Исак Нютон – Истината винаги се намира в простотата, а не в многообразието и безпорядъка

magnifisonz.com / 

„Всяко тяло остава в състояние на покой или на равномерно праволинейно движение, докато не е бъде принудено да излезе от това състояние от силите, които му въздействат.“ Първи закон на движението на Нютон  

Сила, действаща на системата отвън, води до ускорение на системата F = m.a“ Втори закон на на Нютон   (F = ma , където силата „F” се измерва в нютони (N), масата ”m” в kg, а ускорението ”a” в m/s 2.)

Всяко действие има равно по големина и противоположно по посока противодействие.“ Трети закон на на Нютон  

Идеята, че телата падат на земята, защото земното кълбо ги притегля с някаква невидима сила, изобщо не е нова – за съществуването й са подозирали още в древността, например Платон е размишлявал по темата. Как обаче да бъде измерена силата на това притегляне? Дали е еднаква навсякъде по земното кълбо и колко надалеч действа? Тези въпроси са тревожели учените и философите далеч преди Нютон да изведе закона за всеобщото притегляне.

Исак Нютон се ражда в селцето Улсторп при Колстъруърт, в Линкълншир на 4 януари 1642 година*. Баща му почива преди да се роди. Майка му, скоро след смъртта на съпруга си, ражда преждевременно и така на бял свят се появява малкото хилаво момче, което кръщава Исак (на английски се произнася като Айзък). Заради преждевременното раждане смятат, че Исак няма да живее дълго, но Нютон опровергава всички страхове – доживява до дълбока старост и с изключение на редките случаи на неразположение и една сериозна болест, която прекарва, здравето му през целия живот е цветущо.

Семейството на Нютон се числи към средната ръка фермери. Когато Исак поотраства, го записват в начално училище. На 12-годишна възраст момчето започва да посещава общественото училище в Грантъм. Живее на квартира при аптекаря Кларк в продължение на 6 години. Тези години пораждат у него интереса към химията.

На 5 юни 1660 година, когато Нютон все още няма навършени 18 години, е приет в Тринити колидж. Кембриджският университет е сред водещите учебни заведения в Европа. Там процъфтяват не само естествените науки, но и философията и филологията. Нютон се впуска с ентусиазъм в изучаването на математиката. Едновременно с това обаче, през 1665 година получава и степен бакалавър по изящните изкуства (словесните науки).

Първите му научни опити са свързани с изследване на светлината. Ученият доказва, че с помощта на призма бялата светлина може да се разложи на съставляващите я цветове. Нютон прави експерименти и с пречупването на светлината, преминаваща през тънки прегради, като така наблюдава дифракцията на светлината, а “картината”, която се получава в тези експерименти се нарича “пръстените на Нютон”.

През 1666 година в Кембридж избухва епидемия, която по тогавашните разбирания веднага обявяват за чумна. Нютон се оттегля в родния си Улсторп, където без книги и без никакви лабораторни прибори заживява като отшелник. Отдава се на дълбоки философски размисли. Плод на тези размисли става откриването на закона за всеобщото привличане.

Според легендите, Нютон обича да седи в градината и да размишлява. Твърди се, че в един такъв слънчев ден мислите му са прекъснати от падането на узряла ябълка. Ябълковото дърво дълго време е показвано като пример на наследниците на големия учен, а след като започнало да съхне и да не дава плод, било отсечено и превърнато на пейка.

Нютон разсъждава върху законите на гравитацията отдавна и е напълно възможно падналата ябълка да го е вдъхновила. Истината обаче е, че – както самият той пише след години – математическата формула, изразяваща закона за всеобщото притегляне, Нютон извежда след изучаване на законите на Кеплер. Опитите, които провежда в областта на оптиката просто ускоряват процеса, тъй като и законът, по който се определя “силата на светлината” или “степента на светимост” на дадена повърхност, са доста сходни с математическата формулировка на закона за гравитацията.

Принципите на механиката са доразвити във „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“, публикувана на 5 юли 1687 година с моралната и финансова помощ на Едмънд Халей. В този труд Нютон формулира трите фундаментални Закона за движение, които са в основата на класическата механика и се използват без промени през следващите два века:

  1. Първият закон на Нютон гласи, че телата остават в покой или запазват праволинейното си движение с постоянна скорост, ако върху тях не въздейства външна сила.
  2. Вторият закон на Нютон гласи, че сила F, приложена върху тяло, е равна на степента на изменение във времето на неговия импулс p. Математически, това се записва като {\vec F}={\frac {d{\vec p}}{dt}}\,=\,{\frac {d}{dt}}(m{\vec v})\,=\,{\vec v}\,{\frac {dm}{dt}}+m\,{\frac {d{\vec v}}{dt}}\,. Ако масата се приеме за постоянна, първият член отпада, а дефинирайки ускорението като  {\vec a}\equiv d{\vec v}/dt, се получава известното уравнение {\vec F}=m\,{\vec a}\,, според което ускорението на дадено тяло е правопропорционално на силата, действаща върху него, и обратнопропорционално на неговата маса.
  3. Третият закон на Нютон гласи, че на всяко въздействие съответства равно по сила и противоположно по посока противодействие.

Исак Нютон формулира и закона за всеобщото привличане, като използва за него латинската дума „gravitas“ („тегло“), от която идва и българската форма „гравитация“. В същата книга определя аналитично и скоростта на звука във въздуха, изхождайки от Закона на Бойл.
Прости геометрически измервания и прекия опит показват, че при отдалечаване на лист хартия от пламъка на свещта на двойно по-голямо разстояние, осветеността на повърхността на листа намалява, при това не два пъти, а четири пъти. При трикратно отместване – девет пъти. Това е законът, който по времето на Нютон наричат просто “закон за квадратните пропорции”. Ако трябва да сме по-точни – силата на светлината е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието. За гений като Нютон е напълно нормално да се опита да приложи същият закон и към гравитационните явления.

Веднъж достигнал до тези изводи, Нютон неминуемо прозира, че гравитационното притегляне от Земята предопределя и движението на спътника й – Луната. Но са необходими десетилетия на опити и търсене на доказателства, за да може предположенията му да се превърнат в стройна система, описваща законите на мирозданието.

Нютон не би могъл да развие или да докаже гениалните си идеи, ако не владее до съвършенство мощният математически метод, известен днес като диференциално и интегрално изчисление.

В интерес на истината трябва да се отбележи и приноса на Робърт Хук – друг голям учен и изобретател от същата епоха. Хук внася корекция в изводите на Нютон и благодарение на критичните му бележки Нютон достига до още няколко важни заключения. В частност, на база на тези корекции Нютон преоткрива законите за движение на планетите, дефинирани по-рано от Кеплер. За да докаже правотата си, решава да изчисли предварителните местоположения на някои от небесните обекти.
На първо време обаче нещата не се получават.

Джон Кондуит пише за това: “През 1666 година той отново напуска Кембридж… за да се върне при майка си в Линколншир, и през това време, докато размишлявал в градината си, му хрумнало, че силата на тежестта (която кара ябълката да пада на земята) не е ограничена до определено разстояние от Земята, а че като сила трябва да се разпростира много по-далеч, отколкото обикновено се смята. Защо не чак до Луната? – се запитал той, и ако това е така, то това трябва да повлияе на движението й, и вероятно, да я държи на орбита, след което решил да изчисли какъв би бил ефекта от такова предположение; но понеже нямал нужните книги при себе си, той използвал общоприетото съждение сред географите и мореплавателите, че в един градус ширина на повърхността на Земята има 60 английски мили. Изчисленията му не съвпадат с теорията му и той трябвало да се задоволи само с предположението, че заедно със силата на тежестта, следва да има и още примес от онази сила, на която би била подвластна Луната, ако в своето движение тя се придвижва като вихър…”

Изучаването на законите за елиптичните движения значително придвижва напред изследванията на Нютон. Едва през 1682 година той вече може да се опре на по-точни данни при измерването на меридиана, получени от френския учен Пикар. Като знае дължината на меридиана, Нютон изчислява точно диаметъра на Земята и използва новополучените данни в своите предишни изчисления. За своя голяма радост установява, че предположенията му от преди почти 20 години са били напълно верни. Силата, караща телата да падат на Земята, се оказва абсолютно същата, която управлява движението и на Луната.

Този извод се превръща за Нютон в най-голямото тържество на научния му гений. Потвърждават се напълно думите му, че “геният е търпение на мисленето, съсредоточено в определено направление”. Всичките му хипотези се оказват верни и многогодишните му изчисления се потвърждават.
В края на 1683 година Нютон най-после може да предложи пред Кралското общество основните начала на своята система, базирана на ред теореми за движението на планетите. Теорията му обаче се оказва твърде гениална, за да не се намерят завистници и хора, които да се опитат да си припишат поне част от славата за това откритие. Няма никакво съмнение, че мнозина английски учени по това време са се доближили в работата си до откритията на Нютон, но да осмислиш трудността на един въпрос, не означава, че си в състояние и да го решиш. Забележителният архитект и математик Кристофър Рен се опитва да обясни движението на планетите с “падането на телата към Слънцето, съчетано с първоначалното им движение”. Астрономът Халей предполага, че законите на Кеплер са обясними с помощта на действието на сили, правопропорционални на квадратите на разстоянията, но няма нужните математически познания за да го докаже.

Хук пък твърди пред членовете на Кралското общество, че всички идеи, залегнали в “Начала” на Нютон, вече са предлагани от него, а онези, които все пак са новост, просто са грешни. Хюйгенс категорично отрича идеята за взаимното привличане на частиците, като предполага, че сили на притегляне съществуват само вътре в телата. Лейбниц продължава да настоява, че движението на планетите може да се обясни само посредством някаква ефирна субстанция, която пречи на планетите да се движат по права линия. Бернули и Касини също упорито се придържат към теорията за вихровото движение.

Личният герб на Исак Нютон

Малко по малко обаче, шумотевицата заглъхва и славата за откриването на един от фундаменталните закони на класическата физика – законът за всеобщото притегляне – се пада по право на Исак Нютон.

Бележитият учен жъне успехи и на политическата сцена. Член е на Парламента на Британия, а по-късно е назначен за магистър на Монетния двор. Под негово ръководство започва пълна проверка на парите в обръщение, което открива, че близо 1/5 от всички монети в кралството са фалшифицирани. Нютон разработва и плана за преминаването на британския паунд към златен стандарт – стъпка, която оказва огромно положително влияние на икономиката на империята. Именно за заслугите си като магистър на Монетния двор Нютон получава рицарско звание и благородническа титла. Така става вторият учен, след Франсис Бейкън, удостоен с правото да носи титлата сър. Личният му герб е Андреевски кръст от две кости.

Великият Исак Нютон почива на 31 (20 стар стил) март 1727 година* в Лондон. 84 години живот, посветен на познанието. Погребан е в мястото, отредено за най-великите хора на Британия – Уестминстърското абатство. На надгробната му стела е изсечен надпис, който гласи:
„H. S. E. ISAACUS NEWTON Eques Auratus, / Qui, animi vi prope divinâ, / Planetarum Motus, Figuras, / Cometarum semitas, Oceanique Aestus. Suâ Mathesi facem praeferente / Primus demonstravit: / Radiorum Lucis dissimilitudines, / Colorumque inde nascentium proprietates, / Quas nemo antea vel suspicatus erat, pervestigavit. / Naturae, Antiquitatis, S. Scripturae, / Sedulus, sagax, fidus Interpres / Dei O. M. Majestatem Philosophiâ asseruit, / Evangelij Simplicitatem Moribus expressit. / Sibi gratulentur Mortales, / Tale tantumque exstitisse / HUMANI GENERIS DECUS. / NAT. XXV DEC. A.D. MDCXLII. OBIIT. XX. MAR. MDCCXXVI“
Преводът звучи приблизително така: „Тук почива сър Исак Нютон, дворянин, който с почти божествения си разум пръв освети с факела на математиката движението на планетите, пътищата на кометите и приливите на океаните. Той изследваше разликите в светлинните лъчи и появяващите се от това различни свойства на цветовете, за които никой преди това не предполагаше. Постоянен, мъдър и  правдив тълкувател на природата, античността и светото писание, той утвърждаваше със своята философия величието на всемогъщия Бог, а по нрав беше евангелски скромен. Нека смъртните се радват, че е съществувало такова украшение на човешкия род…“

В чест на великия учен датата 4 януари се отбелязва по цял свят като Международен ден на Нютон.

Още в средата на 60-те години, преди да започне да преподава оптика, Нютон изследва пречупването на светлината, демонстрирайки, че със стъклена призма бялата светлина се разлага на отделни цветове, които с леща и втора призма могат отново да съставят бяла светлина. Като отделя оцветен лъч и го насочва към различни предмети, той показва, че отделните цветове могат да се отразяват, пречупват и разсейват, но винаги остават същия цвят. Изводът му е, че цветът е резултат на това как предметите взаимодействат с вече оцветената светлина, а не се поражда от самите тях. На тази основа той изгражда цялостна теория за цветовете, която е критикувана от по-късни теоретици, най-известен от които е Йохан Волфганг фон Гьоте.

Реплика на телескоп на Нютон с отражателна оптика от 1672

От изследванията си върху пречупването на светлината Нютон прави извода, че всеки рефракторен телескоп ще има като недостатък дисперсията на светлината в цветове и изобретява рефлекторния телескоп с отражателна оптика, за да избегне този проблем. Полирайки сам огледалата му, той използва пръстените от интерференция на светлината (Нютонови пръстени) за окачествяване. Така създава телескоп, по-добър от съществуващите тогава рефракторни модели, главно заради по-големия диаметър на огледалото. Много по-късно, с откриването на стъкла с различни рефрактивни свойства, става възможно изработването на ахроматични лещи, решаващи проблема с дисперсията при рефракторните телескопи.

Исак Нютон демонстрира рефлекторния телескоп пред Кралското научно дружество през 1671 година. Предизвиканият интерес го окуражава да публикува своите бележки „За цвета“ („On Colour“), които по-късно доразвива в „Оптика“ (1704; „Opticks“), която включва и идеята за корпускулярната природа на светлината. Работите му са сериозно критикувани от Робърт Хук, след което Нютон е много обиден и се оттегля от публичен спор, а двама остават врагове до смъртта на Хук.

Според теорията на Нютон светлината е съставена от частици, но той е принуден да им придаде вълнови свойства, за да обясни дифракцията. В началото на 19 век Томас Юнг и Огюстен Френел разглеждат светлината като чисто вълново явление и теорията на Нютон е отхвърлена. Съвременната теория за фотоните отново обединява свойствата на частица и вълна, макар и по начин, различен от теорията на Нютон.

–––-
* По времето, когато живее Нютон, се извършва календарна реформа. Ражда се на 25 декември 1641 година. През дългия му живот обаче постепенно е наложен новият стил, въпреки че в доста части на Британия все още продължава да се отчита и старият стил в летоброенето. Приравнено към новия стил рождената му дата е 4 януари 1642 година, а смъртта му настъпва на 31 март 1727 година.

Facebook Comments