Физическая теория И. Ньютона

Ньютон (1646—1727) родился в год смерти Галилея. Его научная деятельность была тесно связана с Лондонским Королевским обществом, сообществом талантливых людей, объединенных общим интересом к познанию природы. Среди них был Р. Гук, который за 80 лет до рождения Ламарка (1744—1829) высказал идеи, схожие с биологическими идеями последнего. Р. Гук интересовался многими проблемами. С открытием нидерландским ученым X. Гюйгенсом (1629—1625) центробежного ускорения многие в Лондонском Королевском обществе заинтересовались вопросом о силе, управляющей движением небесных тел. Имеются сведения, что Р. Гук понял суть принципа квадрата расстояний при взаимодействии материальных тел, но отложил его оформление на будущее. Трактат «О движении» Ньютона, основа будущей его работы «Математические начала натуральной философии» (1687), поверг Р. Гука в шок. В кофейне, где члены Лондонского Королевского общества обсуждали трактат Ньютона «О движении», Р. Гук назвал Ньютона плагиатором, так как в своем приглашении на заседание общества, которое он направил Ньютону, он изложил собственные соображения о законе обратных квадратов.

В «Математических началах натуральной философии» Ньютон представил стройную систему понятий и принципов описания механического движения. Его заслуга состояла в том, что он первым в математической форме выразил общие идеи и мысли о механическом движении всех своих предшественников и современников.

Первый закон Ньютона. Тело движется в одном и том же направлении с неизменной быстротой, если на него не действует сила. Следовательно, если на тело не действует сила, то оно сколько угодно долго пребывает в состоянии покоя.

Первый закон Ньютона является обобщением принципа инерции Галилея. Ньютон использует понятие быстроты, т. е. ускорение, изменение скорости, по которому можно заметить действие силы на материальное тело. Далее, этот закон утверждает избирательное, важное значение инерциальных систем отсчета для изучения движения тел, следуя методологическому принципу «от простого к сложному».

Второй закон Ньютона. Ускорение, сообщаемое телу, прямо пропорционально величине силы, действующей на тело, и обратно пропорционально его инертной массе: а = F/m, где а — ускорение, F— сила, т — инертная масса. Ньютон определил массу тела как количество вещества, содержащееся в теле. Из опыта известно, что всякое тело «противится» изменению состояния своего движения и одинаковые силы, приложенные к различным телам, сообщают им разные ускорения. Следовательно, есть общее физическое свойство всех материальных тел, а именно способность материальных тел препятствовать изменению состояния их движения или покоя. Это свойство получило название инертной массы тела.

Третий закон Ньютона. Силы взаимодействия тел равны по величине и противоположны по направлению: F (AB) = -F(BA), где AB — тела, F (АВ) — сила, с которой А действует на В, и -F(BA) — сила, с которой тело В действует на тело А.

Третий закон Ньютона говорит о характере физического взаимодействия между материальными телами. В механическом взаимодействии силы возникают попарно, т. е. действию соответствует противодействие. Все эти три закона Ньютона лежат в основе классической механики.

Размышляя над проблемой свободного падения тел, установленного Галилеем, Ньютон попытался ответить на вопрос, какая сила заставляет материальные тела падать к поверхности Земли и не является ли эта сила той же физической природы, которая заставляет двигаться планеты вокруг Солнца по законам И. Кеплера (по эллипсам, а не по окружностям). Рассуждая чисто дедуктивно, он сформулировал закон всемирного тяготения: Земля имеет массу, яблоко тоже. По второму закону Ньютона сила прямо пропорциональна массе тела (F= та). В случае свободного падения яблока на Землю имеет место взаимодействие двух масс (яблока и Земли), следовательно, сила F должна быть пропорциональна произведению масс (т1т2), участвующих в физическом взаимодействии, названном свободным падением. Отсюда естественным является вопрос, будет ли меняться величина силы при увеличении расстояния между телами с массами т1 и т2.

Сравнивая ускорение свободного падения тела на Луне с ускорением свободного падения на Земле, Ньютон пришел к выводу, что в случае свободного падения Луна и Земля ведут себя как тела, масса которых сконцентрирована в их центре. Такое явление, как считал Ньютон, возможно лишь в случае, когда величина силы между взаимодействующими телами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: F= G (т1т2 /R2), где G гравитационная постоянная, вычисленная опытным путем т1 и т2 — массы тела, R — расстояние между телами. При т1 = 1 кг, т2 - 1 кг и R = 1 м величина G = 6,67 * 10−11 Нм/кг, (где Н — сила (ньютон), которая, будучи приложенная к телу в 1 кг (массу), сообщает ему ускорение а, равное 1 м/с2). Величина гравитационной постоянной зависит от выбора системы отсчета.

Закон всемирного тяготения Ньютона говорит о наличии в природе универсальной силы физического взаимодействия между материальными телами, которая является объективной и независимой от настроений и желаний людей. Выраженная в этой математической формуле зависимость между значениями входящих в нее величин позволяет предсказывать действие этой силы взаимодействия во времени. Эту силу взаимодействия стали называть силой тяготения, гравитационным физическим взаимодействием между материальными телами.

Сила тяготения — это исторически первая сила физического взаимодействия, которая была открыта естествознанием. В формулировке закона всемирного тяготения Ньютон использовал понятие тяжелой массы тела. Тяжелая масса тела зависит от массы тела, находящегося с ним в гравитационном взаимодействии. Он полагал, что отношение между инертной и тяжелой массой тел является одинаковым и не зависит от природы материала, из которого тела созданы (железо, дерево и т. д.). Это предположение вызвало оживленную дискуссию о физической природе этого отношения. А. Эйнштейн предложил решение этого вопроса в общей теории относительности.