Ньютонівська революція

План
1. Ньютон і його час
2. "Математичні начала натуральної філософії" і їх структура
3. Закон всесвітнього тяжіння
4. Математичне узагальнення
5. Ньютонівська оптика
6. Атомістичні погляди Ньютона
7. Учення Ньютона про ефір
8. Ньютонівська Ідея дальньої дії
9. Простір, час, рух

Ньютон і його час
Узагальнивши розрізнені результати своїх попередників у струнку теоретичну систему знання (ньютонівську механіку), Ньютон (1643-1727) став основоположником класичної теоретичної фізики. Він сформулював її цілі, розробив методи й програму розвитку, яка була означена таким чином: "Було б непогано вивести з начал механіки й інші явища природи". В основі ньютон і вського методу лежить експериментальне встановлення точних кількісних закономірних зв'язків між явищами й виведення з них загальних законів природи методом індукції.
Ньютон народився в рік початку великої громадянської війни в Англії і пережив за своє довге, вісімдесятип'ятилітнє життя страту Карла І, правління Кромвеля, реставрацію Стюартів, другу, так звану "безкровну" славну революцію 1688 р. і помер за зміцнілого конституційного режиму. Він був сучасником Петра І і Людовіка XIV. Але політичні бурі, очевидно, не залишили глибоких слідів у житті Ньютона. Він був, принаймні зовні, аполітичним "філософом" у тому широкому розумінні, у якому це слово застосовувалося в давнину.
Життя Ньютона спливало спокійно, мирно й одноманітно; помер він неодруженим, нікуди не виїжджав за межі Англії, подорожі його обмежувалися невеликими відстанями від Грентема до Кембриджу й Лондона (близько 200 км). Ньютон відзначався міцним здоров'ям, ніколи не мав особливо близьких друзів, родичів чисто "життєва" біографія Ньютона майже обмежується послужним списком та десятком анекдотів-легенд. Усе це тільки показна оболонка справжньої діяльності Ньютона, яка поглинала його повністю, принаймні, у першій половині життя; плодами її стали "Оптика", "Математичні начала натуральної філософії" і метод флюксій.
Ньютон, незважаючи на небачену широту своїх наукових інтересів, не був універсальним генієм, як Леонардо да Вінчі, чи "полігієтором" (знавцем усіх наук), як Лейбніц. Його думки й робота зосереджувалися на "натуральній філософії", або фізиці; математика й астрономія в його руках були, зрештою, методом і матеріалом для вирішення основних фізичних завдань. Богословські й історичні знання Ньютона можна розглядати як неминучу данину часу, властиву багатьом його сучасникам.
Мирна одноманітність життя й зосередженість думки та роботи були тими сприятливими чинниками, які допомагали Ньютону із неупередженістю стороннього глядача усвідомити разючі розміри й велич досягнень пізнання, але якість наукової спадщини вченого є секретом генія, що залишився незрозумілим і для нього самого. Ми можемо тільки захоплюватися ним.
Народився І. Ньютон у невеликому селищі Вульсторп у графстві Лінкольн 5 січня 1643 р. у родині дрібного фермера. Його дитячі і юнацькі роки минали в середовищі фермерів і сільських пасторів. У дитинстві Ісаак жив в основному на піклуванні бабусі. Схильний до самітності, міркувань, завзятий у навчанні хлопчик успішно закінчив школу і в 1660 р. вступив до Кембриджського університету. Усі свої великі відкриття він зробив або підготував у молоді роки — з 1665 по 1667 pp., рятуючись у рідному Вульсторпі від чуми, що лютувала в містах Англії. Серед цих відкриттів — закони динаміки, закон всесвітнього тяжіння, створення (одночасно з Лейбніцем) нових математичних методів диференціального й інтегрального числення, що стали фундаментом вищої математики; винахід телескопа-рефлектора, відкриття спектрального складу білого світла й ін.
"Математичні начала натуральної філософії" і їх структура
Безпосередня мета "Начал" — наведення доказів на користь закону всесвітнього тяжіння як такого, що безпосередньо випливає із застосування принципів механіки до руху небесних тіл. Підготовку цієї безпосередності було проведено з вражаючою майстерністю. "Начала" побудовані дуже чітко, і ця чіткість, де випадкова. Наслідуючи Евкліда, Ньютон спочатку вводить визначення основних фізичних понять — маси, кількості руху, сили й т.п., потім ідуть аксіоми, або закони руху.
"Книга І, Про рух тіл" — вирішення ряду динамічних задач, які стосуються руху матеріальних точок і твердих тіл. Розглянуто основні питання стосовно закону ценг тральної сили, коли орбіту задано; зроблено спробу розв'язати й обернену проблему. Поряд із законом обернених квадратів у цих задачах фігурують й інші закони.
"Книга II, Про рух тіл". Мета другої книги — нищівна критика вихрової теорії Декарта, основна тема — гідродинамічні й гідростатичні задачі, закони руху тіл в середовищі з опором, хвильовий рух, найпростіші випадки вихрових рухів.
"Книга III, Про систему світу". Найбільш фізичною щодо змісту й найбільш вагомою за результатами була третя книга. Спочатку йдуть "Правила дослідження природи". Сформульовано чотири правила, зміст яких полягає в тому, що якщо з досліду щось випливає, то це вірно, і далі не потрібно вести філософські дискусії, а потрібно ці твердження застосовувати й спостерігати, що із цього вийде. Якщо наслідки узгоджуються з дослідом, то теорія правильна.
Наступний розділ називається "Явища". У ньому ретельно перераховано основні експериментальні факти — "явища". "Явища" описано дуже грунтовно. Наприклад, перевіряючи 3-ій закон Кеплера для супутників Юпітера, Ньютон докладно описує, за допомогою якого телескопа, якої довжини, за допомогою якого "пречудового мікрометра" було проведено вимірювання й т.д. Результатом аналізу наведених "явищ", а також деяких інших фактів Ньютон вважав встановлення факту, що "тяжіння існує до всіх тіл взагалі і є пропорційним масі кожного з них" і "тяжіння до окремих рівних частин тіл оберненопропорційне квадратам відстаней до цих частин".
Далі йде певна кількість теорем про властивості Сонячної системи. Є теореми про форму Землі, широтну залежність ваги й багато іншого. І, нарешті, йде найскладніше: кількісна теорія Місяця, теорія припливів і теорія комет.
Закон всесвітнього тяжіння
Ще в давнину, спостерігаючи за рухом планет, люди здогадувалися, що всі вони, разом із Землею, рухаються навколо Сонця. Пізніше, коли було забуто, про що знали колись, це відкриття заново зробив Коперник. І тоді виникли нові запитання: як саме планети рухаються навколо Сонця" який характер їхнього руху? Чи рухаються вони по колу й Сонце знаходиться в центрі, чи вони рухаються по якійсь іншій кривій? Як швидко вони рухаються? І так далі. З'ясувалося це не так швидко. Після Коперника знову настали неспокійні часи й розпочалися суперечки про те, чи обертаються планети разом із Землею навколо Сонця, чи Земля знаходиться в центрі Всесвіту. Тіхо Браге знайшов вихід із скрутного становища, що склалося на той час. Він прийшов до висновку, що потрібно дуже уважно стежити, де з'являються на небі планети, точно записувати дані спостережень і тоді уже вибирати між двома супротивними теоріями. Це і було початком сучасної науки, становленням нових підходів до правильного розуміння природи — спостерігати за явищем, записувати всі подробиці й використовувати їх для того чи іншого теоретичного тлумачення. І от Тіхо Браге у своїй обсерваторії фіксував щоночі положення планет. Величезну кількість високоточних даних Браге заповідав Кеплеру, який і спробував дати відповідь на питання, як рухаються планети навколо Сонця. У кінцевому підсумку Кеплер установив, що планети рухаються навколо Сонця по еліпсах, а Сонце знаходиться в одному з фокусів. Потім він відкрив другий і третій закони, які названі його ім'ям. Ці три закони вичерпно описують рух планет навколо Сонця. Але яка сила змушує планети рухатися?
Тим часом Галілей досліджував закони руху звичайнісіньких предметів, що були в нього під рукою. Вивчаючи рух кульки по похилій площині, хитання маятника й т.д., Галілей відкрив принцип інерції, відповідно до якого, якщо на предмет ніщо не діє і він рухається з певною швидкістю по прямій лінії, то рух відбуватиметься із цією ж швидкістю по цій же прямій лінії вічно.
Потім прийшов час Ньютона. Розмірковуючи над питанням: а якщо кулька не котиться по прямій лінії, що тоді? — він відповів так: для того, щоб хоч якось змінити її швидкість, потрібна сила. Наприклад, якщо ви підштовхнете кульку в тому напрямку, у якому вона котиться, то вона покотиться швидше. Якщо ви помітили, що вона повернула вбік, значить сила діяла збоку. Силу можна охарактеризувати добутком двох величин — прискорення й маси тіла. Силу можна і виміряти: наприклад, якщо ми прив'яжемо до мотузки камінь і почнемо крутити його над головою, то відчуємо, що мотузку треба тягти. Чим більша маса, тим сильніше потрібно тягти мотузку. Коли камінь рухається по колу, величина швидкості не змінюється, зате змінюється її напрямок. Ньютон вирішив, що планеті, яка обертається навколо Сонця, не потрібна сила, щоб рухатися вперед; якби ніякої сили не було, планета рухалася 6 по дотичній. Але насправді планета рухається не по прямій. її рух постійно відхиляється в бік Сонця. Щоб так викривити траєкторію, потрібна сила. Стало зрозуміло, що джерело цієї сили знаходиться десь біля Сонця. І Ньютонові вдалося довести, що другий закон Кеплера — закон рівності площ — безпосередньо випливає із тієї простої ідеї, що всі зміни у швидкості спрямовані до Сонця, навіть у випадку еліптичної орбіти. Цей закон посилив переконаність Ньютона в тому, що сила, яка діє на планет ти, спрямована до Сонця і що, знаючи, як період обертання різних планет залежить від відстані до Сонця, можна визначити, як слабшає сила з відстанню. Він довів, що сила оберненопропорційна квадрату відстані. Дотепер Ньютон не сказав нічого нового — він лише повторив іншими словами те, що сказав до нього Кеплер. Один закон Кеплера рівнозначний твердженню, що сила спрямована до Сонця, а інший — твердженню, що сила оберненопропорційна квадрату відстані й не залежить ні від яких інших величин, крім відстані.
Вихідний факт, покладений в основу Ньютонової теорії тяжіння, — вага, яку мають всі тіла, що знаходяться на Землі. З рівності прискорення для всіх падаючих тіл, доведеної численними експериментами, Ньютон встановлює, що ваги тіл, рів-новіддалених від центра Землі, відносяться як кількості матерії, чи маси тіл. За умови однакової віддаленості від центра Землі сили, з якими тіла притягають до себе Землю, відповідно пропорційні масам. Звідси випливає, що сила тяжіння, властива конкретному тілу, складається із сил тяжіння його частин. Тому всі земні тіла притягаються одне до одного із силою, пропорційною кількості матерії, тобто масі кожного тіла.
Установивши властивості земної ваги, Ньютон поставив за мету визначити тяжіння в небесному просторі. Як було зазначено вище, сила, що є причиною доцентрового прискорення планети, спрямована, як і саме прискорення, до Сонця, інакше кажучи, ця сила притягає планету до Сонця. Вона дорівнює прискоренню, помноженому на масу. З іншого боку, вага, що надає тілам рівномірного прискорення, спрямована до центра Землі й пропорційна масі. Ньютон припустив, що йдеться не про аналогію, а про тотожність, тобто ототожнив рух небесних тіл з падінням вантажів на Землі.
Установивши цей факт, Ньютон завершив об'єднання астрономії і земної механіки. Усю геніальну сміливість цієї ідеї важко зараз оцінити, настільки глибоко ввійшов закон всесвітнього тяжіння в науку.
Згодом Ньютон досліджує, чи можна за допомогою астрономічних спостережень підтвердити обернену пропорційність між квадратами відстаней і доцентровим прискоренням. Він припустив, що Місяць на орбіті утримують ті ж сили, що притягають предмети до Землі. Взявши за основу астрономічні дані, Ньютон підрахував, наскільки відхиляється Місяць за секунду від прямої лінії, по якій він повинен був би рухатися, якби його не притягувала Земля. Ця величина дещо більша, ніж 1,25 мм. Місяць знаходиться в 60 разів далі від центра Землі, ніж ми. Отже, якщо закон оберненої іропорційної залежності від квадрата відстані є вірним, то предмет біля поверхні Землі при падінні повинен пролітати за секунду 1,25 * 602, тому що на орбіті Місяця предмети притягаються в 60-60 разів слабкіше. Отже, 1,25 602 — це приблизно 5 м. Вимірювання Галілея показали, що, падаючи біля поверхні Землі, тіла пролітають за секунду 5 м. Це означало, що Ньютон на вірному шляху, тому що якщо раніше були відомі два незалежних факти: по-перше, період обертання Місяця й величина його орбіти і, по-друге, відстань, яку пролітає тіло, падаючи біля поверхні Землі, — то тепер ці факти виявилися тісно пов'язаними.
Таким чином, доцентрова сила, яка впливає на рух Місяця, на поверхні Землі повинна була б дорівнювати силі ваги. Сила, з якою Земля притягує Місяць і спричинює його рух по криволінійній орбіті, є земна сила ваги, дія якої поширюється аж до Місяця.
Якщо Земля притягує Місяць, то і Місяць з такою ж силою притягує Землю. З кеплерівських законів обертання планет навколо Сонця випливає, що доцентрова сила планет спрямована до центра Сонця, а доцентрова сила супутників — до центрів планет; ці сили оберненопропорційні квадратам відстаней до центрів тяжіння. Таким чином, закон тяжіння пояснює також рух планет і їхніх супутників. Досліджуючи рух комет, припливи й т.д., Ньютон в усьому бачить підтвердження свого закону.
Пізніше він переходить від небесних тіл до мікросвіту й прагне довести, що дрібні частинки речовини також зазнають взаємного тяжіння, яке пропорційне їх масі. Учений стверджує, що всі, без винятку, тіла — від нерухомих зірок до дрібних частинок — зазнають тяжіння, величина якого пропорційна добутку їхніх мас та оберненопропорційна квадрату відстані. Земля притягує Місяць, але і її саму притягує Сонце, і все це доповнюється зворотним впливом Місяця на Землю, Землі на Сонце й т.д. Відповідно, формула доцентрового прискорення перетворюється на формулу взаємного тяжіння
де G - множник пропорційності, а—
маси тіл, які взаємно притягаються одне до одного.
Віддаючи данину генію Ньютона, усе-таки слід зазначити, що закон всесвітнього тяжіння має ряд недоліків: він неспроможний, коли йдеться про обчислення руху Меркурія, передавання тяжіння через порожнечу, він визнає необхідність першого поштовху. На що "тірокляті питання" старої механіки дала відповідь загальна теорія відносності.
Математичне узагальнення
Математичним узагальненням, які дозволили сягнути злету механічної концепції світу, були поняття похідної, диференціала й інтеграла — основи для аналізу нескінченно малих. Створюючи аналіз нескінченно малих, Ньютон виходив з поняття похідної. її прообразом була змінна швидкість тіла, що рухається під дією сили.
Якщо тіло рухається за інерцією, то рух відбувається за законом, що пов'язує положення тіла з часом, -тобто йдеться про лінійну залежність цього положення від часу. Швидкість на всьому відрізку постійна, вона збігається зі швидкістю в точці, і шлях тіла ми визначаємо, помноживши час руху на цю незмінну швидкість. Якщо ж тіло рухається під впливом незмінної сили, то постійною є не швидкість, а прискорення.
Ньютон узагальнює поняття шляху, пройденого частинкою, і її швидкості й уводить поняття флюенти (змінної) і флюксії (швидкості зміни флюенти, тобто похідної цієї змінної). У Ньютона не було виразного уявлення про флюксії як про границю відношення залежної змінної до її аргументу. Але Ньютон указав шлях, що веде до такого уявлення, ввівши поняття, які допомогли сформулювати концепцію нескінченно малих змінних величин і похідної як їх граничного відношення. Граничне відношення, наприклад граничне відношення шляху до часу, тобто швидкість, з абсолютною точністю характеризує рух у даній точці й у даний момент часу. Констатація швидкості в точці й узагалі будь-якого граничного відношення змінних величин не пов'язана з яким-небудь компромісним ігноруванням справжньої довжини величин, нескінченно малі зберігають свою довжину, і ми визначаємо похідну не як відношення цих змінних величин, а як границю, до якої наближається це відношення, коли змінні прямують до нуля.
Ньютон обрав шлях, що веде до уявлення про нескінченно малі як змінні величини і до поняття границі, уводячи "перші відношення" величин, що зароджуються, і
"останні відношення" зникаючих величин. Ці поняття фігурують у "Міркуваннях про квадратури кривих" і в "Началах". Тут мова йде аж ніяк не про "останні відношення" величин у той момент, коли ми визнаємо їх достатньо малими, щоб знехтувати ними, мова йде про "останні відношення", до яких змінні величини прямують, не досягаючи їх, тобто про граничні відношення.
У роботі "Метод флюксій і нескінченних рядів" Ньютон розглядає дві задачі — визначення флюксій за флюентами, наприклад, миттєвої швидкості за пройденим шляхом (тобто про задачу диференціювання), і визначення флюент за флюксіями, наприклад, шляху за швидкістю (тобто про задачу інтегрування).
Ньютон увів позначення для похідних: першу похідну від величини X він позначив X, другу — X. Таким чином, якщо X — координата частинки, то її швидкість X, а прискорення X. Для похідних за часом ці позначення застосовуються й у наш час. Запропоновані математичні поняття являють собою узагальнення механічних категорій. Відповідно, незалежною змінною може бути будь-яка величина, якщо розглядати відношення до неї всіх інших величин, які можуть змінюватися як рівномірно, так і довільно. Подібне узагальнення сприяє становленню нових фізичних понять. Уявімо собі, що незалежною змінною є простір, наприклад, відстань від центра тяжіння, і нам потрібно обчислити силу тяжіння в кожній точці. У наш час відомо, що розв'язання подібних задач пов'язане з уявленням про силове поле — простір, де кожній точці відповідає певне значення сили, що діє на одиничну масу. Ми знаємо також, що подібна формальна континуалізація тяжіння, що заповнює простір суто математичними величинами, перетворилася згодом на картину матеріального середовища, в якому сила передається від точки до точки (після того, як було доведено існування скінченної швидкості поширення взаємодії). Таким чином, математичне узагальнення механіки дальньої дії сприяло створенню фізики близької дії.
Ньютонівська оптика
Фізичні ідеї, що лежать в основі механіки Ньютона, висловлені переважно в його роботах з оптики. З погляду загальної історії природознавства, оптика Ньютона має першорядне значення, тому що в ній знаходимо найглибші фізичні, часто кінетичні, іноді суто картезіанські за своїм духом корені класичної механіки.
Вихідним пунктом оптичних експериментів Ньютона були потреби практики. Перші великі телескопи мали сферичну й хроматичну аберацію. Щоб усунути цей недолік, Ньютон запропонував замінити рефрактори відбивальними телескопами — рефлекторами. У 1668 р. він побудував велику модель рефлектора, а три роки потому створив порівняно великий відбивальний телескоп. При цьому Ньютон виявив ебе як надзвичайно винахідливий конструктор і технолог.
Вирішення проблеми хроматичної аберації започаткувало всі наступні оптичні дослідження Ньютона. Безпосередній об'єкт телескопа — зоряне небо — привернуло увагу Ньютона до основних задач небесної механіки й астрономії. У виконанні Ньютона експеримент став настільки точним і плідним знаряддям пізнання, що вся попередня експериментальна фізика здається передісторією ньютонівських робіт. У результаті проведених досліджень Ньютон відкрив явище розкладання на спектр білого світла, коли воно проходить через призму, вимірявши величину заломлення променів різних частин спектра. При цьому Ньютон розрізняв основні кольори й складні вторинні кольори. Основні кольори утворюють спектр, який включає червоний; жовтогарячий, жовтий, зелений і т.д., і величезну кількість проміжних відтінків.
Близькі один до одного ділянки спектра дають у поєднанні проміжні кольори: жовтий із синім — зелений, червоний із жовтим — жовтогарячий і т.д. Кольори, що лежать у спектрі далеко один від одного, не утворюють проміжних відтінків. Білий колір є результатом поєднання всіх згаданих вище кольорів.
Звідси випливає, що звичайне світло — біле — являє собою поєднання променів усіх довжин хвиль, які випромінюють тіла, що світяться. Деякі тіла випромінюють світло різних частин спектра не в однаковій пропорції, і тому їхнє світло має певне забарвлення.
Згодом Ньютон пояснив різний колір деяких тіл зміною їхнього стану. Різні речовини по-різному відбивають й поглинають світло. Неоднакове забарвлення природних тіл пов'язане, на думку Ньютона, з різною здатністю тіл відбивати одні світлові промені більшою мірою, ніж інші.
Ньютон закінчує виклад своєї теорії вказівкою на субстанціальність світла: "Ми побачили, що причина кольорів пов'язана не з тілами, а зі світлом, тому ми маємо достатні підстави вважати світло субстанцією".
Однак Ньютон відмовляється від висунення фізичних гіпотез. "Не так легко, однак, з повною впевненістю й остаточно визначити, що таке світло, чому воно заломлюється і яким способом чи дією воно викликає в нашій уяві сприйняття кольорів; я не хочу тут змішувати здогадки з вірогідністю".
Однозначна, повна, цілком достовірна теорія світла з величезними труднощами формувалася як наочна фізична теорія. Тим часом Ньютон прагнув до абсолютної достовірності. Він ще не покінчив з кінетичними гіпотезами у фізиці, але вже закликає до строгого розмежування фізики принципів і фізики моделей.
Атомістичні погляди Ньютона
Теорія світла Ньютона ґрунтується на уявленні про існування дрібних корпускул, що створюють на сітківці ока відчуття світла. Найкрупніші частинки дають червоний колір, а найменші — фіолетовий. Закони оптики виводяться зі взаємодії між частинками матерії і світловими корпускулами. Переходячи з одного середовища в інше, частинки світла відхиляються внаслідок притягання: дрібні фіолетові — більшою мірою, а великі червоні — меншою.
У своїх атомістичних побудовах Ньютон не вдається до поняття абсолютно неподільних атомів, замінивши їх на корпускули як неподільні частинки. В "Оптиці" Ньютон стверджує, що корпускули тіла складаються з більш дрібних частин матерії, які, у свою чергу, складаються із ще більш дрібних дискретних елементів. При цьому він зауважує, що порожній простір зростає в міру дроблення частинок і відношення порожнього простору до заповненого зростає як ступінь, показник якого дорівнює порядку останніх дискретних частинок.
Якщо ми зупинимося на частинках шостого порядку, як це робить Ньютона, то порожній простір у 63 рази більший, ніж заповнений; якщо останні частинки п'ятнадцятого порядку, то порожнеча більше ніж у ЗО тисяч разів перевищує наповнену частину об'єму корпускул; якщо ж дроблення речовини продовжувати до нескінченності, то простір виявляється заповненим у нескінченно малій мірі.
Ця ідея нескінченної ієрархії дискретних частинок речовини була пов'язана з уявленням про єдність матерії. Ньютон не вірив в існування неподільних атомів й елементів, які не можуть перетворюватися один в інший. Навпроти, він припускав, що неподільність частинок і, відповідно, якісні відмінності між елементами є лише відносною межею, пов'язаною з історично обмеженими можливостями експериментальної техніки. Якщо розчленувати речовину на ці відносно неподільні частинки, то відбудеться звичайна хімічна реакція. Однак можна використовувати більш ефективний хімічний вплив і з його допомогою розчленувати частинки на більш дрібні дискретні елементи — на атоми другого порядку, причому виявиться єдність матерії й один елемент перетвориться на інший. Такі уявлення підтримували сподівання Ньютона на успіх його алхімічних дослідів.
Ньютон створює ієрархію дискретних частинок речовини. Перші поєднання — це найбільш міцні сполучення елементів металу, пов'язані найбільш могутніми силами взаємного притягання. Швидше всього, і ці перші елементи мають складну природу й подільність речовини є нескінченною. Другі поєднання складаються з перших поєднань, причому зв'язок тут набагато слабкіший, взаємне притягання не так міцно з'єднує між собою елементи поєднання, і цей зв'язок можна розірвати за допомогою звичайного хімічного впливу. Отже, єдність речовини й перетворення елементів можуть бути результатом більш енергійних впливів, які здатні розчленувати більш дрібні дискретні частини речовини. Таким чином, загальний принцип єдності матерії, що лежав в основі розвитку хімії, випливає в Ньютона з динамічних поглядів на структуру речовини, з уявлення про реальну ієрархію динамічних взаємодій, що пов'язують воєдино кожну дискретну частину матерії.
Слід підкреслити, що ні атомістичні моделі в "Оптиці" і в переписці, ні побічні фізичні посилання "Начал" не можуть претендувати на роль завершеної атомістичної картини світу.
Учення Ньютона про ефір
У полеміці з іуком Ньютон схематично окреслив деякі риси компромісної теорії, що поєднує хвильові й корпускулярні уявлення. Насамперед він указує, що теорія світлових корпускул ні в якому разі не повинна однозначно поєднуватися з відкритим ним законом поширення, заломлення й відбивання світла. Однак навіть ця теорія аж ніяк не виключає хвильових уявлень. Коливання ефіру, вважає Ньютон, необхідні для пояснення оптичних явищ навіть коли припустити існування світлових корпускул. Корпускули світла, потрапляючи поверхні, що мають здатність заломлювати чи відбивати, спричинюють коливання ефіру. Хвилі ефіру можуть мати різні довжини, і це дозволяє пояснити цілий ряд оптичних явищ.
Надалі Ньютон продовжував розвивати уявлення про витікання частинок, що спричинюють виникнення хвиль в ефірі. Він вважав, що в безповітряному просторі залишається деяке матеріальне середовище — ефір, надзвичайно розріджений, тонкий і пружний. Ефір пояснює різноманітні фізичні явища — магнітні, електричні і навіть тяжіння. Ньютон у суто картезіанському дусі описує різні найтонші флюїди, з яких складається ефір.
Електричне притягання й відштовхування пояснюється виділенням тонкого флюїду при терті. Зазначений флюїд, поширюючись навколо натертого скла, циркулює в різних напрямках і захоплює собою легкі тіла, повертаючись зрештою назад у скло і тут згущуючись. Притягання тіл до Землі пояснюється рухом іншого компонента ефіру. Гравітаційний флюїд проникає до поверхні пор речовини. Завдяки цьому Земля всмоктує ефір і згущує його у своїх порах. Тому ефір прагне повернутися назад до Землі і тягне за собою тіло. Він давить на це тіло пропорційно поверхні частинок. У надрах Землі відбуваються складні реакції, що перетворюють ефір на звичайну речовину і, у свою чергу, виробляють ефір з інших речовин. Ефір входить у тіло таким чином, що щільність його в глибині тіл менша, ніж на їхній поверхні. Поширення світла пов'язане з коливанням ефіру. Подібними ж гіпотетичними моделями Ньютон пояснює заломлення й відбивання світла, кольори вузьких смуг спектра й т.д. Коливання ефіру підтримують рух частинок під час процесів бродіння, гниття й горіння речовин. Для того, щоб примусити свої м'язи скоротитися, людина стискає ефір, який їх наповнює. У цьому процесі бере участь ще один інгредієнт ефіру — "тваринний флюїд".
Протягом наступних років Ньютон продовжував конкретизувати гіпотезу ефіру. Він припускав, що весь простір заповнений ефіром, який може стискатися й розширюватися і має дуже велику пружність. Далі припускалося, що ефір проникає в тіла через їхні пори, причому чим тонші пори, тим розрідженіший ефір, що наповнює ці тіла. Проникненням ефіру в пори Ньютон пояснює відштовхування й притягання тіл, незмочуваність деяких тіл, тяжіння.
Протягом життя Ньютон висловив цілий ряд суперечливих ідей, пов'язаних з ефіром. С. І. Вавілов пояснює ці суперечності тим, що Ньютон у першу чергу описує емпіричні властивості світла, а потім намагається довести, що деякі з них можуть бути витлумачені за допомогою ефіру, далі демонструє протиріччя між іншими властивостями світла й існуванням ефіру і, нарешті, зупиняється на динамічному трактуванні фізичних процесів без будь-яких кінетичних гіпотез.
Очевидно, Ньютон розумів, що без кінетичних моделей ефіру не можна предметно розмірковувати про світло, електрику й тяжіння, але в той же час остерігався пов'язувати з гіпотезою ефіру свої механічні й оптичні закони, які він вважав абсолютними, безперечними й такими, що безпосередньо випливають з чистого досвіду. Під впливом дуже різних чинників у фізиці Ньютона й у фізичних передумовах його механіки ідея порожнього простору відігравала більш важливу роль, ніж протилежна ідея — матеріального середовища, завдяки якому відбувається взаємодія тіл. У роботах з оптики й, взагалі, у дослідженнях, пов'язаних з експериментами, Ньютон найчастіше звертається до уявлення про ефір, але в його математичних, механічних та астрономічних побудовах простір трактується як порожнеча,
В "Оптиці" Ньютон називає простір "умістилищем Бога". Ця містична концепція була довільним догматичним абсолютизуванням умовної абстракції порожнього простору та дії через порожнечу.
Складні й часто суперечливі ідеї Ньютона щодо ефіру й порожнечі приводять його зрештою до практичного заперечення ролі ефіру в однозначній науковій картині світу. Ефір фігурує як дидактична гіпотеза; порожнеча заповнена агентом, який іноді схожий на ефір, а частіше — на нематеріальну субстанцію; але туди, де царюють закони, входить лише протилежність між порожнечею і матеріальними тілами, що рухаються в ній. У Декарта картина світу позбавлена об'єктивних якісних відмінностей, у Ньютона ж таке уявлення присутнє, але тільки одне: розрізнення простору й матерії.
Ньютонівська Ідея дальньої дії
Ідея дальньої дії пов'язана з методом Ньютона. У його механіці ідея взаємозв'язку тіл природи набула історично обмеженої абстрактної форми взаємодії двох тіл, вихоплених із загальної картини природи. Дія тіл одне на одне спричинює прискорення. Тому центральним поняттям ідеї Ньютона є опір прискоренню, тобто маса й пропорційна їй сила, що спричина це прискорення. Увесь математичний і механічний апарат "Начал" налаштований на аналіз сили тяжіння — однак без врахування впливу середовища. Принцип дії на відстані ввійшов у природознавство разом з механікою Ньютона. Однак сам Ньютон не був сліпим прихильником цього принципу. Він допускав існування реального агента (ефіру), що передає дію від одного тіла до іншого. Безперечно, учні Ньютона говорили про дію через порожнечу більш категорично, ніж їхній учитель.
Ньютон багато разів, особливо в листах, відкидав принцип дальньої дії. Широко відомий його третій лист до Бентлі, у якому вчений у різкій формі відмовляється від визнання принципу дії на відстані: "Не можна уявити собі, — писав він, — як нежива, груба речовина могла 6 без посередництва чого-небудь стороннього, нематеріального, — діяти на іншу речовину інакше, як через взаємний дотик. А так повинно було 6 бути, якби тяжіння було, у розумінні Епікура, властивим матерії. От чому я бажав би, щоб ви не приписували мені вчення про вагу, притаманну матерії. Припускати, що тяжіння є вродженою властивістю матерії, споконвічно притаманною їй, так що одне тіло повинно діяти на відстані через порожнечу на інше без посередництва чого-небудь стороннього, що передавало б дію і силу від одного тіла до іншого, є для мене така безглуздість, що думаю, до неї не вдасться жодна людина, здатна до філософського осмислення речей. Тяжіння повинно спричинюватися деяким агентом, що діє відповідно до певних законів". Ряд супротивників ідеї дії на відстані, посилаючись на цей лист, приписували Ньютонові думку про матеріальне середовище, що є причиною тяжіння. Так вважали Фарадей, Максвелл, Томсон і багато хто ін. Але продовженням наведеного уривка є така фраза: "Який це агент, матеріальний чи нематеріальний, — я виношу на суд моїх читачів". Саме ці слова про "нематеріального агента" Фарадей відкидає як незрозумілі. Справді, вони незрозумілі без історичного аналізу різних ідейних коренів у творчості Ньютона, різних впливів, суперечливих тенденцій і його власних вагань між концепціями, що виключають одна одну.
Простір, час, рух
За визначенням Ньютона, "абсолютний простір за самою своєю сутністю є безвідносним до будь-чого зовнішнього й залишається завжди однаковим і нерухомим. Відносною є його міра або яка-небудь обмежена рухома частина, що визначається нашими почуттями стосовно положення його щодо деяких тіл і яке в повсякденному житті сприймається як простір нерухомий".
Частина простору, зайнята тілом, називається місцем тіла. Залежно від того, про який простір йдеться, розрізняють абсолютне й відносне місце тіла. Для тіл з однаковим об'ємом місця однакові; поверхні ж через відмінності у формі тіл можуть і відрізнятися між собою.
Абсолютний час, як стверджує Ньютон, не має стосунку до подій, він існує і триває рівномірно сам по собі. Навпаки, "відносний, уявний, чи повсякденний, час є або точна, або мінлива, що сприймається за допомогою відчуттів, зовнішня, що здійснюється за допомогою якого-небудь руху, міра тривалості, яка застосовується в повсякденному житті замість справжнього математичного часу, як то година, місяць, день, рік". У природі, за словами Ньютона, може зовсім не існувати рівномірного руху, який би міг бути природною мірою абсолютного перебігу часу. Незалежно від природних процесів абсолютний час рухається незмінно. Абсолютний час існування тіла не залежить від швидкості його руху. Навпаки, відносний час, що є предметом спостереження, залежить від швидкості реальних процесів. Тому, стверджує Ньютон, справжня тривалість відрізняється від тієї, яку можна безпосередньо спостерігати, і виводиться з неї за допомогою астрономічного рівняння.
Абсолютний рух визначається як переміщення тіла з одного абсолютного місця в інше, відносний же рух — як переміщення тіла з одного відносного місця в інше відносне місце. Таким чином, абсолютний рух є рух в абсолютному, а відносний рух — у відносному просторі. Ньютон наводить приклад з кораблем. Відносним місцем вантажу є частина корабля, в якій розміщено вантаж. Якщо вантаж не змінює свого положення на кораблі, то про нього говорять, що він перебуває у відносному спокої.
Властивість спокою полягає в тому, що тіла, які перебувають в абсолютному спокої, перебувають у стані спокою також одне відносно одного. Однак якщо відстань між деякими тілами не змінюється, не можна зробити зворотний висновок — про те, що вони перебувають у стані абсолютного спокою. Зв'язок між абсолютним і відносним спокоєм не є зворотним: з абсолютного спокою деяких тіл випливає їх взаємна нерухомість, але зі взаємної нерухомості тіл не можна зробити висновок про їх абсолютний спокій*. Властивість руху полягає в тому, що тіла, які рухаються в рухомому просторі, беруть участь-у русі цього простору. Ньютон трактує абсолютний рух як суму певного ряду відносних рухів, де кожний новий член являє собою рух, що відбувається щодо нового тіла відліку. Він вважає, що цей ряд продовжується, "поки не досягне до місця нерухомого". Але чи є таке місце? Вище зазначалося, що насправді може не виявитися тіла, що перебуває у стані спокою, "з яким можна було б пов'язувати місця й рухи інших тіл". Але місця абсолютного спокою, на думку Ньютона, існують, і вони у своїй сукупності утворюють абсолютний простір.
Далі Ньютон розглядає розмежування абсолютних і відносних рухів залежно від їх причин.
Причина істинного абсолютного руху тіла — сила, прикладена до цього тіла. Прискорення руху тіла в абсолютному просторі відбувається тільки в тому випадку, коли сила безпосередньо прикладена до тіла. Навпаки, відносний рух тіла може бути результатом сил, прикладених до інших тіл. Тіло може змінити своє положення чи свою швидкість щодо інших тіл, якщо до цих інших тіл прикладено силу, яка спричинює їх абсолютне переміщення.
Ньютон аналізує цю проблему в зворотному порядку — від сили до руху. Який рух викликає сила, прикладена до тіла? Абсолютний, — відповідає Ньютон. Це одна з основних тез "Начал". Динамічна задача полягає в тому, щоб, знаючи силу, визначити рух, і навпаки — за величиною руху визначити силу. Вона розв'язується в абстрактній формі, стосовно до двох тіл.
За такої умови, коли абстрактно усунуто всі інші тіла, рух можна віднести лише до абстрактного простору. Ньютон показує, що за умови різних абсолютних прискорень змінюється взаємне розташування тіл і, отже, виникають їх відносні рухи, а коли прискорення всіх тіл однакове, відносний рух не виникає. Відносний рух являє собою різницю між абсолютними рухами.
Якщо до тіла прикладено силу, то його відносний рух може бути яким завгодно, навіть нульовим, залежно від руху тіл відліку. Зокрема, якщо до тіла зовсім не прикладається сила, воно може рухатися з будь-якою швидкістю щодо інших тіл. Тому не можна зробити висновок про абсолютний характер руху лише на основі спостереження за відносними рухами. Ми можемо спостерігати лише відносні рухи; абсолютний рух виявити неможливо, і з кінематичної точки зору він є недосяжним для нашої уяви.
Знаючи прискорення тіла, не можна зробити висновок про прикладену до нього силу й встановити, чи прикладено цю силу до тіла, чи до системи відліку. На думку Ньютона, можливим є тільки обернене: за силами, що виникають у системі, можна визначити абсолютне прискорення цієї системи. Якщо система набуває абсолютного прискорення, то тіла чинять опір цьому прискоренню пропорційно своїм масам. Прискорення тіл щодо системи, яке виникає в результаті інерції, може бути доказом її абсолютного руху. Якщо система обертається, то тіла, що знаходяться в ній, рухатимуться по інерції уздовж дотичної і будуть спрямовані вбік від центру обертання. Це і є прояви абсолютного руху. "Прояви, завдяки яким розрізняються абсолютний і відносний рухи, виявляються в силах, спрямованих від осі обертального руху, тому що в суто відносному обертальному русі ці сили дорівнюють нулю".
Ньютонівські закони руху — це аксіоми, що однозначно пов'язують між собою вимірювані величини, причому величини, які фізично не є тотожними. Перший закон руху стверджує: "Будь-яке тіло перебуватиме у своєму стані спокою або рівномірного й прямолінійного руху, поки та оскільки воно не буде вимушене змінювати цей стан через прикладені сили". Цей закон не є за формою рівнянням, яке пов'язує величини, що спостерігаються. Однак він зводиться саме до такого рівняння, якщо його розглядати як окремий, негативний випадок другого закону. Із цього погляду перший закон Ньютона зводиться до твердження, що нульова сила відповідає нульовому прискоренню.
Другий закон руху стосується прискорення. "Зміна кількості руху пропорційна прикладеній рушійній силі й відбувається в напрямку тієї прямої, вздовж якої ця сила діє". Тут Ньютон-ще не вдається до поняття прискорення. Але згідно з 10-ою лемою, прискорення пропорційне зміні кількості.руху.
Третій закон: "Дії завжди протистоїть рівна й протилежна їй протидія, інакше кажучи, дії тіл одне на одне рівнопротилежні". З погляду Ньютона, дію і протидію можна розглядати і як силу, прикладену до тіла, і як силу інерції цього тіла. Якщо тіло А штовхає тіло В, то для В вплив з боку А є прикладеною силою, а сила інерції — фіктивною силою, яка нібито пручається цьому впливу. Сила інерції В для А є реальною прикладеною силою. Реальна сила, прикладена до тіла, спричинює прискорення, фіктивна сила не прикладена до тіла і не викликає прискорення цього тіла.


Список використаної літератури
1. Абачиеп С. К. Концепции современного естествознания (в 2-х частях). Балашиха. - 1988. - I ч.: 150 с, II ч.: 190 с.
2. Ампер А. Электродинамика. М.: ИЛ. — 1954. — 369 с.
3. Античная цивилизация. — М.: Наука. — 1973. — 269 с.
4. Аристотель. Соч. В 4-х тт. Т. 4. - М.: Мысль. - 1983. - 828 с.
5. Арцимович Л. А. Управляемые термоядерные реакции. М.: Гос. изд. физ.-мат. лит. - 1961.-468 с.
6. Арцимович Л. А. Элементарная физика плазмы. М.: Госатомйздат. — 1963. — 192 с.
7. Бсрнал Дж. Возникновение жизни. — М.: Мир. — 1969. — 391 с.
8. Боголюбов А. Н. Математики и механики. Биографический справочник. — Киев: Наук, думка. - 1983. — 638 с.
9. Боннар А. Греческая цивилизация. Т. 1. От Илиады до Парфенона. — М.: Искусство. - 1992. - 269 с.
10. Боннар А. Греческая цивилизация. Т. 3. От Еврипида до Александрии. — М.: Искусство. - 1992. - 400 с.

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать