Fysiikan historia kevät 2011 Luento 5

Transkriptio

1 Fysiikan historia kevät 2011 Luento 5

2 Newtonin edeltäjiä Rene Descartes ( ) ransk. filosofi, matemaatikko ja fyysikko Halusi selittää maailman rationaalisesti. Yhtä mieltä Galilein kanssa: matematiikka on luonnon kieli Kehitti analyyttisen mekaniikan ( karteesinen koordinaatisto) Kolme liikelakia: Kappale pysyy samassa tilassa, kunnes toinen kappale muuttaa sen tilaa siihen törmätessään. Liikkeen yhteismäärä pysyy samana kappaleiden törmätessä. Liikkeen jatkuvuudesta voidaan johtaa liikkeen alullepanija ja yleinen syy, eli Jumala. Ei uskonut etävoimiin. Tavallisen aineen lisäksi on olemassa plenumia, joka täyttää tyhjän avaruuden. Voima välittyy mekaanisesti plenumin avulla. Tutki myös optiikkaa, esim. sateenkaaren sädekulman (42 astetta).

3 Descartes tutki keskeisliikettä. Hän ajatteli, että kappale pyrkii liikkumaan säteen suuntaisesti ulos radalta. Plenum-teorian mukaan taivaankappaleita ympäröi pienien hiukkasten kiertoliikkeessä olevia vöitä. Pienet hiukkaset ohjaavat törmäyksillään esim. komeettojen liikettä (kuvan ylittävä yhtenäinen suiru). Descartes ajatteli, että valo taittuu rajapinnalla, koska pinta haittaa alasuuntaan tapahtuvaa liikettä.

4 Christiaan Huygens ( ), holl. Jatkoi Galilein töitä, mm kaukoputkien kehittämisessä ja käytössä. Tutki Saturnuksen renkaiden asentoa ja rakennetta. Löysi Saturnuksen suurimman kuun Titanin. Aurinkokunta alkoi hahmottua. Kuvitusta kirjasta Systema Saturnius Titan ja renkaat Tarkkoja kuvia Saturnuksen renkaista , jolloin Aurinko paistoi rengastason suuntaisesti (päiväntasaus).

5 Osoitti, että heilurin maksiminopeuden neliö ~pudotuskorkeus. Osoitti 1667, että mv 2 säilyy kovien pallojen törmäyksessä. Nämä johtivat potentiaali- ja kineettisen energian käsitteisiin. Rakensi ensim. heilurikellon. Esitti heilahdusajan kaavan Ensimmäinen teoreettinen fyysikko: käytti kaavoja. Tutkiessaan planeettojen liiketeoriaa, esitti keskipakovoiman kaavan Ajatteli, että tämä voima pitää planeetat radoillaan. Esitti valon aaltoteorian (tästä myöhemmin lisää).

6 Simon Stevin ( ), holl. Osoitti 1586 (!) kokeellisesti, että eripainoiset kappaleet putoavat samalla tavalla Selitti hydrostaattisen paradoksin eli miksi paine nesteessä ei riipu astian muodosta. Esitti, että vuorovedet johtuvat Kuun painovoimasta Stevinin hautakivessä oleva kuvio. Kuva on päättelystä, jota Stevin käytti osoittaakseen, että tason suuntainen painon komponentti saadaan kertomalla paino kaltevuuskulman sinillä. Stevinin suunnittelema maalla kulkeva purjevene.

7 Isaac Newton ( ) Herätti lapsena huomiota lahjakkuudellaan. Rakenteli vekottimia. Luki paljon. Opiskeli Cambridgessä vuodesta Vuosina kotikonnuilla paiseruttoa paossa. Loi vallankumouksellisten teorioidensa pohjat (diff.int.laskenta, painovoimateoria, optiikka) noina kahtena vuonna. Isaac Barrow luopui matematiikan professuurista (Lucasian-professuuri) Newtonin eduksi Newtonin luennot eivät olleet suosittuja, ei juuri ohjattavia.. Newton teki elämänsä aikana uskomattoman määrän muistiinpanoja. Enimmäkseen teologiasta ja alkemiasta, mutta paljon myös matematiikasta ja fysiikasta.

8 Lucasin professuurin haltijat 1. Isaac Barrow Classics Mathematics 2. Sir Isaac Newton Mathematics Physics 3. William Whiston Mathematics 4. Nicolas Saunderson Mathematics 5. John Colson Mathematics 6. Edward Waring Mathematics 7. Isaac Milner Mathematics Chemistry 8. Robert Woodhouse Mathematics 9. Thomas Turton Mathematics 10. Sir George Airy Astronomy 11. Charles Babbage Mathematics Computing 12. Joshua King Mathematics 13. Sir George Stokes Physics Fluid Mechanics 14. Sir Joseph Larmor Physics 15. Paul Dirac Physics 16. Sir M. James Lighthill Fluid Mechanics 17. Stephen Hawking Theoretical Physics 18. Michael Green Theoretical Physics

9 1693 hermoromahdus, vainoharhaisuutta. Tieteellinen ura loppui töihin rahapajaan, johtaja Royal Societyn presidentiksi loppu elämäkseen. Aateloitiin Kuoli 1727, haudattiin Westminster Abbeyhyn. Nature and Nature's laws lay hid in night: God said, Let Newton be! and all was light. (Hautakirjoitus, A. Pope)

10 Newtonin kuvaus saavutuksistaan ruttovuosina. Newtonin kotitalo Woolsthorpessa

11 Newtonin mekaniikka Principiassa on kolme kirjaa: De motu corporum, Kappalten liikkeistä Sisältää differentiaali- ja integraalilaskennan eli calculuksen esittelyä ja esimerkkejä sovelluksista. Absoluuttinen avaruus ja aika. Newtonin 1. ja 2. laki. Inertiaalijärjestelmän määritelmä, Galilein suhteellisuusperiaate. Edellisen jatko-osa Fysikaalisia esimerkkejä, liike väliaineessa, äänen nopeus, vertailuja koetuloksiin De mundi systemate, Maailmanjärjestelmistä Essee yleisestä painovoimasta. Painovoima kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Soveltaa aurinkokuntaan, laskee Kuun radan säännöllisyyksiä ja epäsäännöllisyyksiä, Keplerin lakien johto ja soveltaminen Jupiterin kuihin, komeettoihin ja vuorovesiin.

12 Newtonin mekaniikka ja painovoimateoria pitivät pintansa 1900-luvun alkuun asti. Yhtään poikkeamaa niistä ei luonnossa nähty (paitsi Merkuriuksen perihelin kiertymä). Einstein paljasti Newtonin teorian rajoitukset ja korvasi Galilein suhteellisuuden uudella. Tärkeä sisältö oli determinismi; jos tiedetään kappaleen liiketila jollakin hetkellä, voidaan liiketila kaikilla muilla hetkillä laskea liikeyhtälöistä. Kvanttimekaniikka horjutti determinismiä 1900-luvulla. Gottfried Wilhelm Leibniz kehitti calculuksen samoihin aikoihin kuin Newton (kiistaa prioriteetista). Hän arvosteli Newtonin absoluuttista avaruutta filosofisesti arveluttavana lähtökohtana. Jätettyään jo tutkimuksen, Newton julkaisi 1704 valooppia käsittelevän kirjan Optics (siitä myöhemmin lisää) Hänen kuolemansa jälkeen ilmestyi 1736 differentiaalija integraalilaskentaa käsittelevä Method of Fluxions (Newton oli kirjoittanut sen 1671).

13 Sivu Principiasta. Huomaa geometrinen esitystapa, calculus otettiin käyttöön myöhemmin.