Роль законів Ньютона в розвитку фізики

Сер Ісаа́к Нью́тон — англійський вчений, який заклав основи сучасного природознавства, творець класичної фізики та один із засновників числення нескінченно малих.

У книзі «Математичні начала натуральної філософії» Ньютон сформулював закони руху, відомі як закони Ньютона й закон всесвітнього тяжіння, які стали основою наукового світогляду впродовж трьох наступних століть і мали великий вплив не тільки на фізику, а й на філософію. Використовуючи свою теорію Ньютон зумів пояснити закони Кеплера, що описують рух планет навколо Сонця, чим заперечив останні сумніви щодо геліоцентричної системи світобудови.

Ньютон побудував перший телескоп-рефлектор і розвинув теорію кольору на основі спостережень розщеплення білого світла в спектр в оптичній призмі. Він сформулював емпіричний закон теплообміну й побудував теорію швидкості звуку. У математиці Ньютон паралельно з Ґотфрідом Лейбніцом розвинув числення нескінченно малих, працював з рядами, узагальнив біном Ньютона та запропоновував метод Ньютона розв’язування нелінійних рівнянь.

Ньютон закінчив Кембриджський університет і був у ньому професором математики. Він був президентом Королівського наукового товариства і членом парламенту. Він служив уряду Королівства Англія як доглядач, а з 1699 року директор Королівського монетного двору.

У березні-червні 1666 року Ньютон відвідав Кембридж. Сміливці, що залишилися в коледжі, як виявилося, не постраждали ні від чуми, ні навіть від популярних тоді протичумних ліків (що включали кору ясена, міцний оцет, спиртні напої й сувору дієту). Однак улітку нова хвиля чуми змусила його знову виїхати додому. Нарешті, на початку 1667 року епідемія відступає, і у квітні Ньютон повертається в Кембридж. 1 жовтня його обрали членом Триніті-коледжу, а в 1668 році стає магістром. Йому виділили простору окрему кімнату для житла, призначили непоганий оклад і передали групу студентів, з якими він кілька годин у тиждень сумлінно займався стандартними навчальними предметами. Втім, ні тоді, ні пізніше Ньютон не прославився як викладач, його лекції відвідувалися погано.

Усталивши своє становище, Ньютон здійснив подорож у Лондон, де незадовго до того, в 1660 році, було створено Лондонське королівське товариство — авторитетна організація значних наукових діячів, одна з перших академій наук. Друкованим органом Королівського товариства був журнал «Філософські праці» (Philosophical Transactions of the Royal Society).

Телескоп-рефлектор Ньютона 1672 року

Цього ж року Барроу прийняв запрошення короля стати придворним капеланом і залишив викладання. 29 жовтня 1669 року Ньютона обрали його спадкоємцем, професором математики й оптики Триніті-коледжу. Барроу залишив Ньютону велику лабораторію алхімії; у цей період Ньютон всерйоз захопився алхімією, проводить масу хімічних дослідів.

Одночасно тривають експерименти з оптики й теорії кольору. Ньютон досліджує сферичну й хроматичну аберації. Щоб звести їх до мінімуму, він побудував змішаний телескоп-рефлектор: лінза й увігнуте сферичне дзеркало, яке він виготовив і пополірував сам. Проект такого телескопа вперше запропонував Джеймс Грегорі 1663 року, однак цей задум так і не був реалізований. Перша конструкція Ньютона (1668) виявилася невдалою, але вже наступна, з ретельніше відполірованим дзеркалом, попри невеликі розміри, давала 40-разове збільшення чудової якості.

Ньютон сформулював основні закони класичної механіки, відкрив закон всесвітнього тяжіння, дисперсію світла, розвив корпускулярну теорію світла, розробив (незалежно від Готфріда Лейбніца) диференціальне та інтегральне числення.

Узагальнивши результати досліджень в області механіки своїх попередників і своїх власних, Ньютон написав фундаментальну працю «Математичні начала натуральної філософії» («Начала», лат. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica), видану 1687 року. Вона містила основні поняття й аксіоматику класичної механіки, зокрема поняття маса (якому Ньютон надавав великого значення як основному в механічних процесах), кількість руху, сила, прискорення, доцентрова сила і три закони руху (закони Ньютона): закон інерції, закон пропорційності сили прискоренню і закон дії та протидії. Тут же даний його закон всесвітнього тяжіння, виходячи з якого, Ньютон пояснив рух небесних тіл (планет, їхніх супутників, комет). Відкриття цього закону знаменувало перехід від кінематичного опису Сонячної системи до динамічного пояснення явищ і остаточно затвердило перемогу вчення Коперніка. Він показав, що з закону всесвітнього тяжіння випливають три закони Кеплера. Ньютон пояснив особливості руху Місяця, явище прецесії; розвинув теорію форми Земної кулі, відзначивши, що вона повинна бути стиснута на полюсах, теорію припливів і відпливів; розглянув проблему створення штучного супутника Землі тощо.

Ньютон створив фізичну картину світу, що тривалий час панувала в науці (ньютонівська теорія простору і часу). Простір і час він вважав абсолютними, постулюючи це у своїх «Началах». З таким розумінням простору і часу тісно пов’язана його ідея дальнодії — миттєвої передачі дії від одного тіла до іншого на відстань через порожній простір без допомоги матерії. Ньютонівська теорія дальнодії та його схема світу панували до початку ХХ століття. Вперше її обмеженість виявили Майкл Фарадей і Джеймс Клерк Максвелл, показавши незастосовність її до електромагнітних явищ, а теорія відносності, що виникла на початку 20 ст., остаточно довела обмеженість класичної фізики Ньютона — фізики малих швидкостей і макроскопічних масштабів. Але спеціальна теорія відносності не відкинула зовсім закономірностей, установлених класичною механікою Ньютона, а лише уточнила і доповнила її для випадку руху зі швидкостями, порівнянними зі швидкістю світла. «Нині місце ньютонівської схеми дальнодіючих сил, — писав Альберт Ейнштейн, — зайняла теорія поля, зазнали зміни і його закони, але все, що було створено після Ньютона є подальшим органічним розвитком його ідей та методів».

Ньютон встановив закон опору й основний закон внутрішнього тертя в рідинах і газах, дав формулу для швидкості поширення звукових хвиль.

Великий внесок зробив Ньютон в оптику. 1666 року за допомогою тригранної скляної призми він розклав біле світло на 7 кольорів (у спектр), тим самим довівши його складність (явище дисперсії), відкрив хроматичну аберацію. Намагаючись уникнути аберації в телескопах, у 1668 і 1671 роках він сконструював телескоп — рефлектороригінальної системи — дзеркальний, де замість лінзи використовувалося увігнуте сферичне дзеркало (телескоп Ньютона). Ньютон досліджував інтерференцію і дифракцію світла. Вивчаючи колір тонких пластинок, відкрив так звані кільця Ньютона, встановив закономірності в їхньому розміщенні, висловив думку про періодичність світлового процесу. Він намагався пояснити подвійне променезаломлення і близько підійшов до відкриття явища поляризації. Ньютон вважав світло потоком корпускул — корпускулярна теорія світла (але на різних етапах розглядав можливість існування і хвильових властивостей світла, зокрема 1675 року намагався створити компромісну корпускулярно-хвильову теорію світла). Свої оптичні дослідження він виклав у «Оптиці» (1704).

Наукова творчість Ньютона зіграла винятково важливу роль в історії розвитку фізики. За словами Альберта Ейнштейна «Ньютон був першим, хто спробував сформулювати елементарні закони, що визначають часовий хід широкого класу процесів у природі з високим ступенем повноти і точності» і «… зробив своїми працями глибокий і сильний вплив на весь світогляд в цілому»