Fysiikka

Mekaniikka

Taistelu kopernikalaisuudesta käytiin mekaniikan ja tähtitieteen alalla. Ptolemaios – aristotelilainen järjestelmä seisoi tai putosi monoliittina, ja se lepääi ajatukseen Maan kiinnittyvyydestä kosmoksen keskelle. Maan poistaminen keskustasta tuhosi luonnollisen liikkeen ja paikan opin, ja Maan ympyräliike oli ristiriidassa aristotelilaisen fysiikan kanssa.

Galileon panos mekaniikan tieteeseen liittyi suoraan hänen puolustamiseensa kopernikalaisuuteen. Vaikka nuoruudessaan hän noudatti perinteistä impulssifysiikkaa, hänen halu matematoida Archimedesin tapaan johti hänet luopumaan perinteisestä lähestymistavasta ja kehittää perustaa uudelle fysiikalle, joka oli sekä matemaattisesti muokattavissa että liittyi suoraan uuden kokeen ongelmiin. kosmologia. Kiinnostuneena löytämään putoavien kappaleiden luonnollisen kiihtyvyyden, hän pystyi johtamaan vapaan pudotuksen lain (etäisyys, s, vaihtelee ajan neliön mukaan, t ²). Yhdistämällä tämän tuloksen ja inertian periaatteen alkeellisuuteen, hän kykeni johtamaan ammuksen liikkeen parabolisen polun. Lisäksi inertiaperiaatteensa ansiosta hän pystyi vastaamaan perinteisiin fyysisiin vastalauseisiin Maan liikkeelle: Koska liikkeessä oleva keho pyrkii pysymään liikkeessä, maanpinnalla olevat ammukset ja muut esineet pyrkivät jakamaan Maan liikkeet, jotka siten ovat huomaamaton jollekin maan päällä seisovalle.

Ranskalaisen filosofin René Descartesin 1700-luvun mekaniikkaan osallistuminen, samoin kuin hänen panoksensa koko tieteelliseen pyrkimykseen, koski enemmän tieteen perusteiden ongelmia kuin tiettyjen teknisten ongelmien ratkaisua. Hän oli pääasiassa kiinnostunut aineen ja liikkeen käsitteistä osana yleistä tiedeohjelmaansa - nimittäin selittämään kaikkia luonnon ilmiöitä aineella ja liikkeellä. Ohjelmasta, joka tunnetaan mekaanisena filosofiana, tuli 1700-luvun tieteen hallitseva teema.

Descartes hylkäsi ajatuksen siitä, että yksi esine voisi toimia toisessa tyhjän tilan kautta; sen sijaan voimat täytyy levittää materiaalisella aineella, ”eetterillä”, joka täyttää kaiken tilan. Vaikka aineella on taipumus liikkua suoraviivaisesti inertiaperiaatteen mukaisesti, se ei voi varata tilaa, jonka muu aine on jo täyttänyt, joten ainoa liiketyyppi, joka voi tosiasiallisesti tapahtua, on pyörre, jossa renkaan kaikki hiukkaset liikkuvat samanaikaisesti.

Descartesin mukaan kaikki luonnonilmiöt ovat riippuvaisia pienten hiukkasten törmäyksistä, ja siksi on erittäin tärkeää löytää vaikutusten kvantatiiviset lait. Tämän teki Descartesin opetuslapsi, hollantilainen fyysikko Christiaan Huygens, joka muotoili vauhdin ja kineettisen energian säilyttämislakit (viimeksi mainitut koskevat vain elastisia törmäyksiä).

Sir Isaac Newtonin työ edustaa 1700-luvun lopulla tapahtuneen tieteellisen vallankumouksen huipentumaa. Hänen monumentaalinen Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687; luonnollisen filosofian matemaattiset periaatteet) ratkaisi mekaanisen ja kosmologisen tieteellisen vallankumouksen aiheuttamat suuret ongelmat. Se tarjosi fyysisen perustan Keplerin laeille, yhtenäiselle taivaan- ja maanpäälliselle fysiikalle yhden lain mukaisesti ja määritteli ongelmat ja menetelmät, jotka hallitsivat suurta osaa tähtitiedestä ja fysiikasta yli vuosisadan ajan. Voimamallin avulla Newton pystyi syntetisoimaan kaksi tärkeätä tieteellisen vallankumouksen komponenttia, mekaaninen filosofia ja luonnon matematizointi.

Newton pystyi johdattamaan kaikki nämä silmiinpistävät tulokset kolmesta liikelaistaan:

1. Jokainen vartalo jatkaa lepotilassaan tai liikkeessä suorassa linjassa, ellei sitä ole pakko muuttaa tätä tilaa siihen kohdistuvalla voimalla;

2. Liikkeen muutos on verrannollinen vaikuttavaan käyttövoimaan ja tapahtuu sen suoran suunnan suuntaan, johon kyseinen voima kohdistuu;

3. Jokaiseen toimintaan on aina vastustettava yhtäläinen reaktio: tai kahden elimen keskinäiset toimet toistensa suhteen ovat aina tasavertaisia.

Toinen laki muutettiin nykyaikaiseen muotoonsa F = ma (missä a on kiihtyvyys) sveitsiläisen matemaatikon Leonhard Eulerin vuonna 1750. Tässä muodossa on selvää, että nopeuden muutosnopeus on suoraan verrannollinen voimaan, joka vaikuttaa runko ja käänteisesti verrannollinen sen massaan.

Voidakseen soveltaa lakejaan tähtitieteen, Newtonin piti laajentaa mekaanista filosofiaa Descartesin asettamien rajojen yli. Hän postuloi gravitaatiovoimaa, joka toimii minkä tahansa maailmankaikkeuden kohteen välillä, vaikka hän ei kyennyt selittämään, kuinka tätä voimaa voitaisiin levittää.

Newton pystyi päättämään liikettä säätelevien lakiensa ja kahden kehon keskipisteiden välisen etäisyyden käänteiseen neliöön verrannollisen painovoiman avulla, Keplerin planeettaliikkeen lait. Galileon vapaa laskulaki on myös Newtonin lakien mukainen. Sama voima, joka saa esineet putoamaan lähellä Maan pintaa, pitää myös Kuun ja planeetat kiertoradallaan.

Newtonin fysiikka johti siihen johtopäätökseen, että maapallon muoto ei ole tarkalleen pallomainen, vaan sen pitäisi pullistua päiväntasaajalla. Tämän ennusteen vahvistaminen ranskalaisilla retkikunnilla 1800-luvun puolivälissä auttoi vakuuttamaan suurimman osan eurooppalaisista tutkijoista muuttamaan Cartesian ja Newtonin fysiikan. Newton käytti myös Maan ei-pallomaista muotoa selittämään päiväntasauspisteiden preesion, käyttämällä Kuun ja Auringon differentiaalista vaikutusta päiväntasaajan pullistumaan osoittamaan, kuinka pyörimisakseli muuttaa suuntaa.

Optiikka

1600-luvun optiikan tiede ilmaisi tieteellisen vallankumouksen perustavanlaatuiset näkymät yhdistämällä kokeellisen lähestymistavan ilmiöiden kvantitatiiviseen analyysiin. Optiikan lähtökohtana oli Kreikka, etenkin Euclidin teoksissa (n. 300 bce), joka totesi monet kreikkalaisten havaitsemien geometrisen optiikan tulokset, mukaan lukien heijastuslaki: Tulokulma on yhtä suuri kuin kulma heijastus. 1300-luvulla sellaiset miehet kuten Roger Bacon, Robert Grosseteste ja John Pecham, jotka vetoivat arabien Ibn al-Haythamin (kuollut noin 1040) työhön, harkitsivat lukuisia optisia ongelmia, mukaan lukien sateenkaaren optiikka. Se oli Kepler, joka otti johtoasemansa näiden 13. vuosisadan optikoiden kirjoituksista, jotka asettivat sävyn tiedelle 1500-luvulla. Kepler esitteli optisten ongelmien pistekohtaisen analyysin, jäljittäen säteet objektin jokaisesta pisteestä kuvan pisteeseen. Aivan kuten mekaaninen filosofia hajotti maailman atomiosiksi, Kepler lähestyi optiikkaa murtamalla orgaaninen todellisuus siihen, mitä hän piti lopulta todellisiksi yksiköiksi. Hän kehitti linssien geometrisen teorian, tarjoamalla ensimmäisen matemaattisen kuvan Galileon kaukoputkesta.

Descartes pyrki sisällyttämään valon ilmiöt mekaaniseen filosofiaan osoittamalla, että ne voidaan selittää kokonaan aineella ja liikkeellä. Mekaanisia analogioita käyttämällä hän kykeni johtamaan matemaattisesti monet valon tunnetuista ominaisuuksista, mukaan lukien heijastuslaki ja hiljattain löydetty taittumislaki.

Monet optiikan tärkeimmistä panoksista 1700-luvulla olivat Newtonin työ, etenkin väriteoria. Perinteinen teoria piti värejä valkoisen valon modifikaation tuloksena. Esimerkiksi Descartes ajatteli, että värit olivat seurausta valosta muodostuvien hiukkasten kehräyksestä. Newton järkyttää perinteistä väriteoriaa osoittamalla vaikuttavalla koesarjalla, että valkoinen valo on seos, josta voidaan erottaa erilliset värillisen valonsäteet. Hän yhdisti erilaiset uudelleen refreshitable asteet eri värisäteisiin, ja tällä tavalla hän pystyi selittämään, miten prismat tuottavat värispektrit valkoisesta valosta.

Hänen kokeelliselle menetelmälleen luonteenomaista oli kvantitatiivinen lähestymistapa, koska hän etsi aina mitattavia muuttujia ja selkeää eroa kokeellisten havaintojen ja näiden havaintojen mekaanisten selitysten välillä. Hänen toinen merkittävä panoksensa optiikkaan käsitteli häiriöilmiöitä, joita kutsuttiin Newtonin renkaiksi. Vaikka ohutkalvojen värejä (esim. Öljy vedessä) oli aikaisemmin havaittu, kukaan ei ollut yrittänyt ilmaista ilmiöitä millään tavalla. Newton havaitsi elokuvan paksuuden ja värirenkaiden halkaisijoiden väliset kvantitatiiviset suhteet. Säännöllisyyden hän yritti selittää teoriallaan, joka sopii helposti siirrettävyyteen ja helppoon heijastuvuuteen. Huolimatta siitä, että hän ajatteli valon olevan hiukkasmainen, Newtonin sopivuusteoriaan sisältyy eetterin jaksottaisuutta ja värähtelyä, hypoteettisen nestemäisen aineen läpäisevän kaiken tilan (katso yllä).

Huygens oli 1500-luvun toinen suuri optinen ajattelija. Vaikka hän suhtautui kriittisesti moniin Descartesin järjestelmän yksityiskohtiin, hän kirjoitti Cartesian perinteessä etsimään puhtaasti mekaanisia selityksiä ilmiöille. Huygens piti valoa jotain pulssilmiötä, mutta hän kiisti nimenomaisesti valopulssien jaksollisuuden. Hän kehitti aallorintaman käsitteen, jonka avulla hän pystyi johtamaan pulssiteoriansa heijastus- ja taitekertoimen lait ja selittämään äskettäin havaitun kaksinkertaisen taittumisen ilmiön.