Законы Ньютона — история создания¶
Законы Ньютона — три фундаментальных закона классической механики, сформулированных английским учёным Исааком Ньютоном и опубликованных в 1687 году в труде «Математические начала натуральной философии» (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica). Эти законы описывают движение тел и лежат в основе большей части физики и техники; вплоть до XX века они считались универсальными, пока не были дополнены теорией относительности.
¶Исаак Ньютон — автор законов
Исаак Ньютон (1642–1727) — английский физик, математик и астроном, один из создателей классической механики и дифференциального и интегрального исчисления. Родился 25 декабря 1642 года (по новому стилю — 4 января 1643) в Вулсторпе (Линкольншир) в семье зажиточного фермера. В 1661 году поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета, где изучал математику и естественные науки под руководством Исаака Барроу.
Именно в Кембридже Ньютон заложил основы своей научной деятельности. В период «великих лет» 1665–1667 года, когда университет был закрыт из-за эпидемии чумы, он вернулся в родовое имение и, по собственным словам, занимался «механикой и математикой», добившись первых результатов в области оптики, теории движения и аналитической геометрии.
¶Предшественники и интеллектуальная основа
Ньютон не работал в изоляции — его идеи опирались на труды предшественников:
- Галилео Галилей (1564–1642) сформулировал закон инерции (первый закон Ньютона) в почти готовом виде и экспериментально исследовал свободное падение тел и наклонную плоскость.
- Иоганн Кеплер (1571–1630) открыл три закона движения планет, которые Ньютон позднее объяснил с помощью своего закона всемирного тяготения.
- Рене Декарт (1596–1650) разработал механику протяжённых тел и ввёл понятие количества движения, хотя его физическая система (вихревая гипотеза) была позднее отвергнута.
- Кристиан Гюйгенс (1629–1695) сформулировал закон сохранения количества движения при упругом столкновении и исследовал центростремительное ускорение.
Историк науки отмечает, что первые два закона Ньютона в значительной степени являются обобщением и систематизацией идей Галилея и Декарта, тогда как третий закон (действия и противодействия) был по существу новым вкладом.
¶Создание «Начал»
Основным событием, приведшим к формулировке законов, стало соперничество с Робертом Гуком (1635–1703) и переписка с Эдмундом Галлеем. В 1679 году Гук предложил Ньютону рассмотреть движение планет по эллиптическим орбитам под действием силы, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Ньютон подтвердил это решение математически, но отказался публиковать результаты.
Летом 1684 года Галлей, обсуждая с Гуком и Кристофером Реном проблему орбит движения, обратился к Ньютону с вопросом, какую кривую описала бы планета при силе, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Ньютон ответил, что это будет эллипс, и вскоре прислал Галлею рукопись «De motu corporum in gyrum» («О движении тел на орбите»), содержавшую основные результаты.
Галлей оценил значимость работы и убедил Ньютона подготовить развёрнутое сочинение. В течение 18 месяцев Ньютон написал «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» — трёхтомный труд, опубликованный в 1687 году на латинском языке при финансовой поддержке Галлея (королевское общество не смогло опубликовать работу из-за нехватки средств). В «Началах» Ньютон сформулировал три закона движения, закон всемирного тяготения и применил их к объяснению движения планет, приливов, комет и других явлений.
¶Три закона движения
- Первый закон (закон инерции) — тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не подействует внешняя сила. Идея восходит к Галилею.
- Второй закон (основной закон динамики) — сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на ускорение, которое оно получает: F = ma. В современной записи закон был сформулирован позднее (в частности, Леонардом Эйлером в 1750-х годах); Ньютон выражал его через изменение количества движения.
- Третий закон (действия и противодействия) — каждому действию противодействует равное по модулю и противоположно направленное противодействие. Этот закон не имел прямых аналогов у предшественников.
¶Приоритет и споры
Приоритет Ньютона в создании законов движения долгое время оспаривался. Роберт Гук в 1686 году заявил, что идея закона тяготения принадлежит ему, однако не смог представить математических доказательств. Ньютон, обиженный претензиями, почти прекратил публикацию «Начал» — второй и третий тома вышли с задержкой.
В России законы Ньютона получили распространение в XVIII веке благодаря работам Михаила Ломоносова и Леонарда Эйлера, который первым изложил механику в современной аналитической форме. В 1738 году Эйлер опубликовал «Механику», где законы Ньютона были изложены в виде, близком к учебному.
¶Историческое значение
Законы Ньютона стали основой научной революции XVII века и определили развитие физики на два столетия. В 1905–1915 годах Альберт Эйнштейн показал, что законы Ньютона являются приближённым случаем теории относительности при скоростях, малых по сравнению со скоростью света, и при слабых гравитационных полях. Тем не менее для большинства практических задач инженерии и астрономии ньютонова механика остаётся точной и в XXI веке.
¶Источники
- Ньютон И. «Математические начала натуральной философии» (1687).
- Веселовский И. Н. «Исаак Ньютон» (М., 1989).
- Коэн И. Б. «The Newtonian Revolution» (Cambridge, 1980).
- Эйлер Л. «Механика» (1738).
- Галилей Г. «Беседы о двух главнейших системах мира» (1632).