видеть в Исааке хозяина фермы, управляющего всем хозяйством. Но Исаак оказался никудышным сельским хозяином и настоятельно просил отпустить его учиться. Брат матери - священник, самый образованный в семье, окончивший Тринити-колледж, - посоветовал отправить племянника в Кембриджский университет. В 1661г. Ньютон занял одну из вакансий для неимущих студентов в Тринити-колледже Кембриджского университета. В обязанноти сабсайзера (вакансия для неимущих студентов) входило прислуживание преподавателям. В 1665г. Ньютон получил степень бакалавра. Спасаясь от ужасов чумы, охватившей Англию, Ньютон на два года уезжает в родной Вулсторп. Здесь он активно и очень плодотворно работает. Ньютон считал два чумных года - 1665-й и 1666-й - годами расцвета его творческих сил. Здесь, под окнами его дома росла знаменитая яблоня, упавшее яблоко с которой, по легенде, подсказало Ньютону закон всемирного тяготения. В течение 93 лет после смерти Ньютона посетители Вулсторпа могли видеть эту знаменитую яблоню. В 1820г. старое дерево погибло, сломленное бурей, и предметом поклонения посетителей мемориального музея стал стул, сделанный из древесины погибшей “святыни”.

Здесь, в Вулсторпе, были начаты знаменитые оптические эксперименты Ньютона, рожден “метод флюксий” - начала дифференциального и интегрального исчисления. Основные научные идеи родились у Ньютона, видимо, в годы работы в Вулсторпе, но он не спешил с публикациями.

В 1668г. Ньютон получил степень магистра и начал замещать в университете своего учителя - известного математика Барроу. К этому времени Ньютон приобретает известность как физик. В 1668г. он собственноручно построил свой первый зеркальный телескоп -рефлектор. Сам Ньютон высоко ценил это свое изобретение, позволившее ему стать членом Лондонского Королевского общества. Усовершенствованный вариант телескопа Ньютон послал в дар королю Карлу II. Этот телескоп был представлен на рассмотрение Королевского общества, которое единодушно избрало Ньютона своим членом. Как и Галилей, Ньютон заслужил признание в научном мире благодаря исследованиям по оптике и, в частности, построению телескопов. В 1669г. И.Барроу передал ему университетскую Лукасовскую кафедру, и с этого времени на протяжении многих лет Ньютон читал лекции по математике и оптике в Кембриджском университете.

В 1688г. Ньютон был избран членом английского парламента и два года жил в Лондоне. Однако парламент не нашел в нем деятельного члена, так как Ньютон не любил делать доклады, в том числе и научные. По легенде, за все время пребывания Ньютона в парламенте от него слышали только одну фразу, содержащую приказ швейцару закрыть окно, из которого происходил сквозняк.

Научная работа Ньютона была прервана его болезнью, граничевшей с нервным расстройством. Считалось, что причиной заболевания явилась утрата в 1692г. Ньютоном его рукописей в результате пожара. Собачка Ньютона по кличке Даймонд опрокинула свечу на книгу рукописей, что и привело к пожару и тяжелой утрате научных записей.

После выздоровления Ньютон в 1695г. был назначен хранителем, а с 1699г. директором Монетного двора. Официально эта должность называлась “Мастер и работник чеканки” (Мaster and Worker of Mint). Под руководством Ньютона была разработана и проведена необходимая экономике Англии денежная реформа. Вольтер считал, что назначению на должность директора двора Ньютон обязан своей хорошенькой племяннице. Эту должность предоставил Ньютону его бывший ученик, канцлер казначейства Монтегю, впоследствии лорд Галифакс, который был тайно обвенчан с племянницей Ньютона Екатериной Кондьюнт - красивой и умной женщиной. После смерти лорд Галифакс завещал Екатерине почти все свое состояние, а Ньютону - пожизненную ренту в 100 фунтов стерлингов ежегодно.

Предполагается, что в 1695г., в апреле, с техникой чеканки монет в Англии знакомился Петр I. После выхода в свет “Математических начал” Ньютон пометил: “...6 - царю, для него самого и для главных библиотек Московии”.

С назначением на должность директором двора Ньютон отказывается от кафедры в Кембридже. Его общественное положение возросло. В 1703г. Ньютон стал президентом Лондонского Королевского общества, а в 1705г. королева Анна возвела Ньютона в дворянство.

Последние годы жизни Ньютон провел в Лондоне. Здесь он издает и переиздает свои научные сочинения, много работает как президент Лондонского Королевского общества, пишет богословские трактаты, труды по историографии. Деятельность Ньютона как историка и теолога известна только узкому кругу специалистов. Вместе с тем, ряд его выводов в отношении хронологии исторических событий стали в наши дни актуальными. В “Хронологии” Ньютон пытается показать, что мир моложе на четыреста или пятьсот лет, чем полагают. Он при этом основывался на наблюдениях древних астрономов и на явлении процессии равноденствий. В частности, по Ньютону, поход аргонавтов был в X веке до н.э., а не в XIV, как тогда полагали.

Самым известным богословским сочинением Ньютона является " Толкование на книгу пророка Даниила". Он показывает, что пророчества всегда сбывались. Католики не любят комментировать то, что Ньютон предсказывал падение светской власти Папы в 2060 году.

Исаак Ньютон был глубоко верующим человеком, христианином. Для него не существовало конфликта между наукой и религией. Автор великих “Начал” стал автором богословских произведений “Толкования на книгу пророка Даниила”, “Апокалипсиса”, “Хронологии”. Ньютон считал одинаково важным и изучение природы, и священного Писания. Ньютон, как и многие великие ученые, рожденные человечеством, понимал, что наука и религия - это различные, обогащающие сознание человека формы постижения бытия и не искал здесь противоречий.

Сэр Исаак Ньютон умер 31 марта 1727г. (нов.ст.) в возрасте 84 лет, и похоронен в национальном пантеоне - Вестминстерском аббатстве.

Основное содержание научного наследия Ньютона содержится в его главных трудах - “Математические начала натуральной философии”, и “Оптика”. Трактат “Математические начала натуральной философии” был представлен Лондонскому Королевскому обществу 28 апреля 1686г. По инициативе Э.Галлея и на его средства этот трактат был опубликован в 1687г. В улучшенном и исправленном варианте “Начала” издавались в 1713 и 1726 гг. уже самим Ньютоном. “Начала” Ньютона содержат основные научные положения, лежащие в основании классической механики. Если Галилей и Гюйгенс рассматривали действие законов механики на поверхности Земли, то Ньютон нашел законы механики, справедливые для Вселенной.

“Начала” Ньютона построены подобно “Началам” Евклида и начинаются с определений основных понятий. Основные понятия классической механики содержатся на первых страницах “Начал” (3-е издание).

Первое определение относится к важнейшему понятию “масса”. Ньютон показал фундаментальную роль, которую играет масса в механических процессах. Массу Ньютон называет “количеством материи” и “телом”, при этом количество материи всегда можно определить по весу тела. По Ньютону: “количество материи есть мера таковой, устанавливаемое пропорционально плотности и объему ее”.

По второму определению “Начал” выводится понятие “количество движения”: “Количество движения есть мера такового, устанавливаемая пропорционально скорости и массе. Количество движения целого есть сумма количества движения отдельных частей его”.

Третье понятие “врожденная сила” - есть то, что мы называем “инерция”. “Врожденная сила материи есть присущая ей способность сопротивления, по которой всякое отдельно взятое тело, поскольку оно предоставлено самому себе, удерживает свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения”: Мерой инерции тела, как теперь принято, является “инертная масса”, выражающая “нежелание” тела сдвинуться с места.

Четвертое определение вводит понятие “силы”. “Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения”. Это определение поясняется далее следующим образом. “Сила проявляется единственно только в действии и по прекращению действия в теле не остается. Тело продолжает затем удерживать свое новое состояние вследствие одной только инерции. Происхождение приложенной силы может быть различное: от удара, от давления, от центростремительной силы”.

Понятие силы играет ключевую роль в учении Ньютона, имеет философское значение. Все явления в природе Ньютон объясняет действием сил: и движения планет, и химические реакции, и световые явления, и явления в микромире.

В определениях с пятого по восьмое Ньютон приводит классификацию сил, которая в настоящее время не используется в физике.

Далее следует знаменитое “поучение”, давшее на долгие годы пищу для размышлений и дискуссий и философам, и физикам. В “поучении” сформулированы постулаты, определяющие такие понятия, как “абсолютное, истинное, математическое время”, “относительное, кажущееся время”, “абсолютное пространство”, “относительное пространство”, “место”, “абсолютное движение”.

После определений следуют три закона движения, изучаемые сегодня в школьных курсах физики и составляющие основу классической механики.

“Начала” написаны Ньютоном на латыни. Русский перевод “Начал” был сделан в 1915г. академиком А.Н.Крыловым, указавшим на образность и силу выражений “Ньютона”.

Приведем формулировки законов механики Ньютона на латыни и в русском переводе Крылова.

" Lex.I. Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directam nisi quatenus illud a viribus impessis cogitur statum suum mutare".

Закон I. Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенным силам изменить это состояние”.

Этому закону - “закону инерции” Ньютон дает следующее пояснение.

“Брошенное тело продолжает удерживать свое движение, поскольку его не замедляет сопротивление воздуха, и поскольку сила тяжести не побуждает это тело вниз. Волчок, коего части вследствие взаимного сцепления отвлекают друг друга от прямолинейного движения, не перестает вращаться равномерно, поскольку это вращение не замедляется сопротивлением воздуха. Большие же массы планет и комет сохраняют свои движения как поступательные, так и вращательные, совершающиеся в пространствах, менее сопротивляющихся, дольше”,

Как мы видим, этим законом Ньютон объясняет движения планет вокруг Солнца.

Lex II. Mutationem motus proportionalem esse vi motrice impressal et fieri secundum lineam rectam qua vis lla imprimitur".

Закон II. Изменение количества движения пропорционально приложенной силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует”.

В современном прочтении второй закон Ньютона формулируют несколько иначе: действующая на тело сила F сообщает ему ускорениеа, прямо пропорциональное величине действующей силы и обратно пропорциональное массе телаm:

F=ma

По Ньютону действующая сила F пропорциональна изменению количества движения m v

где v - изменение скорости. В соответствии с этим определением второй закон Ньютона можно выразить в виде:

или

где  - промежуток времени, в течение которого действует сила F. Величину произведенияF tназывают импульсом силы. Поскольку ускорение а=( v/ t), получаем знакомую формулировку:

F=ma

Ньютон в “Началах” не дает приведенных здесь формул, но поясняет: “Если какая-нибудь сила производит некоторое количество движения, то двойная сила производит двойное, тройная - тройное, будут ли они приложены разом все вместе или же последовательно и постепенно. Это количество движения, которое всегда происходит по тому направлению, как и производящая сила, если только тело уже находилось в движении при совпадении направлений, прилагается к количеству движения тела, бывшему ранее, при противоположном вычитается, при наклонном прилагается наклонно и соединяется с бывшим ранее сообразно величине и направлению каждого из них”.

" Lex III. Actioni contrariam semper et equalem esse reactionem sive corporum duorum actiones in se mutuo semper esse equales et in partes contrarias dirigi".

" Закон III. Действию есть всегда равное противодействие, иначе: взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны".

Этому закону Ньютон дает следующее разъяснение: “Если что-нибудь давит на что-нибудь другое или тянет его, оно само этим последним давится или тянется. Если кто нажимает пальцем на камень, то палец его также нажимается камнем. Если лошадь тащит камень, привязанный к канату, то и обратно (если можно так выразиться) она с равным усилием оттягивается к камню, ибо натянутый канат своей упругостью производит одинаковое усиление на лошадь в ту сторону камня и на камень в ту сторону лошади, и насколько этот канат препятствует движению лошади вперед, настолько же оно побуждает движение вперед камня. Если какое-нибудь тело, ударившись в другое тело, изменит своею силою его количество движения на сколько-нибудь, то и оно претерпит от силы второго тела в своем собственном количестве движения то самое изменение, но обратно направленное, ибо давления этих тел друг на друга постоянно равны. От таких взаимодействий всегда происходят равные изменения не скоростей, а количеств движения, предполагая, конечно, что тела никаким другим усилиям не подвергаются. Изменения скоростей, происходящие также в противоположные стороны, будут обратно пропорциональны массам тел, ибо количества движения получают равные изменения”.

Если в первой книге “Начал” Ньютон формулирует законы механики в предположении, что тела движутся в среде без сопротивления, то во второй книге Ньютон исследует какие изменения претерпевают эти законы при движении тел в жидкости. Во второй книге исследованы также вопросы акустики, которые И.Ньютону удалось рассмотреть в рамках механических представлений, и в этих рамках акустика находится и в настоящее время.

В третьей книге Ньютоном описана система устройства мира. Этой книге предпосланы “Правила умозаключений в физике” (в оригинале “Regular philosophandi” - “правила философствования”).

Эти правила отражают, по существу, методический подход Ньютона ко всем его исследованиям.

“Правило 1. Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений.

По этому поводу философы утверждают, что природа ничего не делает напрасно, и было бы напрасным утверждать многим то, что может быть сделано меньшим. Природа проста и не роскошествует излишними причинами вещей.

Правило 2. Поэтому, поскольку возможно, должно приписывать те же причины того же рода при проявлениям природы. Так, например, дыханию людей и животных, падению камней в Европе и в Африке, свету кухонного очага и Солнца, отражению света на Земле и на планетах.

Правило 3. Такие свойства тел, которые не могут быть ни усилены, ни ослаблены и которые оказываются присущими всем телам, над которыми возможно производить испытания, должны считаться свойствами всех тел вообще.

Свойства тел постигаются не иначе, как испытаниями. Следовательно, за общие свойства надо принимать те, которые постоянно при опытах обнаруживаются и которые, как не подлежащие уменьшению, не могут быть устранены. Понятно, что против ряда опытов не следует измышлять на авось каких-либо бредней, не следует также уклоняться от сходственности в природе, ибо природа всегда и проста и всегда с собой согласна.

Правило 4. В опытной физике предложения, выведенные из совершающихся явлений с помощью индукции, несмотря на возможность противоречащих им предложений, должны приниматься за верные или в точности, или приближенно, пока не обнаружатся такие явления, которыми они еще более уточняются или же окажутся подверженными исключениям.

Так должно поступать, чтобы доводы индукции не уничтожались предположениями …”.

Эти правила содержат так называемый “метод принципов” Ньютона, по которому наиболее общие закономерности (принципы) формируются на основе экспериментальных данных. При этом Ньютон призывает то прибегать к излишним гипотезам, а опираться только на установленные связи между явлениями.

Третье правило прямо указывает на метод индукции, позволяющий перейти от доступных экспериментов к обобщениям вселенского масштаба. Именно третье правило воплощено Ньютоном при формулировке закона всемирного тяготения, которому посвящена третья книга “Начал”.

Сама идея тяготения тел друг к другу появилась задолго до Ньютона и наиболее очевидно выражалась Кеплером, который отмечал, что вес тел аналогичен магнитному притяжению и выражает тенденцию тел к соединению. Кеплер писал, что Земля и Луна шли бы навстречу друг другу, если бы их не удерживала на орбитах эквивалентная сила. Вплотную к формулировке закона тяготения, как мы уже отмечали, подошел Гук, и даже требовал признания своего приоритета в открытии этого закона, после того как Ньютон представил рукопись “Начал” в Королевское общество. На это Ньютон заявил, что уже двадцать лет знает закон обратных квадратов и сообщал о нем Гюйгенсу письменно. Позже Ньютон признал, что одно из писем Гука подтолкнуло его к проведению расчетов движения планет.

Ньютон утверждал, что закон всемирного тяготения был известен ему еще в 1666 году. В одной из рукописей Ньютона сказано: “В том же году (1666г.) я начал размышлять о действии тяжестей, простирающейся до орбиты Луны, и, найдя, как вычислить силу, с которой тело, обращающееся внутри сферы, давит на поверхность этой сферы, я вывел из закона Кеплера, по которому периоды обращения планет находятся в полуторной пропорции с расстояниями их от центров орбит, что сила, удерживающая планеты в их орбитах, обратно пропорциональна квадратам их расстояний от центров обращения. При этом я сравнил величину силы, потребной для удержания Луны в ее орбите, силы тяжести на поверхности Земли и нашел между ними приблизительное равенство”.

Отметим, что Ньютон нигде в своих “Началах” не дает математической формулы закона тяготения в совершенно законченном виде. Формулировка дана как бы частями. Так, Ньютон доказывает, что “Сила, с которой Луна удерживается на своей орбите, направлена к Земле и обратно пропорциональна квадратам расстояния”. Это сила, по Ньютону, та же, что заставляет тела падать на поверхности Земли, лишь ослабленная за счет расстояния.

Ньютон приходит к выводу, что “тяготение существует ко всем телам вообще и пропорционально массе каждого из них”.

Ньютон, формулирует теорему, по которой два шара, состоящие из концентрических однородных слоев, притягиваются каждый другим обратно пропорционально квадратам расстояния между их центрами, то есть если бы их массы были сосредоточены в центрах шаров.

В настоящее время закон всемирного тяготения записывают в виде:

F=G(m₁m₂)/r²,

F- сила притяжения между телами,

m₁ и m₂- масса взаимодействующих тел, г - расстояние между телами, G - так называемая гравитационная постоянная

G=6, 67 10 ^-11 м³ кг^-1с ^–2.

Природа тяготения не была объяснена Ньютоном. Руководствуясь третьим правилом умозаключений он пишет: “Причину этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю... Довольно того, что тяготение на самом деле существует и действует согласно изложенным нами законам и вполне достаточно для объяснения всех небесных тел и моря”.

Каким образом силы тяготения могут удерживать планеты на их орбитах, Ньютон объясняет на примере движения падающих тел, брошенных с определенной высоты над поверхностью Земли. Ньютон пишет: “Брошенный камень под действие тяжести отклоняется от прямолинейного пути и падает на землю, описывая кривую линию (рис.10). Если бросить камень с большей скоростью, он полетит дальше... Пусть АFВ - поверхность Земли, С - ее центр, VB, VE, VF - кривые линии, которые описывает тело, брошенное в горизонтальном направлении с вершины горы все с большей и большей скоростью. Мы не принимаем во внимание противодействие атмосферы, то есть предполагаем, что она совершенно отсутствует.

Рис.10.Траектории движения тел

При меньшей первоначальной скорости тело опишет кривуюVD, при большей скорости - кривую VE, при еще большей - кривые VF и VG. При еще большей скорости тело обойдет вокруг Земли и возвратится к вершине горы, с которой его бросили. Так как согласно теореме о центробежной силе скорость тела при возвращении к исходному пункту будет не меньше, нежели в самом начале, тело продолжает двигаться по той же самой кривой… Подобно планете, оно будет странствовать в мировом пространстве...".

Объяснение Ньютоном системы мира, его устройства на основе законов механики поражало гармонией. Сам Ньютон воспринимал эту мировую гармонию как доказательство Бытия Бога. Он писал: " Такое изящнейшее соединение Солнца, планет и комет не могло произойти иначе, как по намерению и по власти могущественного и премудрого существа. Сей управляющий всем не как душа мира, а как властелин Вселенной, и по господству своему должен именоваться Господь Бог Вседержитель".

Труды Ньютона по оптике обобщены в его фундаментальной работе " Оптика", опубликованной в 1704 г. Этой публикации предшествовали годы накопления материала, полемика с Гуком по ключевым вопросам, доклады, представленные на рассмотрение в Лондонское Королевское общество.

" Оптика" состоит из трех книг. Первая книга посвящена вопросам отражения, преломлением и дисперсией света. В приложении к первой книге объясняется возникновение радуги. Отступление посвящено телескопу. Во второй книге Ньютон рассматривает явления, возникающие в тонких пленках. Третья книга содержит описание экспериментов по дифракции и завершается " вопросами" (31 вопрос теоретического характера, предлагаемый читателю к обсуждению).

Особое влияние на дальнейшее развитие оптики оказали взгляды Ньютона на природу света, его опыты по дисперсии (разложению на цвета) солнечного света, исследование цветов тонких слоев. Зеркальный телескоп Ньютона стал классическим телескопом- рефлектором.

В настоящее время принято считать, что Ньютон придерживался, так называемой, корпускулярной теории света, по которой свет – это поток частиц (корпускул), исходящих из источника света во всех направлениях, движущихся прямолинейно с огромной скоростью, тем большей, чем больше плотность среды распространения света. Это мнение является слишком упрощенным. В начале своей научной карьеры Ньютон был близок к волновой теории. Он считал, что цветовые ощущения дают колебания эфира: наибольшие колебания дает красный цвет, наименьшие – фиолетовый. В 1675 г. на заседании Лондонского Королевского общества были зачитаны мемуары Ньютона " Гипотеза, объясняющая свойства света, рассмотренная в нескольких моих мемуарах", в которых Ньютон достаточно категорично заявляет о корпускулярной природе света. Однако в " Оптике" он не так категоричен и излагает свои взгляды на природу света в виде вопросов (третья книга). До выхода " Оптики" появился " Трактат о свете" Гюйгенса (1690 г.), в котором подробно развивалась волновая теория. В " Оптике" Ньютон как бы полемизирует с Гюйгенсом, предлагая читателю самому сделать выбор. Главным доводом в пользу корпускулярной теории Ньютон считает несовместимость прямолинейности распространения света с волновым характером. В вопросе 28 Ньютон пишет: " Относительно света не известно ни одного случая, чтобы он распространялся по извилистым проходам или загибался внутрь тени…". Ньютон, таким образом, не принимал во внимание явление дифракции, открытое Гримальди. Далее Ньютон пишет: " Вопрос 29. Не являются ли лучи света очень малыми телами, испускаемыми светящимися веществами. Ибо такие тела будут проходить через однородные среды без загибания в тень, соответственно природе лучей света. Они могут иметь также различные свойства и способы сохранять эти свойства неизменными при прохождении через различные среды, в чем заключается другое условие лучей света. Прозрачные вещества действуют на лучи света на расстоянии, преломляя, отражая и изгибая их… Это действие и противодействие на расстоянии очень похожи на притягательную силу между телами…".

Ньютон, как мы видим, объясняет преломление света влиянием на корпускулы материи: чем плотнее материя, тем больше ее воздействие, и при этом соблюдается закон преломления Декарта. Ньютон заключает, что различным цветам соответствуют различные размеры корпускул. Наименьшие корпускулы имеет фиолетовый цвет, наиболее отклоняемый.

Цветовые ощущения, по Ньютону, обусловлены не размером корпускул, и частотой колебаний, вызываемых корпускулой в зрительном нерве. И, наконец, Ньютон считает, что корпускула либо имеет внутренние колебания, либо возбуждает колебания в эфире, заполняющем Вселенную. С другой же стороны Ньютон опровергает существование эфира. Таким образом, корпускулярная теория Ньютона довольно противоречива.

Усилиями последователей корпускулярной теории элементы волновых представлений были выхолощены, и эта теория, особенно развитая французским физиком Био, приобрела непротиворечивый характер. В физике XVIII века эту теорию называли также “эмиссионной теорией” или “теорией истечения”.

Первые опыты Ньютона по оптике приходятся на годы его уединения в Вулсторпе. Биографы Ньютона отмечают, что в 1665 году он приобрел призму, чтобы провести опыты по преломлению света (опыты по “явлению цветов”). Это была призма из хрусталя, только появившегося на рынке. ”Эра хрусталя” в стеклоделии началась в 30-е годы XVII века. Англичанин Роберт Манзель впервые при изготовлении стеклянных изделий начал пользоваться каменным углём вместо дров. Такой способ производства требовал закрытых тиглей, чтобы избежать копоти. Но в закрытых тиглях трудно было получить высокую температуру, необходимую для выплавки стекла. Было найдено средство как сделать стекло легкоплавким: к выплавляемой массе стали добавлять окись свинца. Так появился хрусталь.

Призма из этого “благородного стекла” и использовалась Ньютоном при проведении им знаменитых опытов по преломлению света и разложению его в спектр, описанных в “Оптике”.

Первые опыты состояли в наблюдении через призму полоски бумаги, разделенной пополам, одна половинка была окрашена красной, а другая синей краской. Полоска освещалась солнечным светом. Оказалось, что синие лучи преломляются сильнее, чем красные. Ньютон делает фундаментальный вывод: “Лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степени преломляемости”. Далее описаны опыты, ещё более основательно подтверждающие этот вывод. В одном из таких опытов Ньютон приходит к наилучшей для проведения эксперимента установке призмы, как теперь говорят, к установке в положение наименьшего отклонения – это наиболее выгодное для получения высокой точности спектральных измерений положение призмы по отношению к падающему лучу. Ньютон показывает, что солнечный свет состоит из лучей, различно преломляемых. Призма лишь разделяет цвета, существующие в солнечном свете, за счет различной преломляемости цветов.

Схема опыта по получению спектра показана на рис.11 Ньютон так ставит этот опыт: ”Впустив через круглые отверстия в оконной ставне пучок солнечных лучей, я получил на противоположной стене темной комнаты круглое светлое пятно - изображение Солнца. Когда же на пути лучей между отверстием и стеной я поместил стеклянную призму (осью перпендикулярно лучам), то на стене получалось изображение Солнца той же ширины, но значительно удлинённое и при этом окрашенное в цвета, расположенные поперечными полосами. Такое изображение Солнца я называю спектром”. Ньютон, используя вторую призму, показывает, что одноцветный луч, отклоняется призмой, но не разлагается на цвета. Он пишет: “Всякий однородный свет имеет собственную окраску, отвечающую степени его преломляемости, и такая окраска не может изменяться при отражениях и преломлениях”

Рис.11.Схема опыта Ньютона по получению спектра

Постоянные цвета предметов Ньютон объясняет тем, что “всякое тело отражает лучи своего собственного цвета более обильно, чем остальные, и благодаря избытку и главенству их в отражаемом свете обладает своей окраской”.

После анализа цветов Ньютон приводит описание опытов по синтезу цветов, в частности опыт со сложением цветов с помощью призмы.

В современном оптическом производстве распространён метод контроля точности изготовления поверхностей оптических деталей, называемый методом “колец Ньютона”. Основы этого метода были заложены Ньютоном в его опытах по исследованию цветов тонких слоёв. Ньютон наблюдал отражение света в сопряжении плосковыпуклой линзы с двояковыпуклой. При освещении белым светом в центре сопряжения наблюдалось тёмное пятно, соответствующее области соприкосновения линз. Вокруг центрального пятна располагались чередующиеся светлые и темные радужно окрашенные кольца. Контраст колец при использовании монохроматического потока увеличивался. Ньютону удалось установить определённые закономерности: радиусы колец увеличиваются пропорционально квадратному корню из номера кольца; радиусы колец уменьшаются при переходе от красного света к синему; темные кольца образуются при толщинах зазоров, кратных определённой минимальной величине, эта минимальная величина зависит от цвета; кольца сближаются при заполнении зазора водой.

Попытки объяснить эти явления, имеющие несомненную периодичность, корпускулярными представлениями привели Ньютона к путанице. Ему пришлось разработать довольно сложную и противоречивую теорию, так называемую “теорию приступов”, прибегнув при этом к ряду гипотез о причинах попеременного преломления и отражения, и нарушить свое же правило - гипотез не измышлять.

Волновая теория, как мы теперь знаем, весьма просто и убедительно объясняет образование колец Ньютона.

Ньютон полагал, что невозможно избавиться от окрашивания изображения, даваемого линзовыми объективами. Поэтому он решил построить зеркальный телескоп-рефлектор. Именно построение телескопа ввело, в своё время, Ньютона в “большую” науку.

Первый телескоп - рефлектор был построен Ньютоном в 1668 году. Идея использования зеркальных объектов в телескопах была не нова, но возможно Ньютон не знал об этом. В любом случае его схема оказалась оригинальной.

Телескопы-рефлекторы в настоящее же время широко распространены в астрономической оптике. Схемы таких телескопов позволяет получить значительно большие диаметры объективов, чем у линзовых телескопов-рефракторов.

Указанные нами основные вехи в творчестве Ньютона далеко не охватывают весь спектр его научных интересов. Он интересовался алхимическими опытами, в частности вопросом о превращении металлов одного в другой (сохранилась переписка между Ньютоном, Бойлем и Локком по этому вопросу), Ньютона занимало горное дело, обработка металлов, мореплавание, в бумагах Ньютона был найден эскиз поровой повозки, которая приводилась в движение струей пара, выходящего из отверстия...

Вместе с тем сам Ньютон понимал, что всё сделанное им в науке, это лишь малая толика в познании природы. В конце жизни он сказал: “Не знаю, чем я могу казаться миру, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим 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 мной неисследованным”.

Одно из важнейших значений творчества Ньютона состоит в том, что открытая им концепция действия сил в природе, концепция обратимости физических законов в количественные результаты и, наоборот, получение физических закономерностей на основе экспериментальных данных, разработка начал дифференциального и интегрального исчисления (“метода флюксий“, на котором мы остановимся далее), создали весьма действенную методологию научных исследований, определившую возникновение и развитие новых научных направлений, дифференцировавших естествознание XVIII века.

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 111213 14 15 16 Следующая ⇒