Содержание
XVII век стал кульминационным пунктом формирования новой науки- физики. Тогда было открыто атмосферное давление, заложены основы акустики, значительно развилась прикладная оптика и механика, были достигнуты первые научные результаты в изучении тепловых, электрических и магнитных явлений, разработаны методы экспериментальной науки, были найдены новые формы организации науки и международных научных связей.
В 1657 году организуется Флорентийская Академия опыта, в 1660 — Лондонское Королевское общество, в 1666 — Парижская академия наук, в 1724 — Петербургская академия наук. Создание академий способствовало началу активной переписки между учеными разных стран, обмена научной литературой и опытом научной деятельности.
Механика
В области механики основное внимание в XVII в. было обращено на вопрос о маятнике, ударе и тяжести.
Вопрос о маятнике связан с именем голландского ученого — механика, математика и физика — Христиана Гюйгенса (1629-1695), который в 1685 в работе "Маятниковые часы" описал сконструированные им первые маятниковые часы.
Ему же принадлежит идея о том, что с помощью математического маятника можно измерять ускорение силы земного притяжения — постоянную величину g.
Гюйгенс разработал теорию упругого удара. Установлением теории удара заканчивались предпосылки обоснования механики, которое впоследствии осуществил И. Ньютон.
Впервые идею о всемирном тяготении в 1643 высказал французский математик Ж. Роберваль (1602-1675), а итальянский ученый Д. Борелли (1608-1670) не только высказал идею о динамическом равновесии, но и качественно решил эту задачу.
Большое значение для подготовительной стадии установления закона всемирного тяготения имели сформулированные Гюйгенсом положения о центростремительной и центробежной силе, в частности о центростремительном ускорении, и его математическая формула. Этими исследованиями готовилась почва для последующего научного прыжка, совершенного И. Ньютоном.
Развитие гидростатики
В области гидростатики исследования в XVII в. были выполнены нидерландским инженером и математиком Симоном Стевином (1548-1620), которому математика обязана введением десятичных дробей, учеником Галилея, итальянским физиком и математиком Еванджелистой Торричелли (1608-1647) и французским ученым Блезом Паскалем (1623-1662).
Работая надзирателем водных сооружений в Голландии, Стевин уделил много внимания решению гидростатических проблем.
В частности, он теоретически обосновал и экспериментально доказал гидростатический парадокс, согласно которому сила давления на дно сосуда зависит не от формы сосуда, а от площади дна и высоты уровня воды в этом сосуде; установил наличие в жидкостях направленного вверх давления.
В "Трактате о равновесии жидкостей" (1653) Б. Паскаль завершил учение про гидростатику. Здесь он описывает закон всесторонней передачи давления в жидкостях, получивший название закона Паскаля, гидростатический парадокс, закон сообщающихся сосудов и принцип действия гидравлического пресса.
Характерно, что он одним из первых указал на общность законов равновесия жидкостей и газов.
Гидродинамика и атмосферное давление
Идеи гидродинамики были уже высказаны в трактате Э. Торричелли "О движении жидкостей", в котором он вывел также формулу для скорости вытекания жидкости. С именем Торричелли связано также открытие атмосферного давления и доказательство возможности образования вакуума.
Б. Паскаль впервые доказал, что с высотой атмосферное давление уменьшается. Опыты, в которых демонстрировалась сила атмосферного давления с помощью так называемых "Магдебургских полушарий" были выполнены бургомистром Магдебурга Отто Герике (1602-1686) в 1654, ему же принадлежит одна из первых конструкций воздушного насоса.
Герике был умелым экспериментатором. Он усовершенствовал барометр, термометр, построил первую электрическую машину, которая представляла собой шар из серы, вращающийся на железной оси.
Герике впервые наблюдал электрическое отталкивание, проводимость, электрические разряды.
Почти одновременно с Герике воздушный насос сконструировал английский физик и химик Роберт Бойль (1627-1691). Вместе со своим учеником Г. Тоунли Бойль установил обратную зависимость объема воздуха от давления при постоянной температуре (1662).
В 1676 гг. к этой зависимости независимо от Р. Бойля пришел французский ученый Эдм Мариотт (1620-1684).
Мариот также исследовал причины образования ветров и выразил важные мысли о зависимости между высотой местности и величине атмосферного давления.
Эти исследования завершил английский астроном и геофизик Эдмонд Галлей (1656-1742), более известный благодаря открытой им комете. В 1684 он вывел известную барометрическую формулу. Суть формулы Галлея сводится к утверждению, что с ростом высоты с арифметической прогрессией атмосферное давление уменьшается в геометрической прогрессии (если не учитывать изменение температуры).
В XVII в. были предприняты первые попытки в конструировании термометра и высказаны идеи о природе теплоты — что теплота есть движение (Бэкон, Бойль, Ньютон).
Электричество и магнетизм
О достижениях в области электричества и магнетизма доньютоновской физики свидетельствует труд английского ученого, врача королевы Англии Елизаветы Вильяма Гильберта (1540-1603), опубликованный в 1600 под названием "О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле, новая физиология".
Гильберт впервые применяет к изучению электрических и магнитных явлений экспериментальный метод (более 600 опытов).
Он установил, что магнит имеет всегда два полюса, которые невозможно разделить, что разноименные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются, что железные предметы под влиянием магнита намагничиваются (магнитная индукция), что Земля является большим магнитом, и объяснил наклонения магнитной стрелки.
Гильберту человечество обязано зарождением науки об электричестве. Дальнейшее развитие учения Гильберта приобрело в работах О. Герике, о котором уже упоминалось.
Оптика
Важными успехами в XVII в. характеризуется развитие оптики, которая в конце века превратилась в мощную отрасль физической науки.
Быстрому прогрессу оптических исследований способствовало развитие в Голландии оптотехники — изобретение подзорной трубы, микроскопа (1590, Захария Янсен), создание И. Кеплером теории
камеры-обскуры (1604).
Большим шагом вперед была разработанная Кеплером теория зрения, где он подчеркнул особое значение хрусталика, изменение кривизны которого приводит к близорукости или дальнозоркости.
В своей знаменитой "Диоптрике" (1611) Кеплер подал проект новой конструкции подзорной трубы, которая состоит из двух двояковыпуклых линз, и сделал важный вывод о существовании полного внутреннего отражения.
В этом же году вышел из печати и оптический трактат Марка Антонио де Доминиса (1566-1624), в котором освещены явление радуги и дисперсии света в призме. Однако объяснение полученным в этом явлении цветов было далеко не полным.
Закон преломления света в современной форме был сформулирован голландским астрономом и математиком Виллебродом Снеллиусом (1580-1626) и Р. Декартом в его "Диоптрике" (1637).
Выдающийся французский математик Пьер Ферма (1601-1665) установил основной принцип геометрической оптики, так называемый принцип наименьшего времени для светового пути (принцип Ферма).
Открытие закона преломления света позволило перейти к расчетам оптических систем. В частности, в "Оптических и геометрических лекциях" английского математика, учителя И. Ньютона, Исаака Барроу (1630-1677), которые вышли в свет в 1669-1670 гг., были даны формулы линз для различных случаев, а в 1693 Э. Галлей дал уже общую формулу линзы. Одним из важнейших достижений по оптике в XVII в. было определение скорости света в 1676 датским астрономом Олафом Ремером (1644-1710).
Ремер, отмечая время затмения спутников Юпитера, установил существование отклонений от правильной периодичности этих затмений в моменты, когда Земля находится на максимальном и минимальном расстоянии от Юпитера.
На основе этих данных он пришел к выводу, что свету требуется 22 минуты, чтобы пройти диаметр земной орбиты (современные данные — 16 минут 36 секунд), то есть установил скорость света равной 215000 км \ с.
В XVII в. были также открыты основные явления волновой оптики, а именно явления интерференции и дифракции.
Первые идеи о дифракции света были сформулированы в трудах итальянского физика и астронома Франческо Мария Гримальди (1618-1663). Его основной труд "Физико-математический трактат о свете, цветах и радуге" вышел в 1665.
Чешский ученый Йоханнес Маркус Марке (1595-1667) описал явление призменных цветов, то есть он был непосредственным предшественником оптических открытий Ньютона.
Важные идеи волновой природы света принадлежат выдающемуся английскому ученому-исследователю упругих свойств тел — Роберту Гуку (1635-1703), который работал ассистентом у Р. Бойля.
Он впервые в своем произведении "Микрография" (1665) описывает явления интерференции и дифракции света.
Ему принадлежит и мысль, что игра цветов на тонкой пластинке обусловлена отражением света от передней и задней поверхностей, иначе говоря, объясняется добавлением световых импульсов от
передней и задней поверхностей, в результате чего изменяется направление их колебаний, а следовательно и цвет.
Р. Гук распространение света от источника представлял подобным круговым волнам на поверхности воды и подчеркивал, что в белом свете колебания поперечные.
Основы волновой теории света разработал выдающийся физик X. Гюйгенс и изложил в знаменитом "Трактате о свете" (1690). Это была первая теоретическая работа по волновой оптике. В ней Гюйгенс описал с волновой точки зрения явления отражения и преломления с помощью сформулированного им принципа распространения волнового фронта ("Принцип Гюйгенса").
Гюйгенс применил этот принцип к распространению света через исландский шпат. Он рассмотрел также явление двойного преломления света, открытое в 1669 датским ученым Эразмом Бартолином (1635-1698) и описал явление поляризации световых лучей (не используя это слово).
Исаак Ньютон
Итак, в XVII в. значительно развились почти все области физики: механика, теплота, электричество, магнетизм и оптика. Перед наукой стала большая задача — обобщить эти результаты и на их основе завершить грандиозную работу по созданию фундамента новой науки.
Эту задачу успешно осуществил великий английский физик и математик, астроном и механик Исаак Ньютон, которого справедливо называют родоначальником классической теоретической физики.
Исаак Ньютон (1634-1727) родился в семье мелкого фермера-арендатора в небольшой деревне в графстве Линкольн.
В 1665 окончил Кембриджский университет со степенью бакалавра, в 1668 гг. руководил физико-математической кафедрой Кембриджского университета.
В 1672 избран членом Лондонского королевского общества, а с 1703 г. и до смерти был президентом этого общества. В 1699 избран членом Парижской академии наук. В 1688 его избирают членом английского парламента. С 1695 — надзиратель, а в 1699-1703 гг. — директор Монетного двора Англии.
Ньютон прожил одиноко около 85 лет и умер как большой общепризнанный ученый. Похоронен в Вестминстерском аббатстве — усыпальнице английских королей.
Его научные труды посвящены механике, оптике, математике, а также астрономии. Ньютон осуществил вывод фундаментальных принципов классической механики. Ему принадлежит открытие закона притяжения и дисперсии.
В математике он разработал теорию дифференцирования и интегрирования.
Обобщив исследования ученых в сфере механики, Ньютон создал огромное произведение под названием "Математические начала натуральной философии ", изданное в 1687. "Начала" вмещали базовые понятия и аксиомы классической механики, такие как понятие массы, силы и др.
Там же были представлены три фундаментальные закона, по которым происходит движение, а также закон притяжения. С его помощью Ньютон дал обьяснение движениям небесных тел и развил теорию гравитации. Эти открытия окончательно подтвердили идеи Коперника.
Ньютон создал картину мира, которая долгое время была господствующей в науке.
Он считал, что пространство и время являются абсолютными, постулируя это в своих "Началах". Ученый утверждал, что время и пространство составляют "вместилища" самих себя и всего сущего.
Работы Ньютона сыграли неоценимую роль в развитии естествознания. Альберт Эйнштейн считал, что Ньютон был первым, кто совершил попытку вывести элементарные законы, которые определяют ход процессов в природе и произвел глубокое влияние на все мировоззрение человечества.
Другие статьи: