Основатель «Школы траблшутеров» Олег Брагинский и ученица Марина Строева расскажут, как Ньютону удалось совершить прорыв, рассмотрят революционную методологию, превратившую физику в точную науку, разберут три фундаментальных закона механики и закон всемирного тяготения, а также проанализируют достижения учёного в оптике и математике.
Научная деятельность сэра Исаака Ньютона стала водоразделом в истории человеческой мысли. До него знания о природе носили фрагментарный характер и опирались на философию, после – превратились в систему, основанную на математическом расчёте и экспериментальной проверке.
Главным методологическим достижением стало объединение физики и математики. В труде «Математические начала натуральной философии» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica) был введён подход, названный теоретической физикой: отказ от гипотез и индуктивный метод.
Знаменитая фраза «Гипотез не измышляю» означала, что автор отказывался строить метафизические предположения о скрытых причинах явлений (почему существует гравитация). Вместо этого предлагал описывать явления математически, исходя из наблюдаемых данных.
Исаак настаивал на том, что законы природы должны выводиться из экспериментов и наблюдений путём обобщения, а затем проверяться новыми экспериментами. Такой порядок закрепил за экспериментом статус главного критерия истины, сделав науку самокорректирующейся системой.
Законы Ньютона, сформулированные в «Началах», позволили описать движение практически любого физического тела – от пушечного ядра до планет:
- Первый закон (инерции): объект остаётся в покое или продолжает движение по прямой с постоянной скоростью, если на него не действует внешняя сила. Опровергает мнение Аристотеля о том, что для движения тело нужно постоянно «толкать».
- Второй закон (ускорения): ускорение объекта прямо пропорционально приложенной к нему силе и обратно пропорционально массе. Сформировалось понятие массы как меры инертности тела.
- Третий закон (взаимодействия): каждое действие вызывает равное по силе и противоположное по направлению противодействие. Объясняет, как возникают силы в замкнутых системах.
Самым впечатляющим открытием Ньютона стал закон всемирного тяготения, в котором учёный впервые математически доказал, что сила, заставляющая яблоко падать на землю, и сила, удерживающая Луну на орбите, – одна и та же. Формула закона гласит:
- любые два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
С помощью этого закона Исаак смог теоретически вывести законы Кеплера о движении планет, объяснить морские приливы и отливы (влияние Луны и Солнца), а также понять причины сплюснутости Земли у полюсов, что превратило астрономию из наблюдений в точную науку.
В книге «Opticks» (1704) автор представил результаты многолетних опытов. В работе окончательно был закреплён переход от средневековых догадок к современной оптической науке. В отличие от «Начал», изданных на латыни, «Оптика» вышла на доступном английском языке.
Исследования Ньютона в оптике были не менее революционными. Пропустив луч через призму, учёный разложил его в спектр (радугу) и доказал, что белый свет не «чистый», как считалось ранее, а смесь различных цветовых лучей, каждый из которых обладает разной степенью преломления.
Автор выдвинул гипотезу, что свет состоит из потока мельчайших частиц – корпускул. Позднее физика перешла к волновой теории, а затем к квантовой, и представления о фотонах во многом перекликаются с этой идеей. Теория стала одной из первых попыток объяснить природу света.
Столкнувшись с проблемой искажения цветов в линзовых телескопах, Ньютон изобрёл и построил первый практически пригодный зеркальный телескоп (рефлектор). Использование вогнутого зеркала вместо линз позволило создавать более мощные инструменты без цветовых аберраций.
Конструкция оказалась настолько удачной, что именно зеркальные телескопы сегодня используются в крупнейших астрономических обсерваториях, включая космические телескопы. Современные инструменты, такие как «Хаббл» и «Джеймс Уэбб», продолжают дело Ньютона.
Для описания меняющихся величин, таких как скорость ускоряющегося тела или кривизна орбиты, существовавшей в XVII веке математики оказывалось недостаточно. Чтобы решить проблему, учёный разработал «метод флюксий» – основу дифференциального и интегрального исчисления.
Математический аппарат позволил впервые описывать непрерывно изменяющиеся процессы с высокой точностью. В рамках новой математической теории Ньютон:
- ввёл понятия производной и интеграла, показав, что они тесно связаны между собой и являются взаимно обратными операциями
- разработал методы приближённого вычисления функций (ряды Ньютона) и способы численного решения сложных уравнений, использующиеся в вычислительной математике
- обобщил биномиальную теорему (бином Ньютона), распространив её не только на целые, но и на дробные и отрицательные показатели степени, расширив возможности алгебры.
Без этого была бы невозможна не только современная физика, но и практически вся инженерная наука, химия, экономика и многие другие области знаний. Эти методы лежат в основе расчётов при проектировании зданий, мостов, самолётов, космических аппаратов и компьютерных моделей.
Ньютоновская механика господствовала в науке до начала XX века. Исследования в области квантовой механики и теории относительности Эйнштейна показали, что законы Ньютона перестают быть точными при скоростях, близких к скорости света, или в масштабах атомов.
Тем не менее законы Ньютона остаются точными для нашего масштаба реальности и позволяют строить мосты, запускать спутники, проектировать автомобили и рассчитывать траектории полётов к Луне. Ньютон создал не просто теорию, а язык, на котором заговорила вся современная наука.