Fysiikan historia kevät 2011 Luento 5
Newtonin edeltäjiä Rene Descartes (1596-1650) 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).
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.
Christiaan Huygens (1629-1695), 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 11.8.2009, jolloin Aurinko paistoi rengastason suuntaisesti (päiväntasaus).
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).
Simon Stevin (1548-1620), 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.
Isaac Newton (1642-1726) Herätti lapsena huomiota lahjakkuudellaan. Rakenteli vekottimia. Luki paljon. Opiskeli Cambridgessä vuodesta 1661. Vuosina 1665-66 kotikonnuilla paiseruttoa paossa. Loi vallankumouksellisten teorioidensa pohjat (diff.int.laskenta, painovoimateoria, optiikka) noina kahtena vuonna. Isaac Barrow luopui matematiikan professuurista (Lucasian-professuuri) Newtonin eduksi 1669. 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.
Lucasin professuurin haltijat 1. Isaac Barrow 1630-1677 1664-1669 Classics Mathematics 2. Sir Isaac Newton 1642-1727 1669-1702 Mathematics Physics 3. William Whiston 1667 1752 1702-1710 Mathematics 4. Nicolas Saunderson 1682-1739 1711-1739 Mathematics 5. John Colson 1680-1760 1739-1760 Mathematics 6. Edward Waring 1736-1798 1760-1798 Mathematics 7. Isaac Milner 1750-1820 1798-1820 Mathematics Chemistry 8. Robert Woodhouse 1773-1827 1820-1822 Mathematics 9. Thomas Turton 1780-1864 1822-1826 Mathematics 10. Sir George Airy 1801-1892 1826-1828 Astronomy 11. Charles Babbage 1792-1871 1828-1839 Mathematics Computing 12. Joshua King 1798-1857 1839-1849 Mathematics 13. Sir George Stokes 1819-1903 1849-1903 Physics Fluid Mechanics 14. Sir Joseph Larmor 1857-1942 1903-1932 Physics 15. Paul Dirac 1902-1984 1932-1969 Physics 16. Sir M. James Lighthill 1924-1969-1980 Fluid Mechanics 17. Stephen Hawking 1942-1980-2009 Theoretical Physics 18. Michael Green 1946-2009- Theoretical Physics
1693 hermoromahdus, vainoharhaisuutta. Tieteellinen ura loppui. 1696 töihin rahapajaan, johtaja 1699. 1703 Royal Societyn presidentiksi loppu elämäkseen. Aateloitiin 1705. 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)
Newtonin kuvaus saavutuksistaan ruttovuosina. Newtonin kotitalo Woolsthorpessa
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.
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).
Sivu Principiasta. Huomaa geometrinen esitystapa, calculus otettiin käyttöön myöhemmin.