Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Математика, химия, физика arrow ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ ФИЗИКИ
Посмотреть оригинал

Исаак Ньютон и его научный метод

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

  • • историю создания классической механики Ньютона;
  • • концепции абсолютного пространства и абсолютного времени, физическую сущность законов Ньютона, закона всемирного тяготения;
  • • основные этапы биографии И. Ньютона;
  • • открытия, сделанные И. Ньютоном в математике, астрономии, механике, оптике;
  • • краеугольные идеи научного метода познания И. Ньютона;

уметь

  • • оценивать исторические опыты И. Ньютона по дисперсии света;
  • • применять концепции близкодействия и дальнодействия при рассмотрении теорий тяготения И. Ньютона и Р. Декарта;
  • • обсуждать вклад Р. Гука в физику и оптику, место книги «Математические начала натуральной философии» в истории науки;

владеть

• навыками оперирования основными понятиями классической механики Ньютона.

Ключевые термины: классическая механика, отражательный телескоп, «Математические начала натуральной философии», дисперсия света, «кольца Ньютона», дифференциальное и интегральное исчисления, абсолютное пространство и абсолютное время, законы Ньютона, закон всемирного тяготения, близкодействие и дальнодействие, научный метод Ньютона.

История физики богата великими именами. Среди них немало тех, фигуры которых значительно возвышаются над уровнем своих современников, соратников по профессии. Есть, однако, личности, заслуги которых и значение в науке столь велики, что и сами они, и их творчество кажутся недоступными вершинами даже на фоне достижений своих самых талантливых коллег. Таким был английский физик и математик Исаак Ньютон (рис. 7.1), один из столпов физической науки, величайший ученый всех времен и народов. Его творчество — это вершина человеческой научной мысли. В образе Ньютона мы видим удивительное сочетание мастерства экспериментатора со смелостью мысли физика-теоретика. Он — один из основателей современной научной методологии, отец классической механики, автор научной программы, по которой развивалась физика в XVIII—XIX вв.

Портрет Исаака Ньютона

Рис. 7.1. Портрет Исаака Ньютона

Исаак Ньютон родился 4 января 1643 г. в деревне Вулсторп графства Линкольншир в семье фермера. Его отец умер еще до рождения сына, и мальчик до 12 лет находился на попечении бабушки, учился в школе Грантэма — ближайшего городка, а затем поступил в колледж Святой Троицы (Тринити-колледж) Кембриджского университета (рис. 7.2). В те годы английский университет представлял собой совокупность замкнутых общин-колледжей. Члены (fellow) каждой из них жили, работали и учились в колледже, образуя закрытую корпорацию. Малообеспеченные члены общины — сабсайзеры, — не имевшие возможности платить за свое содержание, должны были прислуживать другим членам колледжа. В 1661 г. Ньютон был принят в университет на правах сабсайзера.

Тринити-колледж в Кембриджском университете

Рис. 7.2. Тринити-колледж в Кембриджском университете

Тьютором (руководителем) Ньютона был профессор Исаак Барроу (1630—1677), он занимал в Тринити-колледже Лукасовскую кафедру. Лекции Барроу по оптике отличались высоким уровнем и заинтересовали Ньютона. У него установились дружеские отношения с тьютором, Барроу видел в нем своего преемника.

В 1665 г. Ньютон получил степень бакалавра, а в 1668 г. — магистра. Время между этими двумя датами носит название «чумные годы». В Лондоне и Кембридже свирепствовала чума, и все, кто мог, уезжали в провинцию. Ньютон в это время жил дома в Вулсторпе. Деревенское уединение оставляло ему много времени для раздумий, и он много работал, размышляя над тем, как устроена природа. Фактически в «чумные годы» была заложена основа будущих великих открытий Ньютона.

В 1669 г. Барроу, решив посвятить себя теологии, передает своему ученику Лукасовскую кафедру. С этого времени Исаак Ньютон в течение многих лет читает лекции по оптике в Кембридже, являясь его профессором.

Научную деятельность Ньютон начал с математики (он занимался теорией рядов) и с изобретения отражательного телескопа. В сущности, эти работы были сделаны еще в Вулсторпе, но Ньютон не торопился их публиковать. Отражательный телескоп, первая модель которого была изготовлена в 1668 г. (рис. 7.3), принес Ньютону известность как физику. Изобретение телескопа послужило поводом для его избрания членом Лондонского королевского общества.

Телескоп Ньютона (внешний вид)

Рис. 7.3. Телескоп Ньютона (внешний вид)

В 1673 г. на заседании Общества был зачитан мемуар Ньютона «Новая теория света и цветов», в котором изложены исследования по дисперсии света. Этот мемуар вовлек его в длительную дискуссию с Робертом Гуком, который был рецензентом работы. Гук занимался волновой оптикой, в том числе возникновением цветов, но, как это с ним неоднократно бывало, не довел дело до конца. Гук очень ревниво относился к вопросам приоритета и оспаривал его не только у Ньютона (и в оптике, и в механике), но также и у Гюйгенса, и у других современных ему ученых. Рассерженный Ньютон отказался от приема в ЛКО и принял решение при жизни Гука работ по оптике не публиковать. Он сдержал свое слово: книга «Оптика» вышла в свет только в 1704 г., через год после смерти Гука.

Вообще Ньютон публиковал свои работы неохотно. Все его публикации вызывали ожесточенные споры о приоритете. Это относится и к изобретению телескопа-рефрактора, и к изучению цветов тонких пленок, и к открытию закона всемирного тяготения, и к дифференциальному исчислению, т.е. почти ко всему тому, что составляет славу Ньютона-ученого. Это огорчало Ньютона, но на самом деле не было удивительным. Идеи, как принято говорить, «носились в воздухе». Немало ученых, подходя к этим проблемам с разных сторон, приходили к близким выводам. Механика, математика и оптика того времени созрели для решающих открытий, и Ньютон выполнил эту завершающую работу с исчерпывающей простотой и гениальностью. Современники чувствовали гениальность Ньютона. Правда, не все понимали и принимали его, тем более что характер у Ньютона был достаточно неуживчивый. Может быть, в наибольшей степени отношение современников к Ньютону характеризует эпитафия, которая помещена на надгробном памятнике:

«Здесь покоится сэр Исаак Ньютон, дворянин, который почти божественным разумом первый доказал с факелом математики движение планет, пути комет и приливы океанов. Он исследовал различие световых лучей и появляющиеся при этом различные свойства цветов, чего ранее никто не подозревал. Прилежный, мудрый и верный истолкователь природы, древности и Святого Писания, он утверждал своей философией величие всемогущего Бога, а нравом выражал евангельскую простоту. Пусть смертные радуются, что существовало такое украшение рода человеческого».

Александр Поуп, крупный английский поэт, младший современник Ньютона, писал о нем:

«Природы строй, ее закон в извечной мгле таился,

И Бог сказал: “Явись, Ньютон”. И всюду свет разлился».

И все-таки только мы по прошествии трех веков можем адекватно оценить величие Исаака Ньютона. Он — один из столпов, на которых зиждется вся современная физика. Он возвышается над своими современниками, даже самыми гениальными.

Не публикуя свои труды, Ньютон, тем не менее, интенсивно работал. Известный английский астроном Эдмонд Галлей (1656—1742) изучал в это время динамику движения комет. Столкнувшись со значительными трудностями, он обратился к Ньютону. Тот показал ему рукопись, где интересовавшая Галлея проблема была полностью решена. Однако Ньютон не соглашался публиковать эту рукопись. С помощью влиятельных в Кембридже людей его все-таки удалось уговорить. Особенно смущала его та часть труда, где шла речь о системе мира. «Третью часть я намерен устранить, — писал он, — философия — это такая наглая и сутяжная дама, что иметь с ней дело — это все равно, что быть вовлеченным в судебную тяжбу».

Тем не менее в 1687 г. вышла, наконец, в свет одна из самых известных книг в истории человечества — «Математические начала натуральной философии» (рис. 7.4). Произошло это через 144 года после появления книги Коперника.

Оценивая сочинение Ньютона, С. И. Вавилов писал: «В истории естествознания не было события более крупного, чем появление “Начал” Ньютона... Ньютоново учение о пространстве, времени, массах и силах давало общую схему для решения любых конкретных задач механики, физики и астрономии. Величественный пример системы мира, увенчанный открытием всемирного тяготения, увлекал науку на этот новый путь, на применение ньютоновской схемы ко всем разделам физики. Возникла классическая физика по образу и подобию “Начал”. Система мира Коперника получила теперь динамическое обоснование и стала научной теорией. Одновременно было завершено и дело Галилео Галилея, Декарта и Гюйгенса по созданию классической механики».

Титульный лист книги И. Ньютона «Математические начала натуральной философии»

Рис. 7.4. Титульный лист книги И. Ньютона «Математические начала натуральной философии»

Появление «Начал», несмотря на сложность этого труда, вызвало оживленную дискуссию. Так, допущение абсолютно пустого пространства и наличие гравитационных сил, действующих через пустоту, породило ожесточенные философские споры. В них принимал участие и сам Ньютон, опубликовав, например, предисловие ко второму изданию «Начал», которое называется «Общие поучения». Характер «Поучений» — сугубо богословский. В творчестве Ньютона причудливо переплетаются научные и теологические идеи. Вообще Ньютон серьезно интересовался богословием, он был автором ряда теологических трудов: «Толкования на книгу пророка Даниила», «Апокалипсис», «Хронология». Его религиозность была резко антикатоличе- ской, антипапистской. Такой же характер носило и его богословие. Добавим к этому, что Ньютон всю вторую половину жизни серьезно занимался алхимией. К сожалению, узнать, изобрел ли он философский камень, теперь невозможно, так как алхимические записи Ньютона сгорели при пожаре его дома. Все это свидетельствует о том, что Ньютон был истинным сыном своего времени, когда наука, как говорил Энгельс, «еще глубоко увязла в теологии».

Ньютон был сыном своего века и в политике. Так, в 1689 г. он был избран в парламент и целый год участвовал в заседаниях, пока парламент не был распущен. Правда, злые языки говорят, что за все время он выступил в парламенте лишь однажды с краткой речью: «Закройте форточку. Дует». Это скорее всего только легенда, подобная инертность не была характерна для Ньютона.

С 1695 г. Ньютон — смотритель Королевского монетного двора. В короткий срок он перечеканил всю английскую монету, укрепив тем самым финансовую систему Англии. С 1699 г. он уже директор монетного двора. Новая должность потребовала его постоянного присутствия в Лондоне, и Ньютон покидает Кембридж, который был ему домом в течение 38 лет. Последнее 30-летие своей жизни он проводит в довольстве и достатке, окруженный почетом и славой. В 1703 г. его избирают президентом ЛКО. В 1705 г. королева Анна возводит Ньютона в сан пэра Англии — он стал лордом. Примерно в это же время выходит его «Оптика», и после этого Ньютон уже ничего не публикует, ограничиваясь переизданием трудов и занятиями алхимией «для души». Сэр Исаак Ньютон скончался 31 марта 1727 г. и похоронен в Вестминстерском аббатстве в Лондоне.

Рассмотрим теперь научное творчество Ньютона. Оно сосредоточено в основном в трех областях: математика, оптика и механика. Начнем с оптики. Как уже говорилось, Ньютон изобрел отражательный телескоп-рефлектор. Представленный на рис. 7.5 чертеж телескопа свидетельствует о том, что это был простой в изготовлении и удобный в обращении астрономический прибор. Но главное его достоинство заключается в отсутствии линз, а значит, и хроматической аберрации.

Схема телескопа Ньютона

Рис. 7.5. Схема телескопа Ньютона

Телескоп-рефлектор и сейчас является главным оптическим инструментом оптической астрономии и отчасти радиоастрономии. Изменились рабочие длины волн, размеры телескопов, апертура, форма и материал зеркал, но, как и 300 с лишним лет назад, в них используются ньютоновская схема построения прибора. Не так уж много в истории физики и техники конструкторских идей, которые пережили три века.

Изучение прохождения света через линзы привело Ньютона к фактическому открытию дисперсии света (рис. 7.6). Строго говоря, он не был первооткрывателем этого эффекта. И до Ньютона исследователи разлагали свет на отдельные цвета с помощью призм. Однако ни детального изучения наблюдаемого явления, ни его сколь-нибудь исчерпывающей теории не существовало. На основе многочисленных экспериментов Ньютон пришел к выводу, что белый свет представляет собой совокупность цветных лучей, каждый из которых имеет свою цветность и способен по-своему преломляться.

Опыты Ньютона с призмами

Рис. 7.6. Опыты Ньютона с призмами

Ньютон должен был решить следующие экспериментальные задачи: разложить белый свет на спектральные составляющие, доказать экспериментально, что каждый из образовавшихся цветных лучей больше не разлагается и вновь собрать цветные лучи, восстановив белый свет. Все три задачи были успешно решены. Это удалось сделать благодаря тому, что Ньютон- экспериментатор предложил и реализовал метод скрещенных призм, которые можно располагать под разными углами друг относительно друга.

Первая задача легко решалась и с помощью только одной призмы. Вторая и третья задачи потребовали применения нового метода. С его помощью можно было изучать углы преломления лучей разного цвета. Опыты показали, что лучи, имеющие определенный цвет, второй призмой уже не разлагаются. При этом те лучи, которые отклонялись первой призмой на больший угол, отклоняются на больший угол также и второй призмой. Этот опыт лежит в основе известного прибора — монохроматора, используемого в спектроскопии. Точность метода была достаточно высока. Поэтому удивительно, что Ньютон не упоминает о темных фраунгоферовых линиях в солнечном свете, которые он должен был видеть и которые в 1802 г. были открыты У. X. Волластоном, а затем переоткрыты Й. Фраунгофером (см. гл. 11). Возможно, Ньютон принял их за помехи, которые появляются при изменении яркости картинки.

Другим замечательным экспериментальным достижением Ньютона было наблюдение хорошо известного интерференционного явления, которое носит название «кольца Ньютона» (рис. 7.7). Проведя тщательные измерения расположения колец при освещении установки монохроматическим и белым светом, он установил их периодичность. Говоря современным физическим языком, Ньютон выполнил количественный анализ явления интерференции.

Установка, с помощью которой наблюдались «кольца Ньютона», — это первый интерференционный спектроскоп. Перейдя к более общему случаю прохождения света через тонкие пленки, Ньютон, не зная о существовании явления интерференции, но хорошо разбираясь в сущности волновых явлений, понял, что наблюдаемые в них эффекты определяются толщиной пленки.

Это понимал также и Р. Гук, который тут же в запальчивости обвинил Ньютона в плагиате. Гук, высказав весьма разумную гипотезу, по обыкновению не проверил ее, не сделал из нее конкретных выводов. Ньютон же, следуя своей программе, провел тщательные экспериментальные исследования наблюдаемого явления. Он понял, что замена кольца определенного цвета другим таким же происходит при изменении толщины пленки на определенную величину (равную четверти длины волны излучения — в современной терминологии). Ньютон экспериментально определил эту величину, причем достаточно точно, только для красного света его измерения расходятся с современными данными. Исследовал Ньютон и явление дифракции. Он описал радужные полосы на границе тени от человеческого волоса. Однако светлой полосы на внутренней части дифракционной картины он не увидел.

Кольца Ньютона

Рис. 7.7. Кольца Ньютона: рисунок (а) и фотография (б)

Представления Ньютона о природе света достаточно противоречивы. Он пытался соединить представление о свете как потоке корпускул (и этим объяснить дифракцию) с волновыми представлениями («кольца Ньютона»). Сейчас мы обычно считаем Ньютона приверженцем корпускулярной теории света. Это мнение связано с тем, что его теория в XVIII в. подверглась значительному упрощению, и в ней фактически осталась только «корпускулярная» часть. На самом же деле исследования интерференционных явлений не давали ему возможности считать свет лишь потоком корпускул. По-видимому, все-таки взгляды

Ньютона на природу света включают как волновые, так и корпускулярные представления, их можно определить как примитивный корпускулярно-волновой дуализм.

Математические достижения Ньютона связаны с его работами в области механики. Основы дифференциального и интегрального исчислений были разработаны под влиянием размышления над проблемами динамики и вместе с ними вошли в знаменитые «Начала». В то же время Ньютон при создании теории бесконечно малых величин использует традиционные математические методы, восходящие к Евклиду и Архимеду. В его труде полностью царствует геометрия с некоторой примесью алгебры. Ньютон считал, что новое физическое содержание его труда будет восприниматься легче, если методы решения задач будут традиционными (для того времени, конечно). Для нас же синтетические геометро-алгебраические приемы только затрудняют чтение.

Метод Ньютона носит название «Исчисление флюксий» (теперь их называют производными). Мы сейчас пользуемся дифференциальным и интегральным исчислениями в трактовке немецкого ученого и философа Готфрида Вильгельма Лейбница (1646—1716), который разработал их в 1684 и 1686 гг. соответственно. Именно обозначения Лейбница: дифференциал, производная и интеграл — применяются сейчас ввиду их удобства.

Спор о приоритете возник и в этом случае. Он докатился даже до XIX в., причем и Ньютон, и Лейбниц имели в этом отношении своих сторонников. Так, например, Ф. Энгельс был на стороне Лейбница и считал Ньютона плагиатором. Сейчас мы придерживаемся более сдержанной точки зрения: оба великих ученых независимо и одновременно пришли к этому великому открытию.

Здесь уместно подчеркнуть, что современная физика — это наука принципиально математическая. Выше упоминалось о тесном взаимодействии математики и физики. История свидетельствует, что связи между ними образовывались с большим трудом, однако именно через них пролегает магистральный путь развития обеих этих наук.

Ньютоновская механика стала, по-видимому, первой из наук, которой в полной мере коснулась математизация. В 1736 г., уже после смерти и Ньютона, и Лейбница, появилась книга с длинным названием «Механика или наука о движении, изложенная Леонардом Эйлером, членом Санкт-Петербургской Академии наук», в которой уравнения механики были впервые написаны в дифференциальной форме, а математические расчеты велись на языке анализа. А в 1788 г., через 100 лет после публикации «Начал», вышла книга Ж. Л. Лагранжа «Аналитическая механика», в которой, как с гордостью сообщал сам автор, не было ни одного чертежа (см. гл. 8). Механика и математика слились в ней в единое целое. Так эволюционировала механика за 100 лет.

Главные и важнейшие (по крайней мере, с современной точки зрения) достижения Ньютона — в механике. Ньютоновская программа по механике основана на получении зависимостей сил от расстояния. Определив эти зависимости, можно описать все явления природы. Таким образом, мир Ньютона — механический мир. Все явления в нем, в том числе и оптические в обеих альтернативных системах — волновой и корпускулярной, сводятся к механике.

В «Началах» содержатся определения основных понятий механики, приведены законы механики (законы Ньютона), их приложения к движению под действием центральной силы, обоснован закон всемирного тяготения и изложена система мира, т.е. движение планет и спутников, вычисленное на основе закона тяготения. В этом гигантском труде были обобщены и развиты идеи предшественников Ньютона.

«Начала» открываются определением количества материи. Оно опирается на атомистику и определяет величину, доступную для измерений. Ньютон подтвердил независимость ускорения от массы. Само понятие массы тоже введено Ньютоном, при этом появилась точно измеряемая механическая характеристика тела, которой раньше не было. В «Началах» появилось еще одно фундаментальное понятие механики — сила (в том числе центробежная). При этом Ньютон не только определяет это понятие, но и устанавливает способы измерения силы.

Затем Ньютон устанавливает понятия пространства и времени. Абсолютное пространство и абсолютное время не являются формами существования материи. Пространство — просто вместилище материи, своеобразный ящик, в котором она существует и движется. Наличие материи никоим образом не сказывается на свойствах абсолютного пространства, так же как и на свойствах абсолютного времени, которое есть просто длительность. Эти взгляды на свойства пространства и времени продержались очень долго и были опровергнуты только в начале XX в., когда родилась релятивистская физика.

Установив указанные выше понятия, Ньютон формулирует три знаменитых закона. Приведем их формулировки в том виде, который дал им сам автор, конечно в переводе с латыни, который сделал академик А. Н. Крылов.

Закон 1. Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не принуждается приложенными силами изменить это состояние.

Закон 2. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой сила действует.

Закон 3. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе взаимодействия двух тел друг на друга и между собой равны и направлены в противоположные стороны.

Многочисленные поколения людей воспитывались на законах Ньютона именно в этих исторических формулировках. До начала XX в. в школах России было принято заучивать их на латыни, так, как они приведены в «Началах». И это не только дань классическому образованию, принятому в дореволюционной России, но и проявление уважения к гениальному ученому, каждое слово которого имеет важный физический смысл.

Установив законы механики и прокомментировав их, Ньютон выводит ряд следствий: правило параллелограмма сил, законы движения центра масс и ряд других. Эти следствия согласно применяемому им исследовательскому методу уже можно адекватно сравнивать с экспериментальными данными. Проводя такое сравнение, Ньютон опирается на результаты Г. Галилея, X. Гюйгенса и других, менее известных исследователей, а также на опыты, поставленные им самим.

Главное применение разработанная Ньютоном механика нашла в создании системы мира. В ее основе лежит модель Коперника, которая хотя и была в достаточной степени подтверждена астрономическим наблюдениями, пока еще оставалась до конца не доказанной, ибо ее закономерности не являлись следствиями хорошо развитой физической теории. Эта задача занимала ученых уже около 150 лет и породила множество разнообразных гипотез. Вспомним, например, вихри в эфире, которыми пытались описать тяготение сторонники Декарта — картезианцы. Вихревая концепция тяготения хотя и была красивой моделью, не позволяла рассчитать движение небесных тел. Только после работ Ньютона подобное теоретическое описание гелиоцентрической системы мира стало возможным.

Решая упомянутую выше задачу, Ньютон, творчески развивая еще очень несовершенные идеи своих предшественников X. Гюйгенса, Р. Гука, итальянского ученого Джованни Альфонсо Борелли (1608—1679), прежде всего вводит силу тяготения, которая на поверхности Земли становится равной силе тяжести. Затем на основе опытных данных и законов Кеплера он делает вывод: «Силы, с которыми главные планеты постоянно отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к Солнцу и обратно пропорциональны квадратам расстояний до центра его».

Следующий шаг Ньютона заключается в утверждении, что сила тяготения пропорциональна массе взаимодействующих тел. Подтверждение этого он видит в знаменитых опытах Галилея, установивших независимость времени падения на Землю тяжелых тел от их массы. Ньютон счел необходимым проверить этот факт «точнейшим образом» по «равенству времени качания маятников». Зависимость силы тяготения от масс взаимодействующих тел формулируется Ньютоном следующим образом: «Тяготение существует ко всем телам вообще и пропорционально массе каждого из них».

С помощью закона тяготения Ньютону удалось объяснить множество экспериментальных фактов, относящихся к движению небесных тел, а также закономерности приливов и отливов. Закон всемирного тяготения явился основополагающим в астрономии. Его триумфом стало открытие в 1846 г., как принято говорить, «на кончике пера» планеты Нептун (сооткры- ватели — Дж. Адамс и У. Леверье). Еще более впечатляющими являются успехи современной космонавтики в межпланетных перелетах. Траектории космических аппаратов рассчитываются с огромной точностью, а в основе этих расчетов лежит все тот же закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном больше 300 лет назад.

При чтении «Начал» возникает естественный вопрос о природе силы тяготения. Сам Ньютон отказался решать этот вопрос. «Достаточно того, — говорит он, — что тяготение существует». Утверждение ньютоновской теории тяготения происходило в ожесточенной борьбе с картезианцами. И тот факт, что в тяготении главную роль играет некая сила, природа которой неизвестна, отнюдь не способствовала победе идей Ньютона. Картезианцы считали схоластикой все то, что не могло быть сведено к механическим представлениям, а тут еще появляется почти мистическая сила тяготения. Но, с другой стороны, теория вихревых движений в эфире была чисто умозрительной, она не объясняла законов Кеплера, а ньютоновская это делала.

Здесь следует подчеркнуть, что теория Ньютона — это теория дальнодействия, предполагающая, что любое взаимодействие распространяется мгновенно, с бесконечной скоростью. В то же время теория Декарта основана на концецпии близко- действия. В ней постулируется конечная скорость распространения взаимодействия. Как показала история развития физики, в природе существует именно близкодействие. Но до признания этого факта физика должна была пройти огромный путь. Так случилось, что правильная концепция близкодействия оказалась тормозом в развитии науки, а теория дальнодействия, от которой физика потом отказалась, на долгие годы стала ее магистральной дорогой. Все это — характерный пример того, что путь развития науки никогда не бывает прямым.

Определяя место Ньютона в развитии науки, нельзя не сказать об утверждении им нового метода исследования, который и сейчас ни в малейшей степени не потерял значения. Этот метод определяет алгоритм любого исследования и состоит в следующем: на основе опыта формулируются общие закономерности, из них дедуктивным путем выводятся законы и следствия, которые можно проверить на опыте. Соответствие теории и опыта — гарантия правильности формулируемых физических законов. Именно ньютоновский метод (его еще называют гипотетико-дедуктивным) лег в основу современной методики проведения научных исследований. Собственные исследования Ньютона тоже не противоречат положениям обсуждаемого метода. Это хорошо видно на примере открытия законов механики, закона всемирного тяготения, на примере оптических исследований и т.д.

Ньютоновской метод исследований противоречил господствующему в то время мнению о том, что экспериментальные факты следует обязательно объяснить любым, пусть даже фантастическим, образом. Сам Ньютон считал, что на подобной основе построить физическую теорию нельзя. «Гипотез не измышляю» — вот его кредо (рис. 7.8). Хотя, конечно, и он временами пользовался подобными гипотезами. Даже гениальный ученый не может полностью отрешиться от того, что диктует нам век.

Рис. 7.8. Автограф Исаака Ньютона

Основой методологической программы Ньютона стали следующие «Правила философских умозаключений», указывающие на эмпирический характер науки и на четкость ее математического описания.

Правило 1. Не должно требовать в природе других причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений.

Правило 2. По сему, поскольку возможно, те же причины должно приписывать проявлениям природы одинакового рода.

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 быть почитаемы за свойства всех тел вообще.

Правило 4. В экспериментальной философии предложения, выведенные из явлений с помощью общей индукции, должны быть почитаемы за точные или приближенно верные, несмотря на возможность противных им гипотез, пока не обнаружатся такие явления, которыми они еще более уточнятся или же окажутся подверженными исключениям.

Сформулированные Ньютоном правила представляют собой глубоко продуманную методологическую систему, которой не владели его предшественники. Представленные в ней идеи объяснимости, наблюдаемости, простоты, причинности, относительности, симметрии, единства знания и сейчас позиционируются как методологические принципы (хотя их содержание претерпело некоторые изменения). Ньютон, продолжив научные и методологические традиции, восходящие к временам Античности и развитые учеными Средневековья, а затем Галилеем и его учениками, по сути, завершил создание методологической системы, максимально подходящей для научного познания явлений макромира. Тем самым он заложил фундамент первой научно-обоснованной физической картины мира.

В то же самое время Ньютон хорошо понимал, что все созданное им — вовсе не окончательная истина и что познание мира бесконечно. Вот что по этому поводу говорил он сам: «Не знаю, чем я могу казаться миру, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющем 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». Этой замечательной фразой, достойной пера гениального исследователя и открывателя, мы и закончим рассказ о Ньютоне.

Контрольные вопросы

  • 1. В какие годы И. Ньютоном был заложен первый фундамент его будущих великих открытий?
  • 2. Какое изобретение принесло известность Ньютону как физику и послужило поводом для его избрания членом Лондонского королевского общества (ЛКО)?
  • 3. Почему Ньютон решил не публиковать при жизни Гука своих работ по оптике?
  • 4. Какую роль в истории науки сыграла книга «Математические начала натуральной философии»?
  • 5. Какими еще исследованиями, помимо научных, занимался Ньютон?
  • 6. Какие опыты проводил Ньютон с призмами?
  • 7. Как можно наблюдать интерференционное явление — «кольца Ньютона»?
  • 8. Каких представлений о природе света придерживался Ньютон?
  • 9. Что сейчас называют «флюксиями»?
  • 10. Какой ученый наряду с Ньютоном внес основополагающий вклад в создание дифференциального и интегрального исчислений?
  • 11. Какие фундаментальные понятия механики ввел Ньютон?
  • 12. Что представляют собой абсолютное пространство и абсолютное время в механике Ньютона?
  • 13. Как сейчас формулируются законы Ньютона? Какие следствия он вывел на их основе?
  • 14. В чем состояла вихревая концепция тяготения Декарта?
  • 15. Какие экспериментальные факты удалось объяснить Ньютону с помощью закона всемирного тяготения?
  • 16. Какие исследователи были оппонентами Ньютона на протяжении всего его научного творчества?
  • 17. Какой новый научный метод исследования утвердил Ньютон?

Задания для самостоятельной работы

  • 1. Англия на рубеже XVII—XVIII вв.: экономика, политика, идеология, культура, наука.
  • 2. Кембриджский университет в XVII—XVIII вв.
  • 3. Основные этапы биографии Исаака Ньютона.
  • 4. Оптические исследования Ньютона.
  • 5. Отражательный телескоп: от времен Ньютона до наших дней.
  • 6. Изучение Ньютоном явления дисперсии света. Дисперсия как основа современной спектроскопии.
  • 7. Взгляды Ньютона на природу света.
  • 8. «Математические начала натуральной философии». Общий анализ книги.
  • 9. Основополагающие достижения Ньютона в математике.
  • 10. Проблема механических терминов у Ньютона и его последователей.
  • 11. Законы Ньютона. Сущность, история открытия, границы применимости.
  • 12. Закон всемирного тяготения. Сущность и история открытия.
  • 13. Другие сферы деятельности Ньютона: химия и алхимия, богословие.
  • 14. Предшественники, последователи и оппоненты Ньютона.
  • 15. Жизнь и научные исследования Э. Галлея.
  • 16. Методологические и философские вопросы в творчестве Ньютона. Научный метод Ньютона.
  • 17. С. И. Вавилов — исследователь жизни и творчества Ньютона.
  • 18. Современный взгляд на творчество Ньютона и его место в науке о природе явлений мира.

Рекомендуемая литература

  • 1. Кудрявцев, П. С. Курс истории физики. — 2-е изд. — М. : Просвещение, 1982.
  • 2. Кудрявцев, П. С. История физики : в 3 т. — М. : Просвещение, 1956—1971.
  • 3. Спасский, Б. И. История физики : в 2 т. — М.: Высшая школа, 1977.
  • 4. Дорфман, Я. Г. Всемирная история физики : в 2 т. — М. : Наука, 1974—1979.
  • 5. Голин, Г. М. Классики физической науки (с древнейших времен до начала XX в.) / Г. М. Голин, С. Р. Филонович. — М. : Высшая школа, 1989.
  • 6. Храмов, Ю. А. Физики. Биографический справочник. — М.: Наука, 1983.
  • 7. Боголюбов, А. Н. Механика в истории человечества. — М.: Наука, 1978.
  • 8. Погребысская, Е. И. Оптика Ньютона. — М.: Наука, 1981.
  • 9. Погребысская, Е. И. Дисперсия света. Исторический очерк. — М.: Наука, 1980.
  • 10. Ньютон, И. Математические начала натуральной философии. — М.: Наука, 1989.
  • 11. Вавилов, С. И. Исаак Ньютон. — 4-е изд., доп. — М.: Наука, 1989.
  • 12. Карцев, В. П. Ньютон. — М.: Молодая гвардия, 1987.
  • 13. Кузнецов, Б. Г. Ньютон. — М. : Мысль, 1982.
  • 14. Кирсанов, В. С. Научная революция XVII в. — М.: Наука, 1987.
  • 15. Кобзарев, И. Ю. Ньютон и его время. — М.: Знание, 1978.
  • 16. Дмитриев, И. С. Неизвестный Ньютон: силуэт на фоне эпохи. — СПб. : Алетейя, 1999.
  • 17. Аносов, Д. В. От Ньютона к Кеплеру. — М.: Изд-во МЦНМО, 2006.
  • 18. Акройд, П. Исаак Ньютон. Биография. — М. : КоЛибри, Азбука- Аттикус, 2011.
 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы