XVII век был благоприятным временем для науки, когда были сделаны революционные открытия в астрономии, физике, механике, оптике и естественных науках. В центре всего этого был сэр Исаак Ньютон, человек, который широко известен как один из самых влиятельных ученых всех времен и ключевая фигура в научной революции.
Английский физик и математик, Ньютон внес несколько плодотворных вкладов в область оптики и разделяет с Готфридом Лейбницем заслуги в развитии математического анализа. Но это была публикация Ньютоном Математические основы естественной философии («Математические основы естественной философии»), которой он наиболее известен. Опубликованный в 1687 году, этот трактат заложил основы классической механики - традиции, которая будет доминировать в взглядах ученых на физическую вселенную в течение следующих трех столетий.
Ранние годы:
Исаак Ньютон родился 4 января 1643 года - или 25 декабря 1642 года по юлианскому календарю (который использовался в то время в Англии) - в Вулсторп-бай-Колстеруорте, деревушке в графстве Линкольншир. Его отец, в честь которого он был назван, был зажиточным фермером, умершим за три месяца до своего рождения. Родившись преждевременно, Ньютон был маленьким ребенком.
Его мать, Ханна Эйскоу, снова вышла замуж, когда ему было три года, за преподобного, оставив Ньютона на попечение его бабушки по материнской линии. Его мать родила еще троих детей от своего нового мужа, которые стали единственными братьями и сестрами Ньютона. Из-за этого у Ньютона, по-видимому, какое-то время были непростые отношения с отчимом и матерью.
Ньютон Уильяма Блейка (1795 г.), изображенный в виде божественного геометра. Предоставлено: Архив Уильяма Блейка / Википедия.
Когда Ньютону исполнилось 17 лет, его мать снова овдовела. Несмотря на ее надежды на то, что Ньютон станет фермером, как и его отец, Ньютон ненавидел сельское хозяйство и стремился стать ученым. Его интересы в области инженерии, математики и астрономии были очевидны с раннего возраста, и Ньютон начал свои исследования со способностью учиться и изобретать, что продлилось до конца его жизни.
Образование:
В возрасте от 12 до 21 года Ньютон получил образование в Королевская школа, Грэнтэм , где он выучил латынь. Находясь там, он стал одним из лучших учеников и получил признание за создание солнечных часов и моделей ветряных мельниц. К 1661 году он был принят в Тринити-колледж, Кембридж , где он платил, выполняя обязанности камердинера (так называемый субсизар).
В течение первых трех лет в Кембридже Ньютона преподавали по стандартной учебной программе, основанной на теории Аристотеля. Но Ньютон был очарован более продвинутой наукой и проводил все свободное время за чтением работ современных философов и астрономов, таких как Рене Декарт, Галилео Галилей, Томас Стрит и Иоганн Кеплер.
Результатом был далеко не звездный результат, но его двойная направленность также заставила его сделать один из самых глубоких научных вкладов. В 1664 году Ньютон получил стипендию, которая гарантировала ему еще четыре года, прежде чем он получит степень магистра искусств.
Гравюра Дэвида Логгана с изображением Тринити-колледжа в Кембридже с изображением Большого двора Невила (на переднем плане) и новой библиотеки Рена (на заднем плане). Предоставлено: Cantabrigia Illustrata / Cambridge (1690 г.).
В 1665 году, вскоре после того, как Ньютон получил степень бакалавра искусств, университет временно закрылся из-за вспышки Великой чумы. Используя это время для учебы дома, Ньютон разработал ряд идей, которые в конечном итоге закрепили за ним и стали его теориями по исчислению, оптике и закону всемирного тяготения (см. Ниже).
В 1667 году он вернулся в Кембридж и был избран членом Тринити, хотя его выступление все еще считалось менее впечатляющим. Однако со временем его состояние улучшилось, и он получил признание своих способностей. В 1669 году он получил степень магистра (до того, как ему исполнилось 27 лет), и опубликовал трактат, излагающий свои математические теории для работы с бесконечными рядами.
К 1669 году он сменил своего бывшего учителя и наставника Исаака Барроу - теолога и математика, открывшего основную теорему исчисления, - и стал люкасовской кафедрой математики в Кембридже. В 1672 году он был избран членом Королевское общество , частью которого он останется до конца своей жизни.
Научные достижения:
Во время учебы в Кембридже Ньютон вел второй набор заметок, который он озаглавил «Некоторые философские вопросы»(«Некоторые философские вопросы“). Эти заметки, являвшиеся суммой наблюдений Ньютона о механической философии, привели его к открытию обобщенной биномиальной теоремы в 1665 году и позволили ему разработать математическую теорию, которая привела к его развитию современного исчисления.
Эксперимент Ньютона с призмой показал, что свет преломляется в зависимости от цвета. Кредит: britannica.com
Тем не менее, самый ранний вклад Ньютона был в форме оптики, которую он читал во время ежегодных лекций, занимая должность люкасовской кафедры математики. В 1666 году он заметил, что свет, входящий в призму в виде круглого луча, выходит в форме продолговатого, демонстрируя, что призма преломляет свет разных цветов под разными углами. Это привело его к выводу, что цвет - это свойство, присущее свету, и этот момент обсуждался в предыдущие годы.
В 1668 году он сконструировал и сконструировал телескоп-рефлектор, который помог ему доказать свою теорию. С 1670 по 1672 год Ньютон продолжал читать лекции по оптике и исследовал преломление света, демонстрируя, что многоцветный спектр, создаваемый призмой, может быть преобразован в белый свет с помощью линзы и второй призмы.
Он также продемонстрировал, что цветной свет не меняет своих свойств, независимо от того, отражается ли он, рассеивается или проходит. Таким образом, он заметил, что цвет - это результат взаимодействия объектов с уже окрашенным светом, а не объекты, сами генерирующие цвет. Это известно как Теория цвета Ньютона .
Королевское общество запросило демонстрацию его телескопа-рефлектора в 1671 году, и интерес организации побудил Ньютона опубликовать свои теории света, оптики и цвета. Это он сделал в 1672 году в небольшом трактате под названием ИЛИf Цвета , который позже будет опубликован в большом томе, содержащем его теории о «корпускулярной» природе света.
Копия второго отражающего телескопа Ньютона, который он подарил Королевскому обществу в 1672 году. Фото: Wikipedia Commons
По сути, Ньютон утверждал, что свет состоит из частиц (или корпускул), которые, как он утверждал, преломляются при ускорении в более плотную среду. В 1675 году он опубликовал эту теорию в трактате под названием « Гипотеза света ', в котором он также постулировал, что обычная материя состоит из более крупных корпускул, и о существовании эфира, который передает силы между частицами.
После обсуждения своих идей с Генри Мором, английским теософом и членом Кембриджских платоников, интерес Ньютона к алхимии возродился. Затем он заменил свою теорию эфира, существующего между частицами в природе, оккультными силами, основанными на герметических идеях притяжения и отталкивания между частицами. Это отражало постоянный интерес Ньютона как к алхимии, так и к науке, для которых в то время не существовало четких различий.
В 1704 году Ньютон опубликовал все свои теории света, оптики и цвета в едином томе под названием Opticks: Or, трактат об отражениях, преломлениях, перегибах и цветах света . В нем он предположил, что свет и материя могут преобразовываться друг в друга посредством своего рода алхимической трансмутации, и приблизился к теориям звуковых волн, чтобы объяснить повторяющиеся модели отражения и передачи.
В то время как более поздние физики предпочитали чисто волнообразное объяснение света для объяснения интерференционных картин и общего явления дифракции, их открытия во многом обязаны теориям Ньютона. Во многом то же самое верно в отношении современной квантовой механики, фотонов и идеи дуальности волна-частица, которые имеют лишь небольшое сходство с пониманием света Ньютоном.
Отрывок из «Quaestiones Quaedam Philosophicae» Ньютона, собрания наблюдений, которые приведут к развитию им современного математического анализа. Кредит: newtonproject.sussex.ac.uk
Несмотря на то, что и ему, и Лейбницу приписывают независимое развитие вычислений, оба мужчины стали участниками спора о том, кто открыл его первым. Хотя работа Ньютона по развитию современного исчисления началась в 1660-х годах, он не хотел публиковать ее, опасаясь споров и критики. Таким образом, Ньютон ничего не публиковал до 1693 года и не давал полного отчета о своей работе до 1704 года, тогда как Лейбниц начал публиковать полный отчет о своих методах в 1684 году.
Однако более ранние работы Ньютона в области механики и астрономии включали широкое использование исчисления в геометрической форме. Сюда входят методы, использующие «один или несколько порядков бесконечно малых» в его работе 1684 года. О движении тел по кругу ('Надвижение тел по орбите »), а в книге IПринципы, который он назвал «методом первых и последних соотношений».
Вселенская гравитация:
В 1678 году Ньютон пережил полный нервный срыв, скорее всего, из-за переутомления и продолжающейся вражды с другим членом Королевского общества Робертом Гуком (см. Ниже). Смерть его матери год спустя привела к тому, что он стал все более изолированным, и на шесть лет он отказался от переписки с другими учеными, за исключением тех случаев, когда они ее инициировали.
Во время этого перерыва Ньютон возобновил свой интерес к механике и астрономии. По иронии судьбы, именно благодаря короткому обмену письмами в 1679 и 1680 годах с Робертом Гуком он сделал свои величайшие научные достижения. Его пробуждение было также связано с появлением кометы зимой 1680–1681 годов, о чем он переписывался с Джоном Флемстидом, королевским астрономом Англии.
После этого Ньютон начал рассматривать гравитацию и ее влияние на орбиты планет, в частности, со ссылкой на Законы движения планет Кеплера . После обмена мнениями с Гуком он разработал доказательство того, что эллиптическая форма планетных орбит является результатом центростремительной силы, обратно пропорциональной квадрату радиус-вектора.
Ньютон сообщил о своих результатах Эдмонду Галлею (первооткрывателю «кометы Хейли») и Королевскому обществу в своей работе.О движении тел по окружности.Этот трактат, опубликованный в 1684 году, содержал семя, которое Ньютон расширил, чтобы сформировать свой magnum opus,Принципы. Этот трактат, опубликованный в июле 1687 г., содержал Три закона движения Ньютона . В этих законах говорилось, что:
- Если смотреть в инерциальной системе отсчета, объект либо остается в покое, либо продолжает двигаться с постоянной скоростью, если на него не действует внешняя сила.
- Векторная сумма внешних сил (F) на объекте равна массе (м)этого объекта, умноженного на вектор ускорения (a) объекта. В математической форме это выражается как: F =мк
- Когда одно тело оказывает силу на второе тело, второе тело одновременно оказывает на первое тело силу, равную по величине и противоположную по направлению.
Вместе эти законы описывают взаимосвязь между любым объектом, действующими на него силами и результирующим движением, закладывая основу классической механики. Законы также позволили Ньютону вычислить массу каждой планеты, вычислить сглаживание Земли на полюсах и выпуклость на экваторе, а также то, как гравитационное притяжение Солнца и Луны создает земные приливы.
В той же работе Ньютон представил подобный исчислению метод геометрического анализа с использованием «первого и последнего отношений», вычислил скорость звука в воздухе (на основе Закон Бойля ), объясняющий прецессию равноденствий (которые, как он показал, были результатом гравитационного притяжения Луны к Земле), инициировал гравитационное исследование неоднородностей в движении Луны, предоставил теорию для определения орбит кометы и многое другое.
Этот том окажет глубокое влияние на науку, поскольку его принципы останутся каноническими в течение следующих 200 лет. Он также сообщил о концепции всемирного тяготения, которая стала опорой современной астрономии и не будет пересматриваться до 20 века - с открытием квантовой механики и Общая теория относительности Эйнштейна .
Ньютон и «инцидент с яблоком»:
История о том, как Ньютон придумал свою теорию всемирного тяготения в результате падения яблока на голову, стала основным продуктом массовой культуры. И хотя часто утверждают, что эта история апокрифическая, и Ньютон не разрабатывал свою теорию ни в какой момент, сам Ньютон много раз рассказывал эту историю и утверждал, что этот инцидент вдохновил его.
Кроме того, сочинения Уильяма Стакли - английского священнослужителя, антиквара и члена Королевского общества - подтвердили эту историю. Но вместо комического изображения яблока, ударившего Нетвона по голове, Стьюкли описал в своемВоспоминания о жизни сэра Исаака Ньютона(1752) беседа, в которой Ньютон описал размышления о природе гравитации, наблюдая за падением яблока.
«… Мы пошли в сад и пили в тени яблонь; только он и я. Он сказал мне, что среди других рассуждений он был в той же ситуации, когда раньше ему приходило в голову понятие гравитации. «Почему это яблоко всегда должно опускаться перпендикулярно земле», - подумал он про себя; из-за падения яблока ... '
Джон Кондуитт, помощник Ньютона на Королевском монетном дворе (который в конце концов женился на своей племяннице), также описал, как слышал эту историю в своем собственном рассказе о жизни Ньютона. По словам Кондуитта, инцидент произошел в 1666 году, когда Ньютон ехал на встречу со своей матерью в Линкольншир. Блуждая по саду, он размышлял о том, как влияние гравитации распространяется далеко за пределы Земли, вызывая падение яблока, а также орбиту Луны.
Саженец известного оригинального дерева, вдохновившего сэра Исаака Ньютона на мысль о гравитации, расположенный на территории Кембриджа. Предоставлено: Wikipedia Commons / Loodog.
Точно так же Вольтер написал в своемОчерк эпической поэзии(1727), что Ньютон впервые подумал о системе тяготения, когда гулял в своем саду и смотрел, как яблоко падает с дерева. Это согласуется с записями Ньютона 1660-х годов, которые показывают, что он боролся с идеей о том, как земная гравитация распространяется обратно на Луну в пропорции обратных квадратов.
Однако ему потребовалось еще два десятилетия, чтобы полностью развить свои теории до такой степени, чтобы он смог предложить математические доказательства, как показано вПринципы. Когда это было завершено, он пришел к выводу, что та же сила, которая заставляет объект падать на землю, ответственна за другие орбитальные движения. Поэтому он назвал это «всемирное тяготение».
Различные деревья называются яблоней, которую описывает Ньютон. Королевская школа, Грэнтэм , утверждает, что их школа купила оригинальное дерево, вырвала его с корнем и через несколько лет перевезла в сад директора. Тем не менее, Национальный фонд, в котором Усадьба Вулсторпов (где вырос Ньютон) в доверительном управлении, утверждает, что дерево до сих пор живет в их саду. Потомок оригинального дерева можно увидеть растущим за главными воротами Тринити-колледжа в Кембридже, под комнатой, в которой жил Ньютон, когда он там учился.
Вражда с Робертом Гуком:
СПринципы, Ньютон получил международное признание и приобрел круг поклонников. Это также привело к вражде с Робертом Гуком, с которым в прошлом у него были сложные отношения. С публикацией своих теорий цвета и света в 1671/72 году Гук довольно снисходительно критиковал Ньютона, утверждая, что свет состоит из волн, а не цветов.
Историческая реконструкция того, как выглядел Роберт Гук. Предоставлено: Википедия / Рита Грир / FAL.
В то время как другие философы критически относились к идее Ньютона, больше всего Ньютона задел Гук (член Королевского общества, проделавший обширную работу в области оптики). Это привело к ожесточенным отношениям между двумя мужчинами и к тому, что Ньютон почти покинул Королевское общество. Однако вмешательство его коллег убедило его остаться, и дело в конце концов утихло.
Однако с выходом в светПринципыДело снова дошло до критической точки, когда Гук обвинил Ньютона в плагиате. Причина обвинения была связана с тем, что ранее в 1684 году Гук сделал замечания Эдмонду Галлея и Кристоферу Рену (также членам Королевского общества) об эллипсах и законах движения планет. Однако в то время он не предложил математического доказательства.
Тем не менее Гук утверждал, что он открыл теорию обратных квадратов и что Ньютон украл его работу. Другие члены Королевского общества сочли обвинение необоснованным и потребовали, чтобы Гук опубликовал математические доказательства, подтверждающие это утверждение. Тем временем Ньютон удалил все упоминания Гука в своих заметках и пригрозил отозватьПринципыот последующей публикации в целом.
Эдмунд Галлей, друг Ньютона и Гука, пытался помирить их. Со временем ему удалось убедить Ньютона включить совместное признание работы Гука в его обсуждение закона обратных квадратов. Однако это не успокоило Гука, который настаивал на своем обвинении в плагиате.
Собственный экземпляр Ньютона «Начала» с рукописными исправлениями для второго издания. Предоставлено: Тринити Кембридж / Эндрю Данн.
Время шло, слава Ньютона продолжала расти, в то время как слава Гука продолжала уменьшаться. Это заставляло Гука становиться все более озлобленным и все более защищать то, что он считал своей работой, и он не жалел возможности наброситься на своего соперника. Вражда окончательно закончилась в 1703 году, когда Гук умер, и Ньютон сменил его на посту президента Королевского общества.
Другие достижения:
Помимо работы в области астрономии, оптики, механики, физики и алхимии, Ньютон также проявлял большой интерес к религии и Библии. В течение 1690-х годов он написал несколько религиозных трактатов, в которых рассматривались буквальные и символические толкования Библии. Например, его трактат о Святой Троице, отправленный известному политическому философу и социальному теоретику Джону Локку и не публиковавшийся до 1785 года, подверг сомнению достоверность 1 Иоанна 5: 7, описания, на котором основана Святая Троица.
Более поздние религиозные произведения - вроде Хронология древних королевств с поправками (1728) иНаблюдения за пророчествами Даниила и Апокалипсисом Святого Иоанна(1733) - также оставался неопубликованным до его смерти. ВКоролевстваон занимался хронологией различных древних царств - первых веков греков, древних египтян, вавилонян, медеев и персов - и предложил описание Храма Соломона.
ВПророчества, он обратился к Апокалипсису, как и было предсказано вКнига Даниилаа такжеОткровения, и поддерживал свою веру в то, что это произойдет в 2060 году нашей эры (хотя другие возможные даты включали 2034 год нашей эры). В своей текстовой критике под названием Исторический отчет о двух заметных искажениях Священного Писания (1754 г.), он поместил распятие Иисуса Христа на 3 апреля 33 г. н.э., что соответствует традиционно принятой дате.
Портрет Ньютона 1702 года, написанный Годфри Кнеллером. Предоставлено: Национальная портретная галерея, Лондон.
В 1696 году он переехал в Лондон, чтобы занять пост смотрителя Королевского монетного двора, где возглавил великое обновление Англии. Ньютон оставался на этом посту в течение 30 лет и был, пожалуй, самым известным мастером монетного двора. Его приверженность этой роли была настолько серьезной, что он ушел из Кембриджа в 1701 году, чтобы наблюдать за реформой английской валюты и наказанием фальшивомонетчиков.
Как смотритель, а затем и магистр Королевского монетного двора, Ньютон подсчитал, что 20 процентов монет, взятых во время Великой чеканки монет в 1696 году, были поддельными. Проведя множество расследований лично, Ньютон замаскировался по тавернам и барам, чтобы собрать доказательства, и провел более 100 перекрестных допросов свидетелей, информаторов и подозреваемых, что привело к успешному судебному преследованию 28 фальшивомонетчиков.
Ньютон был членом парламента Англии от Кембриджского университета в 1689–1690 и 1701–1702 годах. Помимо того, что в 1703 году он был президентом Королевского общества, он был сподвижником французского общества. Академия Наук . В апреле 1705 года королева Анна посвятила Ньютона в рыцари во время королевского визита в Тринити-колледж в Кембридже, что сделало его вторым ученым, удостоенным рыцарского титула (после сэра Фрэнсиса Бэкона).
Смерть и наследие:
Ближе к концу своей жизни Ньютон поселился в Крэнбери-парке недалеко от Винчестера со своей племянницей и ее мужем, где он оставался до своей смерти. К этому времени Ньютон стал одним из самых известных людей в Европе, и его научные открытия не оспаривались. Он также стал богатым, разумно инвестируя свой значительный доход и жертвуя значительные подарки на благотворительность.
Могила Ньютона в Вестминстерском аббатстве. Предоставлено: Wikipedia Commons / Клаус-Дитер Келлер.
В то же время физическое и психическое здоровье Ньютона начало ухудшаться. К тому времени, когда ему исполнилось 80 лет, у него начались проблемы с пищеварением, и ему пришлось кардинально изменить свою диету и образ жизни. Его семья и друзья также начали беспокоиться о его психической устойчивости, поскольку его поведение становилось все более беспорядочным.
Затем, в 1727 году, Ньютон почувствовал сильную боль в животе и потерял сознание. Он умер во сне на следующий день, 2 марта 1727 года (по юлианскому календарю; или 31 марта 1727 года по григорианскому календарю) в возрасте 84 лет. Он был похоронен в гробнице в Вестминстерском аббатстве. И, будучи холостяком, в последние годы своей жизни он отдал большую часть своего состояния родственникам и благотворительным организациям.
После его смерти волосы Ньютона были исследованы и обнаружены, что они содержат ртуть, вероятно, в результате его алхимических поисков. Отравление ртутью было названо причиной эксцентричности Ньютона в дальнейшей жизни, а также нервного срыва, который он пережил в 1693 году. Слава Исаака Ньютона стала еще больше после его смерти, поскольку многие из его современников провозгласили его величайшим гением в истории человечества. жил.
Эти утверждения были не без оснований, поскольку его законы движения и теория всемирного тяготения не имели аналогов в его время. Помимо того, что он смог объединить орбиты планет, Луны и даже комет в одну согласованную и предсказуемую систему, он также изобрел современное исчисление, произвел революцию в нашем понимании света и оптики и установил научные принципы, которые будут использоваться для следующие 200 лет.
Альберт Эйнштейн был одним из многих поклонников Ньютона, утверждавшего, что для Ньютона природа была «открытой книгой, буквы которой он мог читать без усилий». Предоставлено: Фердинанд Шмутцер / Public Domain.
Со временем многое из того, что придерживался Ньютон, окажется ложным, во многом благодаря Альберту Эйнштейну. С помощью своей Общей теории относительности Эйнштейн докажет, что время, расстояние и движение не являются абсолютными величинами, а зависят от наблюдателя. Тем самым он опроверг одну из фундаментальных заповедей всемирного тяготения. Тем не менее Эйнштейн был одним из величайших поклонников Ньютона и признал большой долг перед своим предшественником.
В дополнение к названию Ньютона «сияющим духом» (в панегирике, произнесенном в 1927 году по случаю 200-летия со дня смерти Ньютона), Эйнштейн также заметил, что «Природа для него была открытой книгой, буквы которой он мог читать без усилий». Говорят, что на стене своего кабинета Альберт Эйнштейн хранил фотографию Ньютона вместе с фотографиями Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла.
К опрос Британского Королевского общества также был проведен в 2005 году, где участников спросили, кто больше повлиял на историю науки: Ньютон или Эйнштейн. Большинство членов Королевского общества согласились с тем, что в целом Ньютон оказал большее влияние на науку. Другие опросы, проведенные в последние десятилетия, дали аналогичные результаты: Эйнштейн и Ньютон боролись за первое и второе место.
Нелегко жить в одно из самых благоприятных времен в истории. Более того, среди всего этого нелегко быть наделенным пониманием, которое приведет к появлению идей, которые революционизируют науку и навсегда изменят ход истории. Но на протяжении всего этого Ньютон сохранял скромную позицию и лучше всего резюмировал свои достижения знаменитыми словами: «Если я видел дальше, то это то, что он стоял на плечах гигантов.'
Мы написали много статей об Исааке Ньютоне для Universe Today. Вот статья о что открыл Исаак Ньютон , а вот статья о изобретения Исаака Ньютона .
У Astronomy Cast также есть замечательный эпизод под названием Эпизод 275: Исаак Ньютон
Для получения дополнительной информации ознакомьтесь со статьей Общества Галилео на Исаак Ньютон , и некоммерческая группа, известная как Проект Ньютон .
Мы также записали целый эпизод Astronomy Cast, посвященный гравитации. Послушай, Эпизод 102: Гравитация .