Эксперименталдық (тәжірибелік) физиканың алғашқы жетістіктері

XVI жүзжылдықтың қырықыншы жылдарынан бастап, XVII жүзжылдықтың қырқыншы жылдырына дейін (Коперниктен Галилейге дейін) ортағасырлық дүниетаным мен ғылымның жаңа дүниетаныммен ауысудың қиын революциялық үдерісі өтіп жатты.

Эксперименталдық және математикалық әдістердің жетістіктері ең алдымен механикада байқалды. Енді Леонардо да Винчи механиканың статистикалық және динамикалық есептеріне жаңаша көзбен қарады. Галилейдің досы Гвидо Убальдо дель Монте статика бойынша 1577 жылы шығармасын басып шығарды. Убальдо ғылымға «момент» ұғымын енгізді. Гвидо Убальдо рычаг тепе-теңдігі үшін күш мәні мен тіреу нүктесінен күш сызықтарына түсірілген перпендикулярдың ұзындығы маңызды.

Статистикалық мәселелерге жаңа әдісті «Начала статики» (Статика бастауы) атты голландтық инженер мен математик Симон Стевиннің классикалық еңбегінен таба аламыз. Стевиндегі математикалық әдіс тәжірибемен және техникалық практикамен сәйкес келеді. Стевин мәңгі қозғалысты мүмкін емес деп санайды.

3. Исаак Ньютон

Физика тарихы ұлы есімдерге бай. Сол есімдердің бірі – ағылшын физигі, математик Исаак Ньютон (12-сурет). Оның шығармашылығы – адамзат ойының ғылыми шыңы еді. Біз оның бойынан физик-теоретик және эксперимент шеберін көре аламыз. Ол классикалық механиканың негізін салушы, ғылыми бағдарламалар авторы, сол бағдарламалар арқасында XVIII-XIX ғғ. физика дамыды.

Исаак Ньютон 4 қаңтарда 1643 жылы Линкольширде Вулсторп ауылында фермер жанұясында дүниеге келген. Әкесі Исаак дүниеге келмей өмірден өткен, ол 12 жасына дейін апасының тәрбиесінде болған. Ол кедейленген дворяндықтардың ұрпағы. Ньютонның жақын туған туыстары – шіркеу қызметкерлері, дәрігерлер отбасы, дәріханашы, фермерлер болды.

Ньютон оқуды, жазуды, санауды ауылдық мектепте үйренді. Кейіннен оны анасы Грэнтемдағы королевалық мектепке оқуға жібереді. Ньютонның әкесі ерте қаза тапқандықтан, анасы көрші қаланың шіркеу қызметкеріне күйеуге шығып, сол қалаға кетеді. Ньютонды Вулсторптағы апасының қолына қалтырады.

1656 жылы Ньютонның анасы тағыда жесір қалғандықтан, 1658 жылы үй шаруашылығына көмектесу үшін НьютонВульсторпқа қайтып келеді, бірақ үй шаруашылығына селқос қарайды.

Бір күні Ньютонның шіркеуде істейтін ғалымағасы Эйскоу, жас Ньютонның аулада терең ойға батып, математикалық есептер шығарып отырғанын көрген. Ньютон қиын механикалық ойыншықтар, су диірменінің моделін, самокатты, су және күн сағаттарын құрастыруды ұнатқан.

Ньютонның өзінің айтуы бойынша, оның бірінші физикалық эксперименті 36 жасында жасалған.

Тәжірибенің жасалуы: ол дауыл кезіндегі желдің күшін анықтамақшы болып, желге қарсы секіреді. Сол секірген кездегі өзінің секіру ұзақтығын өлшеу арқылы желдің күшін анықтаған.

Әрине, жас Ньютонның ғылымға деген ынтасы көрінбей қалған жоқ. 1660 жылы 18 жасар Ньютон қайтадан Грэнтем мектебіне оқуға барады және Кембридж университетіне түсуге қатты дайындалады. 1661 жылы 5 шілдеде атақты Тринити колледжіне қабылданады.

Ол екі жылдың ішінде арифметиканы, Эвклид бойынша геометрияны, тригонометрияны, діни ілімдерді және ежелгі тілдерді оқып үйренеді. Сол кезде Коперниктің жүйесімен танысады.

Ол Грантэма мектебінде оқып, одан соң Қасиетті Троиц (Тринити колледжі) колледжіне түсті.

Ол уақытта ағылшын университетінде жабық колледж қоғамы болды, яғни соның ішінде оқыды, тұрды және жұмыс істеген. Нашар тұратындар – сабсайзерлер деп аталды. Олар төлеуге шамалары келмегендіктен колледждің басқа студенттеріне қызмет еткен. 1661 ж. Ньютон университетке сабсайзер ретінде қабылданды.

Ньютонның оқытушысы профессор Исаак Барроу болды. Барроудың оптикадан берген дәрістері Ньютонды қызықтырды. Ол екеуі өте жақын достарға айналды.

1665 ж. И. Ньютон бакалавр дәрежесін, ал 1668 ж. магистр дәрежесін алды. Осы жылдары «оба» ауруы басталған еді. Адамдардың барлығы жан-жаққа кете бастады. Ал Ньютон Вулсторптағы үйде ешқайда шықпай жоғарғы белсенділікпен жұмыс істейді. Осы оба жалдарында Ньютонның ұлы ашулары пайда болды.

1669 ж. И. Барроу теологиямен айналысып кеткеннен кейін өзінің Лукасовский кафедрасын өзінің шәкірті Ньютонға тапсырады. Осы уақыттан бастап И. Ньютон көп жылдар бойы Кембридж университетінде профессор болып оптикадан дәрістер оқиды.

Ньютонның ғылыми жолы шағылатын телескопты ойлап шығаруынан басталды. 1668 ж. жасалған бұл телескоп Ньютонды физик ретінде елге танытты. Осыдан кейін Ньютонды Лондон корольдар қоғамына мүше етіп қабылдайды.

1673 ж. Лондон корольдар қоғамы отырысында Ньютонның жарық дисперсиясы мазмұндалған «Жарық пен түстердің жаңа теориясы» деген мемуары оқылды. Бұл мемуар Роберт Гуктің қарсылығын тудырды. Гук толқынды оптикамен айналысқан, оның ішінде түстердің пайда болуы сияқты жұмыстармен, жалпы ол өз істеріне салақ қарап, аяғына дейін апармайтын. Ол тек Ньютонды ғана емес, Гюйгенс және басқа да замандастары жұмыстарының алға басуларына қызғанышпен қарайтын. Осыны көңіліне алған Ньютон Лондон корольдар қоғамындағы қабылдаулардан бас тартып, Гуктың кезінде оптикадан жұмыстарын жарияламауға сөз береді. Айтқанындай, оның «Оптика» кітабы тек 1704 ж. Гуктың дүние салғанынан кейін ғана жарыққа шықты.

Жалпы Ньютон өз жұмыстарын жарыққа шығарғанды ұнатпайтын. Барлық жарық көрген жұмыстары үнемі дау туғызатын. Оның ішінде телескоп-рефректорды ойлап шығаруы, Бүкіл әлемдік тартылыс заңының ашылуы және т.с.с. Ньютонның басты еңбектері бар. Ньютон осыларға қарамастан механика, математика, оптика облыстарында көптеген зерттеулерді аяғына дейін апарып, қорытынды жұмысын ашулармен аяқтады.

И. Ньютон өз замандастары арасындағы ең танымал, аталмыш оқымысты болып есте қалды. Оның есімі қазір де физикада үлкен орын алады.

Өз еңбектерін жариялағанымен Ньютон көп жұмыс істеді. Атақты ағылшын астрономы Эдман Галлей (1656-1742) осы уақытта планеталар мен кометалар қозғалысының динамикасымен жұмыс істеп жатты. Қиындықтарға кезіккен ол, Ньютонға жүгінуін жөн көреді. Ньютон оған Галлейдің мәселесін шешетін жазбаны көрсетті. Бірақ Ньютон бұл жазбаны баспаға беруге келіспеді. Кембриджден адамдар оны үгіттеп, келісімін алады.

Сонымен, 1687 ж. адамзат тарихында ең атақты кітаптардың бірі «Натурал философияның математикалық бастамалары» жарыққа шықты. «Классикалық физика» пайда болды. Коперниктің әлем жүйесі енді динамикалық негізде болып, ғылыми теорияға айналды. Классикалық механиканың құрылуымен Г. Галилейдің, Декарт пен Гюйгенстің істері аяқталды.

Ньютон алхимиямен де айналысты. Өкінішке орай, оның алхимиялық жазбалары үйі өртелгенде қоса жанып кеткендіктен біз қазір оның сол кезде қандай да бір философиялық тас ала алды ма, жоқ па, ол жағын білмейміз.

Ньютон халқының ұлы болды. 1689 ж. парламентке сайланды.

1695 ж. бастап Ньютон – Корольдық монеталық алаңның қараушысы болды. Қысқа уақытта ол Англияның қаржы жүйесін бекітті. 1699 ж. бастап ол монеталық алаңның директоры болды. Бұл жаңа қызметпен ол 38 жыл үйі болған Кембриджді тастап, Лондонға баруына тура келеді.

Өмірінің соңғы 30 жылында Ньютон атақ пен жетістіктер ғана көрді. 1703 жылы Лондон Корольдар қоғамының президенті болып сайланды. 1705 ж. ол лорд атанды. Сол уақытта оның «Оптика» кітабы шықты. Осыдан кейін ол ештеңені жарыққа шығармады. Енді ол өзі үшін алхимиямен айналысты. Исаак Ньютон 31 наурызда 1727 ж. Лондондағы Вестминстерский аббатында ағылшын ұлттық пантеонында жерленген.

Енді Ньютонның ғылыми шығармашылығына тоқталайық. Ол негізінен үш бағытта жұмыс істеген: математика, оптика және механика.

Оптикадан оның жұмыстары керемет көп. Телескоптары әйгілі болды. Қазіргі телескоптардың Ньютон кезіндегіден өлшемдері мен пішіндері өзгергенімен, сол Ньютондық идея мен жұмыс істеу принципі сақталған. Ол интерференция, дифракция және т.б. оптикалық құбылыстарды зерттеп ашқан.

Физикада Ньютон қызған денелердің суыну заңын, ақ жарықтың монохромат сәулелерге жіктелуін, сфералық мөлдір денелердің түйіскен нүктесінің айналасында интеренференциялық сақиналардың пайда болатынын, т.б. ашты. Ол – термометрді ойлап шығарған алғашқы ғалымдардың бірі.

Іргелі еңбектері – «Натурфилософиясының математикалық бастамалары» (1687 ж.) және «Оптика» (1704 ж.). Денелердің ортақ күш әсерінен қозғалу траекториясы конустық қима болатынын, оған себеп барлық планеталар мен кометалардың Күнге, ал планета серіктерінің өз планеталарына ара қашықтықтың квадратына кері пропорционал күшпен тартылуы екенін дәлелдеп, бүкіләлемдік тартылыс заңын тұжырымдады.

Астрономияны телескоптық бақылау мен математикаға сүйенетін жаңа ғылыми сатыға көтерді. Өзі жасаған екі айналы телескоп арқылы (1668 ж.) аспан құбылыстарын тікелей бақылады. Аспан денелерінің қозғалыс теориясын жасап, аспан механикасының негізін салды. Ньютонның астрономиялық еңбектері механика мен физикадағы табыстарына ұштасып жатт.

Ньютон өзінің тартылыс заңы мен Кеплердің ғаламшарлар қозғалысының заңдарының арасындағы сәйкестікті дәлелдеп, жер бетіндегі заттардың қозғалысы мен аспан денелерінің қозғалысы бірдей заңдарға бағынатынын көрсетті. Осылайша, ол гелиоцентризм туралы соңғы күмәнды сейілтіп, ғылыми революцияның басын бастап берді.

Оның 1687 жылы шыққан «Натурфилософияның математикалық бастамалары» кітабында тұжырымдалған үш заңының көмегімен кез-келген дененің: жүйткіген машиналардың, теңізде жүзген денелердің, ауада ұшқан ұшақтардың, ғарыш кемелері мен жасанды серіктердің, құламалардан аққан сулардың, соққан желдің және т.с.с. қозғалыс сипаты түсіндіріледі.

Ньютонның математикалық жетістіктері - оның математикадағы жұмыстарымен байланысты. Дифференциалдық және интегралдық есептеулер динамика есептерін шығаруда пайда болды. Сөйтіп, ол өз жұмыстарында алгебра мен геометрияны қолданған.

Ньютонның әдісі «флюксия есептеулері» (қазір оны туынды деп атайды) деп аталды. Біз қазір 1684 ж. және 1686 ж. өңделген Лейбництің баяндамаларындағы дифференциал және интегралдық есептеулерін қолданамыз. Осы бойынша Лейбниц пен Ньютон арасында дау туды. Фридрих Энгельс Лейбниц жақтаушысы болып, Ньютонды плагиатор (көшіруші) деп айтты. Бірақ Ньютон да, Лейбниц те бір уақытта осы ұлы ашуларды ашқан.

Сөйтіп, физика мен математика арасында байланыс туды. Ньютон механикасы математикамен байланысқан алғашқы ғылымдардың бірі болды. 1736 ж. Ньютон мен Лейбництің өлімінен кейін механика теңдеулері алғаш рет дифференциалдық формада жазылған кітап шықты (Санкт-Петербург ғылым академиясы мүшесі Леонардо Эйлер мазмұндаған «Механика немесе қозғалыс туралы ғылым»).

Тартылыс заңының арқасында Ньютон аспан денелері қозғалысына қатысты көптеген эксперименттік фактілерді, заңдылықтарды түсіндіре алды.

Ньютонның ғылыми шығармалары 5 том болып 1779 – 1785 жылдары Лондонда латын тілінде басылған.

Ньютонның өзінің атақты ашылуларына табиғаттан берілген таланты, қатты мінезінің және еңбек сүйгіштігінің арқасында қол жеткізді.

Ньютонның дінге деген қызығушылығы да зор болды, оның діни еңбектері көлемі жағынан ғылымға қосқан үлесінен үлкен. Ньютон теологиямен де, ғылыммен де айналысатын христиандықтарға қатты сенген.

Егер Ньютон өзінің христиандық түсінігінде жалғыз болмағанда, ол болмашы тап адамдарының қатарында болар еді. Ол бір құдайлықты жақтады, құдайды (Христа) адам деп санаған. Бірақ, сол кезде ол тауратты өзінің өмірін басқарған шынайы факт ретінде қабылдады және ол бүкіл Әлемнің пайда болуы мен жойылуының уақыттарын анықтау үшін көп күш жұмсады. Ол үшін ол бүкіл әлемдік тартылыс заңын ашқан.

Ньютонның ашқан заңдары уақытша әлемнің, яғни соңы бар әлем үшін арналған. Апокалипсисқа ол жақындағы болашақты көрсететін шынайы көзқараспен қарады. Ол өзінің бос кеңістігін Құдайдың атрибуты ретінде қарастырған. Шындығында, ол ғылымға құдайды жалғыз ғажап тұрақты өмір сүретінін көрсетіп, теологиялық ойды енгізді. Оның өмір сүрген ортасында Ньютон сияқты сенетін адам аз болды.

Лекция №6