Дальнейшие успехи экспериментальной физики

Один из основателей Лондонского Королевского общества – Роберт Бойль (1627-1691) – выдающийся химик и экспериментатор, опровергая мнение перипатетиков, что ртуть в трубке Торричелли удерживается невидимыми нитями, решил исследовать упругость воздуха. Помощник Бойля Тоунли, рассматривая запись высот ртути в открытом и закрытом коленах, подметил обратную пропорциональность между избыточной высотой ртутного столба и объемом воздуха в закрытом колене. Бойль, тщательно исследовав эту закономерность при давлениях выше и ниже атмосферного, устновил закон, носящий его имя. Свои опыты он описал в сочинении «Защита доктрины, относящейся к упругости и весу воздуха», вышедшем в 1662г.

Через 14 лет вышло сочинение французского аббата Мариотта (1620-1684) «Опыт о природе воздуха», в котором Мариотт независимо от Бойля описал аналогичные опыты, приведшие его к тому же выводу.

Через три года после проведения опытов с воздушным насосом и через год после открытия газового закона Бойль опубликовал работу «Опыты и рассуждения, касающиеся цветов», где описывал интерференционные явления в тонких пленках (мыльных и тонких стенках стеклянных шаров).

Большие заслуги Бойль имеет в химии. Его сочинение «Скептический химик» рассматривается как начало новой, научной химии в противовес алхимии.

Воздушный насос – предшественник современных вакуумных насосов – был сконструирован в 50-х годах XVII в. магдебургским бургомистром Отто Герике (1602-1686). Книга Герике «Новые магдебургские опыты о пустом пространстве» вышла в свет в 1672 г. с замечательными иллюстрациями, изображающими различные опыты, проведенные им. Герике был искусным экспериментатором. Он усовершенствовал барометр, термометр, построил первую электрическую машину, которая представляла собой шар из серы, вращающийся на железной оси. Вращающийся шар натирался рукой. Герике впервые наблюдал электрическое отталкивание, электрическую проводимость, незначительные электрические разряды, сопровождающиеся потрескиванием.

Колокол с тарелкой для воздушного насоса был введен Христианом Гюйгенсом. Он сконструировал ртутный манометр для измерения низких давлений. Известный изобретатель парового котла (а также паровой машины) Дени Папен (1647-1714) заменил в насосе кран клапаном. Первая пароатмосферная водоподъемная машина была спроектирована в 1698 г. Севери.

Декартовое обоснование закона преломления подверг критике знаменитый математик Пьер Ферма (1601-1665), который в противовес Декарту вывел закон преломление на основе принципа наименьшего времени распространения света. В 1648 г. чешский ученый Иоханнес Маркус Марци (1595-1667) описал явление призматических цветов. Он поставил призму перед отверстием камер-абскуры и получил на задней стороне камеры спектр, который правильно объяснил тем. Что каждому цвету соответствует своя преломляющая способность. Он показал, что отдельный монохроматический участок в дальнейшем призмой не разлагается. Таким образом, Марци был непосредственным предшественником оптических открытий Ньютона.

В 1665 г. вышло в свет сочинение Гримальди (1618-1663), сыгравшее важную роль в истории оптики. В этом сочинении впервые описано явление дифракции и высказано мнение о волновой природе света. В 1669 г. датский ученый Эразм Бартолин (1625-1698) описал двойное лучепреломление в исландском шпате.  Другой датский ученый – Оле Ремер (1644-1710), работавший в Парижской обсерватории, составляя таблицы затмений спутников Юпитера, обнаружил периодическое запаздывание этих затмений и объяснил их конечностью скорости света. В это же время появилось сочинение Гюйгенса о свете, исправленное автором и переизданное на французском языке в 1690 г. «Трактат о свете» Гюйгенса вошел в историю науки первое научное сочинение по волновой оптике. В трактате сформулирован принцип распространения волны, известный ныне под названием принципа Гюйгенса; на основе этого принципа выведены законы отражения и преломления света, развита теория двойного лучепреломления в исландском шпате, исходя из представлений, что скорость распространения света в кристалле в различных направлениях различна и поэтому форма волновой поверхности будет не сферической, а эллипсоидальной.

Теория распространения и преломления света в одноосных кристаллах – замечательное достижение оптики Гюйгенса. Он описал также исчезновение одного из двух лучей при прохождении их через второй кристалл при определенной ориентировке его относительно первого. Таким образом, Гюйгенс был первым физиком, установившим факт поляризации света.

Гюйгенс увлекался также математикой, механикой, астрономией, практической оптикой. Искусный мастер, он самостоятельно шлифовал оптические стекла и усовершенствовал трубу, с помощью которой открыл кольца и спутники Сатурна.

Одним и важнейших открытий Гюйгенса было изобретение часов с маятником.

Гюйгенс устанавливает, что центростремительное ускорение пропорционально квадрату скорости и обратно пропорционально радиусу окружности.

Аберрация была обнаружена Джеймсом Брадлеем в 1728 г. и дала новый метод определения скорости света.

Ньютон

Достигнутые опытным естествознанием результаты получили завершение в работах великого английского ученого Исаака Ньютона (1642-1727). Важнейшим научным достижением Ньютона было создание теории движения планет и связанное с этим открытие закона всемирного тяготение, положенного в основу физического обоснования гелиоцентрической системы.

Ньютон в 1661 г. был принят в колледж Святой Троицы. Одним из его учителей был профессор Исаак Барроу, который читал лекции по оптике на весьма высоком уровне. Ньютон получил степень бакалавра, а затем магистра. В это же время разразилась эпидемия чумы, и Ньютон уехал из Кембриджа в деревню, где он много и плодотворно работал, его будущие великие открытия созревали в деревенском уединении. В 1669 г. Барроу решил посвятить себя теологии, передал кафедру своему гениальному ученику. Ньютон стал профессором Кембриджа.

Первая научная работа Ньютона относится к оптике. В 1668 г. он построил первую миниатюрную модель рефлектора. В 1671 г. Ньютон построил второй усовершенствованный рефлектор, послуживший поводом к избранию его членом Королевского общества.

Прочитанный Ньютоном мемуар об открытиях в оптике вовлек его в полемику с Робертом Гуком (1635-1703), официальным экспериментатором Королевского общества. Гук в докладе, представленном обществу, и в книге «Микрография» становится на точку зрения волновой теории и высказывает мысль о поперечности световых волн. Раздраженный полемикой, Ньютон принял решение ничего не публиковать по оптике до тех пор, пока жив Гук, и выполнил это решение. Кроме первых двух оптических мемуаров, повлекших за собой полемику с Гуком, Ньютон не публиковал ничего  до 1704 г., когда была издана его «Оптика».

Астроном Галей понял, что идея Гюйгенса о существовании центростремительной силы позволяет объяснить динамику движения планет, и пытался ее разработать. В ходе работы он встретился с большими трудностями и обратился к Ньютону. Ньютон показал ему рукопись, в которой проблема, волновавшая Галлея, была полностью решена. Галлей стал настойчиво убеждать Ньютона опубликовать свой труд. Ньютон долго не соглашался. Только с помощью влиятельных лиц в Кембридже Галлею удалось сломить сопротивление Ньютона. В конце концов знаменитые «Математические начала натуральной философии» Ньютона вышли в свет в 1687 г., спустя 144 года после того, как Коперник опубликовал свою систему мира. Эта система получила динамическое обоснование и стала прочной научной теорией. Одновременно было завершено начатое Галилеем дело создания новой механики. Три закона Ньютона завершают труды Галилея, Декарта, Гюйгенса и др. ученых по созданию классической механики и вместе с тем создают прочную основу для плодотворного ее развития.

С приходом к власти Вильгельма Оранского в 1688 г. Ньютон был избран депутатом парламента от Кембриджа.

Назначенный смотрителем Монетного двора, Ньютон в короткий срок перечеканил монету, способствовал тем самым оздоровлению финансов страны. В 1699 г. он назначается директором Монетного двора, а в 1703 г. был избран президентом Королевского общества. Окруженный почетом и славой Ньютон провел свои последние годы жизни в Лондоне, где умер в 1727г. и захоронен в Вестминстерском аббатстве.

Ньютон и Лейбниц разработали общий метод решения задач. Ньютон назвал свой метод исчислением флюксий, именуя этим термином то, что мы ныне подразумеваем под производной. Саму переменную Ньютон назвал флюентой (текущей).

Интересно, что в «началах» Ньютон не пользуется своим методом, а доказывает свои предложения геометрическим способом и с помощью метода предельных отношений.

Основной результат своих спектроскопических исследований Ньютон сформулировал так: «Всякий однородный свет имеет собственную окраску, отвечающую степени его преломляемости, и такая окраска не может изменяться при отражениях и преломлениях».

Таким образом, по Ньютону, у светового луча имеется объективная, неизменная характеристика (цвет), которую он охраняет при отражении и преломлении. В другом месте Ньютон, что эта характеристика не может быть изменена какой-либо иной причиной, которую он мог наблюдать.

Из своих исследований Ньютон сделал важный практический вывод о существовании хроматической аберрации, которую он ошибочно считал неустранимой. Им были введены в астрономию телескопы –рефлекторы.

Ньютон был первым в мире, открывшим периодичность в световых явлениях. Он установил, что для каждого цвета имеется своя длина, на которую изменяется толщина воздушного клина, когда одно цветовое кольцо заменяется другим того же цвета. Следует признать. Ньютон определил длину волны весьма точно.

Ньютон исследовал также явление дифракции и, описав достаточно точно радужные полосы на внешних границах тени волоса, не заметил внутренней светлой полосы.

Ньютон постоянно обсуждает две концепции: корпускулярную и волновую, Волновая теория ему кажется неспособной справиться с противостоящими ей огромными трудностями.

Ньютон был первым строгим критиком волновой теории, рассматривающей свет как механические волны в особой среде, которая со времени Гюйгенса стала называться световым эфиром. Мысль же о том, что световые волны могут быть другой, не механической природы, ему в то время не могла прийти в голову.

При всем различии оптики Ньютона и Гюйгенса у них есть одна существенная общая чета: оба они стремятся описать явление света в рамках механических представлений. Механика лежала в основе физических и философских воззрений XVII в.

Заслуга Ньютона состоит в том. Что он ввел во всеобщее употребление понятие массы и указал способы ее измерения.

Ньютон ввел и второе фундаментальное понятие механики: количество движения, определив его как меру движения, пропорциональную массе и скорости (II определение «Начал»).

Лейбниц указывал, что в явлениях природы сохраняется и другая мера движения. Так, если падающий груз производит деформирующее действие (таким образом, Галилей измерял скорости падения), то это действие пропорционально высоте падения и, следовательно, квадрату скорости, а так как оно к тому пропорционально и массе падающего тела, то движение, сообщенное деформированному телу, пропорционально произведению массы на квадрат скорости. Эту величину Лейбниц позже назвал «живой силой», отличая ее от «мертвой силы», силы давления неподвижного груза. Что величина mv сохраняется, было ясно еще Гюйгенсу, который опирался на закон сохранения величины mv  в своей теории упругого удара и в теории маятника.

Что же касается лейбницевской «живой силы», то она, как мы теперь знаем, является энергетической характеристикой движения и равна кинетической энергии 1/2 mv 

движущей точки.

       Итак, Ньютон ввел в механику фундаментальные понятия: массы, силы, количества движения (импульса). Стержнем ньютоновской динамики является понятие силы., а основная задача динамики сводится к установлению закона силы из данного движения и, обратно, определению закона движения тел по данной силе. Так, из закона Кеплера Ньютон вывел существование силы, направленной к Солнцу т обратно пропорциональной квадрату расстояния планет от Солнца. Тем самым Ньютон решил задачу физического обоснования системы Коперника. Одновременно он открыл существование в природе силы, которая обуславливает притяжение тел, в том числе Луны к Земле, и притяжение самой Земли, как и других планет, к Солнцу, т.е. силу всемирного тяготения.

       «Тяготение существует ко всем телам вообще и пропорционально массе каждого из них» (предложение VII).

«…Тяготение ко всей планете происходит и слагается из тяготений к отдельным частям ее..» (следствие 1).

       «Тяготение к отдельным равным частицам тел обратно пропорционально квадратам расстояний мест до частиц» (следствие 2).

       Так формулирует Ньютон свой знаменитый закон, который мы ныне выражаем компактной формулой: F= G …. Этим законом Ньютон дал точную динамическую основу всей системе Коперника и всей небесной механике, которая, развиваясь на этой основе, добилась огромных успехов.