Фізичні концепції XII - XVIII ст.

Особливості періоду початку Нового часу

З XVII століття починається Новий час. Філософія Відродження підготувала новий тип філософствування, що відкидали схоластику, теоцентрістскіе побудови, які перестали задовольняти вимогам пояснення нових соціальних реалій.

У XVII столітті зміцнився капіталістичний спосіб виробництва. Розвиток економіки вимагало розрахунків національного доходу, індивідуальних доходів, чисельності народжуваності і смертності і т.д. Підприємницький розрахунок стає нормою повсякденного життя. Його основа -- кількісна оцінка. Розрахунок, кількісна оцінка впливають на людські відносини, проникають в усі сфери людської практики.

Університетська наука, захоплена проблемами античності і зайнялася відверненими від практичних потреб питаннями, виявилася свого роду "закритою системою", ізолювати себе від реальних потреб суспільства. Тому розвиток природознавства в цей час здійснювалося переважно поза університетської науки. Особливість цього періоду характеризувалася наступним чином: "Незадоволеність технічної інтелігенції станом університетської науки мала цілком реальні практичні підстави, - вона була продиктована життєво необхідної потребою. Незважаючи на те, що виробництво було в основному "мануфактурним", в практику будівельної справи, транспорту, військового справи та деяких видів виробництва увійшли нові пристрої, машини і пристосування. Розробка технологічних правил і нових конструкцій спиралася, як і колись, на пробні виробничі експерименти. Але тепер вони стосувалися вже не тих найпростіших машин, на яких будувалася техніка Середньовіччя, навпаки, ці досліди ставилися до цілих вузлів нових механічних і гідравлічних пристроїв. Варіювання умов і аналіз результатів пробного досвіду стали набагато більш складними, менш наочними і важче доступним для огляду. Виробничникам, інженерам, конструкторам були потрібні керівні наукові вказівки, щоб краще і швидше розібратися в результатах пробних технічних експериментів. Але подальше удосконалення техніки і підвищення якості виробів упиралися в головне протиріччя епохи - протиріччя між порівняно високим рівнем досягнутих до цього часу технологічних знань і різким відставанням від них багатьох галузей природознавства і особливо фізики ". [1]

Безсумнівно, що виникнення інтересу до досвідченого природознавства багато в чому зобов'язана Ф. Бекону. Разом з тим в умовах відставання теоретичного природознавства від практичних успіхів техніки важливо було наукове узагальнення результатів технічного досвіду. Перш за все виникла необхідність у вдосконаленні методів вимірювання і технологічних прийомів створення фізичних апаратів. Накопичений досвід в машинобудуванні мав важливе значення і його можна було використовувати. Ситуація ж в області теоретичної фізики була іншою. теоретичні гіпотези якісного характеру. Способи ж формулювань теоретичних завдань в математичній формі, що дозволяли здійснювати розрахунки з науковим ступенем точності, були відсутні. Якісні гіпотези не могли бути покладені в основу технологічних процесів або конструктивних розробок. У цих умовах розрив між більш високим рівнем експериментальним фізики і більш низьким рівнем фізичних теорій міг бути ліквідований за допомогою експериментальної науки. (Метод теоретичної фізики буде створений Ньютоном пізніше, наприкінці XVII століття). У цьому руслі і проявилася методологія Бекона, орієнтована на постановку експериментів, що сприяють відкриттю нових законів. Принцип кількісного вимірювання в експериментальних дослідженнях стає основою природознавства. Це знаходить своє вираження у винаході різноманітних вимірювальних приладів - хронометрів, біометрії, термометрів, ваг і т.д. Таким чином, услід за машинобудівної галуззю виникає приладобудівна. Потреби практики, що збільшилися з створенням торгових і промислових компаній, ставлять питання про необхідність підвищення ефективності фізичних досліджень. Для цього була важлива організаційна та матеріальна підтримка науки. Створюються "Академія досвіду" у Флоренції (1657 р.), Лондонське Королівське товариство (1662 р.), Королівська Академія наук у Парижі (1666 р.), Берлінська академія (1672 р.). У цих умовах потреба в методі побудови фізичних теорій стала відчуватися ще гостріше. Бекон виходив з того, що критеріями правильної фізичної теорії повинні виступати застосовність теорії на практиці, а також сприяння розвитку самої науки, принижуючи при цьому роль математики. Декарт, навпаки, зразком вважає не експериментальну фізику з її індуктивним методом, а математику. Критерієм достовірності фізичної теорії, але Декарту, є його відповідність дедуктивно отриманим висновків, її внутрішня логічна послідовність. Декарт вважав, що бог може здійснювати фізичне явище безліччю способів. Це зумовило його подання про безліч варіантів теорій. (В цьому руслі їм була висунута довільна теорія вихорів, що утримують планети на своїх орбітах - див. розділ "Концепції астрономії ".)

Важливо відзначити визнання Декартом можливої неоднозначності фізичної теорії, що стало наслідком пізнання, яким способом бог реалізував дане фізичне явище. Інакше кажучи, відповідна дедуктивним висновків теорія виявляється лише найбільш імовірною з числа можливих.

Іншу позицію займав Ньютон. Для нього було важливо однозначно з'ясувати за допомогою експериментів і спостережень властивості досліджуваного об'єкта і будувати теорію на основі індукції без використання гіпотез. Він виходив з того, що у фізиці як експериментальної науки місця для гіпотез немає. Визнаючи небездоганною індуктивного методу, він вважав його серед інших найбільш прийнятний.

Загальним для Декарта, Ньютона та інших дослідників природи цього часу було використання теологічних аргументів. (Не випадково Ньютона іноді називає не тільки першим вченим, але і останнім богословом.) Завдання природознавства вбачалася у виявленні божественного плану творіння природи. У цьому полягала специфіка розвитку природознавства XVII століття. Оскільки фізика XVII століття за необхідності вступала у протиріччя з церковними догматами, церква, яка відстоює свою позицію відмінності небесної і земної фізики, не могла залишитися до цього байдуже. Галілей був підданий церковним репресіям за "Діалог про дві найголовніші системи світу, Птолемеєвої і коперниковой ", метою яких було прагнення призупинити поширення Коперниканська ідей. Для Італії, яка виступала в числі лідерів наукового прогресу, це мало негативні наслідки - розвиток фізичних ідей було загальмовано. В Англії ситуація склалася інша. Р. Бойль обгрунтував концепцію, згідно з якою природознавство виступає опорою релігії, завдяки чому церковну реакцію вдавалося стримати. У цілому ж природознавство XVII століття, які відмовилися від арістотелівські концепцій, поєднує в собі опору на експеримент, кількісний вимір досліджуваних явищ з аргументами теологічного характеру.

Механіка Г. Галілея і початок критики арістотелівської фізики

Якщо початком періоду торжества нового, експериментального підходу в природознавстві прийнято вважати геліоцентричну концепцію Коперника, вчення про електрику і Землю як про великий магніті У. Гільберта (1600 р.) і відкриття У. Гарвея кровообігу (1628 р.), то завершенням даного періоду - затвердження коперніканської системи завдяки вкладом Г. Галілея. Геліоцентричної концепції Коперніка знадобився час для свого затвердження. Боротьба за її затвердження для Бруно закінчилася сумно, та й однієї демонстрації впевненості в її істинності було мало - потрібні були більш серйозні аргументи. Справа в тому, що в первісному вигляді геліоцентрична концепція Коперника не містила точного опису орбіт планет і переконливих аргументів для пояснення невоспрінімаемості органами почуттів руху Землі.

Перша задача була вирішена Тихо Браге і Йоганн Кеплером (див. розділ "Концепції астрономії"), друга, пов'язана з створенням динаміки, - Галілео Галілеєм. Непридатність арістотелівської парадигми розумів вже Леонардо да Вінчі, який виступив проти вчення про протилежність земної і небесного. Але його роботи залишилися не опублікованими. Д. Бруно зробив висновки філософського характеру з вчення М. Коперника, а І. Кеплер систему Коперника привів у відповідність з новітніми астрономічними даними. Перед Галілеєм постало завдання обгрунтувати концепцію Коперника фізично. Використання телескопа Галілею дозволило виявити невідповідність спостерігається картини арістотелівської концепції. Відкриття супутників Юпітера дозволило йому наочно продемонструвати модель коперніковской системи та затвердити перевагу спостереження над умоглядними побудовами.

Однак твердження переваги методу спостереження над умоглядними аргументами для затвердження системи Коперника було недостатньо. Важливо було пояснити, чому обертання Землі не супроводжується ураганним вітром, спрямованим в протилежну руху Землі бік, а також чому підкинуті вгору тіла не залишаються позаду. Щоб відповісти на ці питання було потрібно вивчення вільного руху тел. Ця проблема мала важливе і практичне рух, оскільки була пов'язана з рухом ядер при стрільбі з гармат і взагалі рухом метальних снарядів. Існуючим теоріям, пояснювали це рух, бракувало математичного обгрунтування. У "Діалогах про два нових науках" Галілей дав математичний опис руху тіл (робота була опублікована вже після засудження Галілея за його "Діалог про дві найголовніші системи світу"). Галілей, відкинув попередні погляди на пояснення руху тіл, звернувся до експерименту як методу дослідження. Для проведення вимірювань падіння тіл він використовував маятник і похилу площину, а також скидання тіл з Пізанської вежі.

аристотелівська фізика визнавала природні та насильницькі руху. Оскільки рух нашої планети ставилося до природному увазі руху, то виявилося протиріччя між арістотелівські розумінням природного руху як викликається прагненням тіла зайняти своє "природне місце", з одного боку, і рухом планети навколо Сонця по замкнутих траєкторіями. Тому насамперед було необхідно дослідити природу "природного руху", тобто падіння тіл. Ця проблема досліджувалася фізиками і до Галілея, але ніхто з них не міг встановити величину швидкості падіння тіл в одиницю часу. Галілей зрозумів, що встановити це можна лише в експерименті. Але необхідно було знайти спосіб зменшити швидкість руху падаючого тіла без спотворення умов вільного падіння. Галілей використовував у цих цілях рух по похилій площині. Проведення багаторазових експериментів з рухом тіл по похилій площині, а також з допомогою маятника дозволило Галілею сформулювати закон: закони вільного падіння і руху тіл по похилій площині і показати хибність уявлень Арістотеля про природний та насильницькому падінні. Арістотель стверджував, що рухається тіло зупиняється, якщо сила, що штовхає його, припиняє свою дію. Галілей встановив, що якщо на тіло не діють ніякі сили, то воно спочиває або рухається рівномірно і прямолінійно. Таким чином, Галілей показав помилковість уявлень Арістотеля про природний і насильницьке русі.

Розглядаючи рух тіла по похилій площині, Галілей робить важливий крок у виробленні уявлень про інерції - однієї з найважливіших ідей механіки. Хоч йому і не вдалося дати повну і точну формулювання закону інерції, він виявив здатність тіл зберігати свою швидкість. Використання закону інерції у своїх експериментах дозволило Галілею сформулювати ідею відносності руху і обгрунтувати систему Коперника. Якщо кинути з вежі куля, то він внаслідок сили інерції буде рухатися разом з вежею і впаде біля її підніжжя. При русі Землі немає вихору, тому що атмосфера рухається разом з Землею. Звідси випливало, що в механічному експерименті не можна виявити, система рухається рівномірно і прямолінійно або покоїться -- руху в тій і іншій системах здійснюються однаково. Для обгрунтування динаміки найважливіше значення мало встановлення незалежності прискорення вільного падіння від маси тіла (Арістотель, як відомо, вважав, що швидкість падіння тіла пропорційна його масі). Якщо знехтувати опором повітря, то, як виявив Галілей, швидкість падіння всіх тіл однакова і пропорційна часу падіння, а пройдений у вільному падінні тілом шлях пропорційний квадрату часу. Крім законів рівноприскореного руху Галілей відкрив і закон незалежності швидкості падіння від повідомленої тіла при киданні горизонтальної швидкості. Сила тяжіння, діючи на що знаходиться в стані спокою тіло, в першу секунду падіння тіла надає йому швидкість в 9, 8 м/с, в наступну секунду збільшить швидкість на ту ж величину - швидкість падіння пропорційна часу падіння.

Математичний опис експериментів, здійснене Галілеєм, мало для розвитку природознавства дуже важливе значення. З'єднання експерименту і точного математичного аналізу дало можливість вирішити завдання вільного падіння тіл, показав, що у повітряному просторі тіла в падінні рухалися б по параболічної траєкторії. Цим було задано певний зразок методу фізики, який багато в чому визначив в подальшому розвиток фізики. Галілей заклав основи сучасної механіки. Їм була чітко висловлена думка, що єдиними властивостями дійсності, які можна описати математично, є протяжність, положення і щільність. Ця думка по суті своїй була програмою відомості експериментальних досліджень до таких первинним якостям, як розмір, форма, кількість і рух.

Для того, щоб експериментально-математичний метод придбав загальне покликання, округу необхідно було знищити навчання Птолемея про систему небесних сфер і аристотелевську фізичну парадигму, панувала майже два тисячоліття в якості основи природознавства і суспільствознавства. системах світу - Птолемеєвої і коперниковой ". Саме це і викликало його конфлікт з церквою, оскільки нові ідеї погрожували засадам церковного вчення і громадського порядку. В основі конфлікту лежало протиріччя науки і догм релігії. Засудження Галілея і його вимушене згоду відмовитися від свого навчання привернуло увагу натуралістів до усвідомлення суті конфлікту і сприяло становленню нової експериментальної науки і розповсюдженню Коперниканська навчання. Через всього менше півстоліття Ньютон у своїй теорії всесвітнього тяжіння об'єднає закони, встановлені Кеплером і Галілеєм.

Антіперіпатетіческій характер експериментальних фізичних концепцій Нового часу

Галілей, підготувавши грунт для фундаменту динаміки, визначив програму подальших досліджень, але ще в загальних рисах. Продовжувачем його робіт був Е. Торрічеллі. Він розповсюдив ідеї Галілея на теорію руху рідин і вивів формулу, за допомогою якої визначається швидкість витікання рідини з посудини через отвір в його стінці, заклавши тим самим основи гідродинаміки. Але головне його досягнення - відкриття атмосферного тиску. Ще Галілей знав про спостереження флорентійських водопроводніков, що вода піднімається не вище певної висоти. Торрічеллі припустив, що повітря чинить на неї певний тиск, який і спробував виміряти. З цією метою була використана закрита з одного кінця трубка, заповнена ртуттю. Коли її вільним кінцем опустили у воду, то рівень ртуті в ній знизився, а над поверхнею ртуті утворилася порожнеча. Походження цієї "торрічелевой порожнечі" було пояснено таким чином: тиск на поверхню ртуті в чашці врівноважується вагою стовпа ртуті в трубці. Висота цього стовпа над рівнем моря становить 760 мм. Так було винайдено барометр. Так впала ще одна періпатетіческая догма - про "острах порожнечі". Грудень?? рт запропонував, а Б. Паскаль реалізував ідею вимірювання атмосферного тиску на різних висотах - в результаті була встановлена залежність висоти ртутного стовпа від висоти місця виміру і від стану погоди. Це означало народження наукової метеорології. О. Геріке своїми дослідами з "магдебурзькими півкулями "підтвердив існування атмосферного тиску. Паскаль сформував основний Закон Паскаля; відомий як закон Паскаля: тиск на поверхню рідини, вироблене зовнішніми силами, передається рідиною однаково у всіх напрямках. На ньому заснована дія гідравлічного преса. Паскалем було відкрито також закон сполучених посудин.

До успіхів у розвитку експериментальної фізики XVII століття з повною підставою можуть бути віднесені дослідження в області електрики і магнетизму У. Гільберта. Припустивши, що Земля є магнітом, він уперше пояснив поведінку магнітної стрілки компаса впливом його полюсів. Їм було введено у фізику поняття електрики (електричними тілами він назвав предмети, подібні янтарю, які здатні після натирання притягати до себе легкі предмети), поклавши початок вивчення електричних явищ.

Роберт Бойль спростував думку прихильників арістотельской фізики про те, що в трубці Торрічеллі ртуть утримується невидимими нитками, встановивши в 1662г. один з газових законів: твір обсягу даної маси ідеального газу на його тиск постійно при постійній температурі (пізніше цей закон незалежно від Бойля встановив Маріотт, тому цей закон носить назву закону Бойля-Маріотта). Бойль відкинув періпатетіческое уявлення про колір як про специфічний як тіла, пояснивши його кількістю відбитого світла. О. Геріке створив першу електричну машину у вигляді кулі з сірки, що обертався на залізниці осі, виявив явища електричного відштовхування і електричних розрядів. Х. Гюйгенс винайшов маятниковий годинник із спусковим механізмом, манометр для вимірювання низьких тисків встановив закони коливання маятника, створив хвильову теорію світла, заклав основи теорії удару. В "Трактаті про світло" ім сформульовано принцип розповсюдження хвилі, відомий як принцип Гюйгенса-Френеля, який свідчить: кожна точка простору, якої досягла в даний момент поширюється хвиля, стає джерелом елементарних сферичних хвиль. На основі цього принципу були введені закони відображення і заломлення світла. Гюйгенс перший встановив явище поляризації світла. Їм було встановлено, що доцентровий прискорення пропорційно квадрату швидкості і назад пропорційно радіусу кола, що сприяло розробці ньютонівської теорії руху тел.

Особливості картезіанської фізики

Досить значна роль у розвитку природознавстві (і фізики зокрема) XVII століття належить Р. Декарту, який висловив закон збереження кількості руху і який дав поняття імпульсу сили (див. також розділ "Концепції астрономії" - про теорію вихорів). Проблеми фізики зайняли значне місце в його "Початках філософії". Оскільки досвід прямих нападок на релігійні догми в цей час був дуже сумним (спалення Бруно і Сервета), Декарт постарався зайняти позицію, яка дозволяла ухилитися від конфлікту з церквою і тим самим забезпечити можливість розвиватися науці в протягом кількох століть. Він дуже точно сформулював поділ Всесвіту на фізичну і моральну частини. Такий розподіл було наслідком відомості їм чуттєвого досвіду до механіки та геометрії. Слідом за Галілеєм Декарт єдиними фізичними реальностями вважав протяжність і рух (що розуміється як механічне переміщення), які розглядав як первинних якостей. Ко вторинним якостями він відніс колір, смак, запах. За їх межами перебувала область пристрастей, волі, любові, віри. Фізика займається, головним чином, первинними якостями, які можна вимірювати. Вторинними якостями фізика займається в меншій мірі. Треті ж якості відносяться до сфері одкровення, тому наука ними не займається. Живий організм представлявся Декартом у вигляді машини, механізму, керованим відповідно до фізичними принципами, з одного боку, і розумом, волею - з іншого. Подібне розділення дало можливість ученим проводити дослідження, не втручатися у справи релігії і, отже, не вступаючи в конфлікт з церквою. Більш того, система Декарта дозволяла доводити буття бога не менш переконливо, ніж попередні способи докази: його тезу "Я мислю, отже існую" дозволяв зробити висновок про те, що раз люди можуть уявити собі істоту досконаліше, ніж вони самі, то воно має існувати.

Декарт сформулював три закони природи:

1. Будь-яка річ знаходиться в одному і тому ж стані, поки інші речі не змусять її змінити такий стан.

2. Будь-яке рухоме тіло прагнути продовжувати своє рух по прямій.

3. Якщо рухоме тіло зустріне інше, найсильніше тіло, воно нічого не втрачає в своєму русі; якщо ж він зустріне найслабшому, яке може посунути, воно втрачає стільки, скільки того повідомляє.

Легко бачити, що ці закони по суті є чисто експериментальними. Система Декарта з'явилася сумішшю висновків, що спираються на експеримент, з дедуктивним висновками, заснованими на зовсім ясних першооснову (чого вимагав метод Декарта). Цілі, до яких прагнули Бекон і Декарт, були загальними - зробити людину паном природи. І той, і інший підняли авторитет експериментальної науки, що витіснили схоластику. Декарт стверджував, що в природі існує певна кількість руху, який ніколи не зростає і не зменшується. Так як матерія, в уявленнях Декарта, однорідна і характеризується тільки властивістю протяжності, то поняття кількості матерії виявляється практично тотожним поняттю кількості жиру. При аналізі зіткнень тел Декарт користувався поняттям сили, яка залежала від величини тіла, до якого укладена, від швидкості руху і способу зіткнення тел. Тут міститься формулювання закону збереження імпульсу і закону інерції, хоча поняття імпульсу ще досить розмито і виступає як скалярна величина. Декарт, на відміну від Ньютона, говорить про стан взагалі, а не про стан рівномірного і прямолінійного руху. Важливо, що, на Декарту, інерція тіла залежить від його швидкості. Важливо і те, що фізика Декарта НЕ визнавала сил, що діють через порожнечу на відстані. У ній існували лише взаємодії дотичних тел.

Розробка основ класичної фізики

а) Фізична концепція І. Ньютона як підсумок розвитку досвідченого природознавства

Основним досягненням фізичних досліджень XVII ст. підбиває підсумки розвитку дослідного природознавства і остаточно зламали періпатетіческую фізичну парадигму, стало завершення створення загальної системи механіки. яка була в змозі дати пояснення руху небесних світил на основі явищ, які спостерігаються на Землі. І в епоху античності, у XVII столітті визнавалася важливість вивчення руху небесних світил. Але якщо для стародавніх греків дана проблема мала більше філософське значення, то для XVII століття, переважаючим був практичний аспект. Розвиток мореплавання обумовлювало необхідність вироблення більш точних астрономічних таблиць для цілей навігації в порівнянні з тими, які були потрібні для астрологічних цілей. Основним завданням було визначення довготи, такої потрібної астрономам і мореплавцям. Для вирішення цієї важливої практичної проблеми і створювалися перші державні обсерваторії (в 1672 р. Паризька, у 1675 р. за Гринвічем). По суті своїй це було завдання визначення абсолютного часу, який давав при порівнянні з місцевим часом інтервал часу, який і можна було перевести в довготу. Визначити це час можна було з допомогою спостереження рухів Місяця серед зірок, тобто годин, "закріплених на небі", а також за допомогою точних годин, поставлених за абсолютним часу і які перебувають при спостерігача. Для першого випадку були необхідні дуже точні таблиці для передбачення положення небесних світил, а для другого - абсолютно точні і надійні часові механізми. Роботи в цих напрямках не були успішними. І хоча суд над Галілеєм був "силовим аргументом "на користь арістотелівські уявлень в галузі космології, прагнення знайти прийнятне фізична пояснення системи Коперника зберігалося. Вирішенням цієї проблеми займалися багато видатних дослідники (Галілей, Кеплер, Декарт, Гук, Гюйгенс тощо), але вирішити її вдалося лише Ньютону, який, завдяки відкриттю закону всесвітнього тяжіння і трьох основних законів механіки, а також диференціального і інтегрального обчислення зрадив механіці характер цільної наукової теорії. Крім того, Ньютону належить заслуга відкриття дисперсії світла, хроматичної аберації, дослідження інтерференції та дифракції, розвитку нової теорії світла і т.д. Дослідженню цих проблем присвячено його "Оптика". Його капітальна праця "Математичні початки натуральної філософії "(опублікований в 1687 р.) Узагальнив не тільки власні дослідження автора, але й досвід попередників. Теорія руху планет і закон всесвітнього тяжіння стали основою фізичного обгрунтування коперніковской геліоцентричної системи світу.

Пошуки відповіді на питання, чому планети рухаються навколо Сонця по еліптичних орбітах, вели багато дослідників. Оскільки планети, що обертаються по орбітах, то повинна бути якась сила, що утримує їх. Але яка? Гільберт висловив припущення, що такою силою міг бути магнетизм. Бореллі вважав, що рух планет пов'язано з необхідністю врівноважити відцентрову силу іншою силою, яку він назвав силою тяжіння і дію якої вважав що виходять за межі безпосередньої близькості Землі до Місяця і Сонця до планет. Гук припустив, що тяжіння з відстанню зменшується. Декарт (теорія тяжіння якого була найбільш поширеною і якій спочатку дотримувався Ньютон) виходив з того, що важкі тіла притягувалися до своїм центрів тяжіння якоюсь силою ефірних вихорів. Всі ці ідеї важливо було звести до математичної формули, щоб переглянути спостереженнями. Гюйгенс, працюючи над годинником з маятником, вивів закон про відцентрової сили, встановивши її пряму пропорційність радіусу кола, по якому рухається тіло, і зворотний пропорційність квадрату швидкості рухомого тіла. Гук, Галілей і Рен встановили, що для урівноваження відцентрової сили тяжіння або доцентрова сила повинні залежати від радіуса, діленого на його куб. Залишалися невирішеними дві проблеми. Перша - дати пояснення еліптичної формі орбіт. Друга - дати пояснення дії великих притягають тел.

Умови для вирішення цих проблем були готові, але ці рішення необхідно було знайти. Інвестиції, зроблені Ньютоном у розвиток природознавства, полягав у тому, що він дав математичний метод поводження підтвердити спостереженнями, і, навпаки, виводити фізичні закони на основі таких спостережень. Як він сам писав у передмові до "Початкам", "... Твір це нами пропонується як математичні основи фізики. Усі труднощі фізики ... полягає в тому, щоб по явищ руху розпізнати сили природи, а потім по цим силам пояснити інші явища ... Було б бажано вивести з початків механіки й інші явища природи, розмірковуючи подібним же чином, бо багато що змушує мене припускати, що всі ці явища обумовлюються деякими силами, з якими частки тел внаслідок причин, поки невідомих, або прагнуть один до одного і зчіплюються в правильні фігури, або ж взаємно відштовхуються і віддаляються один від одного. Так як ці сили невідомі, до сих пір спроби філософів пояснити явища природи і залишалися марними. Я сподіваюся, однак, що або цього способу міркування, або іншому, більш правильному, викладені тут підстави доставлять деякий освітлення ". [2]

Засобом здійснення цього завдання було числення нескінченно малих. Потреба у створенні математики змінних величин (над створенням якої працювали Кеплер, Галілей, Декарт та ін) була задоволена створенням диференціального й інтегрального числення. До його створення прийшли незалежно один від одного Ньютон і Лейбніц (питання про пріоритет був предметом запеклого спору). Однак важливо те, що Ньютон застосував цей метод математичного аналізу для розв'язання фізичних проблем. Даний метод став засобом розуміння проблем змінних величин і руху, усіх питань механічної техніки. З його допомогою виявилося можливим визначати положення тіла в будь-який час, якщо відомі відносини між цим положенням і швидкістю тіла або величина прискорення в будь-який інший час. Інакше кажучи, знаючи закон сили, можна обчислити траєкторію руху тіла.

Ньютон ввів поняття стану системи. Спочатку воно було використано для простих механічних систем. (Надалі поняття стан виявило свою фундаментальну роль і стало застосовуватися в інших фізичних концепціях в якості одного з основних.) Стан механічної системи в класичній механіці повністю визначається імпульсами і координатами всіх тіл, що утворюють дану систему. Якщо відомі координати і імпульси в даний момент часу, то можна однозначно встановити значення координат і імпульсів в будь-який момент часу, а також обчислити значення інших механічних величин - енергії, моменту кількості руху та т.д. (Для того, щоб зробити "Початки" зрозумілими можливо більшого числу тих, хто читає їх, Ньютон виклав їх на мові геометрії, переклад ж на мову математичного аналізу було виконано пізніше іншими авторами.)

Для утвердження своєї концепції Ньютону було необхідно зруйнувати стару, арістотельскую картину світу. Замість сфер, якій управлялися першорушія. він ввів механізм, що діє на основі природного закону, не вимагав постійного використання сили і подібним божественне втручання лише для свого створення та приведення у рух. Це був компроміс науки і релігії. З поданням, відповідно з яким для підтримки руху потрібна сила, було покінчено. Місце статистичного представлення світу зайняло динамічне його подання. Поступки релігії в питанні про першопоштовхом були, однак, пов'язані не тільки із соціальними причинами, що обумовлюють компроміс науки і релігії, але і з характером його розуміння природи, яку він вважав нееволюціонізірующей, інертною, відсталої субстанцією. Оскільки вічні закони природи дають можливість пояснювати тільки повторюваність незмінних, нееволюціонізірующіх тіл, то перший поштовх був у такої картини світу просто необхідний. Ньютон, як і Арістотель, розуміли фізику як загальну теорію природи. Але якщо Ньютон теорію природи будував на математичних і експериментальних засадах, то Аристотель виключав їх зі сфери пізнання. Експериментально-математичний метод пізнання відкрив перед фізикою і взагалі перед природознавством колосальні перспективи. Ньютон, заклавши основи теоретичного фундаменту класичної фізики, відкрив шлях до її подальшого розвитку.

б) Закони класичної механіки

Якщо кінематика вивчає рух геометричного об'єкта (тобто не володіє ніякими властивостями матеріального тіла, окрім властивості займати певне місце в просторі і змінювати це положення з плином часу), то динаміка вивчає рух реальних тіл під дією доданих до них сил, тобто під дією інших тіл. Встановлені Ньютоном три закони механіки лежать в основі динаміки. Безпосередньо їх можна застосовувати до найпростішого нагоди руху, коли рухається тіло розглядається як матеріальна точка, тобто коли розмір і форма тіла не враховується і коли рух тіла розглядається як рух точки, що володіє масою. У кип'ятку для опису руху точки можна вибрати будь-яку систему координат, щодо якої визначаються характеризують цей рух величини. За тіло відліку може бути прийняте будь-яке тіло, що рухається щодо інших тіл. В динаміці мають справу з інерційних системах координат, що характеризується тим, що щодо них вільна матеріальна точка рухається з постійною швидкістю. Інерціальній системою відліку називають таку, вякої справедливий закон інерції: матеріальна точка, на яку не діють ніякі сили, знаходиться в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху. Будь-яка система відліку , Що рухається щодо інерціальній системи відліку, буде також інерціальній. (Все інерціальні системи відліку рівноправні, тобто у всіх таких системах закони фізики однакові.)

Встановити інерційну систему координат з абсолютною точністю неможливо, оскільки для цього треба знайти тіло, на яке не діють інші тіла. За таку не можна приймати не тільки системи, пов'язані із Землею і Сонцем, а й навіть з центром Галактики. Отже, поняття інерціальній системи координат є абстракція, яка використовується (як і всяке абстрактне поняття) в застосуванні до фізичних об'єктів з певною ступенем точності.

Інерція вперше був встановлений Галілеєм для випадку горизонтального руху: коли тіло рухається по горизонтальній площині, то його рух є рівномірним і тривало б постійно, якби площину простягалася в просторі без кінця. Ньютон дав більш загальну формулювання закону інерції як першого закону руху: всяке тіло перебуває в стані спокою або рівномірного прямолінійного руху до тих пір, поки що діють на нього сили не змінять цей стан. Важливо відзначити, що недоліком даної формулювання закону було те, що в ній не містилося вказівки на необхідність віднесення руху до інерційній системі координат. Справа полягає в тому, що Ньютон не користувався поняттям інерціальній системи координат - замість цього він вводив поняття абсолютного простору (однорідного і нерухомого), з яким і пов'язував якусь абсолютну систему координат, відносно якої і визначалася швидкість тел. Коли беззмістовність абсолютного простору як абсолютної системи відліку була виявлена, закон інерції став формулюватися інакше: щодо інерціальній системи координат вільне тіло зберігає стан спокою або рівномірного прямолінійного руху.

Другий закон механіки говорить: добуток маси тіла на його прискорення одно діючої силі, а напрямок прискорення збігається з напрямком сили. Така його сучасна формулювання. Ньютон сформулював його інакше: зміна кількості руху пропорційно прикладеною діючої силі і відбувається по напрямку тієї прямої, по якій ця сила діє. Тобто Ньютон у формулюванні другого закону оперує поняттям кількості руху, розуміється як міра руху, пропорційна масі і швидкості. Кількість руху - величина векторна (Ньютон враховував напрям руху при формулюванні правила паралелограма швидкостей). Але це поняття в історії науки не втрималося (і зараз замінено поняттям імпульсу), оскільки було неясно, чим вимірювати рух. Декарт кількість руху вимірював твором маси на швидкість, Лейбніц - добуток маси на квадрат швидкості (називаючи кількість руху жи