И. Ньютон и создание фундамента классической физики

Исаак Ньютон (1643 - 1727) - выдающийся английский физик, механик, астроном и математик - сформулировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения, закон разложения белого света на монохроматические составляющие, разработал (наряду с Лейбницем) дифференциальное и интегральное исчисление.

И. Ньютон родился 4 января 1643 г. в Вульсторпе (Англия). В 12 лет мальчика отдали в городскую школу в соседний городок Грэнтэм. Здесь Ньютон поселился на квартире у городского аптекаря Кларка.

Английские школы того времени отличались суровыми педагогическими приемами - порка и другие виды наказаний были обычным явлением. Немногие сохранившиеся материалы о школьных годах Ньютона рисуют его застенчивым, скрытным мальчиком, избегавшим шумного общества своих сверстников, но очень самолюбивым. Учился Ньютон сначала плохо и физически был слабым. Однажды, когда в драке его сильно избили, он принял решение покончить с таким положением и выделиться успехами. Ньютон начинает упорно работать и достигает своей цели - он занял первое место в школе и удерживал его до ее окончания. Сохранились рассказы о том, что в детстве Ньютон любил строить сложные механические игрушки, модели мельниц, самокаты, водяные и солнечные часы.

В 1660 г. он был принят в Тринити-колледж Кембриджа в качестве «сабсайзера» (так назывались бедные студенты, в обязанности которых входило прислуживание членам колледжа - бакалаврам, магистрам и прочим). Но несмотря на это Ньютон настойчиво изучает работы Декарта и Кеплера, арифметику и геометрию Евклида, тригонометрию, богословские науки и древние языки, в особенности латинский. Напряженная работа дала хорошие результаты: за семь лет (1660—1667) Ньютон прошел все степени колледжа (бакалавр, магистр).

Первые научные работы Ньютона относятся к оптике. В 1666 г., пропуская свет через трехгранную стеклянную призму, он обнаружил его сложный состав, разложив на семь цветов (в спектр), т.е. открыл явление дисперсии. Кроме того, обнаружив хроматическую аберрацию у линз и считая ее неустранимой, Ньютон пришел к выводу, что линзы в телескопе надо заменить сферическими зеркалами.

Очень интересна также мысль Ньютона о возможном превращении тел в свет и обратно. И действительно, в 1933 - 1934 гг. были открыты факты превращения заряженных частиц электрона и позитрона в свет и обратно. Так Ньютон предугадал одно из далеких будущих открытий атомной физики.

Вершиной научного творчества Ньютона являются "Начала" ("Математические начала натуральной философии"), в которых он обобщил результаты, полученные его предшественниками - Г. Галилеем, И. Кеплером, Р. Декартом, Х. Гюйгенсом, Дж. Борелли, Р. Гуком, Э. Галлеем, и свои собственные исследования.

Он впервые создал единую стройную систему земной и небесной механики, которая легла в основу всей классической физики. Здесь были даны определения исходных понятий - количества материи, эквивалентного массе, плотности; количества движения, эквивалентного импульсу, и различных видов силы. Формулируя понятие количества материи, Ньютон исходил из представления о том, что атомы состоят из некой единой первичной материи; плотность он понимал как степень заполнения единицы объёма тела первичной материей.

3. Когда мы говорим о естествознании, первое, о чем вспоминаем - это физика. Физика - это, вне всякого сомнения, самая фундаментальная, самая всеобъемлющая из всех наук. Представление о физике в умах многих людей совершенно справедливо сливается с понятием “знание”. Мир физики столь же велик, сколь неисчерпаем мир знаний. Один из крупнейших ученых нашего времени Эрнест Резерфорд говорил: “Все науки можно разделить на физику и коллекционирование марок”. Возможно, это преувеличение, но физика всегда оказывала и продолжает оказывать огромное влияние на все развитие науки. Физика - это основная область естествознания, наука о свойствах и строении материи, о формах ее движения и изменения, об общих закономерностях явлений Природы.

Нынешняя физика вполне равноценна давнишней натурфилософии, из которой возникло большинство современных наук. Одной из таких наук является астрономия, наука о происхождении, строении и законах движения космических тел. Астрономия старше физики. Фактически физика и возникла из нее, когда астрономия заметила поразительную простоту движения звезд и планет. Объяснение этой простоты и стало началом физики. На современном этапе развития астрономия и физика так сильно переплетаются, а их влияние друг на друга так огромно, что порой трудно отличить, где кончается астрономия и начинается физика.

С физикой тесно связана и химия. В свои младенческие годы химия почти целиком сводилась к тому, что мы сейчас называем неорганической химией, т.е. химии веществ, не связанных с живыми телами. Кропотливым трудом химиков (а также алхимиков) открывались новые и новые химические элементы, изучались их связи друг с другом и их соединения, анализировался состав почвы и минералов. Со временем возникла еще одна область химии - органическая химия, т.е. химия веществ, связанных с жизненными процессами. В настоящее время химия - это одна из основных областей естествознания, наука о строении, составе, свойствах и взаимном превращении веществ.

Неорганическая химия тесней всего, пожалуй, связана с геологией, т.е. наукой о Земле. Если быть более точным, то говорить нужно не об одной, а о нескольких науках о Земле. К ним относятся, например, минералогия, или наука о минералах Земли; метеорология, или наука о погоде; сейсмология, или наука о процессах, протекающих в толще земной коры (горообразование, землетрясения и т.п.), и другие науки.

Органическая химия неразрывно связана с биологией, наукой о строении и законах функционирования живых организмов, наукой о процессах, которые лежат в основе жизни. Строго говоря, биология - это тоже целая система наук. Сюда относится, например, зоология, изучающая животный мир; ботаника, изучающая мир растений; физиология, изучающая процессы, протекающие в живых организмах, в частности, в организме человека; психология, изучающая процессы, связанные с деятельностью сознания, и др.

Все естественные науки оказывают огромное взаимное влияние друг на друга, они все взаимосвязаны. Больше того, само деление единой Природы на “предметы изучения” люди придумали только для того, чтобы облегчить себе жизнь. Оглянитесь вокруг, разве мы видим химию или физику? Конечно же, нет. Мы видим сложный и удивительно прекрасный мир, которому по большому счету все равно, что мы о нем знаем. Границы отдельных наук размыты, а на стыке различных наук возникают новые науки. Так на стыке химии и физики возникла физическая химия, на стыке физики и биологии - биофизика. Геофизика, геохимия, астрофизика,- все это только небольшое число так называемых смежных наук.

Предмет естествознания – различные формы движения материи в природе: их материальные носители (субстраты), образующие лестницу последовательных уровней структурной организации материи, их взаимосвязи, внутренняя структура и генезис; основные формы всякого бытия – пространство и время; закономерная связь явлений природы как общего характера, так и специфического характера.

К числу естественных наук относятся физика, химия, биология, геология.

Цели естествознания двоякие:

1) находить сущность явлений природы, их за��оны и на этой основе предвидеть или создавать новые явления;

2) раскрывать возможность использования на практике познанных законов, сил и веществ природы.

Методы естествознания могут быть подразделены на группы:

а) общие методы, касающиеся всего естествознания, любого предмета природы, любой науки;

б) особенные методы – специальные методы, касающиеся не предмета естествознания в целом, а лишь одной из его сторон или же определенного приема исследований: анализ, синтез, индукция, дедукция;

в) частные методы – это методы, действующие либо только в пределах отдельной отрасли естествознания, либо за пределами той отрасли естествознания, где они возникли.

Физика – наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Вследствие этой общности физика и ее законы лежат в основе всего естествознания.

Химия – наука, изучающая превращение веществ, сопровождающиеся изменением их состава или строения. В современной химии отдельные ее области: неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, аналитическая химия, химия полимеров стали в значительной степени самостоятельными науками. На законах химии базируются такие технические науки, как химическая технология, металлургия.

Биология – совокупность наук о живой природе, об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

Астрономия – наука о строении и развитии космических тел, образуемых ими систем и Вселенной в целом. Геология – комплекс наук о составе, строении и истории развития земной коры и Земли. География – система естественных (физико-географических) и общественных (экономико- и социально-географических) наук, изучающих географическую оболочку Земли, природные, производственно-территориальные и социально-территориальные комплексы и их компоненты.

Взаимная связь отраслей естествознания отражает общий ход развития всей природы от более простых, низших ступеней и форм до наивысших и сложнейших. Раздвоение природы на неживую и живую, которое зарождается в пределах химии (поскольку химические соединения дифференцируются на неорганические и органические) можно представить так:

— физика неорганическая (путь к неживой природе)

— химия органическая (путь к живой природе)

Общий ход познания природы проходит следующие основные ступени:

1) непосредственное созерцание природы как нерасчлененного целого;

2) анализ природы, расчленение ее на части, выделение и изучение отдельных вещей и явлений, поиски отдельных причин и следствий;

3) воссоздание целостной картины на основе уже познанных частностей путем приведения в движение остановленного, оживление омертвленного, связывания изолированного раньше, т.е. на основе фактического соединения анализа с синтезом.

Существует ряд подготовительных периодов к систематическому изучению природы. Первый подготовительный период – натурфилософский (зарождение элементов будущего естествознания) – характерен для древности. Второй период характеризуется господством схоластики и теологии в Западной Европе и спорадическими открытиями у арабо-язычных народов. Период механического и метафизического естествознания. Период открытия всеобщей связи и утверждения эволюционных идей в естествознании характеризуется стихийным проникновением диалектики в естествознании. Период “новейшей революции”

В 1913-1921 гг. на основе представлений об атомном ядре, электронах и квантах Н. Бор создает модель атома, разработка которой ведется соответственно периодической системе Д.И. Менделеева. Это сопровождается нарушением прежних представлений о материи и ее строении, свойствах, формах движения и типах закономерностей, о пространстве и времени.