Геостанционарная орбита. Исаак Ньютон

Завершили математизацию механики Эйлер и  Лагранж.

Всемирное тяготение

 Закон  тяготения Ньютона

Сама идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и до Ньютона. Ранее  о ней размышляли Эпикур, Гассенди, Кеплер, Борелли, Декарт, Роберваль, Гюйгенс и другие. Кеплер полагал, что тяготение обратно пропорционально расстоянию до Солнца и распространяется только в плоскости эклиптики; Декарт считал его результатом вихрей в эфире. Были, впрочем, догадки с правильной зависимостью от расстояния; Ньютон упоминает в «Началах» Буллиальда, Рена и Гука. Но до Ньютона никто не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера). Только с трудов Ньютона начинается наука динамика, в том числе в применении к движению небесных тел.

Важно отметить, что Ньютон опубликовал не просто предполагаемую формулу закона всемирного тяготения, но фактически предложил  целостную математическую модель:

закон тяготения;

закон движения (второй закон Ньютона);

система методов  для математического исследования (математический анализ).

В совокупности эта триада достаточна для полного  исследования самых сложных движений небесных тел, тем самым создавая основы небесной механики. До Эйнштейна  никаких принципиальных поправок к  указанной модели не понадобилось, хотя математический аппарат оказалось  необходимым значительно развить.

Первым аргументом в пользу ньютоновской модели послужил строгий вывод на её основе эмпирических законов Кеплера. Следующим шагом стала теория движения комет и Луны, изложенная в «Началах». Позже с помощью ньютоновского тяготения были с высокой точностью объяснены все наблюдаемые движения небесных тел; в этом большая заслуга Эйлера, Клеро и Лапласа, которые разработали для этого теорию возмущений. Фундамент этой теории был заложен ещё Ньютоном, который провёл анализ движения Луны, используя свой обычный метод разложения в ряд; на этом пути он открыл причины известных тогда нерегулярностей (неравенств) в движении Луны.

Закон тяготения  позволил решить не только проблемы небесной механики, но и ряд физических и астрофизических задач. Ньютон указал метод определения массы Солнца и планет. Он открыл причину приливов: притяжение Луны (даже Галилей считал приливы центробежным эффектом). Более того, обработав многолетние данные о высоте приливов, он с хорошей точностью вычислил массу Луны. Ещё одним следствием тяготения оказалась прецессия земной оси. Ньютон выяснил, что из-за сплюснутости Земли у полюсов земная ось совершает под действием притяжения Луны и Солнца постоянное медленное смещение с периодом 26000 лет. Тем самым древняя проблема «предварения равноденствий» (впервые отмеченная Гиппархом) нашла научное объяснение.

Ньютоновская теория тяготения вызвала многолетние дебаты и критику принятой в ней концепции дальнодействия. Однако выдающиеся успехи небесной механики в XVIII веке утвердили мнение об адекватности ньютоновской модели. Первые наблюдаемые отклонения от теории Ньютона в астрономии (смещение перигелия Меркурия) были обнаружены лишь через 200 лет. Вскоре эти отклонения объяснила общая теория относительности (ОТО); ньютоновская теория оказалась её приближённым вариантом. (ОТО) также наполнила теорию тяготения физическим содержанием, указав материальный носитель силы притяжения — метрику пространства-времени, и позволила избавиться от дальнодействия.

Оптика  и теория света

Ньютону принадлежат  фундаментальные открытия в древней  науке оптике. Он построил первый зеркальный телескоп (рефлектор), в котором, в  отличие от чисто линзовых телескопов, отсутствовала хроматическая аберрация. Он также детально исследовал дисперсию  света, показал, что белый свет раскладывается на цвета радуги вследствие различного преломления лучей разных цветов при прохождении через призму, и заложил основы правильной теории цветов. Ньютон создал математическую теорию открытых Гуком интерференционных колец, которые с тех пор получили название «кольца Ньютона». В письме к Флемстиду он изложил подробную теорию астрономической рефракции.Но его главное достижение — создание основ физической (не только геометрической) оптики как науки и разработка её математической базы, превращение теории света из бессистемного набора фактов в науку с богатым качественным и количественным содержанием, экспериментально хорошо обоснованным. Оптические опыты Ньютона на десятилетия стали образцом глубокого физического исследования.

В этот период было множество спекулятивных теорий света и цветности; в основном боролись точка зрения Аристотеля («разные  цвета есть смешение света и тьмы в разных пропорциях») и Декарта («разные цвета создаются при  вращении световых частиц с разной скоростью»). Гук в своей «Микрографии» (1665) предлагал вариант аристотелевских  взглядов. Многие полагали, что цвет есть атрибут не света, а освещённого предмета. Всеобщий разлад усугубил каскад открытий XVII века: дифракция (1665, Гримальди), интерференция (1665, Гук), двойное лучепреломление (1670, Эразм Бартолин (Rasmus Bartholin), изучено Гюйгенсом), оценка скорости света (1675, Рёмер). Теории света, совместимой со всеми этими фактами, не существовало.

Дисперсия света

В своём  выступлении перед Королевским  обществом Ньютон опроверг как Аристотеля, так и Декарта, и убедительно  доказал, что белый свет не первичен, а состоит из цветных компонентов  с разными углами преломления. Эти-то составляющие и первичны — никакими ухищрениями Ньютон не смог изменить их цвет. Тем самым субъективное ощущение цвета получало прочную  объективную базу — показатель преломления.

Титульный лист «Оптики» Ньютона

В 1689 году Ньютон прекратил публикации в области  оптики (хотя продолжал исследования) — по распространённой легенде, поклялся ничего не печатать в этой области при жизни Гука. Во всяком случае, в 1704 году, на следующий год после смерти Гука, выходит в свет (на английском языке) монография «Оптика». В предисловии к ней содержится явный намёк на конфликт с Гуком: «Не желая быть втянутым в диспуты по разным вопросам, я оттягивал это издание и задержал бы его и далее, если бы не настойчивость моих друзей». При жизни автора «Оптика», как и «Начала», выдержала три издания (1704, 1717, 1721) и множество переводов, в том числе три на латинском языке.

Книга первая: принципы геометрической оптики, учение о дисперсии света и составе  белого цвета с различными приложениями, включая теорию радуги.

Книга вторая: интерференция света в тонких пластинках.

Книга третья: дифракция и поляризация света.

Историки  выделяют две группы тогдашних гипотез  о природе света.

Эмиссионная (корпускулярная): свет состоит из мелких частиц (корпускул), излучаемых светящимся телом. В пользу этого мнения говорила прямолинейность распространения света, на которой основана геометрическая оптика, однако дифракция и интерференция плохо укладывались в эту теорию.

Волновая: свет представляет собой волну в невидимом мировом эфире. Оппонентов Ньютона (Гука, Гюйгенса) нередко называют сторонниками волновой теории, однако надо иметь в виду, что под волной они понимали не периодическое колебание, как в современной теории, а одиночный импульс; по этой причине их объяснения световых явлений были мало правдоподобны и не могли составить конкуренцию ньютоновским (Гюйгенс даже пытался опровергнуть дифракцию). Развитая волновая оптика появилась только в начале XIX века.

Ньютона часто  считают сторонником корпускулярной теории света; на самом деле он, по своему обыкновению, «гипотез не измышлял» и охотно допускал, что свет может быть связан и с волнами в эфире. В трактате, представленном в Королевское общество в 1675 году, он пишет, что свет не может быть просто колебаниями эфира, так как тогда он, например, мог бы распространяться по изогнутой трубе, как это делает звук. Но, с другой стороны, он предлагает считать, что распространение света возбуждает колебания в эфире, что и порождает дифракцию и другие волновые эффекты. По существу, Ньютон, ясно сознавая достоинства и недостатки обоих подходов, выдвигает компромиссную, корпускулярно-волновую теорию света. В своих работах Ньютон детально описал математическую модель световых явлений, оставляя в стороне вопрос о физическом носителе света: «Учение моё о преломлении света и цветах состоит единственно в установлении некоторых свойств света без всяких гипотез о его происхождении». Волновая оптика, когда она появилась, не отвергла модели Ньютона, а вобрала их в себя и расширила на новой основе.

Несмотря  на свою нелюбовь к гипотезам, Ньютон поместил в конце «Оптики» список нерешённых проблем и возможных  ответов на них. Впрочем, в эти  годы он уже мог себе такое позволить —— авторитет Ньютона после «Начал» стал непререкаемым, и докучать ему возражениями уже мало кто решался. Ряд гипотез оказались пророческими. В частности, Ньютон предсказал:

отклонение света в  поле тяготения;

явление поляризации  света;

взаимопревращение света  и вещества.

Другие  работы по физике

Ньютону принадлежит  первый вывод скорости звука в  газе, основанный на законе Бойля-Мариотта. Он открыл закон вязкого трения и  гидродинамическое сжатие струи . В «Началах» он высказал и аргументировал верное предположение, что комета имеет твёрдое ядро, испарение которого под влиянием солнечного тепла образует обширный хвост, всегда направленный в сторону, противоположную Солнцу.

Ньютон предсказал сплюснутость Земли у полюсов, оценив её примерно как 1:230. При этом Ньютон использовал для описания Земли модель однородной жидкости, применил закон всемирного тяготения и учёл центробежную силу. Одновременно аналогичные расчёты выполнил Гюйгенс, который не верил в дальнодействующую силу тяготения и подошёл к проблеме чисто кинематически. Соответственно Гюйгенс предсказал более чем вдвое меньшее сжатие, чем Ньютон, 1:576. Более того, Кассини и другие картезианцы доказывали, что Земля не сжата, а выпукла у полюсов наподобие лимона. Впоследствии, хотя и не сразу (первые измерения были неточны), прямые измерения (Клеро, 1743) подтвердили правоту Ньютона; реальное сжатие равно 1:298. Причина отличия этого значения от предложенного Ньютоном в сторону Гюйгенсовского состоит в том, что модель однородной жидкости всё же не вполне точна (плотность заметно возрастает с глубиной). Более точная теория, явно учитывающая зависимость плотности от глубины, была разработана только в XIX веке.

Другие  сферы деятельности

Химия и алхимия

 Параллельно  с изысканиями, закладывавшими  фундамент нынешней научной (физической  и математической) традиции, Ньютон (как и многие его коллеги)  много времени отдавал алхимии,  а также богословию. Никаких трудов  по химии или алхимии он  не публиковал, и единственным  известным результатом этого  многолетнего увлечения стало  серьёзное отравление Ньютона  в 1691 году. При эксгумации тела  Ньютона в его организме было  обнаружено опасное для здоровья  содержание ртути.

Стьюкли вспоминает, что Ньютон написал трактат по химии, «объясняющий принципы этого таинственного искусства на основании экспериментальных и математических доказательств», но рукопись, к несчастью, сгорела при пожаре, и Ньютон не делал попыток её восстановить. Сохранившиеся письма и заметки наводят на мысль, что Ньютон размышлял над возможностью какого-то объединения законов физики и химии в единую систему мира; несколько гипотез на эту тему он поместил в конце «Оптики».

Б. Г. Кузнецов считает, что алхимические исследования Ньютона были попытками вскрыть  атомистическую структуру вещества и других видов материи (например, света, теплоты, магнетизма)

Был ли Ньютон алхимиком? Он верил в возможность  превращения одного металла в  другой и в продолжение трёх десятилетий  занимался алхимическими исследованиями и изучал алхимические труды средневековья  и древности… Сам факт преобладания теоретического интереса и полного отсутствия интереса к получению золота выводит Ньютона за пределы алхимии как элемента средневековой культурной традиции… В основе его атомистики лежит представление об иерархии корпускул, образованной всё менее интенсивными силами взаимного притяжения частей. Эта идея бесконечной иерархии дискретных частиц вещества связана с идеей о единстве материи. Ньютон не верил в существование не способных превращаться друг в друга элементов. Напротив, он предполагал, что представление о неразложимости частиц и соответственно о качественных различиях между элементами связано с исторически ограниченными возможностями экспериментальной техники.

     ●Будучи глубоко верующим человеком, Ньютон рассматривал Библию (как и всё на свете) с рационалистических позиций. С этим подходом, видимо, связано и неприятие Ньютоном Троичности Бога. Большинство историков считает, что Ньютон, много лет трудившийся в Колледже святой Троицы, сам в Троицу не верил. Исследователи его богословских работ обнаружили, что религиозные взгляды Ньютона были близки к еретическому арианству (см. статью Ньютона «Историческое прослеживание двух заметных искажений Священного Писания»).

Степень близости взглядов Ньютона к различным  ересям, осуждённым церковью, оценивают  по-разному. Немецкий историк Физенмайер предположил, что Ньютон принимал Троицу, но ближе к восточному, православному её пониманию. Американский историк Стивен Снобелен, приведя ряд документальных свидетельств, решительно отверг эту точку зрения и отнёс Ньютона к социнианам.