Исаак Ньютон физика заңдарын қалай тұжырымдады?
Мазмұны
XVII ғасырға дейін денелердің қозғалысы туралы түсініктер негізінен философиялық пайымдауларға негізделген болатын. Тек табиғат философиясы деген заманауи ғылымның бастамасы пайда болғаннан кейін ғана адамзат тұжырымдардың орнына бақылау мен сынақтарға негізделген тәсілдерге көше бастады. Осы шешуші кезеңде Исаак Ньютонның еңбектері ерекше маңыз алды — ол табиғат туралы білімді жалпылап, оны біртұтас математикалық жүйеге айналдырды. Оның «Табиғи философияның математикалық негіздері» атты еңбегі ғылым тарихындағы бұрылыс нүктесіне айналды. Сол жерде алғаш рет классикалық физиканың негізін қалаған үш механика заңы анық тұжырымдалды. Бұл принциптер осындай әмбебап болып шықты ки, олар шамамен үш ғасыр бойы ғылыми әлемде титемей тұрды.
Ньютон дәуіріндегі ғылыми контекст
Ньютон өз жүйесін ұсынғанға дейін Галилей, Декарт, Кеплер секілді алдындағы ғалымдардың жетістіктеріне сүйенді. Әсіресе Галилейдің ықпалы зор болды: ол инерция мен еркін түсу құбылыстарын алғаш рет сипаттады. Декарт қозғалыс мөлшерінің сақталуы туралы идеяны ұсынған болатын. Бірақ олардың пікірлері біртұтас теориялық негізсіз, үзік-үзік ойлар болып қана қалды. Ал Ньютон тек осы пікірлерді толықтырып қойған жоқ — ол оларды жердегі де, аспандағы да құбылыстарға қолданылатын біртұтас модельге біріктірді.
- галилей ауасыз кеңістікте барлық денелер бірдей үдеумен түсетінін дәлелдеп, масса мен түсу жылдамдығы байланысты деген аристотельдік пікірге қарсы шықты; пиза мұнарасындағы тәжірибелері (олар ойша өткізілген болса да) эксперименттік әдістің алғашқы қадамы болды;
- кеплер планеталар қозғалысының заңдарын ашты, бірақ олардың себебін түсіндіре алмады; Ньютон кейінірек эллиптикалық орбиталар гравитация заңынан туындайтынын көрсетті;
- декарт импульс ұғымын енгізіп, «қозғалыстың сақталуы» туралы айтқан, бірақ оны сапалық тұрғыдан түсіндірді, анық математикалық формулаларсыз; Ньютон бұл идеяға векторлық күш пен үдеу тұрғысынан сандық дәлдік әкелді.
Осы ойлардың синтезі жас ғалымға физиканы — логика, математика және эмпирикалық деректерге негізделген ғылым ретінде құруға мүмкіндік берді.
Механиканың үш заңының тұжырымдалуы
1687 жылы «Негіздердің» алғашқы басылымы жарық көрді, онда Ньютон классикалық механиканың негізі болған үш постулатты ұсынды. Бұл заңдар ештен жасалмаған — олар бақылаулардың, терен ойлардың және математикалық есептеулердің нәтижесінде пайда болды. Олардың қарапайымдылығы мен әмбебаптығы замандас ғалымдарды таң қалдырып, авторға ғылым тарихында мәңгілік есім берді.
- Инерция заңы. Ньютон оны былай тұжырымдады: «Кез келген дене сыртқы күштер әсер етпегенше тыныштық немесе түзу сызық бойымен бірқалыпты қозғалыс күйін сақтайды». Бұл идея Галилей принципінің дамуы болды, бірақ Ньютон қозғалыс күйі мен күштің әсерін алғаш рет анық бөліп көрсетті. Мысалы, мұз бетімен сырғанап кеткен тас үйкеліссіз қозғалады — сондықтан заң бойынша оған сыртқы себеп (мысалы, үйкеліс немесе соққы) әсер етпегенше, ол мәңгі қозғалып жүреді.
- Динамиканың негізгі заңы. Екінші заңда күш, масса және үдеу арасындағы сандық байланыс орнатылады: «Қозғалыс мөлшерінің өзгерісі әрекет етуші күшке тура пропорционал және сол күштің бағыты бойынша жүреді». Қазіргі F = ma түрі — мектеп бағдарламасы үшін ыңғайлы ықшамдалған нұсқа. Шын мәнінде Ньютон импульспен (массаның жылдамдыққа көбейтіндісі) жұмыс істеді, бұл оның тәсілін массасы өзгеретін жүйелерге (мысалы, ракеталарға) де қолдануға мүмкіндік берді.
- Әрекет пен қарсы әрекет заңы. Үшінші постулат былай дейді: «Әрбір әрекетке тең және қарама-қарсы бағытталған қарсы әрекет бар». Бұл табиғатта күштер әрқашан жұп болып пайда болатынын білдіреді. Адам қабырғаға тірескенде, ол қабырғаның оны қайтадан итеретінін сезеді. Ракетаның ұшуында да солай: төмен қарай шығарылған газдар аппаратты жоғары итеретін реактивті тартымды тудырады.
Бұл үш тұжырым механикалық құбылыстарды — алманың түсуінен бастап Айдың Жерді айналуына дейін — сипаттауға мүмкіндік беретін тұйық жүйені құрайды.
Математика мен тәжірибелердің рөлі
Ньютон тек гипотезалар ұсынған жоқ — ол оларды қатаң математикалық тілге аударды. Ол үшін дифференциалдық пен интегралдық есептеулер деп аталатын талдаудың жаңа бөлімін ойлап табуға мәжбүр болды. Лейбниц тәуелсіз түрде ұқсас аппаратты дамытқанымен, дәл Ньютонның әдісі жылдамдық пен үдеудің лезде өзгерістерін дәл сипаттауға мүмкіндік берді.
- математикалық формализация белгілі құбылыстарды түсіндірудің ғана емес, жаңа құбылыстарды (мысалы, Галлей кометасының қайта оралуын) болжауға да мүмкіндік берді;
- ньютон флемстидтің астрономиялық бақылаулары мен жарық шағылысуы бойынша зертханалық өлшеулері сияқты тәжірибелік деректерді белсенді пайдаланды;
- ол өз қорытындыларын сыншыл тұрғыдан қайта қарап, «Негіздердің» кейінгі басылымдарына жаңа деректер негізінде түзетулер енгізді.
Теория, есептеулер мен тәжірибенің мұндай бірлігі келесі ұрпақ зерттеушілері үшін үлгі болды.
Ньютонның еңбегі өз заманының білімдерін ғана жинақтамады — ол табиғаттың анық, өлшенетін және болжауға болатын заңдарға бағынатын жаңа ойлау әдісін жасады. Оның тәсілі физиканың ғана емес, философияның, инженерияның, тіпті әлеуметтік ғылымдардың дамуына да терең ықпал етті. Толық уақытын ойлану мен жалғыздықта өткізген адамның тозаққа да, галактикаға да басшылық ететін заңдарды ашуы таң қаларлық іс болып қана қалмады.
