Энциклопедия Кольера - ньютон исаак

(Newton, Isaac)

ИСААК НЬЮТОН(1642-1727), английский математик и естествоиспытатель, механик, астроном и физик, основатель классической физики. Сформулировал закон всемирного тяготения, установил фундаментальные положения физической оптики, разработал начала дифференциального и интегрального исчислений. Его Математические начала натуральной философии (Philosophiae naturalis principia mathematica), Оптика (Opticks) и Об анализе (De analysi) принадлежат к числу величайших творений человеческого разума. Блестящие новаторские достижения Ньютона в науке позволили объяснить на точном математическом языке множество явлений неживой природы и зародили надежду, что со временем удастся объяснить все явления.

Опираясь на известные факты, строя теорию, описывающую их математически, извлекая следствия из теории и сравнивая полученные результаты с данными наблюдений и эксперимента, он впервые попытался не только объяснять физические явления, но и предсказывать их. Покончив с неразберихой существовавших тогда теорий света и цвета, Ньютон своими экспериментами объяснил феномен цвета и предвосхитил современные достижения в теории света.

Созданный им математический анализ стал одним из наиболее универсальных и мощных инструментов естествознания. Для Ньютона, по словам Эйнштейна, "природа была открытой книгой, письмена которой он без труда читал. Концепции, которые он привлекал для упорядочения данных опыта, казалось, сами собой вытекали из опыта, из изящных экспериментов, заботливо описываемых им со множеством деталей и расставленных по порядку подобно игрушкам.

В одном лице он сочетал экспериментатора, теоретика, мастера и в не меньшей степени художника слова. Он предстает перед нами сильным, уверенным и одиноким". Ньютон родился 25 декабря 1642, почти через год после смерти Галилея, в Вулсторпе (графство Линкольншир). Отец Ньютона умер еще до его рождения, и, когда мальчику было два года, его мать вторично вышла замуж.

Воспитанием Исаака занималась бабушка с материнской стороны. Учиться Ньютон начал в школах соседних деревень, а в возрасте 10 лет был отдан в классическую школу в ближайшем городке Грантеме. Эти годы он прожил в доме аптекаря Кларка, откуда, по-видимому, вынес сохранившийся на всю жизнь интерес к различным химическим манипуляциям.

Ньютон рос тихим, не слишком углублявшимся в книги мальчиком, очень любившим, однако, делать что-нибудь своими руками. Он смастерил несколько солнечных часов, игрушечных водяных мельниц, водяные часы, механический экипаж и воздушных змеев с прикрепленными к их хвостам фонариками. Но в школе, по собственному признанию, Ньютон был очень невнимателен. В 1656 мать Ньютона после смерти второго мужа вернулась в Вулсторп и забрала сына из школы с намерением сделать из него фермера. Однако он не проявил никаких наклонностей к фермерскому делу. Рассказывают, что однажды его обнаружили в тени у ограды глубоко погруженным в чтение математической книги, хотя ему надлежало в это время быть на ярмарке в Грантеме. Уступив настойчивым уговорам учителя Грантемской школы, по достоинству оценившему интеллектуальную одаренность своего ученика, мать наконец разрешила сыну готовиться к поступлению в Кембриджский университет. В июне 1661 Ньютон был принят в Тринити-колледж на правах сабсайзера студента, в обязанности которого входило прислуживать преподавателям колледжа.

Из записных книжек Ньютона того периода видно, что он изучал арифметику, геометрию, тригонометрию, а позже коперниковскую астрономию и оптику. Несомненно, большим стимулом для него стало общение с выдающимся математиком и теологом И.Барроу, профессором математики, рано распознавшим гений Ньютона и сделавшим все, что было в его силах, чтобы тот раскрылся с максимальной полнотой.

В январе 1665 Ньютон получил степень бакалавра. К тому времени Ньютон, по его собственному признанию, основательно продвинулся в разработке "метода флюксий" (анализе бесконечно малых). Из-за вспыхнувшей в Кембридже эпидемии чумы университет и город обезлюдели, и Ньютон вернулся в Вулсторп, где пробыл почти два года. Именно в этот период он записал свои первые мысли о всемирном тяготении.

По словам Ньютона, импульсом к размышлениям о тяготении послужило яблоко, упавшее на его глазах в саду. Как явствует из записи разговора с Ньютоном в преклонном возрасте, в то время он пытался определить, какого рода силы могли бы удерживать Луну на ее орбите. Падение яблока навело его на мысль, что, возможно, на яблоко действует та же самая сила тяготения, только на малом расстоянии. Свою догадку он проверил, оценив, весьма приблизительно, какой должна быть сила притяжения, если исходить из гипотезы о том, что она обратно пропорциональна квадрату расстояния (именно такова сила притяжения между Солнцем и планетами). Ньютон в то время и не пытался получить более точный результат, поскольку задача о нахождении полной силы притяжения, оказываемого всей Землей на небольшое тело вблизи ее поверхности, заведомо представляла большие трудности.

В Вулсторпе Ньютон поставил свои первые опыты по исследованию природы света. В то время белый свет считался однородным. Однако эксперименты с призмой сразу показали, что прошедший через нее пучок солнечного света разворачивается в разноцветную полоску (спектр). И хотя подобные опыты, вероятнее всего, проводились и другими естествоиспытателями, именно Ньютон показал, что разложение в спектр обусловлено разной преломляемостью лучей разных цветов. Например, фиолетовый луч, проходя через преломляющую среду, отклоняется от первоначального направления на больший угол, чем луч красного света. Выводы Ньютона, проверенные с помощью остроумных экспериментов, сводились к следующему: солнечный свет представляет собой комбинацию лучей всех цветов, сами же эти лучи монохроматичны или, как говорил ученый, "гомогенеальны" и разделяются потому, что обладают разной преломляемостью.

В это время Ньютону не исполнилось и 24 лет, и именно об этом периоде своей жизни он впоследствии писал: "Я находился в расцвете сил, и мысли мои были заняты математикой и философией в большей степени, чем когда-либо потом". Под "философией" Ньютон подразумевал то, что сейчас принято называть физикой. В октябре 1667, вскоре после возвращения в Кембридж, Ньютона избрали младшим членом Тринити-колледжа; через шесть месяцев он стал одним из старших членов и вскоре получил степень магистра.

Много времени Ньютон посвятил овладению ремеслом оптика. Уже первые эксперименты с призмами убедили его в том, что усовершенствование телескопа ограничивается не столько трудностями вытачивания линз правильной формы, сколько разной преломляемостью лучей разных цветов, из-за чего пучок белого света невозможно сфокусировать в одной точке.

Хроматическая аберрация обусловлена различием в углах, на которые отклоняются при прохождении через линзу лучи света разных цветов и, следовательно, разных длин волн. Сегодня хроматическую аберрацию корректируют подбором линзи, изготовленных из стекол с разными показателями преломления (такие комбинации линз называются ахроматами), но во времена Ньютона этот способ еще не был изобретен.

И тогда Ньютон обратился к единственному практически возможному решению конструированию зеркального телескопа (телескопа-рефлектора). Схему такого телескопа предложил в 1663 шотландский математик Дж.Грегори, но первым его построил Ньютон в 1668. Зеркальный телескоп давал увеличение примерно в 40 раз, хотя имел в длину лишь 15 см и по конструктивным особенностям немного отличался от предложенного Грегори.

В 1669 Ньютон передал Барроу важный манускрипт, известный под сокращенным латинским названием Об анализе (De analysi), в котором содержались многие из полученных им результатов в области математического анализа. Благодаря Барроу этот труд стал известен нескольким ведущим математикам Великобритании и континентальной Европы, но он был опубликован лишь в 1711.

К концу 1660 Барроу оставил кафедру и употребил все свое влияние, чтобы его преемником стал Ньютон. В качестве предмета первого курса лекций Ньютон избрал оптику. В 1671 Королевское общество удостоверило и закрепило приоритет Ньютона в создании телескопа, опубликовав описание его инструмента. В начале следующего года он был избран членом Королевского общества и вскоре получил предложение представить отчет о своем открытии сложной природы белого света, которое сам Ньютон описывает как "...преудивительное, если не наиболее значительное, открытие из совершенных до сих пор в действиях природы".

Отчет ученого произвел столь сильное впечатление, что было решено опубликовать его. Но затем последовал длинный ряд статей, во многих случаях плохо обоснованных, авторы которых критиковали взгляды Ньютона. Большинство возражений пришло из континентальной Европы, но не только: часть принадлежала Р.Гуку, куратору Королевского общества.

Вначале Ньютон обстоятельно и терпеливо отвечал на все выпады, но потом они ему изрядно надоели и начали вызывать все большее раздражение. В 1675 он признавался в письме секретарю Королевского общества: "Я вижу, что стал рабом философии, но если мне удастся отделаться от мистера Лайнуса [[одного из наиболее въедливых и дотошных критиков]], то я раз и навсегда покончу с такого рода делами и буду заниматься тем, что принесет мне удовлетворение, или тем, что останется после меня.

Ибо мне ясно, что либо необходимо решиться не производить ничего нового, либо превратиться в раба, чтобы отстаивать новое". Споры о приоритетах усилили скрытность и нетерпимость к возражениям, столь типичные для характера Ньютона в конце его жизни. В последующие годы Ньютон занимался различными математическими, оптическими и химическими исследованиями, а в 1679 снова вернулся к проблеме планетных орбит.

Идея о том, что сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния от Солнца до планет, которую он проверил приближенными выкладками в Вулсторпе, теперь была предметом широкого обсуждения. Именно такой закон следовал для простого случая круговой орбиты из третьего закона Кеплера, устанавливающего зависимость между периодами обращения планет вокруг Солнца и радиусами их орбит, вместе с формулой для центростремительного ускорения тела, движущегося по окружности, которую в 1673 вывел Х.

Гюйгенс. Обратную задачу определение орбиты из закона изменения силы с расстоянием, бывшую предметом обсуждения Гука, Рена и Галлея, Ньютон решил примерно в 1680. Ньютон доказал теорему о том, что сферически симметрично распределенная масса притягивает внешние тела так, как если бы вся масса была сосредоточена в центре. В августе 1684 Галлей посетил Кембридж, чтобы обсудить с Ньютоном проблемы орбит. Во время беседы относительно формы орбиты тела, движущегося под действием силы притяжения к неподвижному центру, обратно пропорциональной квадрату расстояния, Ньютон высказал предположение, что орбита будет иметь форму эллипса.

Во время второго визита Галлею был показан "прелюбопытный трактат о движении (de motu)" на двадцати четырех страницах, по просьбе Галлея в феврале 1685 представленный Королевскому обществу. Этот трактат о законах движения стал основой первой книги Математических начал натуральной философии (Philosophiae naturalis principia mathematica) сочинения, оказавшего огромное воздействие на научную мысль последующих поколений.

По общему признанию, Начала одна из наиболее значительных книг в истории человечества. И то, что она была создана примерно за 18 месяцев, интеллектуальный подвиг, не имеющий параллелей ни в прошлом, ни в настоящем. Особенно важную роль в создании Начал сыграл Галлей. Он тактично сглаживал разногласия между Ньютоном и Гуком, утверждавшим, что о законе обратной пропорциональности силы квадрату расстояния Ньютон узнал из его, Гука, сообщения.

В порыве раздражения Ньютон даже решил было отказаться от издания третьей книги Начал, но Галлею удалось уговорить его не делать этого. Именно Галлей взял на себя все хлопоты, связанные с изданием, и оплатил все издержки. Наконец в разгар лета 1687 Начала вышли из печати и сразу были признаны шедевром, хотя Ньютон намеренно сделал свое сочинение трудночитаемым, "дабы избежать укусов мелких эпигонов от математики".

Воображение научного сообщества покорили величественная объединяющая идея гравитации, или всемирного тяготения, действие которой распространяется на всю Солнечную систему, и объяснение на основе единого принципа таких разных явлений, как приливы, прецессия равноденствий и ряд особенностей в движении Луны. Несмотря на столь благоприятный прием, потребовалось еще пятьдесят лет для того, чтобы ньютоновская схема смогла окончательно ниспровергнуть носившую более качественный характер и более наглядную теорию вихрей Р.

Декарта. Но с самого начала сочинение Ньютона рассматривалось как свидетельство существования в мироздании единого плана, указывающего на наличие Творца. То, что сам Ньютон считал именно так, явствует из сказанного им в конце трактата: "Такое изящное соединение Солнца, планет и комет не могло произойти иначе, как по намерению и по власти могущественного и премудрого существа [[Бога]]... Рассуждение же [[о Боге]], на основании совершающихся явлений, конечно, относится к предмету натуральной философии".

Лишь значительно позднее идею неукоснительно действующего универсального закона стали связывать с материалистической и агностической философией, и не только в физике, но и в биологии и социальных науках. За несколько месяцев до публикации Начал Ньютон приобрел известность как защитник академических свобод. Король Яков II, надеявшийся реставрировать римский католицизм, в феврале 1687 издал повеление, которым предписывал Кембриджу присвоить степень магистра некоему монаху ордена бенедиктинцев, не требуя от него обычной присяги на верность и послушание.

Университет ответил категорическим отказом, и Ньютон сыграл заметную роль в отстаивании позиции университета. Сенат назначил депутацию, в состав которой вошел и Ньютон. Она предстала перед комиссией в Вестминстере и дала отпор незаконным притязаниям короля. После низвержения Якова II Ньютон был избран представителем от университета в парламент, где он и заседал с января 1689 до его роспуска год спустя.

Исполнение общественных обязанностей повлекло за собой изменения в замкнутом образе жизни, который прежде вел Ньютон. Теперь ему приходилось часто наведываться в Лондон, где он встречался со многими выдающимися личностями. Возможно, как реакция на напряженную работу, у Ньютона началась депрессия, завершившаяся нервным срывом.

Сразу же после выздоровления Ньютон взялся за решение сложной задачи о движении Луны. Работая над этой проблемой, ученый вступил в переписку с Дж.Флемстидом, первым Королевским астрономом, чьи наблюдения Луны были ему крайне необходимы. Однако отношения Ньютона и Флемстида оказались омраченными непониманием и ссорами, завершившись разрывом.

В 1698 Ньютон попытался продолжить работу над теорией орбиты Луны и возобновил отношения с Флемстидом, но снова возникли трения, и Ньютон обвинил Флемстида в том, что тот утаивает часть наблюдений. Вражда между Ньютоном и Флемстидом не прекращалась вплоть до смерти последнего в 1719. В 1696 усилиями друзей, пытавшихся подыскать для Ньютона какую-нибудь хорошо оплачиваемую должность на государственной службе, он был назначен смотрителем Монетного двора.

Это потребовало от него постоянного пребывания в Лондоне, где он поселился и прожил до конца своих дней. Ньютону было поручено руководство перечеканкой английской монеты. Имевшие тогда хождение монеты обесценились из-за мошеннической практики обрубания краев. Необходимо было наладить чеканку новых монет с насечкой по краю, имеющих стандартные массу и состав.

Эта задача, требовавшая больших технических познаний и административного искусства, была успешно решена за три года к ноябрю 1699. Тогда же Ньютон был назначен на должность директора Монетного двора. Этот хорошо оплачиваемый пост он занимал до конца жизни. В 1701 Ньютон отказывается от кафедры в Кембридже и от членства в Тринити-колледже, а в 1703 его избирают президентом Королевского общества и затем ежегодно переизбирают на этот пост.

В 1704, после смерти своего главного оппонента, Гука, Ньютон выпустил свой второй фундаментальный труд Оптику. Она была написана по-английски и позже переведена на латынь. В 1717 вышло и второе издание со специальным приложением, содержащим общие рассуждения в форме Вопросов (Queries), показывающих, как глубоко Ньютон понимал физику. В 1705 королева Анна возвела Ньютона в рыцарское достоинство.

К тому времени он стал признанным главой не только британских, но и европейских ученых. В последние два десятилетия своей жизни Ньютон подготовил второе и третье издания Начал (1713, 1726). Были опубликованы также второе и третье издания Оптики (1717, 1721). В эти же годы Ньютон оказался вовлеченным в долгий спор с Г. Лейбницем по поводу приоритета в создании математического анализа.

Этот спор, продолжавшийся даже после смерти Лейбница его сторонниками, наполнил горечью последние годы жизни Ньютона и ослабил научные связи Великобритании с континентальной Европой, отрицательно сказавшись и на развитии математической науки в Великобритании. Ныне принято считать, что Ньютон первым объединил и выявил то, что в скрытой форме содержалось в работах его предшественников Ф.

Кавальери, П.Ферма и Р.Декарта. Хотя сам Ньютон мог решать многие физические задачи с помощью своих дифференциалов, в Началах он пользовался традиционными математическими методами, восходящими еще к Евклиду и Архимеду. Ньютон считал, что физическое содержание его труда будет восприниматься легче, если методы решения останутся традиционными.

Открытия Лейбница были сделаны позже, хотя и независимо, но Лейбниц опередил Ньютона в публикации подробного изложения математического анализа и ввел обозначения, сохранившиеся с незначительными изменениями до нашего времени. Слава Ньютона неразрывно связана с его приоритетом основоположника систематического применения математических методов к исследованию природы, а также с его открытием закона тяготения.

Ньютон упрочил основания динамики как надежной опоры механической картины мира, приложив ее законы к небесным явлениям, о чем прежде никто не смел и помыслить. Достижения Ньютона в применении бесконечных рядов и в дифференциальном и интегральном исчислениях намного превосходят все, что было сделано до него, и поэтому Ньютона считают основоположником этих методов анализа.

Что же касается влияния трудов Ньютона на развитие физической науки, то его трудно преувеличить. За два столетия после публикации Начал необычайно расширился диапазон явлений, подчиняющихся законам динамики и поддающихся описанию математическими методами. Многое из сделанного в этой области можно рассматривать как непосредственное продолжение Начал.

И только к 20 в. основные положения, на которые опирались труды Ньютона, потребовали коренного пересмотра. Эта ревизия привела к созданию современной теории относительности и квантовой теории. Но для систем обычных макроскопических размеров, движущихся со скоростями, гораздо меньшими скорости света, законы динамики, сформулированные Ньютоном более трех веков назад, по-прежнему остаются в силе.

Ньютону принадлежат также многочисленные сочинения по теологии, хронологии, алхимии и химии, в которых он обладал глубокими познаниями. В 1725 по состоянию здоровья Ньютон был вынужден оставить Лондон и переехать в Кенсингтон, в то время почти деревню. Умер Ньютон в Кенсингтоне 20 марта 1727.

ЛИТЕРАТУРА

Ньютон И. Математические работы.

М. Л., 1937 Ньютон И. Оптика. М., 1954 Кудрявцев П.С. История физики, т. 1. М., 1956 Вавилов С.И. Исаак Ньютон. М., 1961 Ньютон И. Математические начала натуральной философии. В кн.: Крылов А.Н. Собрание трудов, т. 7. М., 1996 .