Njutnova otkrića u izolaciji

Na današnji dan, 20. marta 1727. umro je engleski fizičar, matematičar i astronom Isak Njutn, koji je otkrio gravitaciju, odnosno opšti zakon privlačenja masa, čime je počela nova epoha u mehanici, nebeskoj mehanici i astronomiji

Piše: Vojislav Gledić

Isak Njutn (1642-1727) najveći je matematičar, fizičar i astronom 17. vijeka i jedan od najznačajnijih istraživača prirode u istoriji. Dao je ogroman doprinos razvoju egzaktnih nauka, posebno matematici, mehanici, optici i astronomiji. Stekao je besmrtnu slavu svojim radom na otkrivanju osnovnih zakona prirode zbog čega se smatra utemeljivačem klasične fizike. Ovaj znameniti Englez se, u svom naučnom radu, nadovezao na proučavanja svojih prethodnika Kopernika, Keplera, Dekarta, Galileja i Hajgensa. Osim toga, u njegovom djelu je došla do punog izražaja primjena eksperimentalnog rada i korišćenje empirijskog iskustva, kao i njegova adekvatna matematička obrada i interpretacija.

Njutnov novi pogled na svijet je izuzetno mnogo uticao na mnoge kasnije generacije naučnika i filozofa i bitno opredijelio razvoj naučne misli sve do sredine 19. stoljeća.

Tek je, naime, moderna naučna teorija, nastala u drugoj polovini 19. vijeka (elektromagnetika) i na početku 20. stoljeća (atomska fizika, kvantna teorija, teorija relativnosti) počela da izgrađuje nove naučne oblasti koje su znatno proširile okvire klasične fizike.
Njutn je svoja vrhunska, najznačajnija otkrića na polju nauka ostvario za vrijeme pandemije kuge koja se desila kada je bio student u Kembridžu.

Tada je jedno vrijeme proveo u izolaciji, u svom rodnom Vulstorpu kako bi izvjegao pogubno djelovanje tadašnje velike pošasti. On se upisao na prvu godinu studija 5. juna 1661. godine Triniti koledža (kolegijuma Svetog trojstva) u Kembridžu, gdje je proveo više decenija svoga života. Primljen je kao supsizar, tj. kao siromašan student koji nije imao sredstava da plaća studije i izdržavanje, pa je bio primoran da sebi zarađuje novac za život pružajući pomoć (usluge) nastavnom osoblju (bakalaurima, magistrima, doktorima).

Upravo kada se Njutn nalazio u Kembridžu na studijama, u Engleskoj je izbila katastrofalna pandemija kuge koja je desetkovala tamošnje stanovništvo. Ova opaka zarazna bolest je harala 1665- 1666. i pokosila ogroman broj stanovnika. Ljetnje vrućine 1665. godine, kombinovane sa gustinom stanovništva, stvorile su idealne uslove za širenje pandemije u Londonu,pri čemu su nastale mnoge veoma teške posledice. Da bi se zaštitili od te opake zarazne bolesti, bogataši i viša klasa su napuštali gradsko područje sa gusto naseljenim stanovništvom kako bi se unekoliko izolovali od kliconoša.

Međutim, siromašnom dijelu stanovništva Londona bilo je zabranjeno da napušta grad . Stoga je dio takvih očajnika bježao na usidrene čamce i brodiće bogataša, koji su se nalazili usred Temze. Hronike govore da se vjerovalo kako su psi i mačke glavni prenosnici bolesti, pa je zabilježeno da je London u tim mjesecima bio „masovno, zastrašujuće gubilište pasa i mačaka“., U prvoj sedmici septembra 1665. godine, prema zapisima u londonskim arhivama, registrovana je smrt 5.156 ljudi. Leševi su sahranjivani u masovne grobnice, pri čemu je kuga odnijela, kako se procjenjuje, ukupno oko 100.000 života.

U Kembridžu su vladali gotovo manastirski uslovi života, pa velike zaraza kuge nije ostavile tragične posledice kao u Londonu, jer nisu postojala masovna okupljanja – studenata je bilo poprilično malo, posebno na grupi koju je Njutn studirao. Evo kako je tadašnje stanje u Kembridžu opisao jedan savremenik: „Kembridž je odvratan i toliko prljav da je Stara ulica, usljed zimskog otapanja, ili vašara o Bartolomeju, poslije teškog pljuska bila idealno mjesto za čistače u poređenju s močvarnim ulicama ovog čuvenog mjesta, a mnoge od njih toliko su uske da bi suret dvoja kolica za teret, čak i na najširim djelovima ulica, bio dovoljan za polučasovni zastoj, dok se ne riješi svog tovara i puste prolaznike dalje.

Zgrade su u mnogim djelovima grada tako male i niske da više izgledaju kao kolibe za pigmeje nego kao kuće za ljude.“

Zbog izbijanja zaraze Njutn je napustio mračne, vlažne i neudobne prostorije u Kembridžu, posebno svog Triniti koledža, i otputovao u rodno mjesto na svjež vazduh. Tako je, sticajem okolnosti, jedan dio studentskog života proveo daleko od univerziteta, u svom toplom domu, sa majkom, jednim polubratom i dvije polusestre, gdje je imao izvanredno pogodne uslove za rad i stvaralaštvo.

Treba napomenuti da je Isak rođen nakon što mu je otac preminuo, koji se takođe zvao Isak, poslije čega mu se majka Hana ponovo udala za sveštenika Barnabesa Smita. Tokom prethodnih godina, na studijama u Kembridžu, Njutn se dobro upoznao sa raznim naučnim područjima, odlično savladao redovne tečajeve koje je slušao na predavanjima, i temeljito prostudirao mnoge knjige iz matematike, mehanike, optike, astronomije i filozofije. Veoma brzo i lako je ulazio u najsloženije probleme, posebno one koji su u svojoj osnovi imali matematičku pozadinu.

Njegov genijalni smisao za matematičko rezonovanje i teorijsko uopštavanje ispoljavao se ne samo u prihvatanju i razumijevanju tuđih učenja i dostignuća, nego i u sopstvenim nastojanjima da pronikne u suštinu pojedinih krucijalnih naučnih problema. Tada je napravio mnogo genijalnih otkrića i obavio izvanredna istraživanja koja su mu dala ogroman materijal kojeg je tokom narednih dvadesetak godina obrađivao i razrvijao. Time je napravio grandiozne uzlete u potpuno nova područja i udario temelje oblastima koja su se razvijala u narednim stoljećima

Njutn je napustio Kembridž sredinom avgusta 1665. godine i u svom rodnom kraju se zadržao do 25. marta naredne, 1666. godine. To je bio tadašnji njegov prvi duži boravak u Vulstorpu u toku redovnih studija. Zatim se na kratko vratio u Kembridž, gdje se zadržao do 22. juna iste godine. Međutim, ponovo odlazi u Vulstorp, u kome je potom, po drugi put, boravio do 25. marta 1667. godine. Njutnovo vrijeme boravka na selu, u toploj i prijatnoj domaćoj atmosferi, okružen izvanrednom idiličnom okolinom, predstavlja vrijeme kada je, zapravo, došao do svojih glavnih naučnih otkrića i postavio temelje svom sintetičkom učenju koje je nastavio da razvija i usavršava i kasnije kada se vratio u Kembridž.

Glavno područje njegovog tadašnjeg interesovanja bila je optika koju je prethodno slušao kod svoga profesora Isaka Baroua (1630-1677) . Ova oblast ga je neobično privlačila, a njegov profesor ga je angažovao ne samo da mu pomaže oko izvođenje nastave, već ga je uključio i u rad na pisanju i oblikovanju svojih predavanja koja je nešto kasnije objavio. Optika je, pored navedenog, Njutna privlačila i iz jednog mnogo neposrednijeg i za njega važnijeg razloga: On se mnogo interesovao za zvjezdano nebo i nebeska tijela pa mu je astronomski posmatrački rad bila privlačna sfera njegovog djelovanja.

Želja da samostalno posmatrana nebeske pojave i tijela, da kroz durbin vidi sva ona čudesa o kojima je pripovijedao slavni Galilej, kao i pojedini drugi pažljivi posmatrači, podstakli su Njutna da napravi sopstveni durbin i tako se “približi” nebu i njegovim tajnama. Pojedinosti njegovog rada na konstrukciji prvog sopstvenog durbina, međutim, nisu ostale zabilježene. Nesumnjivo je, međutim, da ga je taj poduhvat podstaknuo da se još više zainteresuje za praktičnu optiku, za njene probleme koje je, u prvoj fazi, rješavao isključivo iskustvom, neposrednim empirijskim radom. Na tom polju se ubrzo izvanredno izvještio pa je sopstvenim rukama pravio razna optička sočiva i prizme koje je potom povezivao u složenije sisteme.

Kasniji rad na izradi svog prvog astronomskog durbina ga je uputio u najsloženiju problematiku svih naučnih oblasti kojima je taj veliki naučnik dao vrhunske priloge od trajnog značaja. Prvi problem sa kojim se Njutn suočio, kada je počeo svojim malim durbinom da posmatra nabeska tijela, bila je mutna slika koju nikako nije mogao da “izbistri”. Kada je, tokom svog boravka u rodnom Vulstorpu, problem čistoće optičke slike dublje prostudirao, došao je do niza zaključaka i otkrića o kojima je vrijedno da se ovdje malo detaljnije pozabavimo. Njutnovo neobično kreativno vrijeme boravka u rodnom selu neki biografi, malo poetički, nazivaju “stvaralačkim odsustvom”.

Pokazalo se, nakon podužeg ispitivanja, da nikakva izmjena oblika sočiva niti majstorstvo u brušenju, a posebno poliranju staklenih površina, ne mogu, u svim okolnostima, da otklone pojavu sferne aberacije. Njutna je mnogo opterećivao taj problem kako bi mogao da što bolje i jasnije posmatra pojedine astronomske objekte. Osim toga, pojava obojenosti posebno se jasno ispoljava kada se bijela Sunčeva svjetlost propusti kroz trostranu staklenu prizmu. Njutn je brzo povezao te dvije pojave, hromatsku aberaciju (obojenost likova u durbinu) i razlaganje svjetlosti pomoću prizme. Pojavu je nazvao spektrom i počeo da je sistematski eksperimentalno proučava.

Rad na tom polju je (kasnije) trajao najmanje šesnaest godina, sve do početka osamdesetih godina 17. stoljeća, kada se posvetio proučavanju mehaničkih pojava i formulisanju osnovnih naučnih principa. Početni impuls na tom polju je obavio u Vulstorpu (u vrijeme izolacije o kome upravo govorimo), što ga je podstaklo i uputilo da preduzima i druge veoma značajna naučna ispitivanja.

U svojoj sobi koja je bila okrenuta jugu, u rodnoj kući u Vulstorpu, Njutn je izvršio prve eksperimente u vezi sa razlaganjem bijele Sunčeve svjetlosti. Na zastoru na prozoru je probušio malu rupu kroz koju je propuštao uzak snop Sunčeve svjetlosti koja je padala na patos. Potom je stavio trostranu prizmu kroz koju je propustio navedeni snop i dobio spektar kojega je potom detaljno proučio. Naime, nakon prolaska bijele svjetlosti kroz prizmu, ona se razložila na čitav niz komponenti sačinjenih od spektralnih nijansi. Slijed raznobojnih komponenti se prostirao od crvene (na jednom kraju), pa preko žute, zelene i plave, do ljubičaste boje (na drugom kraju spektra). Dobio je, dakle, neobičnu “prugu” duginih boja koje su, međutim, postepeno prelazile u druge nijanse stvarajući ogroman kolorit. Njutnu je odmah bilo jasno da je bijala Sunčeva svjetlost sačinjena od spektralnih nejasni, ali da li su one osnovne ili su sačinjene od nekih još jednostavnijih boja, to pitanje je on potom rješavao serijom novih eksperimentalan ispitivanja.

Naučnik je na zastoru, na kome je dobio spektar, načinio veoma uzanu rupicu u obliku duži (u pravcu širine spektra) i tako ponovo propuštao pojedine boje iz spektra na novi zaklon (koji je bio postavljen u smjernu produženja navedenih zrakova). Pokazalo se da je na novom zaklonu ponovo dobijao one iste boje koje su već postojale na prvom zastoru. Uzalud je, dakle, Njutn nastojao da već dobijene spektralne boje dalje razloži – one se više nisu mogle razlagati.

S druge strane, Njutn je izvršio i sintezu razlomljenih duginih boja bijele svjetlosti. To je postigao na nekoliko načina. Kada je, na primjer, razložene boje, dobijene poslije prolaza kroz trostranu staklenu prizmu, propustio potom kroz jedno sabirno sočivo, u njegovoj žiži je bila skupljena bijela svjetlost, dakle, ista ona boja koja je i stizala sa Sunca (prije razlaganja).

Zatim je Njutn, da bi ispitao prirodu spektra, uzeo je drugu trostranu prizmu jednaku prvoj, ali je postavio u obrnutom smjeru. Dakle, kod druge prizme je širi dio bio postavljen u suprotnom smjeru u odnosu na prvu prizmu (odnosno, prema užem dijelu prve), pa je kroz te dvije prizme ponovo propuštao bijelu Sunčevu svjetlost. Pokazalo se da je druga prizma ponovo sakupljala rasuti spektar u bijelu boju. Ona je, dakle obavljala obrnuti postupak u odnosu na prvu prizmu: dok je prva razlagala, druga je “sklapala” spektar i tako ponovo davala prvobitnu, nerazloženu bijelu svjetlost.

Najzad, Njutn je bijelu svjetlost dobijao i pomoću iste prizme kojom je razložio, i to tako što je prizmu brzo rotirao oko ose paralelne njenim ivicama. Time se, ujedno, pokazalo da brzo obrtanje prizme ponovo skuplja razloženu bijelu svjetlost.

Ono što je Njutn svojim genijalnim ogledima u Vulstorpu ustanovio, a što niko prije njega nije ni naslutio, jeste da je povezao hromatsku aberaciju sa spektralnim razlaganjem bijele svjetlosti i istovremeno ustanovio da su spektalne boje elementarne, tj. nerazložive komponente bijele svjetlosti, koje se, dakle, nikakvim daljim postupcima ne mogu više mijenjati. S druge strane, on je obavio izvanredno precizna mjerenja položaja i veličine (u dužinskom dijelu spektra) svake boje i njenih nijansi i ustanovio njihov stalan i neizmjenjiv položaj i veličinu. Bilo mu je jasno da su boje sastavni djelovi svjetlosti, da su one sama priroda svjetlosti. Prije i za vrijeme Njutna o bojama i njihovoj prirodi su vladali čudni pojmovi koji su u suštini bili zasnovani na učenju slavnog grčkog filozofa i naučnika Aristotela još iz IV vijeka prije naše ere.

Boje su se objašnjavale miješanjem tame (mraka) i svjetlosti, različitim stepenom prisustva jedne od tih komponenti. Njutn tadašnjim eksperimentima opovrgao ne samo Aristotelovo učenje nego i sva ostala tumačenja koja su bila u upotrebi tokom prethodnog razvoja optike, kao i u vrijeme vršenja njegovih ogleda.

Kada je dobro proučio osobine svjetlosti i time zapravo utemeljio spektralnu analizu kao jednu od najznačajnijih oblasti fizike, Njutn je shvatio da se ne može napraviti dobar i kvalitetan astronomski durbin koji bi kao objektiv imao sabirno sočivo. Kada je konačno došao je do zaključka da se odgovarajuće sočivo kao objektiv ne može nikako napraviti (kasnije su naučnici i optičari uspjeli da otklanjaju razne optičke nedostatke kombinujući više vrsta materijala za izradu stakla i praveći sistem sočiva raznih zakrivljenosti i oblika), pristupio je pravljenju nove vrste teleskopa. Umjesto da svjetlost prolazi kroz staklena sočiva, bolje je da se ona odbija i sakuplja u odgovarajuću žižu. Bila je to genijalna ideja da se umjesto sočiva koristi izdubljeno ogledalo. Kroz sočivo se zraci lome i ne skupljaju u jednu zajedničku tačku (fokus), što uslovljava nastanak duginih boja (spektra), a ogledalo odbija svjetlost za sve vrste zraka po istom zakonu i veličini (indeksu, kako se to danas kaže). Stoga je Njutn pristupio izradi novog, originalnog malog astronomskog durbina koji je za objektiv imao izdubljeno ogledalo umjesto sočiva.

Pri tome je morao da se upozna sa raznim hemijskim i metalurškim materijalima i metodama. Brusio je posebnu metalnu ploču (sačinjenu od specijalne samo njemu poznate legure) koja je morala da ima savršeno tačan geometrijski oblik i izvanrednu uglačanost.

Prvi teleskop Njutn je napravio u Vulstorpu na kome je primijenio bogato praktično iskustvo i teorijsko znanje iz optike. Novi teleskop je za objektiv imao sferno izdubljeno ogledalo prečnika od svega nekoliko santimetara, dok je tubus bio dužine od oko 16 centimetara. Iako izvanredno mali po dimenzijama, ovim svojim instrumentom je mogao da obavlja posmatranja koja nijesu bila mnogo slabija od onih koje je Galilej vršio svojim najboljim durbinom (čiji objektiv je imao 50 mm u prečniku).

Osim toga, u Njutnovom teleskopu nije bilo sferne ni hromatske oberacije, ali ipak slika nije bile previše čista iz prostog razloga što on nije mogao polirati metalno podlogu objektiva savršeno tačno i precizno. S druge strane, svjetlost se morala, poslije odbijanja od objektiva, usmjeriti van tubusa korišćenjem dodatnog (pomoćnog) ravnog ogledala.Ono je bilo postavljeno pod uglom od 45° u odnosu na glavnu optičku osu. Tako dobijena svjetlost je potom usmjerena van teleskopa i izlazila na bočnoj strani tubusa (oplate). Kako je svjetlost bila odbijana od dva ogledala, ona je mnogo gubila od svog intenziteta. Potom se, na kraju, svjetlost usmjeravala na okular koji je imao ulogu lupe (višestrukog uvećanja dobijenog lika). Glačajući izdubljeno ogledalo Njutn je stekao veliko iskustvo u tom radu, ali je istovremeno upoznao i mnoge hemijske materijale i njihove osobine što će mu kasnije biti od velike koriste u njegovim hemijskim i, naročito, alhemijskim ispitivanjima i ogledima.

Boraveći u pitomom ambijentu svoga rodnog sela, Njutn je iskoristio jedinstvenu priliku da malim teleskopom posmatra zvjezdano nebo, Mjesec i planete. Noćima je uživao u ljepotama zvjezdanog neba, ali je istovremeno stalno razmišljao i o drugim ključnim teorijskim problemima kojima je počeo da se bavi još u Kembridžu. Poseban problem je bio Zemljina teža kojom se ranije intenzivno Galilej bavio. S druge strane, Kepler je duboko razmišljao o planetama i njihovom kretanju. Njutn je sve to dobro znao, ali je bio duboko uvjeren da postoji jedan jedinstveni zakon koji obuhvata sve te neobične i na prvi pogled raznolike pojave. Ono što je posebno važno da se istakne jeste da prije Njutna niko nije dublje i svestranije povezivao djelovanje Zemljine teže sa silom privlačenja Sunca i planeta. Drugim riječima, zemaljske i nebeske pojave su bile potpuno odvojene, one nisu imale neke bitnije, dublje zajedničke veze.

Galilej, na primjer, nije se time ni bavio, jer ga je isključivo interesovalo Zemljino privlačenje. Kapler je o djelovanju sile koja održava sve planete u jednu složenu zajedničku vezu smatrao da je slična magnetu, ali da opada linearno (proporcionalno) sa udaljenošću i da djeluje samo u ekvatorskoj ravni. Njutn je, međutim, stalno razmišljao o tom problemu na mnogo dublji, studiozniji i kompleksniji način; konačno je do rješenja došao u svom vrtu sasvim iznenada zahvaljujući posmatranju pada jedne jabuke.
Sjedeći jednog poslijepodneva u svojoj bašti duboko zamišljen o tom šta predstavlja i kako djeluje Zemljina teža, Njutna se naglo trgao kada je iznenada ugledao pad jedne jabuke u njegovoj neposrednoj blizini. Zašto jabuka uvijek pada vertikalno na zemlju i dokle se prostire sila koja je privlači? Da li je ta sila slična sa onom kojom Sunce održava sve planete u jednu cjelinu i primorava ih da se okreću po eliptičkim putanjama, kako je to Kepler ustanovio i matematički prikazao svojim zakonima. Da li ta sila ima veze sa Mjesečevim obrtanjem oko Zemlje? Ta i mnoga slična pitanja su počela veoma brzo da se javljaju u Njutnopvoj svijesti. Tako je, zapravo, sinula jedna od najgenijalnijih misli u istoriji nauke koja je usmjerila dalji Njutnov istraživački rad u smjeru da konačno riješi jedan od najtežih i najznačajnijih naučnih problema. Suština Njutnove genijalne ideje jeste da je povezao zemaljske probleme (Zemljinu težu) sa nebeskim problemima (obrtanju nebeskih tijela oko Sunca). O tome da je zaista pad jabuke podstakao tog velikog naučnika da riješi problem gravitacije postoji nekoliko autentičnih svjedočanstava. Evo kako je Njutn, u svojim poznim godinama, ispričao svom prijatelju naučniku Vilijamu Stakiliju (objavljenim u knjizi Sjećanja na život ser Isaka Njutna, napisanoj oko 1720. godine) okolnosti pod kojima se rodila ideja o rješenju problema gravitacije:

“Poslije ručka (u Londonu kod Njutna) bila je vrućina – napisao je Stekili; – mi pređosmo u baštu i pili smo čaj u sjenci nekoliko jabuka; bili smo sami. Između ostalog, ser Isak mi je rekao da se nalazimo u potpuno istim okolnostima kad mu je prvi put pala na pamet misao o gravitaciji. Tu misao je izazvao pad jabuke kad je sjedio zamišljen. Zašto jabuka uvijek pada vertikalno, pomisli on u sebi, zašto ne koso, nego uvijek u pravcu Zemljinog centra. U materiji mora postojati privlačna sila koja je koncentrisana u Zemljinom centru. Ako materija ovako vuče drugu materiju, onda mora da postoji proporcionalnost njenoj količini. Stoga jabuka privlači Zemlju isto onako kao što Zemlja privlači jabuku. Prema tome, mora postojati sila slična onoj koju mi nazivamo težinom, a koja se proteže na cijelu vasionu.”

Pročitaje JOŠ:

Poslednji susret Tesle i Pupina