¿Por qué Liu Tong logró grandes logros y se convirtió en un gran físico?
(1) Los logros físicos de Newton
Newton fue el maestro de la teoría de la mecánica clásica. Resumió sistemáticamente los trabajos de Galileo, Kepler y Huygens y obtuvo la famosa ley de la gravitación universal y las tres leyes del movimiento de Newton.
Antes de Newton, la astronomía era la materia más destacada. Pero ¿por qué los planetas tienen que orbitar alrededor del Sol según ciertas reglas? Los astrónomos no pueden explicar este problema satisfactoriamente. El descubrimiento de la gravitación universal demostró que los movimientos de las estrellas en el cielo y de los objetos en la Tierra se rigen por las mismas leyes: las leyes de la mecánica.
Mucho antes de que Newton descubriera la ley de la gravitación universal, muchos científicos habían considerado seriamente esta cuestión. Por ejemplo, Kepler se dio cuenta de que debe haber una fuerza en acción que mantenga a los planetas en sus órbitas elípticas. Pensó que esta fuerza era similar al magnetismo, como un imán que atrae el hierro. A partir de sus estudios sobre el movimiento de un péndulo, Huygens descubrió que se requiere fuerza centrípeta para mantener un objeto en movimiento en una órbita circular. Hooke y otros pensaron que era gravedad y trataron de llevarla a la gravedad universal. En 1673, Huygens derivó la ley de la fuerza centrípeta; en 1679, Hooke y Halley derivaron de la ley de la fuerza centrípeta y la tercera ley de Kepler que la fuerza gravitacional que mantiene el movimiento planetario es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. El propio Newton recordó que había considerado el problema de la gravedad cuando vivía en su ciudad natal alrededor de 1666.
Una de las frases más famosas es: Newton solía sentarse un rato en el jardín durante las vacaciones. Una vez, como sucedió muchas veces antes, una manzana cayó del árbol... La caída inesperada de una manzana fue un punto de inflexión en la historia del pensamiento humano. Abrió la mente del hombre sentado en el jardín y lo provocó. pensar profundamente: ¿Cuál es la razón por la cual casi todos los objetos son atraídos hacia el centro de la tierra? reflexionó Newton. Finalmente, descubrió la gravedad, que tuvo una importancia trascendental para la humanidad.
La brillantez de Newton es que resolvió el problema de argumento matemático que Hooke y otros no pudieron resolver. En 1679, Hooke le escribió a Newton y le preguntó si podía demostrar que los planetas se mueven en órbitas elípticas basándose en la ley de la fuerza centrípeta y la ley de que la gravedad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Newton no respondió a esta pregunta.
Cuando Halley visitó Newton en 1685, Newton había descubierto la ley de la gravitación universal: existe una fuerza gravitacional entre dos objetos, que es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia y proporcional al producto de las masas. de los dos objetos. En aquella época se disponía de datos precisos para el cálculo, como el radio de la Tierra y la distancia entre el Sol y la Tierra. Newton le demostró a Halley que la gravedad de la Tierra es la fuerza centrípeta que hace que la Luna se mueva alrededor de la Tierra y que el movimiento planetario bajo la influencia de la gravedad del Sol cumple con las tres leyes del movimiento de Kepler.
A instancias de Halley, Newton escribió su obra maestra que hizo época, "Principios matemáticos de la filosofía natural", a finales de 1686.
La Royal Society se quedó corta de fondos y no pudo publicar el libro. Posteriormente, en 1687 se publicó una de las obras más importantes de la historia de la ciencia con el apoyo de Halley. En este libro, Newton no sólo utilizó métodos matemáticos para demostrar la ley de la gravitación universal a partir de los conceptos básicos de la mecánica (masa, momento, inercia, fuerza) y las leyes básicas (las tres leyes del movimiento), sino que también utilizó las agudas matemáticas de cálculo, que él inventó.
(2) Los logros matemáticos de Newton
Newton unificó varios métodos especiales para resolver problemas infinitesimales desde la antigua Grecia en cálculo directo (diferencial) y cálculo contracorriente (integral). Los dos algoritmos están incorporados. en la aplicación de ecuaciones polinomiales infinitas en 1669, la aplicación del cálculo de flujo y series infinitas en 1671, y la aplicación de series infinitas en 1676. En Liushu, un manuscrito que escribió circuló entre amigos en junio de 1666+00. Al mismo tiempo, publicó por primera vez el teorema de expansión binomial que inventó en junio de 1676. Newton descubrió otras series infinitas y las usó para calcular áreas, integrar, resolver ecuaciones y más. 49660.88868688661
La aparición del cálculo se ha convertido en otra rama importante en el desarrollo de las matemáticas, además de la geometría y el álgebra, el análisis matemático (Newton lo llamó "análisis con el método de ecuaciones polinómicas infinitas"), y luego se desarrolló en diferencial geometría, ecuaciones diferenciales, cálculo de variaciones, etc. , impulsando así el desarrollo de la física teórica.
Por ejemplo, J. Bernoulli de Suiza buscó la solución a la curva de descenso más pronunciada, que era el problema inicial del cálculo de variaciones. Al cabo de medio año, ningún matemático de Europa pudo responderla. Un día entre 65438 y 0697, Newton se enteró accidentalmente de este asunto, lo resolvió de una sola vez esa noche y lo publicó de forma anónima en el "Journal of Philosophy". Bernoulli dijo sorprendido: "Reconozco al león por esta garra".
(3) Los logros de Newton en óptica
La Óptica de Newton es otro clásico científico (1704). El subtítulo del libro, "Tratado sobre la reflexión, la refracción, la refracción y el color de la luz", refleja sus logros ópticos.
El primer artículo trata sobre óptica geométrica y teoría del color (experimento del espectro prismático). Comenzó a pulir lentes y a fabricar su propio telescopio en 1663. Informó en una carta a la Royal Society: "A principios de 1666 hice un prisma triangular de vidrio para probar el famoso fenómeno del color. Para ello oscurecí la habitación..." Luego describió en detalle su uso de pequeños prismáticos. Experimentos de dispersión utilizando agujeros y luz solar. En cuanto a la teoría del color de la luz, todos, desde Aristóteles hasta Descartes, creían que la luz blanca es pura y uniforme. Este es el verdadero color de la luz. "La luz de colores es una variante de la luz blanca. Newton notó cuidadosamente que la luz del sol no son los cinco colores que la gente decía en el pasado, sino siete colores intermedios, como rojo, amarillo, verde, azul, violeta, como naranja e índigo. Extraño Lo sorprendente es que el prisma no es un círculo sino un óvalo largo después de dividirse. Luego experimentó con "partes de vidrio de diferentes espesores", "ventanas de diferentes tamaños", "colocar el prisma afuera" e invertir los dos prismas. Ven y "elimina el efecto del primer prisma"; toma "luz de diferentes partes del sol y mira qué impacto tiene en diferentes direcciones incidentes" y "calcula el índice de refracción de cada color de luz" y "observa"; Si la luz se moverá a lo largo de una curva después de pasar a través de un prisma"; finalmente se hizo un "experimento decisivo": la luz monocromática fue sacada de la banda de color formada por el prisma a través del pequeño agujero en la pantalla, y luego proyectada sobre la segundo prisma para obtener el núcleo El índice de refracción de la luz coloreada (llamado en ese momento "índice de refracción") llevó a la conclusión de que "la luz blanca en sí es una mezcla no homogénea de luces de colores con diferentes índices de refracción. Esta sorprendente conclusión anuló la anterior". teoría y fue el resultado de la cuidadosa observación y repetición de Newton.
En el proceso de estudiar este problema, Newton también afirmó que si se trata de un telescopio galileano (lente cóncava o lente convexa). o un telescopio Kepler (dos lentes convexas), la estructura en sí no puede evitar la aberración cromática de la lente del objetivo causada por la dispersión. En 2008+0671, descubrió que un espejo de metal cuidadosamente pulido podía aumentar de 30 a 40 veces. envió el espejo a la Royal Society para su conservación. Los telescopios astronómicos gigantes todavía utilizan telescopios newtonianos. p>
La segunda parte de Óptica describe varios experimentos sobre el fenómeno de los anillos de Newton cuando la luz brilla sobre lentes convexas apiladas y vidrio plano. Para explicar las razones de los anillos de crecimiento, hizo todos los experimentos que se le ocurren a los experimentos modernos. Explicó el fenómeno de interferencia como una "repentina" o "coincidencia" de la propagación de la luz, es decir, una fácil reflexión y transmisión periódica. un intervalo de ráfaga de luz de color entre el amarillo y el naranja, que es de 1/89000 pulgadas (es decir, los 2854 × 10-10 metros actuales), que es exactamente la mitad del valor de longitud de onda moderno de 5710 × 10-10 metros.
El tercer artículo sobre óptica habla de "flexión" (él cree que la luz se absorbe), es decir, experimentos de difracción y birrefringencia y sus 31 preguntas. Estos experimentos de difracción incluyen más de 10 experimentos sobre cabello, cuchillas y estrechos monocromáticos. "bandas de luz" formadas por rendijas agudas (ahora llamadas patrones de difracción). Hemos llegado a la puerta de descubrimientos importantes, pero no lo logramos. Esto demuestra que Newton no hizo afirmaciones absolutas antes de que los hechos experimentales y los pensamientos físicos estuvieran maduros. En los capítulos primero y segundo de "Óptica", Newton consideraba la luz como un tipo de luz. Un flujo de materia, un grupo de partículas de diferentes velocidades y tamaños emitidas por una fuente de luz, supuso que estas partículas de luz eran direccionales y. anisotrópico. Porque la teoría ondulatoria de la época no podía explicar la progresión recta de la luz, tiende a decir partículas, pero piensa que las partículas y las ondas son hipotéticas.
En mecánica de fluidos, Newton señaló que la resistencia viscosa. de un fluido es proporcional a la velocidad de corte Directamente proporcional a la velocidad de separación entre las distintas partes del líquido. Los que obedecen esta ley (como el aire y el agua) se denominan fluidos newtonianos.
En términos de calor, la ley de enfriamiento de Newton es que cuando hay una diferencia de temperatura entre la superficie de un objeto y su entorno, el calor perdido por unidad de área por unidad de tiempo es proporcional a esta diferencia de temperatura.
En acústica, señaló que la velocidad del sonido es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la presión atmosférica e inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la densidad. Inicialmente consideró la propagación del sonido como un proceso isotérmico, pero luego P.S. Laplace la revisó como un proceso adiabático.
(4) Pensamientos filosóficos y métodos científicos de Newton.
Los grandes logros de Newton en la ciencia, junto con su sencilla filosofía materialista y un conjunto de sistemas metodológicos físicos que han comenzado a tomar forma, tuvieron un profundo impacto en el desarrollo de la física e incluso de todas las ciencias naturales, y en la industria del siglo XVIII tuvieron un enorme impacto. Aquí sólo se da un breve resumen.
Las opiniones filosóficas de Newton son inseparables de sus logros básicos en mecánica. Trató de explicar todos los fenómenos naturales desde la perspectiva de la mecánica, lo que formó el materialismo espontáneo de Newton en filosofía y también condujo al predominio del mecanicismo. De hecho, Newton consideraba todos los fenómenos, incluidos la química, el calor y la electricidad, como "cosas relacionadas con la atracción o la repulsión". Por ejemplo, fue el primero en desarrollar las afinidades químicas y describió las reacciones de desplazamiento químico como la competencia de dos fuerzas de atracción. Se considera "calor generado por movimiento o fermentación"; la explosión de pólvora es también un proceso en el que partículas como el azufre y el carbono chocan entre sí, se descomponen, liberan calor y se expanden.
Esta visión mecánica, es decir, la visión de que todas las formas de movimiento material se clasifican como movimiento mecánico, adopta una visión absoluta del espacio y el tiempo, el atomismo, y las condiciones iniciales pueden determinar el estado de movimiento en cualquier momento en el futuro. El determinismo mecánico, las leyes causales del desarrollo de las cosas, etc. , que es necesario para explicar los problemas del movimiento mecánico como una forma general de pensar en toda la física. Se puede considerar que Newton fue el primero en establecer un sistema relativamente completo de causalidad física. La causalidad es la piedra angular de la física clásica.
La contribución de Newton a la metodología científica, al igual que su contribución a la física, especialmente a la mecánica, no fue solo la creación de uno o dos nuevos métodos, sino la formación de un sistema metodológico para estudiar las cosas. propuesto. En el principio de Newton, se incorporan los siguientes métodos científicos:
(1) Método de experimentación-teoría-aplicación. Newton dijo en el prefacio de "Principia": "Toda la tarea de la filosofía parece ser estudiar las diversas fuerzas de la naturaleza a partir de diversos fenómenos de movimiento y luego utilizar estos métodos para demostrar otros fenómenos". Newton "hizo principalmente comparaciones repetidas del mundo real con su representación matemática simplificada". Newton fue un maestro en la experimentación y la inducción de material práctico.
(2) Análisis - método integral. El análisis es del todo a la parte (como el cálculo diferencial y la teoría atómica), y la síntesis es de la parte al todo (como la integral, incluida la síntesis del cielo y la tierra, el establecimiento de las tres leyes del movimiento, etc. .). Newton dijo en "Principia": "En ciencias naturales, debería ser como en matemáticas. Al estudiar cosas difíciles, utilice siempre primero métodos analíticos y luego métodos sintéticos. El método sintético supone que se han encontrado las causas. y se definen como principios, y luego estos principios se utilizan para explicar los fenómenos que ocurren y probar la exactitud de estas explicaciones."
(3) Método de deducción inductiva. El método de análisis y síntesis mencionado anteriormente y el método de deducción inductiva se combinan entre sí. Newton comenzó con la observación y la experimentación. "Utilice la inducción para sacar conclusiones comunes", es decir, extraiga conceptos y reglas, luego utilice la deducción para deducir varias conclusiones y luego utilice experimentos para probar, explicar y predecir. La mayoría de estas predicciones resultaron ser ciertas más tarde. Las leyes de Newton expresadas en ese momento se denominaron axiomas, que representaban conclusiones generales extraídas por inducción.
(4) Física - métodos matemáticos. Newton "usó las matemáticas para expresar tantos conceptos y leyes como fuera posible dentro del alcance de la física". Einstein dijo: "Newton fue el primero en encontrar con éxito una base para la expresión explícita en fórmulas. Sobre esta base, utilizó el pensamiento matemático para deducir lógica y cuantitativamente una amplia gama de fenómenos, lo que era consistente con la experiencia". "Sólo la forma de la ley diferencial puede satisfacer plenamente los requisitos de los físicos modernos para la ley de causalidad, y el concepto claro de la ley diferencial es el de Newton.
Los principios metodológicos de Newton se concentran en el Capítulo 3 de "Principia " "Filosofía" Los cuatro principios de la "Regla de inferencia" no se citan aquí. En resumen, se les puede llamar el principio de simplicidad (Regla 1), el principio de causalidad (Regla 2), el principio de universalidad (Regla 2). 3) y el principio de negación (Regla 4), también demuestra las ideas de Newton en el siguiente párrafo llamado principio estructural: “El propósito de la filosofía natural es descubrir las funciones de varias estructuras en la naturaleza y reducirlas, en la medida de lo posible. , a algunas leyes y regulaciones generales: a través de la observación y se utilizan experimentos para establecer estas leyes y deducir la causa y el efecto de las cosas. ".
El pensamiento filosófico y el sistema metodológico de Newton fueron elogiados por Einstein como "el programa de todo trabajador en el campo de la física teórica". Este es un proyecto abierto que guía el progreso de generaciones de científicos. Sin embargo, los pensamientos filosóficos y la metodología de Newton inevitablemente tienen limitaciones obvias y lo incompleto de la época, que es el mayor logro de la ciencia en su infancia. Newton sólo hizo un estudio sistemático preliminar sobre el movimiento mecánico más simple de la materia en ese momento, e hizo absolutos el espacio-tiempo y la materia. Intentar extrapolar la teoría de partículas a todos los campos (como los "anillos de Newton" que ni siquiera él pudo explicar su descubrimiento) fue su talón de Aquiles. Cuando Newton vio que la "causa primera" de las cosas "no era necesariamente mecánica", formuló la pregunta "Estas cosas están tan ordenadas... si parece haber un Dios omnipresente", (Óptica)