SIR ISAAC NEWTON – NEJVĚTŠÍ Z NEJVĚTŠÍCH

Pouhý rok po smrti Galilea se narodil Isaac Newton (1643‒1727) – anglický fyzik, matematik a astronom. Je bezesporu jednou z největších osobností světových dějin vědy a v mnoha ohledech géniem fyziky a matematiky. Teprve brilantní spojení fyzikálních a matematických znalostí předurčilo Newtona k nalezení zákonů, jimiž dodnes popisujeme mechaniku pohybů i plánujeme lety do vesmíru.

Newton navázal na své předchůdce, a to především Keplera a Galilea – definoval zákony gravitace a popsal pohybové zákony, jež dodnes spolehlivě určují pohyby těles blízkého (známého) vesmíru. Svojí prací vzal zastáncům geocentrického modelu poslední vítr z plachet a významně přispěl k obecnému přijetí heliocentrického vidění světa v příštích desetiletích. Před argumenty Newtona musela kapitulovat i církev, která postupem času začala (byť velmi pomalu) měnit své oficiální stanovisko na podobu vesmíru.

Newton studoval Cambridge, kde našel zálibu především pro matematiku, fyziku, ale i filozofii. Jeho učitelem a přítelem byl Isaac Barrow, který jako první fakticky definoval v matematice pojem „derivace“. Newton myšlenky svého učitele zdokonalil a během studií tak vynalezl diferenciální a integrální počty i rozvinul teorii gravitace. Po studiích pokračoval ve svých objevech – sestrojil zrcadlový dalekohled, věnoval se teorii světla a optiky obecně.

Otázka prvenství vynálezu zrcadlového dalekohledu zapříčinila i jeden z několika sporů Newtona s Hookem.

Newton definoval, že bílé světlo je směsicí různých druhů barev (dokázal, že jednotlivé jeho barvy lze pomocí hranolu rozložit i zpětně složit) a zastával korpuskulární teorii světla – ve formě přímočarého šíření nesmírně malých částeček.

Newton byl samotářský člověk se složitou povahou a rezervovaností k ženám (nikdy se neoženil). Jeho největším přítelem byl astronom Edmund Halley, který se zasloužil (věcně i finančně) o vydání jeho revoluční knihy Principia.

Halley též zásadním způsobem přispěl k Newtonovu pochopení gravitace – jejich vzájemné rozpravy nad nebeskou mechanikou byly velmi inspirující:

Roku 1681 se na nebi objevila kometa, která se kolem Slunce pohybovala opačným směrem nežli všechny ostatní planety ve Sluneční soustavě. Na základě tohoto jevu tudíž Newton vyvrátil dosavadní Descartovu teorii, že všechny objekty krouží kolem Slunce v důsledku jakéhosi „víru“, jež je tvořen rotujícím éterem. Nová kometa se touto teorií evidentně neřídila, a proto Newton započal pracovat na lepší teorii gravitace.

Poté, co Newton objevil obecný gravitační zákon, Halley na základě tohoto zákona určil trajektorii oné komety a předpověděl, kdy se kometa vrátí! Když se po letech kometa skutečně objevila (Halley již byl mrtev), dostala kometa na jeho počest své jméno – Halleyova kometa.

Newton byl též poslancem anglického parlamentu, stal se předsedou Královské společnosti (nejprestižnější odborná vědecká společnost své doby) a vynalezl mimo jiné i vroubkování okrajů mincí (v boji proti penězokazectví). Za své vědecké zásluhy byl jmenován do šlechtického stavu.

Z pohledu poznání podstaty světa a vesmíru jsou nevýznamnější Newtonovy „zákony“ na poli mechaniky a dynamiky (1687):

1.27.1 ZÁKON SETRVAČNOSTI (1. NEWTONŮV ZÁKON)

Anebo:

První Newtonův zákon říká, že síla není příčinou pohybu, tělesa se pohybují i bez působení sil – takový pohyb je rovnoměrný a přímočarý (nemění se rychlost ani směr pohybu). Těleso zachovává svůj pohybový stav okamžiku, kdy na něj přestala působit síla.

Fenomén setrvávání tělesa ve svém pohybovém stavu se nazývá setrvačností tělesa. Setrvačností se těleso brání proti změně svého pohybového stavu.

Důležité také je, že zákon mluví pouze o vnějších silách. Síly působící mezi částmi tělesa (vnitřní síly) nemají žádný vliv na celkový pohyb tělesa, přesněji řečeno na pohyb jeho těžiště. Pokud se prostorem volně (bez vnějších sil) pohybuje granát a následně exploduje, pak společné těžiště všech vzdalujících se střepin bude nadále vykonávat rovnoměrný přímočarý pohyb!

Jde o důsledek zákona zachování hybnosti, jež plyne ze syntézy všech Newtonových pohybových zákonů.

1.27.2 ZÁKON SÍLY (2. NEWTONŮV ZÁKON)

Jestliže na těleso působí síla – mění se pohybový stav tělesa – rychlost či směr jeho pohybu (případně obojí), respektive těleso se pohybuje se zrychlením, které je přímo úměrné působící síle a nepřímo úměrné hmotnosti tělesa:

Druhý Newtonův pohybový zákon tedy říká, že síla je příčinou změny pohybu, nikoli pohybu jako takového. Na rozdíl od prvního pohybového zákona se tělesa, na která působí síla, nebudou pohybovat rovnoměrně přímočaře, ale jejich pohyb bude zrychlený, zpomalený, bude měnit směr, případně jde o kombinaci těchto možností – zákon kvantifikuje změnu pohybového stavu.

Veličinou p je hybnost, kvantifikuje ji součin rychlosti a hmotnosti p = m v. Hybnost charakterizujeme jako míru pohybu.

V gravitačním poli Země reprezentuje horizontální působení gravitační síly tzv. „tíže“, kde výšeuvedený vztah nabývá podoby F = m g, kde g je gravitační zrychlení na povrchu Země (g = 9,81 m/s²).

1.27.3 ZÁKON AKCE A REAKCE (3. NEWTONŮV ZÁKON)

Třetí Newtonův zákon říká, že působení těles je vždy vzájemné!

1.27.4 GRAVITAČNÍ ZÁKON

Ve své původní podobě Newton formuloval svůj zákon takto:

Dnes vyjadřujeme zákon formou:

Ggravitační konstanta (G ≐ 6,67·10^‒11 N·m²/kg²)

mhmotnost prvního tělesa

Mhmotnost druhého tělesa

rvzdálenost těles

Newton ve své době pochopitelně nevěděl, že jednotkou síly je „Newton“ – jednotka (systému SI) tak byla na jeho počest pojmenována později. Stejně tak neznal hodnotu gravitační konstanty G, kterou určil až Henry Cavendish.

Přestože Newton jako první exaktně formuloval a kvantifikoval působení gravitace, odmítl spekulovat o příčinách gravitačních sil. „Hypotézy nevymýšlím,“ uvedl Newton v této souvislosti s odkazem na zjevnou božskou podstatu gravitace a nebeského uspořádání. Gravitace byla dle Newtona „akcí Boha“.

Newton byl velmi pobožným člověkem a navzdory svému vědeckému myšlení hledal příčinu všeho právě v Boží prozřetelnosti (mimo jiné usilovně studoval i Bibli a snažil se v ní najít „zakódovaný“ letopočet nového příchodu Ježíše Krista).

1.27.5 ABSOLUTNO ČASU A PROSTORU

Newton navázal na představy svých předchůdců o tom, že čas a prostor jsou dvě absolutní, všudypřítomné a homogenní veličiny, které spolu sice úzce souvisí (všechny děje se odehrávají v prostoru a čase), vzájemně se však nijak neovlivňují.

Zakreslíme-li do kartézského grafu souřadnic pohyb tělesa, kde na osu y vyneseme dráhu (prostor) a na osu x časový průběh takového děje – pak „logicky“ očekáváme, že metr i sekunda jsou za všech okolností stejné. Kartézský graf v takovém případě de facto vytváří pevný „drátěný model“ souřadnic v prostoru i čase, do nějž lze zakreslit jakýkoliv děj. Prostor i čas zde tvoří „etalon“ – pevné a neměnné absolutorium, k němuž vztahujeme všechny mechanické děje.

Díky těmto absolutním vlastnostem prostoru a času umíme všichni spočítat mnohé:

• Pohybují-li se dvě vozidla proti sobě po vozovce stejnou rychlostí 50 km/h, pak víme, že se srazí rychlostí 100 km/h.

• Pohybuje-li se jedno vozidlo rychlostí 100 km/h a druhé vozidlo ve stejném směru rychlostí 30 km/h, pak víme, že obě vozidla se od sebe vzdalují rychlostí 70 km/h.

Na této logice absolutního prostoru a času je postavena nejen naše každodenní zkušenost z reálného světa, ale postavil na ní své dílo i Newton a své předpoklady zcela exaktně definoval:

• Absolutní, skutečný, matematický čas probíhá rovnoměrně, sám dle své vlastní přirozenosti, bez jakéhokoliv vztahu k čemukoliv vnějšímu a určuje trvání děje.

• Absolutní prostor, sám dle své vlastní přirozenosti, nemá vztahu k čemukoliv vnějšímu a zůstává vždy stejný a nepohyblivý.

• Místo je část prostoru zaplněná tělesem. Ve vztahu k prostoru je poloha místa absolutní, ve vztahu k jiným místům je poloha místa relativní.

Přestože Newtonova mechanika dodnes spolehlivě řídí lety do vesmíru, v dalších částech knihy budeme muset vnímání prostoru a času přeci jen přehodnotit.