Один из двух величайших физиков Альберт Эйнштейн сказал о другом: «Фигура Ньютона означает больше, чем это вытекает из его собственных заслуг, ибо самой судьбой он был поставлен на поворотном пункте умственного развития человечества». Ньютон появился именно тогда, когда человечество нуждалось в целостном, реалистическом и вместе с тем вдохновенном взгляде на мир. Он смотрел на него как ученый и художник, и мир открывал ему свои тайны.
Детство и родители Ньютона. А также аптекарские пузырьки, солнечные часы и несостоявшийся фермер
Будущий ученый родился 25 декабря 1642 года (4 января 1643 года по григорианскому календарю). Произошло это в Вулсторпе в английском графстве Линкольншир. Младенец появился на свет намного раньше срока и был настолько мал, что, по воспоминаниям матери Анны Эйскоу, его можно было выкупать в большой пивной кружке. Две знакомые женщины, посланные за лекарством для новорожденного, боялись по возвращении не застать его в живых. Но он выжил. Позже, уже став взрослым, Ньютон считал особым знаком судьбы свое появление на свет в Рождество.
Ребенка крестили и дали ему имя Исаак: так звали его отца, фермера средней руки, скончавшегося за три месяца до рождения сына. Когда мальчику исполнилось три года, мать его вышла замуж за священника, поручив заботу о внуке бабушке.
В двенадцать лет Исааку пришлось покинуть родной дом: после начальной школы в Вулсторпе его определили в общественную школу в городе Грантеме, где он поселился на квартире у местного аптекаря. Склянки с лекарствами пробудили в подростке интерес к химии, но поначалу школьная учеба ему, деревенскому мальчишке, не давалась. Однако вскоре случилась одна неприятность: Исаака побил первый ученик в классе. Разумеется, тому захотелось отомстить. Но как? И тут Ньютона осенило: отомстить обидчику можно, если перегнать его в учебе. И этот план он осуществил!
Усердно заниматься Исааку нравилось, и гораздо больше чем проводить время на улице со сверстниками, он любил мастерить какие-нибудь приспособления. Он сделал самокат, управлявшийся по принципу дрезины, водяные часы, где стрелка двигалась под действием деревянного бруска, на который падали крупные капли воды, и даже соорудил маленькую мельницу, колесо которой крутила живая мышь, тянувшаяся за мешочком с зерном. В доме аптекаря Исааком восхищались и всячески способствовали развитию его интересов.
Но когда Ньютону исполнилось четырнадцать лет, умер отчим. Мать с тремя детьми от второго брака вернулась в свой дом и позвала к себе пятнадцатилетнего сына: платить за его учебу и комнату стало нечем, а необходимое образование он, как считалось, уже получил. К тому же в их небольшом фермерском хозяйстве требовался помощник. Исаака стали отправлять в город на рынок торговать тем, что выращивала семья, а он, переложив свои торговые обязанности на сопровождавшего его слугу, сбегал к аптекарю. Если же мальчику поручали пасти скотину, он сидел под деревом с книгой, а животные уходили в посевы и ели пшеницу. Зато «непутевый» мальчишка мог мастерить водяные колеса и солнечные часы, рисовал акварелью и сочинял стихи, поэтому мать спустя некоторое время все же решила отправить его продолжать учебу.
Учеба в Кембридже. Геометрия, увеличительные стекла и яблоневый сад
По совету дяди-священника Ньютон в 1660 году поступил в Колледж Святой Троицы, известный также как Тринити-колледж Кембриджского университета. Его освободили от платы за учебу, но, как всех неимущих студентов, обязали выполнять некоторые работы в университете или оказывать разнообразную помощь старшекурсникам. Поначалу Исаак мог посещать только некоторые лекции, но в 1664 году, успешно сдав экзамены, стал наконец «полноценным» студентом и начал получать стипендию. Мало интересовавшийся чем-то кроме науки, он принялся активно заниматься арифметикой, геометрией, астрономией, оптикой. И словно в продолжение своего отроческого увлечения механическими устройствами, которые он мастерил, принялся шлифовать увеличительные стекла и зеркала. Купив дорогую стеклянную призму, Ньютон приступил к опытам со светом, которые в результате привели его к открытию такого явления, как дисперсия. Тогда же он, под влиянием лекций нового преподавателя Исаака Барроу, с удвоенной силой занялся математикой и быстро достиг в этой науке успехов.
Занятия в колледже были прерваны вспыхнувшей эпидемией чумы: в 1665 году университет закрыли, и Ньютону пришлось уехать домой. Там, в родной деревне, он пережил настоящий творческий взлет, проводя, в частности, оптические эксперименты. Из-за отсутствия нужных книг и инструментов он больше, чем ранее, отдавался размышлениям о научных материях, систематизируя и анализируя уже имеющиеся у него знания и совершая смелые прозрения.
Научные открытия и изобретения Ньютона. Притяжение предметов, цветная полоска на стене и телескоп с зеркалами
- Закон всемирного тяготения
К тому моменту, когда Ньютон вынужден был вернуться в Вулсторп, он уже некоторое время задумывался над одним вопросом, возникавшим у ученых с давних времен: каким законам подчиняются падающие на землю тела? Размышления Ньютона подстегнул случай, впоследствии ставший известной легендой об этом ученом.
Его друг, врач Уильям Стакли, спустя годы писал в своей книге «Воспоминания о жизни Ньютона»: «После обеда установилась теплая погода, мы вышли в сад и пили чай в тени яблонь. Он сказал мне, что мысль о гравитации пришла ему в голову, когда он точно так же сидел под деревом. Он находился в созерцательном настроении, когда неожиданно с ветки упало яблоко. "Почему яблоки всегда падают перпендикулярно земле?” — подумал он».
О том, что на тела воздействует земное притяжение, было известно еще древнегреческим философам. Но особенно актуальным вопрос стал в XVII веке с началом активного развития науки и техники.
Итальянский физик, астроном и механик конца XVI — первой половины XVII века Галилео Галилей изучал равноускоренное движение тел, находящихся в состоянии свободного падения.
Его современник, немецкий математик, механик, астроном Иоганн Кеплер, предположил, что небесные тела притягиваются друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, близко подойдя к формулировке того закона, который в результате вывел Ньютон. Но Кеплер передумал и заменил «квадрат» на просто «расстояние». Первоначальной кеплеровской формулы придерживался и английский астроном Эдмунд Галлей, не умевший, однако, доказать ее.
Но основное препятствие для исследователей, рассматривавших этот вопрос до Ньютона, заключалось в том, что их рассуждения носили, так сказать, локальный характер. Например, Галилей полагал, что наблюдаемое им явление тяготения подразумевает только предметы, стремящиеся к земной поверхности. Кеплер же считал, что законы движения, открытые им для планет Солнечной системы, кардинально отличаются от законов движения на Земле и являются более совершенными. По сути, в научном мире существовали две гравитации: земная и небесная.
Что же сделал Ньютон? Здесь стоит вспомнить, что у «яблочной» истории есть и другой вариант, изложенный писателем и философом Вольтером, другом Ньютона: ученый якобы сидел вечером в саду и смотрел на луну, как вдруг с дерева упало яблоко. Как все происходило на самом деле, сказать сложно, к тому же мог быть и не один случай с яблоком. Главное то, что Ньютона посетило озарение, объединившее галилеевское околоземное движение тел и кеплеровский «ход планет», то есть земное и небесное. Из Третьего закона Кеплера, который связывает расстояния от планет до Солнца и периоды их обращения вокруг светила, Ньютон вывел свой закон: «Сила притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними».
Однако широко сообщать о сделанном им открытии Ньютон не спешил, будучи равнодушным к славе и придирчивым к доказательствам своих умозаключений. Недаром его девизом стали слова: «Я не выдумываю гипотез». Он решил подтвердить тщательными математическими расчетами, что сила, притягивающая падающие предметы к земле и удерживающая Луну на ее орбите — одна и та же. На последнем этапе подвигавшейся в нужном направлении работы Ньютон настолько возбудился, что не смог сам закончить вычисления и попросил сделать это друга. Результаты доказали верность многолетних размышлений ученого, и в 1683 году он, наконец, сообщил Лондонскому королевскому обществу основы своей системы, а в 1687 году в работе «Математические начала натуральной философии» представил свой закон всемирного тяготения.
По мере развития науки и получения новых экспериментальных данных стало ясно, что сформулированный Ньютоном закон действует при определенных условиях, прежде всего, если расстояния между телами значительно превышает их размеры или если тело находится на поверхности шара, который больше его по размеру и массе. В ХХ веке нерешенные вопросы, которые заключал в себе закон, выведенный Ньютоном, разрешил Альберт Эйнштейн в своей Общей теории относительности.
- Законы механики, или законы движения
Размышляя о движении и взаимодействии тел, Ньютон в «Математических началах натуральной философии» развил и обобщил положения других ученых, в том числе Галилея и Кеплера, и вывел три закона классической механики. Каждый из законов имеет немного отличающиеся формулировки, что не меняет их сути.
- Первый закон: «Всякое тело продолжает оставаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не воздействуют приложенные силы либо равнодействующая этих сил равна нулю».
- Второй закон: «Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по прямой, по которой эта сила действует».
- Третий закон: «Действие всегда равно и прямо противоположно противодействию, иначе говоря, действия двух тел друг на друга всегда равны и направлены в противоположные стороны».
Все три законы справедливы в инерциальных системах отсчета, то есть таких, где тела движутся равномерно и прямолинейно, как, например, идущий по рельсам поезд, и неприменимы для движения элементарных частиц и объектов, чья скорость близка к скорости света.
Благодаря общим законам движения Ньютон определил массу и плотность планет и Солнца, объяснил морские приливы и отливы влиянием Луны, доказал, что Земля имеет форму сплюснутого сфероида. Он довел теоретическую механику до совершенства и создал «небесную механику». Закон всемирного тяготения и законы движения в итоге заложили основу научных взглядов, господствовавших вплоть до появления общей теории относительности. Но и сегодня ньютоновские открытия продолжают оставаться одними из самых важных для ученых и изобретателей всего мира.
- Математический анализ и спор с Лейбницем
Неизвестно, смог бы Ньютон доказать свои законы, если бы не его математические методы, которые он начал разрабатывать еще тогда, когда во время перерыва в университетских занятиях жил в родительском доме. Он заложил основы дифференциального исчисления, использовав собственный метод так называемых «флюксий», предшественниц производной, давший ему возможность вычислять скорость, с которой изменяется величина функции. К его заслугам относятся основные понятия интегрального исчисления и доказательство того, что интегрирование обратно по отношению к дифференцированию. Также ученый разработал биномиальный ряд, называемый сегодня разложением Ньютона, и в результате нашел бесконечные ряды для разных алгебраических функций. Работы Ньютона в области математики стали основой математического анализа.
По поводу приоритета в открытии дифференциального исчисления у Ньютона вышел спор с немецким математиком Готфридом Лейбницем. Дело в том, что Ньютон сделал свое открытие еще в 1665-1666 годах, но опубликовал его только в 1704-м. Лейбниц же разработал свой вариант в 1675 году и сразу обнародовал. Считается, что на его размышления могли повлиять работы Ньютона, который состоял с коллегой в переписке. Сегодня многие историки математики отдают должное обоим ученым в вопросе открытия дифференциального исчисления.
- Оптические эксперименты
Заинтересовавшись отражением и преломлением света, Ньютон провел следующий эксперимент. Просверлив в оконной ставне маленькое отверстие, он поставил на пути проникающего в темную комнату солнечного луча трехгранную стеклянную призму. На экране, помещенном на противоположной от окна стене, возник вертикальный вытянутый эллипс радужной окраски. «Чрезвычайно приятное развлечение доставил мне вид чистых и ярких цветов», — записал Ньютон. Он назвал полученную разноцветную полосу «спектром», от латинского «spectrum» — «видение», и выделил в нем семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. После опыта разложения светового луча Ньютон произвел обратный эксперимент, приложив к одной призме другую такую же и собрав цвета спектра обратно в белый. Эксперименты показали, что свет имеет сложную структуру, и Ньютон принялся изучать природу явления.
Передвигая дощечку с маленьким отверстием вдоль призмы и изолируя цвета, ученый исследовал их по отдельности и выяснил, что лучи определенных цветов преломляются неодинаково: самая высокая степень преломления была у фиолетового, а наиболее слабая — у красного. Причем скорость распространения света в среде также была разной. Явление, открытое Ньютоном и названное им «дисперсией», от латинского слова «dispersio» — «рассеяние», заключавшееся в том, что показатель преломления и скорость света в веществе зависят от частоты или длины световой волны, было объяснено позднее, в XIX веке, голландским физиком Хендриком Лоренцем.
Продолжая исследовать свойства цвета, Ньютон провел ряд опытов с освещением предметов фонарями. Он заметил, что объект при направлении на него света, окрашенного в однородный с ним цвет, выглядит ярче или, наоборот, темнее. Наблюдение навело ученого на мысль о том, что цвет вовсе не является присущей предмету характеристикой, но представляет собой результат отражения лучей от поверхности.
В другом опыте Ньютон использовал выпуклую линзу с незначительной кривизной и стеклянную пластину, которые он прижал друг к другу и пропустил сквозь них пучок монохроматического цвета. После чего увидел на экране темные и светлые кольца: это интерферировали, то есть взаимодействовали между собой, световые волны. Но Ньютон не хотел признавать волновой природы света и писал, что тогда свет должен был бы огибать тела, а во время своих оптических экспериментов он убедился, что «лучи… всегда идут по прямым». Поэтому он настаивал на том, что свет состоит из мельчайших частиц — корпускул. Корпускулярная теория света, которую развивал Ньютон, господствовала в физике целое столетие, пока не была вытеснена волновой. Однако в XX веке ученые обнаружили, что с помощью волновой теории света невозможно объяснить некоторые оптические явления. Сегодня считается, что свет имеет двойственную природу, проявляя свойства и волны, и частицы.
- Изобретение телескопа
Впервые телескоп как научный прибор собрал в 1609 году итальянский ученый Галилео Галилей, произведя фурор в мире ученых. Однако у подобных телескопов-рефракторов были свои недостатки, главный из которых состоял в том, что на линзах возникало цветовое искажение, например, радужное сияние по краю, мешавшее рассматривать объекты. Причиной этой хроматической аберрации являлась та самая дисперсия света, которую изучал Ньютон. Поэтому он, сначала взявшись за шлифовку увеличительных стекол для своего телескопа, в результате отказался от линз и придумал использовать вместо них вогнутые зеркала.
В построенном Ньютоном в 1668 году телескопе-рефлекторе стояли два зеркала: большего размера, игравшее роль объектива и имевшего параболическую форму, и меньшее плоское. Падая на зеркальный объектив, световые лучи отражались от него и попадали на второе зеркало, а затем шли к глазу наблюдателя, смотревшего в окуляр. Ньютоновский телескоп не допускал цветовых искажений и отличался большей мощностью по сравнению с другими подобными устройствами.
Ученый против фальшивомонетчиков
У Ньютона уже была огромная слава не только в Англии, но и за ее пределами, а он жил скромно и даже стесненно: права на издание его главного труда, «Математические начала натуральной философии», принадлежали Лондонскому королевскому обществу, жалование преподавателя математики и оптики в Тринити-колледже было небольшим, и большую часть денег Ньютон тратил на устройство своих опытов и помощь близким. Глубоко уважавший ученого и знавший о его стесненном материальном положении представитель аристократического семейства Чарльз Монтегю, став канцлером казначейства и задумав перечеканку всей монеты, добился того, чтобы управляющим монетным двором назначили Ньютона. Получив новую должность, он в 1696 году переехал из Кембриджа в Лондон.
Перечеканку провели быстро и без ущерба для казны, вдобавок Ньютон придумал, как противостоять фальшивомонетчикам: он посоветовал наносить рисунок не только на аверс и реверс монеты, но и на ребро, что затрудняло ее изготовление. За усердную службу Ньютон был назначен главным директором монетного двора с увеличением жалования и скопил немалый капитал, тем более что по-прежнему жил скромно.
Мифы о Ньютоне и реальность
- Упавшее яблоко: правдива ли легенда?
Сам Ньютон нигде не писал о яблоке, но историю об озарении, посетившем начинающего ученого, передавали в своих литературных трудах его друзья. Никакого упавшего на голову спелого плода там нет, однако падение яблока на землю фигурирует в этих рассказах как своего рода толчок, направивший мысль Ньютона к научному открытию.
- Ньютон и алхимия
Интересуясь фундаментальными законами природы, Ньютон, естественно, обратился к химии, любопытство к которой он проявил еще подростком, живя в доме аптекаря в Грантеме. Поскольку в XVII веке алхимия была частью химии, то и вопросы, волновавшие алхимиков, привлекли Ньютона. Он читал книги по алхимии и вел тайную переписку на алхимические темы, например, с англо-ирландским химиком и физиком Робертом Бойлем. В период своего преподавания в Тринити-колледже Ньютон стал работать в собственной химической лаборатории, которую оснастил самыми современными приборами и оборудованием, часто собственного изготовления. По словам его ученика, ученого интересовал вопрос трансмутации металлов, то есть превращения неблагородных металлов в золото. Полагают, что с ртутью, которую активно использовали в подобных опытах, связаны признаки серьезного нервного заболевания, проявившиеся у Ньютона в 1693 году.
Несмотря на то что Ньютон около 30 лет посвятил своим алхимическим занятиям, он держал их в тайне от большинства представителей научной общественности, вероятно потому, что не имея твердых результатов, не привык обнародовать свои предположения. Его обширные и точно фиксировавшие каждый шаг записи по данному предмету были обнаружены только в 1930-х годах, но многие фрагменты там зашифрованы изобретенными самим автором символами. Конечно, Ньютон не смог добиться желаемого в своих опытах с металлами, но его эксперименты способствовали развитию материаловедения и металлургии.
Частная жизнь и характер Ньютона
По воспоминаниям современников, Ньютон отличался замкнутостью и сосредоточенностью на своих научных занятиях. Владея поэтическим словом и умея рисовать, он, тем не менее, считал, например, поэзию «изобретательной, но вздорной болтовней», а свою поездку в оперу описал так: «Первое действие слушал с радостью, второе стало испытанием для моего терпения, а на третьем я выбежал вон». Его юношеская любовь не привела к браку, но он всю жизнь заботился о той, что внушила ему когда-то пылкие чувства. С родственниками Ньютон всегда сохранял теплые отношения, заботился о них. В поздние годы с ним поселились его племянница Кэтрин и ее муж. Рассказывали, что в то время в его характере как раз появилось больше общительности.
Смерть Ньютона
По всей видимости, Ньютон никогда серьезно не болел, если не считать подобие нервного расстройства, которое случилось с ним в 1690-е. Но в последние годы жизни его здоровье стало сдавать. Ньютон скончался во сне 20 (31) марта 1727 года в возрасте 84 лет. Его похоронили в Вестминстерском аббатстве при огромном стечении народа.
Как открытия Ньютона повлияли на современную науку?
Законы Ньютона заложили основы классической механики. Он создал универсальную математическую модель, включившую в себя закон всемирного тяготения, законы движения и математический анализ. Закон всемирного тяготения используют сегодня для расчета орбит планет и звезд, в проектировании и запуске GPS-спутников, при планировании космических полетов, в строительстве высотных зданий и мостов. А открытое Ньютоном дифференциальное исчисление стало основой современного математического анализа, позволяя описывать изменения величин.
Книги, фильмы и музеи, посвященные Ньютону
- Книги
- Сергей Вавилов, «Исаак Ньютон». М.: Наука, 1989.
- Михаил Филиппов, «Исаак Ньютон. Его жизнь и научная деятельность». ЖЗЛ. Библиотека Ф. Ф. Павленкова.
- Игорь Кобзарев, « Ньютон и его время», М.: Знание, 1978.
- Питер Акройд, «Исаак Ньютон. Биография», М.: КоЛибри, Азбука-Аттикус, 2011.
- Документальные фильмы
- «Исаак Ньютон: Последний чародей», Великобритания, 2013.
- «Я и Исаак Ньютон», США, 1999.
- «Ньютоново яблоко раздора». Из серии «Жизнь замечательных идей». Россия-Культура.
- Музеи
- Усадьба Вулсторп, являющаяся местом рождения, детства и юности Ньютона, где он в молодые годы проводил свои опыты. Здесь росла та самая яблоня, с которой, по преданию, упало легендарное яблоко, что послужило отправным моментом для появления ньютоновского Закона всемирного тяготения.
- Оксфордский музей естественной истории, где установлена статуя Исаака Ньютона с надписью «За большие заслуги перед мировой наукой».
Вопрос – ответ
1. Почему Ньютона считают научным гением?
Исаак Ньютон внес существенный вклад в различные области знания — физику, математику, философию — и сумел по-новому взглянуть на те задачи, решение которых не давалось его предшественникам и современникам, примером чего служит закон всемирного тяготения. С его помощью Ньютон не только вывел формулу для расчета притяжения между любыми телами, но и разработал стройную систему тех физических механизмов, что действуют во Вселенной, одновременно, как он считал, подчиняясь высшим непознаваемым законам.
2. Какие книги написал Ньютон?
- «Математические начала натуральной философии» (напечатана в 1686). Основное сочинение ученого, в котором он сформулировал закон всемирного тяготения и законы механики.
- «Оптика» (1704). В этом труде Ньютон описал законы движения света.
- «Универсальная арифметика» (1707). Так Ньютон называл алгебру и посвятил ей свою книгу, которая внесла большой вклад в развитие этой науки.
- «Хронология древних царств» (1728). Трудясь почти 40 лет над этим сочинением, Ньютон, используя математические методы, произвел собственную датировку исторических событий.
3. Как Ньютон относился к религии?
Ньютон был верующим человеком, регулярно посещал церковь, а его богословские трактаты высоко ценились современниками. Сохранились также письма ученого к английскому богослову и проповеднику доктору Ричарду Бентлею, где Ньютон писал, что закон всемирного тяготения свидетельствует о существовании высшего плана мироздания, в соответствии с которым одна планета пребывает в гармонии с другой, а Земля движется с такой скоростью, которая позволяет находящимся на экваторе предметам держаться на земной поверхности. В «Математических началах натуральной философии» Ньютон подтверждал свою идею о научном познании высших начал мира: «Рассуждение о Боге на основании совершающихся явлений, конечно, относится к предмету натуральной философии».
***
«Не знаю, как меня воспринимает мир, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу и развлекающимся тем, что время от времени отыскивает камушек более пестрый, чем другие, или красивую ракушку, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным», — писал Исаак Ньютон. Что это, как не признание великого ученого, что мир огромен, прекрасен и таит в себе множество открытий?
Автор текста Ирина Кравченко
Изображение на обложке: Ai-generated
