XVII століття було сприятливим для наукових часів, коли були зроблені новаторські відкриття в галузі астрономії, фізики, механіки, оптики та природничих наук. В центрі всього цього був сер Ісаак Ньютон, людина, яка широко визнана як один із найвпливовіших вчених усіх часів і як ключова фігура наукової революції.
Англійський фізик і математик Ньютон зробив декілька першокласних внесків у сферу оптики і ділиться кредитами з Готфрідом Лейбніцом для розвитку обчислення. Але це була публікація Ньютона Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ("Математичні засади натурфілософії"), якими він найвідоміший. Опублікований у 1687 році, цей трактат заклав основи класичної механіки, традиції, яка б домінувала над уявленнями вчених про фізичний всесвіт протягом наступних трьох століть.
Раннє життя:
Ісаак Ньютон народився 4 січня 1643 року - або 25 грудня 1642 року за Юліанським календарем (який тоді використовувався в Англії) - в Вулсторпі за Колстерворт, хутір у графстві Лінкольншир. Його батько, на якого його назвали, був процвітаючим фермером, який помер за три місяці до свого народження. Народившись передчасно, Ньютон був маленьким у дитинстві.
Його мати Ханна Ейскоф повторно вийшла заміж, коли йому було три роки до преподобного, залишивши Ньютона під опікою своєї бабусі-матері. Його мати продовжуватиме народжувати ще трьох дітей зі своїм новим чоловіком, який став єдиним побратимом Ньютона. Через це Ньютон певний час мав скельні стосунки з вітчимом та матір'ю.
До того часу, коли Ньютону було 17 років, його мати знову вдова. Незважаючи на її сподівання, що Ньютон стане фермером, як і його батько, Ньютон ненавидів фермерство і прагнув стати академіком. Його інтереси до інженерії, математики та астрономії були очевидні з раннього віку, і Ньютон розпочав навчання з прагненням до навчання та вигадування, які триватимуть до кінця його життя.
Освіта:
У віці від 12 до 21 року Ньютон здобув освіту в школі Кінга в Грантамі, де він вивчив латинську мову. Перебуваючи там, він став першокласним студентом і отримав визнання за будівництво сонячних годин і моделей вітряків. До 1661 р. Його прийняли до коледжу Трініті в Кембриджі, де він заплатив дорогою, виконуючи обов'язки камердинера (те, що було відомо як субсисар).
Під час своїх перших трьох років у Кембриджі Ньютона викладали стандартну навчальну програму, яка базувалася на теорії Арістотеля. Але Ньютон був захоплений передовою наукою і весь свій вільний час проводив, читаючи твори сучасних філософів і астрономів, таких як Рене Декарт, Галілео Галілей, Томас-стріт та Йоганнес Кеплер.
Результатом цього було не менш зоряне виконання, але його подвійне зосередження також призвело б до того, щоб зробити кілька найглибших наукових внесків. У 1664 році Ньютон отримав стипендію, яка гарантувала йому ще чотири роки, поки він не отримає ступінь магістра мистецтв.
У 1665 році, незабаром після того, як Ньютон здобув свою Б.А., університет тимчасово закрився через спалах Великої чуми. Використовуючи цей час для навчання вдома, Ньютон розробив низку ідей, які він, зрештою, зможе стати його теоріями обчислення, оптики та закону гравітації (див. Нижче).
У 1667 році він повернувся в Кембридж і був обраний соратником Трійці, хоча його виступ все ще вважався менш видовищним. Однак з часом його статки покращилися, і він здобув визнання за свої здібності. У 1669 р. Він отримав М.А. (до того, як йому виповнилося 27 років) і опублікував трактат, в якому виклав свої математичні теорії щодо боротьби з нескінченними рядами.
До 1669 року він змінив свого одноразового вчителя та наставника Ісаака Барроу - богослова та математика, який відкрив фундаментальну теорему обчислення - і став кафедрою математики Лукаса в Кембриджі. У 1672 р. Його обрали членом Королівського товариства, частиною якого він залишиться до кінця життя.
Наукові досягнення:
Навчаючись у Кембриджі, Ньютон зберігав другий набір нот, який назвав «Quaestiones Quaedam Philosophicae” (“Певні філософські питання“). Ці замітки, які були сумарними спостереженнями Ньютона щодо механічної філософії, привели його до відкриття узагальненої біноміальної теореми в 1665 році і дозволили розробити математичну теорію, яка б призвела до його розвитку сучасного обчислення.
Однак найраніші внески Ньютона були у формі оптики, яку він читав під час щорічних лекцій, займаючи посаду Лукаського кафедри математики. У 1666 р. Він спостерігав, що світло, що потрапляє в призму як круговий промінь, виходить у формі довгастої форми, демонструючи, що призма заломлює різні кольори світла під різними кутами. Це привело його до висновку, що колір є властивістю світла, що було обговорено в попередні роки.
У 1668 році він сконструював і сконструював відображаючий телескоп, який допоміг йому довести свою теорію. З 1670 по 1672 р. Ньютон продовжував читати лекції з оптики та досліджував заломлення світла, демонструючи, що різнокольоровий спектр, що утворюється призмою, може бути перетворений у біле світло за допомогою лінзи та другої призми.
Він також продемонстрував, що кольорове світло не змінює своїх властивостей, незалежно від того, відбивається воно, розсіяне чи передане. Таким чином, він зауважив, що колір є результатом об'єктів, що взаємодіють із вже кольоровим світлом, а не об'єктів, що генерують сам колір. Це відома як теорія кольору Ньютона.
Королівське товариство попросило продемонструвати свій відображаючий телескоп в 1671 році, і зацікавленість організації закликала Ньютона опублікувати свої теорії про світло, оптику та колір. Це він зробив у 1672 р. У невеликому трактаті під назвою Оf Кольори, який згодом буде опублікований у більшому обсязі, що містить його теорії про «корпускулярний» характер світла.
По суті, Ньютон стверджував, що світло складається з частинок (або тілець), які, за його твердженням, заломлюються прискоренням в більш щільне середовище. У 1675 р. Він опублікував цю теорію в трактаті під назвою «Гіпотеза про світло ", в якому він також висловлював думку про те, що звичайна матерія складається з більших тілесних тілець і про існування ефіру, який передає сили між частинками.
Після обговорення його ідей з Генрі Мором, англійським теософом та членом Кембриджських платоністів, інтерес Ньютона до алхімії відроджувався. Потім він замінив свою теорію про ефір, що існує між частинками в природі, окультними силами, заснованими на герметичних ідеях тяжіння та відштовхування між частинками. Це відображало постійний інтерес Ньютона як до алхімічного, так і до наукового, для якого тоді не було чіткого розрізнення.
У 1704 р. Ньютон опублікував усі свої теорії про світло, оптику та кольори в єдиному томі під назвою Оптики: Або трактат про відбиття, заломлення, перелом та кольори світла. У ній він міркував, що світло і речовина можуть перетворюватися одна в одну за допомогою своєрідної алхімічної трансмутації і спиратися на теорії звукових хвиль, щоб пояснити повторні закономірності відображення і передачі.
Хоча пізніше фізики виступали за суто хвилеподібне пояснення світла для врахування інтерференційних моделей та загального явища дифракції, їхні висновки значною мірою зобов'язані теоріям Ньютона. Приблизно те саме стосується сьогоднішньої квантової механіки, фотонів та ідеї подвійності хвиль-частинок, які мають лише невелику схожість з розумінням Ньютона про світло.
Хоча і йому, і Лейбніцу приписують незалежне розроблення, обидва чоловіки заплутуються в суперечці щодо того, хто це відкрив першим. Хоча робота Ньютона над розробкою сучасного обчислення почалася в 1660-х роках, він неохоче публікував це, побоюючись суперечок і критики. Як такий, Ньютон нічого не публікував до 1693 року і не розповів про свою роботу до 1704 року, тоді як Лейбніц почав публікувати повний звіт про свої методи в 1684 році.
Однак раніше Ньютон працював з механіки та астрономії, передбачав широке використання числення в геометричній формі. Сюди входять методи, що включають "один чи кілька порядків нескінченно малого" у своїй роботі 1684 року, De motu corporum in gyrum (“На рух тіл на орбіті »), а в книзі І від Principia, яку він назвав "методом першого та останнього співвідношень".
Універсальна гравітація:
У 1678 р. Ньютон зазнав повного нервового зриву, швидше за все, від перевтоми та постійної сварки з членом Королівського товариства Робертом Гуком (див. Нижче). Смерть матері через рік призвела до того, що він ставав все більш відокремленим, і протягом шести років він відійшов від листування з іншими вченими, за винятком випадків, коли вони його ініціювали.
Під час цього перерви Ньютон відновив інтерес до механіки та астрономії. За іронією долі, саме завдяки короткому обміну листами в 1679 та 1680 роках з Робертом Гуком він призвів до його найбільших наукових досягнень. Його пробудження було також пов’язане з появою комети взимку 1680–1681 рр., Про яку він листувався з Джоном Фламстід - англійським «Королівським астрономом».
Після цього Ньютон почав розглядати гравітацію та її вплив на орбіти планет, зокрема з посиланням на закони Кеплера щодо руху планети. Після обміну з Гуком він розробив доказ того, що еліптична форма планетарних орбіт буде результатом відцентрової сили, обернено пропорційній квадрату радіусного вектора.
Ньютон повідомляв про свої результати Едмону Галлею (відкривцю "Комети Хейлі") та Королівському товариству De motu corporum in gyrum. Цей тракт, опублікований у 1684 р., Містив насіння, яке Ньютон розширить, щоб утворити його magnum opus, the Principia. Цей трактат, опублікований у липні 1687 р., Містив три закони руху Ньютона. Ці закони зазначали, що:
- При огляді в інерціальній системі відліку об'єкт або залишається в спокої, або продовжує рухатися з постійною швидкістю, якщо на нього не впливає зовнішня сила.
- Векторна сума зовнішніх сил (F) на об’єкт дорівнює масі (м) цього об'єкта, помноженого на вектор прискорення (a) об'єкта. У математичній формі це виражається як: F =ма
- Коли одне тіло чинить силу на друге тіло, друге тіло одночасно чинить силу, рівну за величиною і протилежну за напрямом на перше тіло.
Ці закони спільно описували взаємозв'язок між будь-яким об'єктом, силами, що діють на нього, і виникаючим ним рухом, що заклало основу класичної механіки. Закони також дозволили Ньютону обчислити масу кожної планети, обчислити сплющення Землі на полюсах та опуклість на екваторі та те, як гравітаційне тягнення Сонця та Місяця створює припливи Землі.
У тій же роботі Ньютон представив математичний метод геометричного аналізу з використанням «першого і останнього співвідношень», розробив швидкість звуку в повітрі (на основі закону Бойла), врахував прецесію рівнодення (що він показав: результат гравітаційного тяжіння Місяця до Землі), ініціював гравітаційне дослідження нерівномірності руху Місяця, надав теорію для визначення орбіт комет та багато іншого.
Цей обсяг мав би глибокий вплив на науки, його принципи залишатимуться каноном протягом наступних 200 років. Він також повідомив про концепцію універсальної гравітації, яка стала основою сучасної астрономії, і вона не буде переглянута до 20 століття - з відкриттям квантової механіки та теорії загальної відносності Ейнштейна.
Ньютон та "інцидент Apple":
Історія про Ньютона, що придумує свою теорію універсального гравітації в результаті падіння яблука на голову, стало основною популярною культурою. І хоча часто стверджується, що історія є апокрифною, і Ньютон жодної миті не придумував свою теорію, сам Ньютон розповідав історію багато разів і стверджував, що інцидент надихнув його.
Крім того, письмо Вільяма Стюклі - англійського священнослужителя, антикваря та члена Королівського товариства - підтвердили цю історію. Але замість комічного зображення яблука, що вражає Нетвона по голові, Стюклі описав у своєму Спогади про життя сера Ісаака Ньютона (1752) розмова, в якій Ньютон описав обдумування природи сили тяжіння, спостерігаючи, як яблуко падає.
"... ми пішли в сад і пили теа під тінню деяких яблунь; тільки він, і я. серед інших дискурсів, сказав він мені, він опинився просто в тій же ситуації, що і раніше, коли поняття тяжіння прийшло йому в голову. «Навіщо це яблуко завжди опускатися перпендикулярно до землі», - подумав він собі; з нагоди падіння яблука ... "
Джон Кондуїт, помічник Ньютона в Королівському монетному дворі (який врешті-решт одружився з його племінницею), також розповів, що слухав цю історію у власному звіті про життя Ньютона. За словами Кондуїтта, інцидент стався в 1666 році, коли Ньютон їхав назустріч матері в Лінкольншир. Під час вигулу в саду він роздумував, як вплив гравітації поширюється далеко за межі Землі, що відповідає за падіння яблуні, а також орбіту Місяця.
Аналогічно Вольтер написав своє Нарис епічної поезії (1727), що Ньютон вперше подумав про систему гравітації, гуляючи по своєму саду і спостерігаючи, як яблуко падає з дерева. Це узгоджується із записками Ньютона 1660-х років, в яких видно, що він бореться з ідеєю того, як земна гравітація поширюється, у зворотно-квадратній пропорції, до Місяця.
Однак йому знадобиться ще два десятиліття, щоб повністю розвинути свої теорії до того, що він зміг запропонувати математичні докази, як це було показано в Principia. Як тільки це було завершено, він визнав, що та сама сила, яка змушує предмет впасти на землю, була відповідальною за інші орбітальні рухи. Отже, він назвав це «універсальною гравітацією».
Різні дерева вважаються яблунею, яку описує Ньютон. Королівська школа, Грантхем, стверджує, що їхня школа придбала оригінальне дерево, викорінила його і через кілька років перевезла до саду директора. Однак Національний трест, який тримає у владі садибу Вулсторп (де Ньютон виріс), стверджує, що дерево все ще мешкає у їхньому саду. Нащадка оригінального дерева можна побачити, що росте за межами головних воріт Трініті-коледжу, Кембридж, під кімнатою, в якій жив Ньютон, коли він навчався там.
Ворожання з Робертом Гуком:
З Principia, Ньютон став міжнародно визнаним і придбав коло шанувальників. Це також призвело до ворожнечі з Робертом Гуком, з яким у минулому були неспокійні стосунки. Опублікувавши в 1671/72 рр. Свої теорії про колір та світло, Гук досить поблажливо критикував Ньютона, стверджуючи, що світло складається з хвиль, а не кольорів.
У той час як інші філософи критично ставилися до ідеї Ньютона, саме Гук (член Королівського товариства, який виконав велику роботу з оптики), пошкодив Ньютона найгіршим. Це призвело до ганебних стосунків між двома чоловіками, і до того, як Ньютон майже покинув Королівське товариство. Однак втручання його колег переконало його продовжувати, і справа врешті-решт притихла.
Однак з публікацією Principia, питання вкотре стали головою, і Гук звинувачував Ньютона в плагіаті. Причина звинувачення була пов'язана з тим, що раніше в 1684 році Гук коментував Едмону Галлею та Крістоферу Ррену (також членам Королівського товариства) про еліпси та закони руху планети. Однак у той час він не запропонував математичного доказу.
Тим не менш, Гук стверджував, що він відкрив теорію зворотних квадратів і що Ньютон вкрав його роботу. Інші члени Королівського товариства вважали звинувачення необґрунтованим і вимагали, щоб Гук випустив математичні докази для обґрунтування цієї вимоги. Тим часом Ньютон видалив усі згадки про Гука в своїх записках і погрожував відкликати його Principia від подальшої публікації взагалі.
Едмунд Галлі, який був другом і Ньютона, і Гука, намагався помиритися між ними. Вчасно він зміг переконати Ньютона вставити спільне визнання роботи Гука в його обговоренні закону зворотних квадратів. Однак це не змусило Гука, який зберігав звинувачення у плагіаті.
З плином часу слава Ньютона продовжувала зростати, а Гук продовжував зменшуватися. Це призвело до того, що Гук стає все більш озлобленим і захиснішим від того, що він бачив у своїй роботі, і він не шкодував можливості вибиватися на свого суперника. Ворожа остаточно закінчилася в 1703 році, коли Гук помер, а Ньютон змінив його на посаді президента Королівського товариства.
Інші досягнення:
Окрім своєї роботи з астрономії, оптики, механіки, фізики та алхімії, Ньютон також цікавився релігією та Біблією. Протягом 1690-х років він написав кілька релігійних трактів, які стосувалися буквальних та символічних тлумачень Біблії. Наприклад, його урочище на Святій Трійці - надіслане відомому політичному філософу та теоретику соціальної сфери Джону Локку та неопубліковане до 1785 року - поставило під сумнів правдивість 1 Івана 5: 7, опис якої ґрунтується на Святій Трійці.
Пізніші релігійні твори - як Хронологія стародавніх царств внесені зміни (1728) і Спостереження над пророцтвами Даниїла та Апокаліпсисом святого Іоанна (1733) - також залишався не опублікованим до його смерті. В Королівства, він розглядав хронологію різних давніх царств - Перших віків греків, давніх єгиптян, вавилонян, медеїв та персів - і запропонував опис храму Соломона.
В Пророцтва, він звернувся до Апокаліпсису, як це було передбачено в рамках Книга Даниїла і Одкровенняі висловив переконання, що це відбудеться в 2060 р. н.е. (хоча інші можливі дати включали 2034 р. н. е.). У своїй текстовій критиці під назвою Історичний виклад двох помітних пошкоджень Писання (1754 р.) Він поставив розп'яття Ісуса Христа 3 квітня н.е., 33 р. Н. Е., Що узгоджується з традиційно прийнятою датою.
У 1696 році він переїхав до Лондона, щоб зайняти посаду старости Королівського монетного двору, де взяв на себе відповідальність за велике піднесення Англії. Ньютон залишився б на цій посаді 30 років і був, мабуть, найвідомішим майстром монетного двору. Настільки серйозною була його прихильність до ролі, що він вийшов з Кембриджу в 1701 р. Для нагляду за реформою англійської валюти та покаранням підробників.
Будучи старостою, а згодом майстром Королівського монетного двору, Ньютон підрахував, що 20 відсотків монет, взятих під час Великого відродження 1696 року, були підробленими. Проводячи багато розслідувань особисто, Ньютон маскувався до таверн та барів, маскуючись, щоб зібрати докази та провів понад 100 перехресних допитів свідків, інформаторів та підозрюваних - що призвело до успішного переслідування 28 підроблених монет.
Ньютон був членом парламенту Англії Кембриджського університету в 1689–90 та 1701–2. Крім того, що був президентом Королівського товариства в 1703 році, він був співробітником французької Академії наук. У квітні 1705 року королева Енн лицаряла Ньютона під час королівського візиту до Трініті-коледжу в Кембриджі, що зробило його другим вченим, який був лицарем (після сера Френсіса Бекона).
Смерть і спадщина:
Наприкінці свого життя Ньютон проживав у Кренбері-парку поблизу Вінчестера разом із племінницею та її чоловіком, де він пробув до своєї смерті. До цього часу Ньютон став одним з найвідоміших людей Європи, і його наукові відкриття були беззаперечними. Він також став заможним, розумно вкладаючи свої значні доходи та даруючи значні подарунки на благодійність.
У той же час фізичне та психічне здоров'я Ньютона почало занепадати. До свого 80-річного віку він почав відчувати проблеми з травленням і йому довелося різко змінити свій раціон і спосіб життя. Його родина та друзі також почали турбуватися про його психічну стабільність, оскільки його поведінка ставала дедалі більш хаотичною.
Потім, у 1727 році, Ньютон відчув сильний біль у животі і втратив свідомість. Він помер уві сні наступного дня, 2-го березня 1727 року (Юліанський календар; або 31 березня 1727 р., Григоріанський календар) у віці 84 років. Його поховали в гробниці в Вестмінстерському абатстві. І як холостяк, він віддав більшу частину свого маєтку родичам та благодійним організаціям протягом останніх років.
Після його смерті волосся Ньютона було обстежено і було виявлено, що вони містять ртуть, ймовірно, внаслідок його алхімічних занять. Отруєння ртуттю було названо причиною ексцентричності Ньютона в подальшому житті, а також нервового зриву, який він зазнав у 1693 р. Слава Ісаака Ньютона зросла ще більше після його смерті, оскільки багато його сучасників проголосили його найбільшим генієм, який коли-небудь що жив.
Ці твердження не були безпідставними, оскільки його закони руху та теорія загального тяжіння були незрівнянними у свій час. Окрім того, що він міг вивести орбіти планет, Місяця і навіть комет в одну цілісну і передбачувану систему, він також винайшов сучасний обчислення, революціонізував наше розуміння світла та оптики, а також встановив наукові принципи, які залишатимуться у використанні для наступні 200 років.
З часом велика частина того, що заявляв Ньютон, виявилося б неправильним, в основному завдяки Альберту Ейнштейну. Своєю загальною теорією відносності Ейнштейн довів, що час, відстань і рух не є абсолютними, а залежать від спостерігача. Роблячи це, він скасував одну з основних засад загального тяжіння. Тим не менш, Ейнштейн був одним з найбільших шанувальників Ньютона і визнав великий борг перед своїм попередником.
Окрім того, що назвав Ньютона «сяючим духом» (у промові, виголошеному в 1927 році, присвяченому 200-річчю смерті Ньютона), Ейнштейн також зауважив, що «Природа для нього відкрита книга, листи якої він міг прочитати без зусиль». На його навчальній стіні, як кажуть, Альберт Ейнштейн зберігав картину Ньютона, поряд із зображеннями Майкла Фарадея та Джеймса Клерка Максвелла.
У 2005 році було проведено також опитування Королівського товариства Великобританії, де членів запитали, хто має більший вплив на історію науки: Ньютон чи Ейнштейн. Більшість членів Королівського товариства погодилися з тим, що в цілому Ньютон мав більший вплив на науки. Інші опитування, проведені в останні десятиліття, дали подібні результати, і Ейнштейн та Ньютон брали участь за перше та друге місце.
Нелегко жити в один з найбільш сприятливих часів історії. Більше того, непросто серед усього цього бути благословенним прозрінням, яке призведе до того, щоб придумати ідеї, які революціонізують науки і назавжди змінить хід історії. Але в усьому цьому Ньютон зберігав покірне ставлення і найкраще підсумовував свої досягнення відомими словами: "Якщо я бачив далі, це стоячи на плечах гігантів.“
Ми написали багато статей про Ісаака Ньютона для Space Magazine. Ось стаття про те, що відкрив Ісаак Ньютон, і ось стаття про винаходи Ісаака Ньютона.
Астрономічна ролях також має чудовий епізод під назвою Епізод 275: Ісаак Ньютон
Для отримання додаткової інформації ознайомтеся з цією статтею Товариства Галілео про Ісаака Ньютона та неприбуткової групи, відомої як Проект Ньютона.
Ми також записали цілий епізод Astronomy Cast про Gravity. Слухайте тут, Епізод 102: Гравітація.
