3. Становление классической физики
Говоря о формировании классической физики, естественно, в первую очередь сказать об отце классической механики в ее современном виде Ньютоне.
Ньютон Исаак (04.01.1643-31.03.1727) – английский механик, оптик, астроном и математик, член Лондонского королевского общества (1672, с 1703 – президент), Парижской АН (1699). Родился в Вулстропе в семье фермера. Окончил Кембриджский университет (1665 - бакалавр, 1668 - магистр), в 1669-1701 возглавлял в нем кафедру. В 1688-90 - член парламента, с 1695 – смотритель, с 1699 – директор Монетного двора.
Заложил основы современного естествознания. Физические работы в области механики, акустики, оптики. Сформулировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения, дисперсию света, разработал дифференциальное и интегральное исчисления (независимо от Лейбница). “Математические начала натуральной философии” (1687) содержали основные понятия и аксиоматику механики, три закона динамики и закон всемирного тяготения. Открытие закона всемирного тяготения ознаменовало переход от кинематического описания солнечной системы к динамическому, он развил теорию формы Земли, теорию приливов и т.п. Установил основной закон внутреннего трения в жидкостях и газах, получил формулу для скорости распространения волн.
Создал физическую картину мира (Ньютонова теория пространства и времени): пространство и время – абсолютны. Выдвинул идею дальнодействия – мгновенной передачи действия на расстояние по пустому пространству.
В 1666 разложил при помощи призмы белый свет в спектр, открыл хроматическую аберрацию. В 1668 и 1671 сконструировал зеркальный телескоп – рефлектор без аберрации. Исследовал интерференцию и дифракцию (кольца Ньютона в тонких слоях). В 1675 предпринял попытку создать компромиссную корпускулярно-волновую теорию света.
По мировозрению – второй после Декарта великий представитель механистического материализма в естествознании 17-18 веков.
В его честь названа единица силы – ньютон.
Первые работы Ньютона относятся к области оптики, но затем от экспериментальных исследований он перешел к обобщениям и увлекся вопросами механики.
3.1. Механика.
Именно в механике Ньютон достиг вершин своего творчества. Он обобщил все исследования предшественников и основные положения механики изложил в своей книге "Математические начала натуральной философии". В своих "Началах" Ньютон сформулировал три закона движения, обобщив при этом принцип инерции и понятие силы, ввел понятие массы и распространил действие законов механики на всю Вселенную. Если в оптике для Ньютона, как мы увидим ниже, присущи гениальность постановки и разносторонность опытов, то в механике его талант проявился, прежде всего, в упорядочении и обобщении частных результатов предшественников. Так, закон всемирного тяготения был сформулирован на основе существовавших в то время экспериментальных данных о движении планет, которые содержали только кинематическое описание, а Ньютон вскрыл причину такого движения, введя количественную характеристику гравитационного взаимодействия. И все же гениальные обобщения в механике были бы вряд ли возможны, если бы Ньютон не имел опыта экспериментатора, общей физической культуры, полученных им в оптике.
В этом же трактате Ньютон сформулировал правила рассуждения, которые должны составлять основу всякого физического исследования. Он не ставит задачи отыскания причины явления и противопоставляет "физике гипотез" Декарта "физику принципов", базирующихся на обобщении опытов. В соответствии с этим при провозглашении закона тяготения Ньютон не собирается определять причину тяготения: "Причину этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю. Все же, что не выводится из явлений, должно называться гипотезой, гипотезам же метафизическим, физическим, механистическим, скрытым свойствам не место в экспериментальной философии. В такой философии предложения выводятся из явлений и обобщаются с помощью индукции. Так были изучены непроницаемость, подвижность и напор тел, законы движения и тяготение. Довольно того, что тяготение на самом деле существует и действует согласно изложенным нами законам и вполне достаточно для объяснения всех движений небесных тел и морей".
Согласно ньютоновскому правилу индукции можно перенести действие законов на все тела, хотя эксперимент можно поставить лишь на некоторых. И в соответствии с правилами рассуждения следует считать правильным всякое утверждение, полученное из опыта с помощью индукции, до тех пор, пока не будут обнаружены другие явления, которые ограничивают это утверждение или противоречат ему.
Если Галилея мы называем основоположником экспериментального метода в физике, то величие Ньютона определяется не только тем, что он открыл фундаментальные законы физики, но и тем, что он создал основы физического мышления. Его путь построения физического знания, "метод принципов" оказался необычайно плодотворным и все последующие фундаментальные теории (электродинамика, термодинамика, теория относительности и квантовая теория) созданы по этим правилам.
Следует сказать еще об одной заслуге Ньютона - его мемуарах о дифференциальном и интегральном исчислении, которые были для него и остаются поныне важным средством для раскрытия физических закономерностей. Однако, в своих "Началах" Ньютон принял геометрическую форму изложения по всей вероятности для того, чтобы их могли понять возможно большее число читателей.
По существу принципов Ньютона достаточно для решения любой задачи механики. Этот успех, с одной стороны, обусловил огромный авторитет Ньютона в глазах следующих поколений ученых, а с другой, предопределил развитие механистических представлений, которые долго превалировали во всех областях физики.
На всем пути развития физики, начиная с Аристотеля, в науке просматривается стремление объяснения всех явлений природы с единых позиций. В 18 веке такую попытку физического синтеза предпринял один из крупнейших итальянских ученых (хорват по происхождению) Рожер Иосип Боскович (1711-1787). Основные свои идеи он наиболее полно изложил в работе "Теория натуральной философии, сведенная к единственному закону сил, существующих в природе", которая была опубликована в 1759 г. По Босковичу материя состоит из малых материальных точек, подчиняющихся законам динамики Ньютона. Для взаимодействия между ними характерно притяжение или отталкивание в зависимости от расстояния: по мере сближения частиц притяжение возрастает, достигает максимума, а затем уменьшается и переходит во все возрастающее отталкивание. С помощью этой теории можно объяснить все механические и физические явления: непроницаемость, протяженность, соударения, тяжесть, твердость, капиллярность, оптические явления, химические действия и все что угодно. Несмотря на всеобщее восхищение, эта скорее общефилософская работа в 18 веке последователей не имела, но уже в 19 веке оказала большое влияние на формирование современной атомистики.
Главное направление развития физики 18 века было скорее аналитическое, а не синтетическое. В это время широко организуются физические лаборатории, улучшаются приборы для исследований, анализируются и проверяются как экспериментальные результаты, так и выдвинутые ранее теории. 18 век по сравнению с предыдущим столетием был менее ярким, он не дал новых великих идей и ученых масштаба Галилея, Гюйгенса, Ньютона.
В области механики наиболее яркое достижение 18 века - создание аналитической механики, где с помощью применения методов математического анализа к исследованию физических явлений отдельные научные достижения связывались в одну упорядоченную картину. Механика Ньютона была изложена на геометрическом языке, а усилиями механиков 18 века она была представлена в аналитическом виде. Здесь следует упомянуть работы французских математиков Жана Батиста Даламбера (1717-1783), который в "Трактате о динамике" (1758 г.) излагает свой принцип с рассмотрением механической системы со связями, сводящий любую задачу динамики к задаче равновесия, и Пьера Луи Моро де Мопертюи (1698-1759), сформулировавшего принцип наименьшего действия, а также швейцарского ученого, который в основном работал в Петербургской и Берлинской АН, Леонарда Эйлера (1707-1783), изложившего аналитические основы движения материальной точки и твердого тела. Работы этих и ряда других ученых 18 века превратили механику в рациональную науку, основанную на небольшом числе определений и аксиом. Рациональная механика окончательно сформулирована в "Аналитической механике" французского ученого Жозефа Луи Лагранжа (1736-1813). Здесь из единых принципов развиваются основные разделы механики: статика и гидростатика, динамика и гидродинамика. Принимая понятия и постулаты Галилея и Ньютона, он в силу своего математического таланта сводит все к известным динамическим уравнениям Лагранжа. С тех пор теоретическая механика стала, по сути, разделом математики, а не физики.
Помимо формулировки законов движения в среде без сопротивления, Ньютон рассматривал движение в жидкости, им разработана теория волнового движения в плотных средах - основа акустики. В 18 веке с применением математических методов английский математик Бруге Тейлор (1685-1731) решил основную задачу акустики о колебаниях струны, положив начало математической физики. Отцом экспериментальной акустики считают немецкого физика Эрнста Хладни (1756-1827), который первым точно исследовал колебания камертона. Все акустические явления объяснялись движением колеблющегося тела и частиц среды.
3.2. Оптика.
В числе первых работ в области классической оптики следует отметить труды Кеплера, который развил идеи Альхазена и рассматривал конусы лучей, исходящие из каждой точки.
Кеплер Иоганн (27.12.1571-15.11.1630) – немецкий физик, математик и астроном. Родился в Магсштадте (Вюртенберг) в семье обедневшего дворянина - солдата. Окончил Тюбингенский университет (1593). В 1594-1600 работал в Высшей школе в Граце. В 1600 переехал в Прагу к датскому астроному Тихо Браге, вскоре после смерти которого стал математиком при дворе императора Рудольфа II. В 1612 переехал в Линц, в 1626 – в Ульм. Последние годы жизни провел в бедности и странствиях.
Основные физические работы в области оптики. В трактате “Дополнения к Виттелию” (1604) изложил основы геометрической оптики и механизм видения. В 1604 сформулировал закон об обратно пропорциональной зависимости освещенности и квадрата расстояния от источника. Сконструировал телескоп – труба Кеплера, описал явление полного внутреннего отражения, получил формулу линзы. Предложил понятие силы как причины ускорения.
Используя наблюдения Т.Браге и свои собственные, открыл три закона движения планет (законы Кеплера), является одним из творцов небесной механики, был активным сторонником учения Коперника. Трактат “Сокращение Коперниковой астрономии” был занесен Ватиканом в список запрещенных книг. В 1627 – последняя крупная работа “Рудольфовы таблицы”, по которым несколько поколений астрономов с высокой точностью вычисляли положение планет в любой момент времени.
Кеплером, по сути, построена современная геометрическая оптика. Обсуждая восприятие изображения, Кеплер приходит к выводу, что глаз не знает, какой путь прошли лучи, а помещает светящуюся точку на их продолжении. Он вводит важный экспериментальный метод, переходя от физиологической оптики к современной геометрической: в эксперименте целесообразнее получать изображение на экране, а не рассматривать его глазом. При исследовании преломления в шаре с использованием диафрагмирования, Кеплер приходит к фундаментальному открытию: одна точка изображения соответствует одной точке предмета, а параллельный пучок сходится в одной точке, которую он назвал фокусом. При рассмотрении механизма зрения Кеплер окончательно делает заключение о формировании перевернутого изображения на сетчатке глаза. Он рассматривает комбинацию линз, четко формулируя положение о том, что изображение от одной линзы является предметом для другой. Эти результаты он применил в конструкции подзорной трубы с выпуклым окуляром (труба Кеплера), а также построил теорию подзорной трубы Галилея.
Кеплер также пытался найти закон преломления, но безуспешно. Закон преломления был экспериментально открыт в 1621 г. голландским ученым Виллебродом Снелиусом (1591-1626). В то же время (1627) с помощью простых геометрических рассуждений к закону преломления пришел Декарт, предложив в соответствии с идеями Альхазена разложить скорость света на две составляющие - вдоль и поперек границы раздела сред. Своим результатам он предваряет философские рассуждения о природе света, но их не понимали даже его истые последователи (Гюйгенс), так они были противоречивы. Тем не менее, на основе полученного закона после проведения оригинальных экспериментов Декарту удалось объяснить образование радуги. Это было получено в результате серии хорошо задуманных, тщательно проведенных и подкрепленных расчетом опытов, которые можно считать образцом физического исследования.
В споре с Декартом о правомерности применения механических аналогий к свету французский математик Пьер Ферма (1608-1665) сформулировал свой принцип, что свет распространяется по пути, проходимом в кратчайшее время, из которого также следует закон преломления Декарта. Он сосредотачивал свое внимание больше на математической стороне задачи, чем на физической. А физические основы у Ферма были шаткими, они подвергались резкой критике, но сам принцип сохранился в физике и истории науки до сих пор.
К числу принципиальных открытий в оптике следует отнести обнаружение явления дифракции - отклонения света итальянским ученым Франческо Мариа Гримальди (1618-1663). Это было сделано в экспериментах на маленьких отверстиях, а также подтверждено в опытах на тонких нитях. В своих объяснениях Гримальди прибегает к аналогии с волнами, образующимися от брошенного в воду камня и огибающими препятствие, т.е. прибегает к волновой гипотезе света. Этим же он объясняет природу цветов по аналогии со звуком, который по Галилею определяется различными колебаниями воздуха. Подобные же опыты в Англии провел Роберт Гук (1635-1703), который также успешно экспериментировал с микроскопом Галилея, в частности заметил окрашивание тонких пленок в пучке света.
Принципиальными с точки зрения конечности скорости света были астрономические наблюдения, т.к. земные эксперименты по способу Галилея в 17 веке не дали положительных результатов. Основные результаты по этому вопросу, полученные при исследовании движения спутников Юпитера, были в окончательном виде сформулированы датским ученым Олафом Ремером (1644-1710).
Первые работы по физике у Ньютона были в области оптики и начинались с 1664 г. В 1672 г. он представил первый доклад в Королевское общество и этот доклад вызвал критические замечания (в частности у Гука) и долгую полемику. Ньютона это очень огорчило, он был человеком весьма раздражительным и чувствительным к критике. Тем не менее, он упорно продолжал свои работы, но свою фундаментальную работу "Оптика" опубликовал лишь в 1704 г., через год после смерти Гука. В этой работе по существу изложены основы современной физической оптики. Прежде всего, следует упомянуть его результаты по дисперсии света и природе цветов, его блестящие опыты с разложением света призмой и смешением цветов. Ньютон разработал зеркальный телескоп, за создание которого он был избран в члены Королевского общества и который стал отправной точкой прогресса инструментальной астрономии. Широко известны его экспериментальные работы в области интерференции, классические кольца Ньютона.
В части интерпретации экспериментальных результатов по оптике Ньютон не придерживался определенной позиции в выборе волновой или корпускулярной теории света, и это вызывало ряд затруднений. Здесь в отличие от механики, он изменяет своим принципам не выдвигать гипотез, его объяснения громоздки и трудновоспринимаемы, а в ряде случаев и ошибочны. В последнем издании своей "Оптики" Ньютон приводит почти одинаковое число аргументов в пользу как волновой, так и корпускулярной концепции. Тем не менее, его в течение 18 века считали приверженцем корпускулярной теории. Это, вероятно, было обусловлено затруднениями волновой теории в объяснении прямолинейности распространения света и преклонением перед механистическими представлениями Ньютона.
Подводя итоги 17 века, следует сказать о вкладе в оптику Гюйгенса, который издал в Лейдене в 1690 г. "Трактат о свете". В этой работе изложены основы волновой теории света с постулированием некоторой эфирной материи. Он предложил принцип построения огибающей волны, который и сегодня известен под его именем. Гюйгенс объяснил явления преломления света, подвел физическую основу под принцип Ферма. Он также интерпретировал двойное лучепреломление, которое было обнаружено в 1669 г. датским ученым Эразмом Бартолином (1635-1698) в опытах с кристаллами исландского шпата.
Из-за огромного авторитета Ньютона и отсутствия решающих научных аргументов в пользу волновой теории в 18 веке в основном придерживались корпускулярной теории света. Однако сохранялись и традиции волновой оптики, поскольку корпускулярная теория все же не могла объяснить многие экспериментальные данные. В частности, Эйлер в работе "Новая теория света и цветов" (1746) считает различную длину волн физической причиной различия цветов.
В 18 веке зарождается фотометрия как самостоятельный раздел оптики. Французским ученым Пьером Бугером (1698-1758) были проведены первые систематические исследования потери интенсивности при прохождении света через среду и предложена конструкция фотометра, а также замечено избирательное поглощение различных цветов и сформулирован экспоненциальный закон поглощения. Основы фотометрии были четко сформулированы немецким математиком и физиком Иоганном Ламбертом (1728-1777) в работе "Фотометрия, или об измерениях и сравнениях света, цветов и тени" (1760). Здесь он вводит понятия яркости и освещенности и выводит основные законы фотометрии о зависимости освещенности от расстояния, угла падения света, характеристик освещающего источника.
После почти векового господства корпускулярной теории в оптике в самом начале 19 века были проведены работы, ознаменовавшие триумф волновой теории. Это сделал в первую очередь Юнг, врач по профессии, но имевший весьма разносторонние интересы.
|
