Исаак Ньютон

Исаак Ньютон родился в день Рождественского праздника 1642 года (по новому стилю — 4 января 1643 года) в деревушке Вульсторп в Линкольншире. Отец его умер ещё до рождения сына. Мать Ньютона, урождённая Айскоф, вскоре после смерти мужа преждевременно родила, и новорождённый Исаак был поразительно мал и хил. Думали, что младенец не выживет. Ньютон, однако, дожил до глубокой старости и всегда, за исключением кратковременных расстройств и одной серьёзной болезни, отличался хорошим здоровьем.

По имущественному положению семья Ньютонов принадлежала к числу фермеров средней руки. Первые три года жизни маленький  Исаак провёл исключительно на попечении  матери. Но, выйдя вторично замуж  за священника Смита, мать поручила ребёнка  бабушке, своей матери. Когда Исаак  подрос, его устроили в начальную  школу. По достижении двенадцатилетнего  возраста мальчик начал посещать общественную школу в Грантэме. Его поместили на квартиру к аптекарю Кларку, где он 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. По всей вероятности, главная вина в этом случае должна быть отнесена на счёт неспособности учителей. С детства будущий учёный любил сооружать разные механические приспособления — и навсегда остался, прежде всего, механиком.

Живя у Кларка, Исаак сумел подготовиться к  университетским занятиям. 5 июня 1660 года, когда Ньютону ещё не исполнилось  восемнадцати лет, он был принят в  колледж святой Троицы (Тринити-колледж). Кембриджский университет был в  то время одним из лучших в Европе: здесь одинаково процветали науки  филологические и математические. Ньютон обратил главное внимание на математику. О первых трёх годах пребывания Ньютона  в Кембридже известно немногое. Судя по книгам университета, в 1661 году он был  «субсайзером». Так назывались бедные студенты, не имевшие средств платить за учение и ещё недостаточно подготовленные к слушанию настоящего университетского курса. Они посещали некоторые лекции и вместе с тем должны были прислуживать более богатым. Только в 1664 году Ньютон стал настоящим студентом; в 1665 году он получил степень бакалавра изящных искусств (словесных наук).

Его первые научные  опыты связаны с исследованиями света. В результате многолетней  работы Ньютон установил, что белый  солнечный луч представляет собой  смесь многих цветов. Учёный доказал, что при помощи призмы белый цвет можно разложить на составляющие его цвета. Изучая преломление света  в тонких плёнках, Ньютон наблюдал дифракционную  картину, получившую название «колец Ньютона». В полной мере значимость данного  открытия была осознана лишь во второй половине XIX века, когда на его основе возник спектральный анализ — новый метод, позволявший изучать химический состав даже удалённых от Земли звёзд.

В 1666 году в Кембридже  началась какая-то эпидемия, которую  по тогдашнему обычаю сочли чумой, и  Ньютон удалился в свой Вульсторп. Здесь, в деревенской тиши, не имея под рукой ни книг, ни приборов, живя почти отшельнической жизнью, двадцатичетырёхлетний Ньютон предался глубоким философским размышлениям. Плодом их было гениальнейшее из его открытий — учение о всемирном тяготении.

Был летний день. Ньютон любил размышлять, сидя в саду, на открытом воздухе. Предание сообщает, что размышления Ньютона были прерваны падением налившегося яблока. Знаменитая яблоня долго хранилась  в назидание потомству, позднее  засохла, была срублена и превращена в исторический памятник в виде скамьи.

Ньютон давно  размышлял о законах падения  тел, и весьма возможно, что падение  яблока опять навело его на размышления. Сам Ньютон писал много лет  спустя, что математическую формулу, выражающую закон всемирного тяготения, он вывел из изучения знаменитых законов  Кеплера.

Ньютон никогда  не мог бы развить и доказать своей  гениальной идеи если бы не обладал  могущественным математическим методом, которого не знал ни Гук, ни кто-либо иной из предшественников Ньютона — это анализ бесконечно малых величин, известный теперь под именем дифференциального и интегрального исчислений. Задолго до Ньютона многие философы и математики занимались вопросом о бесконечно малых, но ограничились лишь самыми элементарными выводами.

В 1669 году Ньютон уже  был профессором математики Кембриджского  университета, унаследовав кафедру, которой руководил знаменитый математик  того времени Исаак Барроу. Именно там Ньютон совершил своё первое крупное открытие. Почти одновременно с немецким математиком Лейбницем он создал важнейшие разделы математики — дифференциальное и интегральное исчисления. Но открытия Ньютона касались не только математики.

Ньютон создал свой метод, опираясь на прежние открытия, сделанные им в области анализа, но в самом главном вопросе  он обратился к помощи геометрии  и механики.

Когда именно Ньютон открыл свой новый метод, в точности неизвестно. По тесной связи этого  способа с теорией тяготения  следует думать, что он был выработан  Ньютоном между 1666 и 1669 годами и, во всяком случае, раньше первых открытий, сделанных  в этой области Лейбницем.

Возвратившись в  Кембридж, Ньютон занялся научной  и преподавательской деятельностью. С 1669 по 1671 год он читал лекции, в  которых излагал свои главные  открытия относительно анализа световых лучей; но ни одна из его научных  работ ещё не была опубликована. Ньютон всё ещё продолжал работать над усовершенствованием оптических зеркал. Отражательный телескоп Грегори  с отверстием в середине, объективного зеркала не удовлетворял Ньютона. «Невыгоды  этого телескопа, — говорит он, — показались мне весьма значительными, и я счёл необходимым изменить конструкцию, поставив окуляр сбоку трубы».

Тем не менее в области техники телескопного дела оставалось ещё много работы. Ньютон сначала пытался шлифовать увеличительные стёкла, но после открытий, сделанных им относительно разложения световых лучей, он оставил мысль об усовершенствовании преломляющих телескопов и взялся за шлифовку вогнутых зеркал.

Сделанный Ньютоном телескоп может с полным правом считаться  первым отражательным телескопом. Затем  учёный сделал вручную ещё один телескоп больших размеров и лучшего качества.

Об этих телескопах узнало, наконец, Лондонское королевское  общество, которое обратилось к Ньютону  через посредство своего секретаря  Ольденбурга с просьбою сообщить подробности изобретения. В 1670 году Ньютон передал свой телескоп Ольденбургу — событие весьма важное в его жизни, так как этот инструмент впервые сделал имя Ньютона известным всему тогдашнему учёному миру. В конце 1670 года Ньютон был избран в члены Лондонского королевского общества.

В 1678 году умер секретарь  Лондонского королевского общества Ольденбург, относившийся к Ньютону  чрезвычайно дружески и с величайшим уважением. Место его занял Гук, хотя и завидовавший Ньютону, но невольно признававший его гений.

Надо заметить, что  Гук сыграл свою роль в выдающихся открытиях Ньютона. Ньютон полагал, что падающее тело вследствие соединения его движения с движением Земли  опишет винтообразную линию. Гук  показал, что винтообразная линия  получается лишь в том случае, если принять во внимание сопротивление  воздуха и что в пустоте  движение должно быть эллиптическим — речь идёт об истинном движении, то есть таком, которое мы могли бы наблюдать, если бы сами не участвовали в движении земного шара.

Проверив выводы Гука, Ньютон убедился, что тело, брошенное  с достаточной скоростью, находясь в то же время под влиянием силы земного тяготения, действительно  может описать эллиптический  путь. Размышляя над этим предметом, Ньютон открыл знаменитую теорему, по которой тело, находящееся под  влиянием притягивающей силы, подобной силе земного тяготения, всегда описывает  какое-либо коническое сечение, то есть одну из кривых, получаемых при пересечении  конуса плоскостью (эллипс, гипербола, парабола и в частных случаях  круг и прямая линия). Сверх того, Ньютон нашёл, что центр притяжения, то есть точка, в которой сосредоточено  действие всех притягивающих сил, действующих  на движущуюся точку, находится в  фокусе описываемой кривой. Так, центр  Солнца находится (приблизительно) в  общем фокусе эллипсов, описываемых  планетами.

Достигнув таких  результатов, Ньютон сразу увидел, что  он вывел теоретически, то есть исходя из начал рациональной механики, один из законов Кеплера, гласящий, что  центры планет описывают эллипсы  и что в фокусе их орбит находится центр Солнца. Но Ньютон не удовольствовался этим основным совпадением теории с наблюдением. Он хотел убедиться, возможно ли при помощи теории действительно вычислить элементы планетных орбит, то есть предсказать все подробности планетных движений?

Желая убедиться, действительно  ли сила земного тяготения, заставляющая тела падать на Землю, тождественна силе, удерживающей Луну в её орбите, Ньютон стал вычислять, но, не имея под рукой  книг, воспользовался лишь самыми грубыми  данными. Вычисление показало, что при  таких числовых данных сила земной тяжести больше силы, удерживающей Луну в её орбите, на одну шестую и  как будто существует некоторая  причина, противодействующая движению Луны.

Как только Ньютон узнал  об измерении меридиана, произведённом  французским учёным Пикаром, он тотчас произвёл новые вычисления и к  величайшей радости своей убедился, что его давнишние взгляды  совершенно подтвердились. Сила, заставляющая тела падать на Землю, оказалась совершенно равной той, которая управляет движением  Луны.

Этот вывод был  для Ньютона высочайшим торжеством. Теперь вполне оправдались его слова: «Гений есть терпение мысли, сосредоточенной  в известном направлении». Все  его глубокие гипотезы, многолетние  вычисления оказались верными. Теперь он вполне и окончательно убедился в возможности создать целую  систему мироздания, основанную на одном простом и великом начале. Все сложнейшие движения Луны, планет и даже скитающихся по небу комет  стали для него вполне ясными. Явилась  возможность научного предсказания движений всех тел Солнечной системы, а быть может, и самого Солнца, и  даже звёзд и звёздных систем.

В конце 1683 года Ньютон, наконец, сообщил Королевскому обществу основные начала своей системы, изложив  их в виде ряда теорем о движении планет. Свои основные выводы Ньютон представил в фундаментальном труде под  названием «Математические начала натуральной философии». До конца  апреля 1686 года первые две части  его книги были готовы и посланы  в Лондон.

В области механики Ньютон не только развил положения  Галилея и других учёных, но и  дал новые принципы, не говоря уже  о множестве замечательных отдельных  теорем.

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.

Ньютон смог рассчитать орбиты, по которым движутся спутники Юпитера и Сатурна, а пользуясь  этими данными, определить, с какой  силой Земля притягивает Луну. В свою очередь все эти данные будут использованы при будущих  околоземных космических полётах.

Дальнейшие исследования Ньютона позволили ему определить массу и плотность планет и  самого Солнца. Ньютон показал, что  плотность Солнца вчетверо менее  плотности Земли, а средняя плотность  Земли приблизительно равна плотности  гранита и вообще самых тяжёлых  каменных пород. Относительно планет Ньютон установил, что наиболее близкие  к Солнцу планеты отличаются наибольшею плотностью.

Далее Ньютон приступил  к вычислению фигуры земного шара. Он показал, что Земля имеет сфероидальную  форму, а именно представляет как  бы шар, расширенный у экватора и  сплюснутый у полюсов.

Учёный доказал  зависимость приливов и отливов  от совместного действия Луны и Солнца на воды морей и океанов.

Что касается собственно так называемой «небесной механики», Ньютон не только продвинул, но, можно  сказать, создал эту науку, так как  до него существовал лишь ряд эмпирических данных. Весьма любопытна данная Ньютоном теория движения комет, которую он считал недостаточно разработанной и напечатал  лишь по настоянию Галлея. Благодаря  расчётам Ньютона, Галлей смог предсказать  появление огромной кометы, которая  действительно появилась на небосводе  в 1759 году. Она была названа кометой  Галлея.

В 1842 году известный  немецкий астроном Бессель на основе закона Ньютона предсказал существование  невидимого спутника у звезды Сириус. Открытие этого спутника через 10 лет  явилось доказательством того, что  закон всемирного тяготения не только действует в Солнечной системе, но и является одним из общих законов  вселенной.