„Я не измышляю гипотез”. И.Ньютон

Исаак Ньютон (Isaac Newton) – английский математик, физик и астроном, прославившийся благодаря открытию закона всемирного тяготения и сумевший сформулировать три закона механики. В математике он известен как автор дифференциальной системы исчисления и теоремы анализа, а также создатель книги «Универсальная арифметика», благодаря которой эта точная наука получила широкую популярность во всем мире.

На склоне своей долгой жизни он сказал: "Не знаю, каким я кажусь людям. Самому же себе я кажусь ребёнком, который играет на берегу моря и радуется, когда ему удаётся отыскать гладкий камушек или красивую раковину не совсем обыкновенного вида, в то время как великий океан истины расстилается передо мною неисследованным".

Говоря о Ньютоне, добавляют, что это "тот, кто по гениальности превосходил род человеческий".

И.Ньютон родился 25 декабря 1642 г., 4 января 1643 года по новому стилю, в год смерти Г.Галилея, в Вулсторпе в семье мелкого фермера. Его отец, тоже Исаак, был довольно состоятельным, но неграмотным человеком и умер за три месяца до рождения сына. Мальчик родился преждевременно, был болезненным, поэтому его долго не решались крестить. И всё же он выжил, был крещён (1 января), и назван Исааком в честь покойного отца. Факт рождения под Рождество Ньютон считал особым знаком судьбы. Несмотря на слабое здоровье в младенчестве, он прожил 84 года.

Ньютон искренне считал, что его род восходит к шотландским дворянам XV века, однако историки обнаружили, что в 1524 году его предки были бедными крестьянами. К концу XVI века семья разбогатела и перешла в разряд землевладельцев. Отец Ньютона оставил в наследство крупную по тем временам сумму в 500 фунтов стерлингов и несколько сот акров плодородной земли, занятой полями и лесами.

В январе 1646 года мать Ньютона, Хана Эйскоу (1623—1679) вновь вышла замуж за священника Варнаву Смита. От нового мужа, 63-летнего вдовца, у неё было трое детей, и она стала уделять мало внимания Исааку, оставив своего трёхлетнего сына на попечение бабушки, в семье которой жил брат матери Уильям Эйскоу. Уильям учился в Кембридже, и со временем направил туда и Исаака. Исаак был одним из тех великих учёных, перед которыми не возникала необходимость бороться с нищетой.

В детстве Ньютон, по отзывам современников, был молчалив, замкнут и обособлен, любил читать и мастерить технические игрушки. Всю жизнь он чувствовал себя одиноким.

По сведениям отчима Ньютона, его отец был «чудным, диким и слабым человеком». Мать происходила из уважаемой в округе семьи и была «женщина исключительных достоинств и доброты».

В школьные годы Исаак был скрытен, застенчив и очень самолюбив. Он хорошо рисовал и даже писал стихи.

Неподалёку от городка, где в детстве одно время жил Ньютон, строилась ветряная мельница. Ньютон разгадал принцип её работы и сделал действующую модель. Отличие её от настоящей мельницы было в том, что модель имела механизм управления, а управляла ею мышь, которая и поедала намолотую муку.

Будучи физически слабым мальчиком, Ньютон в детстве избегал участвовать в грубых играх сверстников. Он сам придумывал себе детские забавы, самостоятельно изготовлял разнообразные действующие игрушки. Исаак невероятно много читал и с помощью придуманной им системы сокращений записывал в свою тетрадь всё, что поражало его в книгах.

Отчим умер в 1653 году, часть его наследства перешла к матери Ньютона и была сразу же оформлена ею на Исаака. Мать основное внимание уделяла троим младшим детям и обширному хозяйству; Исаак по-прежнему был предоставлен сам себе.

Начальное образование Ньютон получил в деревенской школе, затем поступил в Грэнтхэмскую среднюю школу. Его поместили на квартиру к аптекарю Кларку, где Исаак прожил с перерывами около шести лет. Жизнь у аптекаря впервые возбудила в нём охоту к занятиям химией, что касается школьной науки, она не давалась Ньютону но, желая самоутвердиться, он стал первым учеником школы.

Его сердце поразила падчерица хозяина дома, где он жил, мисс Стори. Перед отъездом на учёбу в Кембридж он в 1661 г. обручился с нею. Хотя Ньютон всегда с теплотой вспоминал о своей первой и последней привязанности, но рассеянность и возрастающая занятость работой отодвинули назад его увлечение, и Ньютон так и не женился. Верность он сохранил навсегда, - даже в старости навещал старушку, в которую превратилась девочка.

В июне 1661 года 18-летний Ньютон приехал в Кембридж. Согласно уставу, ему устроили экзамен на знание латинского языка, после чего сообщили, что он принят в Тринити-колледж (Колледж святой Троицы) Кембриджского университета. С этим учебным заведением связаны более 30 лет жизни Ньютона.

Студентом Ньютон стал на унизительных правах субсайзера. Так называли бедных студентов, которые не могли платить за своё содержание и поэтому были обязаны прислуживать богатым студентам. Лишь в 1664 году он стал «действительным студентом».

В эти годы окончательно сложился характер Ньютона — стремление дойти до сути, нетерпимость к обману, клевете и угнетению, равнодушие к публичной славе. У него по-прежнему не было друзей. В студенческой записной книжке Ньютона есть программная фраза: «В философии не может быть государя, кроме истины… Мы должны поставить памятники из золота Кеплеру, Галилею, Декарту и на каждом написать: «Платон — друг, Аристотель — друг, но главный друг — истина».

Математические знания Ньютона в этот период были очень скромными. Его знакомый А. де Муавр рассказывал, что математикой Ньютон увлёкся двумя годами позже, случайно приобретя на ярмарке книгу по астрономии. Желание разобраться в ней привело Ньютона к изучению "Начал" Евклида, "Геометрии Р.Декарта и "Арифметики бесконечного" Дж.Валлиса. Декарта он предпочитал Евклиду, считая его книгу банальной.

Его преподавателем математики был И. Барроу, блестящий и оригинальный учёный. Барроу охотно признал, что сам он был лишь утренней звездой, возвещавшей скорый восход солнца. В 1669 г. он отказался от Люкасовской кафедры математики в пользу своего ученика.

Люкасовская кафедра в Тринити колледже основана в 1663 г. на средства, пожертвованные неким Генри Люкасом, и по уставу связана с обязанностью читать одну недельную лекцию по геометрии, арифметике, астрономии, географии, статике или другим математическим наукам; четыре недельных часа, кроме того, отводились для обсуждения со студентами прочитанного курса. Первым люкасовским профессором был учитель Ньютона Барроу, вторым сам Ньютон. Эта кафедра, сохранившаяся до нашего времени, естественно приобрела славу, получение её считается большой честью. В наше время её занимал П. Дирак, один из основателей современной квантовой механики.

Справедливости ради, следует сказать, что геометрические лекции Барроу содержали его собственные методы отыскания площадей и проведения касательных к кривым - ключевые вопросы дифференциального и интегрального исчисления. Эти лекции вдохновили Ньютона на дальнейшие исследования. Придя к созданию дифференциального и интегрального исчисления, Ньютон установил, что они тесно взаимосвязаны.

Как истинный сын своего времени, Ньютон сильно увлекался богословием и алхимией.

О студенческой жизни Ньютона почти ничего неизвестно, кроме того, что в возрасте 21-23 лет он заложил основы всех своих последующих работ в естествознании и математике и что непрерывный труд, часто до поздней ночи, привёл его к болезни. С чисто человеческой стороны Ньютон был обычным студентом, избегал студенческих компаний, учился средне.

Свой первый физический эксперимент Ньютон проделал в 1658 г. г. Измеряя дальность прыжка по направлению ветра и против, он сумел определить силу ветра во время бури.

В 1664-1665 гг. университет был закрыт в связи с нашествием Великой чумы. Это были бедственные годы для Англии — опустошительная чума (только в Лондоне погибла пятая часть населения), разорительная война с Голландией, Великий лондонский пожар. Чума заставила Ньютона бежать в Вулсторп, где он пробыл до марта 1667 года. Существенную часть своих научных открытий Ньютон сделал в уединении «чумных лет». Из сохранившихся заметок видно, что 23-летний Ньютон уже свободно владел базовыми методами дифференциального и интегрального исчислений, включая разложение функций в ряды и то, что впоследствии было названо формулой Ньютона-Лейбница. Проведя ряд остроумных оптических экспериментов, он доказал, что белый цвет есть смесь цветов спектра.

Эти открытия, а также многие из позднейших, были опубликованы на 20-40 лет позже, чем были сделаны. Ньютон не гнался за славой. В 1670 году он писал Джону Коллинзу: «Я не вижу ничего желательного в славе, даже если бы я был способен заслужить её. Это, возможно, увеличило бы число моих знакомых, но это как раз то, чего я больше всего стараюсь избегать».

Позже Ньютон вспоминал об этих годах: "В начале 1665 года я нашёл метод приближённых рядов и правило превращения любой степени двучлена в такой ряд… в ноябре получил прямой метод флюксий [дифференциальное исчисление]; в январе следующего года я получил теорию цветов, а в мае приступил к обратному методу флюксий [интегральное исчисление]… В это время я переживал лучшую пору своей юности и больше интересовался математикой и [натуральной] философией, чем когда бы то ни было впоследствии".

Но самым значительным его открытием в эти годы стал закон всемирного тяготения. Эти годы называют "болдинской осенью" Ньютона. В Вулсторпе он написал пять мемуаров, но они не были напечатаны. Здесь впервые проявилась удивительная черта характера Ньютона: он питал подлинное отвращение к выступлениям в печати.

Почти через 140 лет после появления теории цветов Ньютона на неё с решительной критикой обрушился великий немецкий поэт и известный естествоиспытатель И.В. Гёте. Гёте утверждал, что цвета рождаются, когда свет проходит через воздух или воду. Удивительно, но Гёте ставил свою теорию цветов выше своей поэзии. Он был убеждён, что лишь "по странному стечению обстоятельств учение о цвете оказалось вовлечённым в царство математики". А Ньютон как математик, говорил Гёте, имеет столь высокую репутацию, что его "нелепейшее заблуждение", что чистый свет составлен из тёмных светов, сохраняется до сих пор.

Ряд учёных первой величины поддерживали идеи Гёте. Среди них Г. Гельмгольц, В.Оствальд, К.Тимирязев, А.Столетов, В.Вернадский, В. Гейзенберг, М. Борн.

Знаменитый немецкий физиолог И. Мюллер считал, что правы оба - Ньютон и Гёте, - но они исследовали явление в различных аспектах. Гёте изучал механизм нервного образования ощущения, психофизиологию цветности, а Ньютон - физику внешних раздражителей, вызывающих оптическое ощущение цвета.

Открыв закон всемирного тяготения, Ньютон опубликовал его лишь 20 лет спустя. Такая задержка была вызвана тем, что он не мог решить задачу: если каждая частица шара притягивает внешнюю частицу с силой, прямо пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния, то какова будет результирующая всего этого бесконечного множества сил? Двадцать лет Ньютону потребовалось на решение задачи, которую теперь студенты решают за 20 минут: сила притяжения будет такой же, как если бы вся масса шара была сосредоточена в его центре. Когда в 1684 г. Галлей спросил его, какой закон притяжения обеспечивает эллиптическую орбиту планет, Ньютон сразу ответил: обратный квадрат. И в ответ на вопрос, откуда ему это известно, добавил: "Я вычислил это".

Легенда о падающем яблоке появилась, возможно, из-за скрытности Ньютона. Друг Ньютона Стукелей в своих воспоминаниях рассказывал, якобы со слов Ньютона, что мысль о законе всемирного тяготения созрела у Ньютона в тот момент, когда он увидел, как с яблони упало на землю яблоко. Популярной легенда стала благодаря Вольтеру. Эта история столь прочно укоренилась, что дерево в саду Ньютона, с которого сорвалось знаменитое яблоко, почти столетие, пока его не сломала буря, было музейным экспонатом в имении семьи Ньютона в Вулсторпе.

В возможности такого события сомневались второй друг Ньютона Пембертон, Вольтер, получивший информацию от племянницы Ньютона, К.Ф. Гаусс.

Да и сам Ньютон - если бы он расценивал историю с яблоком как счастливую случайность, натолкнувшую его на выдающееся открытие, разве стал бы он ждать двадцать лет, чтобы сообщить об этой находке?

В начале 1667 года эпидемия утихла, и в апреле Ньютон возвратился в Кембридж. 1 октября он был избран членом Тринити-колледжа, а в 1668 году стал магистром. Ему выделили просторную отдельную комнату для жилья и передали группу студентов, с которыми он несколько часов в неделю добросовестно занимался стандартными учебными предметами. Впрочем, ни тогда, ни позже Ньютон не прославился как преподаватель, его лекции посещались плохо. Много времени Ньютон тратил на проведение всевозможных химических опытов.

В этом же году Барроу принял приглашение короля стать придворным капелланом и оставил преподавание. 29 октября 1669 года 26-летний Ньютон был избран его преемником, профессором математики и оптики Тринити-колледжа. Барроу оставил Ньютону обширную алхимическую лабораторию; в этот период Ньютон всерьёз увлёкся алхимией, провёл массу химических опытов.

Его первые лекции были по оптике. В них он изложил свои открытия и корпускулярную теорию света, согласно которой свет - поток частиц, а не волн, как утверждали Гюйгенс и Гук. Значительно позже обе эти теории оказались полезными, и нашли применение в квантовой теории.

В 1668 г. Ньютон сам построил зеркальный телескоп и использовал его для наблюдений за спутниками Юпитера.

Первый изобретённый Ньютоном телескоп был длиною всего 15 сантиметров, а вогнутое зеркало, укреплённое у его дна, имело диаметр 25 миллиметров. Но с его помощью можно было наблюдать спутники Юпитера. Осмотрев телескоп, академики оценили изобретение и избрали в 1672 г. Ньютона членом Королевского общества. Первый свой доклад Королевскому обществу он закончил словами: «Я не буду смешивать домыслов с достоверностями». Позднее эта мысль стала его девизом «Hypotheses non fingo» - «Гипотез я не измышляю».

По словам самого Ньютона, ещё Галилей установил начала, названные Ньютоном «двумя первыми законами движения». Ньютон формулирует эти законы так:

I. Всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не подействует какая-либо сила и не заставит его изменить это состояние.

II. Изменение движения пропорционально движущей силе и направлено по прямой, по которой действует данная сила.

Сверх этих двух законов Ньютон сформулировал ещё третий закон движения, выразив его так:

III. Действие всегда равно и прямо противоположно противодействию, то есть действия двух тел друг на друга всегда равны и направлены в противоположные стороны.

Установив общие законы движения Ньютон вывел из них множество следствий и теорем, позволивших ему довести теоретическую механику до высокой степени совершенства. С помощью этих теоретических начал он подробно выводит свой закон тяготения из законов Кеплера и затем решает обратную задачу, то есть показывает, каково должно быть движение планет, если признать закон тяготения за доказанный.

Открытие Ньютона привело к созданию новой картины мира, согласно которой все планеты, находящиеся друг от друга на колоссальных расстояниях, оказываются связанными в одну систему. Этим законом Ньютон заложил начало новой отрасли астрономии — небесной механики, которая сегодня изучает движение планет и позволяет рассчитывать их положение в пространстве.

Размышляя днём и ночью о движении Луны, Ньютон серьёзно заболел. Он говорил, что эта задача была единственной, которая причиняла ему головные боли.

Без имени Ньютона нет физики: он сформулировал закон всемирного тяготения, открыл волновую природу света, построил удивительные телескопы. В своей долгой жизни Ньютон ощутил и силу власти, и славу живого гения.

Но и обид и разочарований на его долю выпало немало. После каждого открытия его обвиняли в том, что он просто воспользовался чужими работами. Ньютон ожесточался, терял веру в людей, но никогда не сомневался в своей правоте.

Все преимущества и недостатки волновой концепции природы света Ньютон проанализировал в письмах к стороннику этой теории Р. Гуку. Он был склонен к дуализму природы света, предвосхищая основную идею квантовой механики. Ученики и последователи Ньютона считали его основоположником корпускулярной теории света. Его авторитет сдерживал развитие физической оптики вплоть до появления работ Юнга и Френеля.

11 января 1672 г. Ньютон стал членом Королевского общества, а в феврале опубликовал свой трактат о природе света, вызвавший бурю протеста. С критикой выступил даже Р. Гук, дававший согласие на публикацию. Потрясённый Ньютон просил исключить его из общества.

Будучи по натуре весьма осторожным (чтобы не сказать робким) человеком, Исаак Ньютон, помимо его воли оказывался порой втянутым в мучительные для него дискуссии и конфликты. Так, его теория света и цветов, изложенная в 1675, вызвала такие нападки, что Ньютон решил не публиковать ничего по оптике, пока жив Гук, наиболее ожесточенный его оппонент.

Очередная стычка между Ньютоном и Гуком возникла из-за приоритета в открытии закона всемирного тяготения. Конфликт уладили, приоритет остался за Ньютоном.

Конец 1670-х годов был печален для Ньютона. В мае 1677 года неожиданно умер 47-летний Барроу. Зимой этого же года в доме Ньютона возник сильный пожар, и часть рукописного архива Ньютона сгорела. В сентябре 1677 года умер благоволивший Ньютону секретарь Королевского Общества Ольденбург, и новым секретарём стал Гук, относившийся к Ньютону неприязненно. В 1679 году тяжело заболела мать Ньютона; оставив все дела он, приехал к ней, принимал активное участие в уходе за больной, но состояние матери быстро ухудшалось, и она умерла. Мать и Барроу были в числе немногих людей, скрашивавших одиночество Ньютона.

Когда дело касалось денег, Ньютон не был рассеянным мечтателем, он был очень практичен и умер богатым для своего времени человеком. Будучи экономным и расчётливым, он, вместе с тем, был всегда готов помочь другу в нужде.

Поддавшись уговорам Галлея (английский астроном, геофизик, математик, метеоролог, физик и демограф), Ньютон написал в 1686 г. "Математические начала натуральной философии" ("Начала"), где поместил все свои открытия в астрономии и механике. Вероятно, ни один человек не думал так напряженно и непрерывно, как Ньютон при написании этого труда. Он никогда особенно не заботился о своём здоровье, а в это время, казалось, совсем забыл, что у него есть тело, нуждающееся в пище и сне. В 1687 г. книга была издана за счёт Галлея. Эта книга входит в число самых выдающихся творений человеческой мысли. После выхода этой книги современники провозгласили Ньютона полубогом.

Большую помощь в подготовке "Начал" к печати оказал Ньютону Галлей. Он устранил множество описок и настоял на том, чтобы рисунки помещались прямо в тексте, а не на отдельных листах, как тогда было принято. Это облегчило чтение книги, хотя и повысило стоимость издания. Печатать же "Начала" Галлею пришлось на свои деньги, поскольку Королевское общество испытывало финансовые затруднения.

Молодой человек, однофамилец Ньютона, служивший у него секретарём, вспоминал то время, когда были созданы "Начала" (1685 - 1686 гг.): " ... по его распоряжению я переписывал это великолепное произведение, прежде чем послать его в печать. После напечатания сэр Ньютон послал меня с книгами для подарков начальствующим лицам в колледж и своим знакомым; кое- кто из них ... сказал, что надо лет семь учиться, прежде чем что-нибудь поймёшь в этой книге.

Сэр Исаак в это время был очень любезным, спокойным и очень скромным, и, по–видимому, никогда не впадал в раздражение; за исключением одного случая я никогда не видел, чтобы он смеялся ... Занятиями он увлекался настолько, что часто забывал обедать … Спал он всегда 4 или 5 часов ... Думаю, его немало печалила необходимость тратить время на сон и еду. Хотя у него была большая библиотека, он редко справлялся в книгах ... Он не позволял себе никакого отдыха и передышки, не ездил верхом, не гулял, не играл в кегли, не занимался спортом; он считал потерянным всякий час, не посвящённый занятиям. Редко уходил он из своей комнаты, за исключением тех случаев, когда ему надо было читать лекции ..."

Ньютон не спешил с публикацией своих исследований закона тяготения отчасти потому, что не знал точного значения радиуса Земли, и сравнение расчётов с результатами наблюдений не давало хорошего согласия. Только после измерения Пикаром радиуса Земли с большой точностью расхождения исчезли.

В 1684 г. английский физик Галлей предложил Ньютону решить задачу: доказать, что из закона всемирного тяготения следует, что траекториями планет будут эллипсы, а траекториями комет - гиперболы. Через полгода Ньютон решил эту задачу.

В "Началах" Ньютон решил и обратную задачу: доказал, что траекторией будет эллипс, если закон взаимодействия - закон "обратных квадратов". Более того, он доказал, что если бы закон сил, действующих между Солнцем и планетой, хоть немного отклонился от этого закона, то точки наибольшего и наименьшего удаления планеты от Солнца не были бы неподвижны, что противоречило бы результатам наблюдений. Это доказательство Ньютона - одно из самых блестящих в астрономии. Много лет теория Ньютона была основой небесной механики. Только Эйнштейну удалось внести поправки в закон всемирного тяготения.

Аппарат "флюксий" - дифференциальное и интегральное исчисление - был разработан Ньютоном в процессе работы над проблемами динамики. Но Ньютон редко использовал его в своих "Математических началах натуральной философии", проделывая громоздкие геометрические доказательства. Это делает чтение "Начал" довольно сложным занятием. Ньютон считал из дидактических соображений традиционный подход в стиле Евклида и Архимеда более доступным.

В „Математических началах натуральной философии" Ньютон теоретически определил скорость распространения звука в воздухе - 290 м/с. В действительности же она равна, и Ньютон знал об этом, 331 м/с. Но он не мог устранить это расхождение. Лишь в начале XIX в. П. Лаплас установил, что Ньютон, рассматривая звуковую волну как чередование областей сжатия и разрежения воздуха, сменяющих друг друга во времени, пользовался представлениями об изотермическом, а не адиабатном процессе. До выяснения специфики адиабатного процесса должно было ещё пройти более ста лет.

Принципиальность Ньютона и твёрдость его характера проявились, когда в 1687 г. король Яков II предложил Кембриджскому университету дать степень магистра одному бенедиктинскому монаху. Университет отказался выполнить эту просьбу и послал в Лондон делегацию, в которую входил Ньютон. Только его решительная позиция вынудила короля отказаться от своего предложения.

В 1689 г. его избрали от университета в парламент. Ньютон добросовестно выполнял свой долг, но не произнёс там ни одной речи.

После написания "Начал" наступил спад в творчестве Ньютона, он какое-то время чувствовал себя уставшим. В 1692г. он серьёзно заболел, болезнь сопровождалась манией преследования. Лишь к 1694 он, по свидетельству Христиана Гюйгенса, "...начинает уже понимать свою книгу «Начала»".

В 1699 г. его назначили главным смотрителем Монетного двора, поручив ему проведение реформы денег и их чеканку. К этому делу он относился очень серьёзно. Будучи директором Монетного двора, Ньютон ввёл насечку на ребре монеты.

Ньютон был убеждён, что наши знания о мире мы должны черпать "из явлений", избегая "гипотез". "Hypotheses non fingo" - "Гипотез не измышляю" - эту фразу он повторял постоянно. Нелюбовь к умозрительным рассуждениям была заложена в самом характере Ньютона - спокойном и ровном. И.В. Гёте сказал о нём: "Ньютон был здоровый человек со счастливой организацией и ровным темпераментом, без страстей, без желаний. У него был конструктивный ум ..."

Автор биографии Ньютона известный физик Ж.Б. Био удивлялся: "Кажется странным, что Ньютон в своих сочинениях никогда не отзывался благосклонно о Декарте и часто был к нему несправедлив".

Но ведь именно в работах Декарта достигло своей вершины "измышление гипотез". В "Началах философии" Декарт с гордостью пишет :

"Нет ни одного явления в природы, не вошедшего в то, что было объяснено в настоящем трактате". А объяснения эти - гипотетические. Это и объясняет поведение Ньютона.