Њутнова открића у изолацији

На данашњи дан, 20. марта 1727. умро је енглески физичар, математичар и астроном Исак Њутн, који је открио гравитацију, односно општи закон привлачења маса, чиме је почела нова епоха у механици, небеској механици и астрономији

Пише: Војислав Гледић

Исак Њутн (1642-1727) највећи je математичар, физичар и астроном 17. вијека и један од најзначајнијих истраживача природе у историји. Дао је огроман допринос развоју егзактних наука, посебно математици, механици, оптици и астрономији. Стекао је бесмртну славу својим радом на откривању основних закона природе због чега се сматра утемељивачем класичне физике. Овај знаменити Енглез се, у свом научном раду, надовезао на проучавања својих претходника Коперника, Кеплера, Декарта, Галилеја и Хајгенса. Осим тога, у његовом дјелу је дошла до пуног изражаја примјена експерименталног рада и коришћење емпиријског искуства, као и његова адекватна математичка обрада и интерпретација.

Њутнов нови поглед на свијет је изузетно много утицао на многе касније генерације научника и филозофа и битно опредијелио развој научне мисли све до средине 19. стољећа.

Тек је, наиме, модерна научна теорија, настала у другој половини 19. вијека (електромагнетика) и на почетку 20. стољећа (атомска физика, квантна теорија, теорија релативности) почела да изграђује нове научне области које су знатно прошириле оквире класичне физике.
Њутн је своја врхунска, најзначајнија открића на пољу наука остварио за вријеме пандемије куге која се десила када је био студент у Кембриџу.

Тада је једно вријеме провео у изолацији, у свом родном Вулсторпу како би извјегао погубно дјеловање тадашње велике пошасти. Он се уписао на прву годину студија 5. јуна 1661. године Тринити колеџа (колегијума Светог тројства) у Кембриџу, гдје је провео више деценија свога живота. Примљен је као супсизар, тј. као сиромашан студент који није имао средстава да плаћа студије и издржавање, па је био приморан да себи зарађује новац за живот пружајући помоћ (услуге) наставном особљу (бакалаурима, магистрима, докторима).

Управо када се Њутн налазио у Кембриџу на студијама, у Енглеској је избила катастрофална пандемија куге која је десетковала тамошње становништво. Ова опака заразна болест је харала 1665- 1666. и покосила огроман број становника. Љетње врућине 1665. године, комбиноване са густином становништва, створиле су идеалне услове за ширење пандемије у Лондону,при чему су настале многе веома тешке последице. Да би се заштитили од те опаке заразне болести, богаташи и виша класа су напуштали градско подручје са густо насељеним становништвом како би се унеколико изоловали од клицоноша.

Међутим, сиромашном дијелу становништва Лондона било је забрањено да напушта град . Стога је дио таквих очајника бјежао на усидрене чамце и бродиће богаташа, који су се налазили усред Темзе. Хронике говоре да се вјеровало како су пси и мачке главни преносници болести, па је забиљежено да је Лондон у тим мјесецима био „масовно, застрашујуће губилиште паса и мачака“., У првој седмици септембра 1665. године, према записима у лондонским архивама, регистрована је смрт 5.156 људи. Лешеви су сахрањивани у масовне гробнице, при чему је куга однијела, како се процјењује, укупно око 100.000 живота.

У Кембриџу су владали готово манастирски услови живота, па велике зараза куге није оставиле трагичне последице као у Лондону, јер нису постојала масовна окупљања – студената је било поприлично мало, посебно на групи коју је Њутн студирао. Ево како је тадашње стање у Кембриџу описао један савременик: „Кембриџ је одвратан и толико прљав да је Стара улица, усљед зимског отапања, или вашара о Бартоломеју, послије тешког пљуска била идеално мјесто за чистаче у поређењу с мочварним улицама овог чувеног мјеста, а многе од њих толико су уске да би сурет двоја колица за терет, чак и на најширим дјеловима улица, био довољан за получасовни застој, док се не ријеши свог товара и пусте пролазнике даље.

Зграде су у многим дјеловима града тако мале и ниске да више изгледају као колибе за пигмеје него као куће за људе.“

Због избијања заразе Њутн је напустио мрачне, влажне и неудобне просторије у Кембриџу, посебно свог Тринити колеџа, и отпутовао у родно мјесто на свјеж ваздух. Тако је, стицајем околности, један дио студентског живота провео далеко од универзитета, у свом топлом дому, са мајком, једним полубратом и двије полусестре, гдје је имао изванредно погодне услове за рад и стваралаштво.

Треба напоменути да је Исак рођен након што му је отац преминуо, који се такође звао Исак, послије чега му се мајка Хана поново удала за свештеника Барнабеса Смита. Током претходних година, на студијама у Кембриџу, Њутн се добро упознао са разним научним подручјима, одлично савладао редовне течајеве које је слушао на предавањима, и темељито простудирао многе књиге из математике, механике, оптике, астрономије и филозофије. Веома брзо и лако је улазио у најсложеније проблеме, посебно оне који су у својој основи имали математичку позадину.

Његов генијални смисао за математичко резоновање и теоријско уопштавање испољавао се не само у прихватању и разумијевању туђих учења и достигнућа, него и у сопственим настојањима да проникне у суштину појединих круцијалних научних проблема. Тада је направио много генијалних открића и обавио изванредна истраживања која су му дала огроман материјал којег је током наредних двадесетак година обрађивао и разрвијао. Тиме је направио грандиозне узлете у потпуно нова подручја и ударио темеље областима која су се развијала у наредним стољећима

Њутн је напустио Кембриџ средином августа 1665. године и у свом родном крају се задржао до 25. марта наредне, 1666. године. То је био тадашњи његов први дужи боравак у Вулсторпу у току редовних студија. Затим се на кратко вратио у Кембриџ, гдје се задржао до 22. јуна исте године. Међутим, поново одлази у Вулсторп, у коме је потом, по други пут, боравио до 25. марта 1667. године. Њутново вријеме боравка на селу, у топлој и пријатној домаћој атмосфери, окружен изванредном идиличном околином, представља вријеме када је, заправо, дошао до својих главних научних открића и поставио темеље свом синтетичком учењу које је наставио да развија и усавршава и касније када се вратио у Кембриџ.

Главно подручје његовог тадашњег интересовања била је оптика коју је претходно слушао код свога професора Исака Бароуа (1630-1677) . Ова област га је необично привлачила, а његов професор га је ангажовао не само да му помаже око извођење наставе, већ га је укључио и у рад на писању и обликовању својих предавања која је нешто касније објавио. Оптика је, поред наведеног, Њутна привлачила и из једног много непосреднијег и за њега важнијег разлога: Он се много интересовао за звјездано небо и небеска тијела па му је астрономски посматрачки рад била привлачна сфера његовог дјеловања.

Жеља да самостално посматрана небеске појаве и тијела, да кроз дурбин види сва она чудеса о којима је приповиједао славни Галилеј, као и поједини други пажљиви посматрачи, подстакли су Њутна да направи сопствени дурбин и тако се “приближи” небу и његовим тајнама. Појединости његовог рада на конструкцији првог сопственог дурбина, међутим, нису остале забиљежене. Несумњиво је, међутим, да га је тај подухват подстакнуо да се још више заинтересује за практичну оптику, за њене проблеме које је, у првој фази, рјешавао искључиво искуством, непосредним емпиријским радом. На том пољу се убрзо изванредно извјештио па је сопственим рукама правио разна оптичка сочива и призме које је потом повезивао у сложеније системе.

Каснији рад на изради свог првог астрономског дурбина га је упутио у најсложенију проблематику свих научних области којима је тај велики научник дао врхунске прилоге од трајног значаја. Први проблем са којим се Њутн суочио, када је почео својим малим дурбином да посматра набеска тијела, била је мутна слика коју никако није могао да “избистри”. Када је, током свог боравка у родном Вулсторпу, проблем чистоће оптичке слике дубље простудирао, дошао је до низа закључака и открића о којима је вриједно да се овдје мало детаљније позабавимо. Њутново необично креативно вријеме боравка у родном селу неки биографи, мало поетички, називају “стваралачким одсуством”.

Показало се, након подужег испитивања, да никаква измјена облика сочива нити мајсторство у брушењу, а посебно полирању стаклених површина, не могу, у свим околностима, да отклоне појаву сферне аберације. Њутна је много оптерећивао тај проблем како би могао да што боље и јасније посматра поједине астрономске објекте. Осим тога, појава обојености посебно се јасно испољава када се бијела Сунчева свјетлост пропусти кроз тространу стаклену призму. Њутн је брзо повезао те двије појаве, хроматску аберацију (обојеност ликова у дурбину) и разлагање свјетлости помоћу призме. Појаву је назвао спектром и почео да је систематски експериментално проучава.

Рад на том пољу је (касније) трајао најмање шеснаест година, све до почетка осамдесетих година 17. стољећа, када се посветио проучавању механичких појава и формулисању основних научних принципа. Почетни импулс на том пољу је обавио у Вулсторпу (у вријеме изолације о коме управо говоримо), што га је подстакло и упутило да предузима и друге веома значајна научна испитивања.

У својој соби која је била окренута југу, у родној кући у Вулсторпу, Њутн је извршио прве експерименте у вези са разлагањем бијеле Сунчеве свјетлости. На застору на прозору је пробушио малу рупу кроз коју је пропуштао узак сноп Сунчеве свјетлости која је падала на патос. Потом је ставио тространу призму кроз коју је пропустио наведени сноп и добио спектар којега је потом детаљно проучио. Наиме, након проласка бијеле свјетлости кроз призму, она се разложила на читав низ компоненти сачињених од спектралних нијанси. Слијед разнобојних компоненти се простирао од црвене (на једном крају), па преко жуте, зелене и плаве, до љубичасте боје (на другом крају спектра). Добио је, дакле, необичну “пругу” дугиних боја које су, међутим, постепено прелазиле у друге нијансе стварајући огроман колорит. Њутну је одмах било јасно да је бијала Сунчева свјетлост сачињена од спектралних нејасни, али да ли су оне основне или су сачињене од неких још једноставнијих боја, то питање је он потом рјешавао серијом нових експерименталан испитивања.

Научник је на застору, на коме је добио спектар, начинио веома узану рупицу у облику дужи (у правцу ширине спектра) и тако поново пропуштао поједине боје из спектра на нови заклон (који је био постављен у смјерну продужења наведених зракова). Показало се да је на новом заклону поново добијао оне исте боје које су већ постојале на првом застору. Узалуд је, дакле, Њутн настојао да већ добијене спектралне боје даље разложи – оне се више нису могле разлагати.

С друге стране, Њутн је извршио и синтезу разломљених дугиних боја бијеле свјетлости. То је постигао на неколико начина. Када је, на примјер, разложене боје, добијене послије пролаза кроз тространу стаклену призму, пропустио потом кроз једно сабирно сочиво, у његовој жижи је била скупљена бијела свјетлост, дакле, иста она боја која је и стизала са Сунца (прије разлагања).

Затим је Њутн, да би испитао природу спектра, узео је другу тространу призму једнаку првој, али је поставио у обрнутом смјеру. Дакле, код друге призме је шири дио био постављен у супротном смјеру у односу на прву призму (односно, према ужем дијелу прве), па је кроз те двије призме поново пропуштао бијелу Сунчеву свјетлост. Показало се да је друга призма поново сакупљала расути спектар у бијелу боју. Она је, дакле обављала обрнути поступак у односу на прву призму: док је прва разлагала, друга је “склапала” спектар и тако поново давала првобитну, неразложену бијелу свјетлост.

Најзад, Њутн је бијелу свјетлост добијао и помоћу исте призме којом је разложио, и то тако што је призму брзо ротирао око осе паралелне њеним ивицама. Тиме се, уједно, показало да брзо обртање призме поново скупља разложену бијелу свјетлост.

Оно што је Њутн својим генијалним огледима у Вулсторпу установио, а што нико прије њега није ни наслутио, јесте да је повезао хроматску аберацију са спектралним разлагањем бијеле свјетлости и истовремено установио да су спекталне боје елементарне, тј. неразложиве компоненте бијеле свјетлости, које се, дакле, никаквим даљим поступцима не могу више мијењати. С друге стране, он је обавио изванредно прецизна мјерења положаја и величине (у дужинском дијелу спектра) сваке боје и њених нијанси и установио њихов сталан и неизмјењив положај и величину. Било му је јасно да су боје саставни дјелови свјетлости, да су оне сама природа свјетлости. Прије и за вријеме Њутна о бојама и њиховој природи су владали чудни појмови који су у суштини били засновани на учењу славног грчког филозофа и научника Аристотела још из IV вијека прије наше ере.

Боје су се објашњавале мијешањем таме (мрака) и свјетлости, различитим степеном присуства једне од тих компоненти. Њутн тадашњим експериментима оповргао не само Аристотелово учење него и сва остала тумачења која су била у употреби током претходног развоја оптике, као и у вријеме вршења његових огледа.

Када је добро проучио особине свјетлости и тиме заправо утемељио спектралну анализу као једну од најзначајнијих области физике, Њутн је схватио да се не може направити добар и квалитетан астрономски дурбин који би као објектив имао сабирно сочиво. Када је коначно дошао је до закључка да се одговарајуће сочиво као објектив не може никако направити (касније су научници и оптичари успјели да отклањају разне оптичке недостатке комбинујући више врста материјала за израду стакла и правећи систем сочива разних закривљености и облика), приступио је прављењу нове врсте телескопа. Умјесто да свјетлост пролази кроз стаклена сочива, боље је да се она одбија и сакупља у одговарајућу жижу. Била је то генијална идеја да се умјесто сочива користи издубљено огледало. Кроз сочиво се зраци ломе и не скупљају у једну заједничку тачку (фокус), што условљава настанак дугиних боја (спектра), а огледало одбија свјетлост за све врсте зрака по истом закону и величини (индексу, како се то данас каже). Стога је Њутн приступио изради новог, оригиналног малог астрономског дурбина који је за објектив имао издубљено огледало умјесто сочива.

При томе је морао да се упозна са разним хемијским и металуршким материјалима и методама. Брусио је посебну металну плочу (сачињену од специјалне само њему познате легуре) која је морала да има савршено тачан геометријски облик и изванредну углачаност.

Први телескоп Њутн је направио у Вулсторпу на коме је примијенио богато практично искуство и теоријско знање из оптике. Нови телескоп је за објектив имао сферно издубљено огледало пречника од свега неколико сантиметара, док је тубус био дужине од око 16 центиметара. Иако изванредно мали по димензијама, овим својим инструментом је могао да обавља посматрања која нијесу била много слабија од оних које је Галилеј вршио својим најбољим дурбином (чији објектив је имао 50 мм у пречнику).

Осим тога, у Њутновом телескопу није било сферне ни хроматске оберације, али ипак слика није биле превише чиста из простог разлога што он није могао полирати метално подлогу објектива савршено тачно и прецизно. С друге стране, свјетлост се морала, послије одбијања од објектива, усмјерити ван тубуса коришћењем додатног (помоћног) равног огледала.Оно је било постављено под углом од 45° у односу на главну оптичку осу. Тако добијена свјетлост је потом усмјерена ван телескопа и излазила на бочној страни тубуса (оплате). Како је свјетлост била одбијана од два огледала, она је много губила од свог интензитета. Потом се, на крају, свјетлост усмјеравала на окулар који је имао улогу лупе (вишеструког увећања добијеног лика). Глачајући издубљено огледало Њутн је стекао велико искуство у том раду, али је истовремено упознао и многе хемијске материјале и њихове особине што ће му касније бити од велике користе у његовим хемијским и, нарочито, алхемијским испитивањима и огледима.

Боравећи у питомом амбијенту свога родног села, Њутн је искористио јединствену прилику да малим телескопом посматра звјездано небо, Мјесец и планете. Ноћима је уживао у љепотама звјезданог неба, али је истовремено стално размишљао и о другим кључним теоријским проблемима којима је почео да се бави још у Кембриџу. Посебан проблем је био Земљина тежа којом се раније интензивно Галилеј бавио. С друге стране, Кеплер је дубоко размишљао о планетама и њиховом кретању. Њутн је све то добро знао, али је био дубоко увјерен да постоји један јединствени закон који обухвата све те необичне и на први поглед разнолике појаве. Оно што је посебно важно да се истакне јесте да прије Њутна нико није дубље и свестраније повезивао дјеловање Земљине теже са силом привлачења Сунца и планета. Другим ријечима, земаљске и небеске појаве су биле потпуно одвојене, оне нису имале неке битније, дубље заједничке везе.

Галилеј, на примјер, није се тиме ни бавио, јер га је искључиво интересовало Земљино привлачење. Каплер је о дјеловању силе која одржава све планете у једну сложену заједничку везу сматрао да је слична магнету, али да опада линеарно (пропорционално) са удаљеношћу и да дјелује само у екваторској равни. Њутн је, међутим, стално размишљао о том проблему на много дубљи, студиознији и комплекснији начин; коначно је до рјешења дошао у свом врту сасвим изненада захваљујући посматрању пада једне јабуке.
Сједећи једног послијеподнева у својој башти дубоко замишљен о том шта представља и како дјелује Земљина тежа, Њутна се нагло тргао када је изненада угледао пад једне јабуке у његовој непосредној близини. Зашто јабука увијек пада вертикално на земљу и докле се простире сила која је привлачи? Да ли је та сила слична са оном којом Сунце одржава све планете у једну цјелину и приморава их да се окрећу по елиптичким путањама, како је то Кеплер установио и математички приказао својим законима. Да ли та сила има везе са Мјесечевим обртањем око Земље? Та и многа слична питања су почела веома брзо да се јављају у Њутнопвој свијести. Тако је, заправо, синула једна од најгенијалнијих мисли у историји науке која је усмјерила даљи Њутнов истраживачки рад у смјеру да коначно ријеши један од најтежих и најзначајнијих научних проблема. Суштина Њутнове генијалне идеје јесте да је повезао земаљске проблеме (Земљину тежу) са небеским проблемима (обртању небеских тијела око Сунца). О томе да је заиста пад јабуке подстакао тог великог научника да ријеши проблем гравитације постоји неколико аутентичних свједочанстава. Ево како је Њутн, у својим позним годинама, испричао свом пријатељу научнику Вилијаму Стакилију (објављеним у књизи Сјећања на живот сер Исака Њутна, написаној око 1720. године) околности под којима се родила идеја о рјешењу проблема гравитације:

“Послије ручка (у Лондону код Њутна) била је врућина – написао је Стекили; – ми пређосмо у башту и пили смо чај у сјенци неколико јабука; били смо сами. Између осталог, сер Исак ми је рекао да се налазимо у потпуно истим околностима кад му је први пут пала на памет мисао о гравитацији. Ту мисао је изазвао пад јабуке кад је сједио замишљен. Зашто јабука увијек пада вертикално, помисли он у себи, зашто не косо, него увијек у правцу Земљиног центра. У материји мора постојати привлачна сила која је концентрисана у Земљином центру. Ако материја овако вуче другу материју, онда мора да постоји пропорционалност њеној количини. Стога јабука привлачи Земљу исто онако као што Земља привлачи јабуку. Према томе, мора постојати сила слична оној коју ми називамо тежином, а која се протеже на цијелу васиону.”

Прочитаје ЈОШ:

Последњи сусрет Тесле и Пупина

Придружите нам се на Вајберу и Телеграму: