Fysische wetenschap

Fysica

Mechanica

De strijd om het copernicanisme werd uitgevochten op het gebied van mechanica en astronomie. Het Ptolemeïsch-Aristotelische systeem stond of viel als een monoliet en berustte op het idee van de fixatie van de aarde in het centrum van de kosmos. Door de aarde uit het centrum te verwijderen, werd de leer van natuurlijke beweging en plaats vernietigd, en de cirkelvormige beweging van de aarde was onverenigbaar met de fysica van Aristoteles.

Galileo's bijdragen aan de mechanica-wetenschap hielden rechtstreeks verband met zijn verdediging van het copernicanisme. Hoewel hij in zijn jeugd vasthield aan de traditionele impulsfysica, leidde zijn verlangen om te rekenen op de manier van Archimedes hem ertoe de traditionele benadering te verlaten en de basis te leggen voor een nieuwe fysica die zowel zeer wiskundig was als rechtstreeks verband hield met de problemen waarmee de nieuwe kosmologie. Geïnteresseerd in het vinden van de natuurlijke versnelling van vallende lichamen, kon hij de wet van vrije val afleiden (de afstand, s, varieert als het kwadraat van de tijd, t ²). Door dit resultaat te combineren met zijn rudimentaire vorm van het traagheidsbeginsel, kon hij het parabolische pad van projectielbeweging afleiden. Bovendien stelde zijn traagheidsbeginsel hem in staat om de traditionele fysieke bezwaren tegen de beweging van de aarde aan te gaan: aangezien een lichaam in beweging de neiging heeft in beweging te blijven, zullen projectielen en andere objecten op het aardoppervlak de bewegingen van de aarde delen, wat dus zal zijn onzichtbaar voor iemand die op aarde staat.

De 17e-eeuwse bijdragen aan de mechanica van de Franse filosoof René Descartes gingen, net als zijn bijdragen aan de wetenschappelijke onderneming als geheel, meer over problemen in de grondslagen van de wetenschap dan over de oplossing van specifieke technische problemen. Hij hield zich voornamelijk bezig met de opvattingen van materie en beweging als onderdeel van zijn algemene programma voor wetenschap - namelijk om alle natuurverschijnselen te verklaren in termen van materie en beweging. Dit programma, bekend als de mechanische filosofie, werd het dominante thema van de 17e-eeuwse wetenschap.

Descartes verwierp het idee dat het ene stuk stof via een lege ruimte op het andere zou kunnen werken; in plaats daarvan moeten krachten worden gepropageerd door een materiële substantie, de 'ether', die alle ruimte vult. Hoewel materie de neiging heeft om in een rechte lijn te bewegen in overeenstemming met het traagheidsbeginsel, kan ze geen ruimte innemen die al door andere materie is gevuld, dus de enige soort beweging die daadwerkelijk kan plaatsvinden, is een draaikolk waarin elk deeltje in een ring gelijktijdig beweegt.

Volgens Descartes zijn alle natuurlijke verschijnselen afhankelijk van de botsing van kleine deeltjes, en daarom is het van groot belang om de kwantitatieve impactwetten te ontdekken. Dit werd gedaan door Descartes 'leerling, de Nederlandse natuurkundige Christiaan Huygens, die de wetten van behoud van impuls en van kinetische energie formuleerde (de laatste is alleen geldig voor elastische botsingen).

Het werk van Sir Isaac Newton vertegenwoordigt het hoogtepunt van de wetenschappelijke revolutie aan het einde van de 17e eeuw. Zijn monumentale Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687; Mathematical Principles of Natural Philosophy) loste de grote problemen op die de wetenschappelijke revolutie in de mechanica en de kosmologie met zich meebracht. Het vormde een fysieke basis voor de wetten van Kepler, verenigde hemel- en aardfysica onder één reeks wetten, en legde de problemen en methoden vast die een groot deel van de astronomie en natuurkunde al meer dan een eeuw domineerden. Door middel van het concept van kracht kon Newton twee belangrijke componenten van de wetenschappelijke revolutie synthetiseren, de mechanische filosofie en de wiskunde van de natuur.

Newton kon al deze opvallende resultaten afleiden uit zijn drie bewegingswetten:

1. Ieder lichaam zet zijn rust of beweging voort in een rechte lijn, tenzij het gedwongen wordt om die toestand te veranderen door er kracht op uit te oefenen;

2. De verandering van beweging is evenredig met de onderdrukte aandrijfkracht en wordt gemaakt in de richting van de rechte lijn waarin die kracht onder de indruk is;

3. Op elke actie is er altijd een gelijkwaardige reactie: of, de wederzijdse acties van twee lichamen op elkaar zijn altijd gelijk.

De tweede wet werd in 1750 door de Zwitserse wiskundige Leonhard Euler in zijn moderne vorm F = ma (waarbij a versnelling is). In deze vorm is het duidelijk dat de snelheid waarmee de snelheid verandert recht evenredig is met de kracht die op een lichaam en omgekeerd evenredig met zijn massa.

Om zijn wetten op de astronomie toe te passen, moest Newton de mechanische filosofie uitbreiden tot buiten de door Descartes gestelde grenzen. Hij postuleerde een zwaartekracht tussen twee objecten in het universum, hoewel hij niet kon uitleggen hoe deze kracht kon worden verspreid.

Door middel van zijn bewegingswetten en een zwaartekracht die evenredig is met het inverse kwadraat van de afstand tussen de middelpunten van twee lichamen, kon Newton Kepler's wetten van planetaire beweging afleiden. Galileo's wet van vrije val is ook in overeenstemming met de wetten van Newton. Dezelfde kracht die ervoor zorgt dat objecten dichtbij het aardoppervlak vallen, houdt ook de maan en planeten in hun banen.

De natuurkunde van Newton leidde tot de conclusie dat de vorm van de aarde niet precies bolvormig is, maar zou moeten uitpuilen bij de evenaar. De bevestiging van deze voorspelling door Franse expedities halverwege de 18e eeuw hielp de meeste Europese wetenschappers ervan te overtuigen om van Cartesiaanse naar Newtoniaanse fysica te veranderen. Newton gebruikte ook de niet-sferische vorm van de aarde om de precessie van de equinoxen te verklaren, waarbij hij de differentiële werking van de maan en de zon op de equatoriale uitstulping gebruikte om te laten zien hoe de rotatieas van richting zou veranderen.

Optiek

De optica-wetenschap in de 17e eeuw drukte de fundamentele visie van de wetenschappelijke revolutie uit door een experimentele benadering te combineren met een kwantitatieve analyse van fenomenen. Optica vond zijn oorsprong in Griekenland, vooral in de werken van Euclid (c. 300 vce), die veel van de resultaten in geometrische optica vermeldden die de Grieken hadden ontdekt, inclusief de wet van reflectie: de invalshoek is gelijk aan de hoek van reflectie. In de 13e eeuw overwogen mannen als Roger Bacon, Robert Grosseteste en John Pecham, afhankelijk van het werk van de Arabische Ibn al-Haytham (gestorven c. 1040), tal van optische problemen, waaronder de optica van de regenboog. Het was Kepler, die het voortouw nam in de geschriften van deze 13e-eeuwse opticiens, die in de 17e eeuw de toon zette voor de wetenschap. Kepler introduceerde de puntsgewijze analyse van optische problemen, waarbij hij stralen van elk punt op het object naar een punt op de afbeelding traceerde. Net zoals de mechanische filosofie de wereld in atoomdelen opsplitste, zo benaderde Kepler de optica door de organische realiteit te breken in wat hij beschouwde als uiteindelijk echte eenheden. Hij ontwikkelde een geometrische theorie van lenzen, die het eerste wiskundige verslag van de telescoop van Galileo leverde.

Descartes probeerde de verschijnselen van licht in de mechanische filosofie op te nemen door aan te tonen dat ze volledig kunnen worden verklaard in termen van materie en beweging. Met behulp van mechanische analogieën kon hij veel van de bekende eigenschappen van licht wiskundig afleiden, waaronder de wet van reflectie en de nieuw ontdekte wet van breking.

Veel van de belangrijkste bijdragen aan de optica in de 17e eeuw waren het werk van Newton, vooral de kleurentheorie. Volgens de traditionele theorie waren kleuren het resultaat van de wijziging van wit licht. Zo dacht Descartes dat kleuren het resultaat waren van de spin van de deeltjes die licht vormen. Newton verstoorde de traditionele theorie van kleuren door in een indrukwekkende reeks experimenten aan te tonen dat wit licht een mengsel is waaruit afzonderlijke bundels van gekleurd licht kunnen worden gescheiden. Hij associeerde verschillende graden van herschikking met stralen van verschillende kleuren, en op deze manier kon hij uitleggen hoe prisma's spectra van kleuren produceren uit wit licht.

Zijn experimentele methode werd gekenmerkt door een kwantitatieve benadering, omdat hij altijd op zoek was naar meetbare variabelen en een duidelijk onderscheid tussen experimentele bevindingen en mechanische verklaringen voor die bevindingen. Zijn tweede belangrijke bijdrage aan de optica betrof de interferentiefenomenen die de 'Newton-ringen' werden genoemd. Hoewel de kleuren van dunne films (bijv. Olie op water) eerder waren waargenomen, had niemand geprobeerd de verschijnselen op enigerlei wijze te kwantificeren. Newton observeerde kwantitatieve relaties tussen de dikte van de film en de diameters van de kleurringen, een regelmaat die hij probeerde te verklaren door zijn theorie van aanvallen van gemakkelijke transmissie en aanvallen van gemakkelijke reflectie. Ondanks het feit dat hij licht over het algemeen als deeltjes beschouwde, omvat Newton's theorie van toevallen periodiciteit en trillingen van ether, de hypothetische vloeibare substantie die de hele ruimte doordringt (zie hierboven).

Huygens was de tweede grote optische denker van de 17e eeuw. Hoewel hij kritisch was over veel details van Descartes 'systeem, schreef hij in de Cartesiaanse traditie, op zoek naar puur mechanische verklaringen van verschijnselen. Huygens beschouwde licht als iets van een pulsfenomeen, maar hij ontkende expliciet de periodiciteit van lichtpulsen. Hij ontwikkelde het concept van golffront, waarmee hij de wetten van reflectie en refractie kon afleiden uit zijn pulstheorie en het recent ontdekte fenomeen dubbele refractie kon verklaren.