Ньютон умело воспользовался тем, что яблочко от яблони недалеко падает.
«Действию всегда есть равное и противоположное противодействие» - третий закон движения сэра Исаака Ньютона сейчас звучит скорее как расхожий штамп поп-психологии, чем строгая формулировка физического закона. Однако в конце XVII века «Математические начала натуральной философии» (Philosophi Naturalis Principia Mathematica) произвели революционный прорыв в науке, определив то, как человечество понимало устройство Вселенной, вплоть до появления теории относительности Эйнштейна.
Фундаментальная трехтомная работа Ньютона, заложившая основы современной физики и астрономии, впервые увидела свет 5 июля 1687 года (впоследствии она была переиздана в 1713 и 1726 годах). В ней ученый сформулировал три закона движения - фундамент классической механики, закон всемирного тяготения, а также привел доказательства законов планетарного движения Кеплера, которые самим Кеплером были выведены эмпирически.
Работа Ньютона считается кульминацией научной революции раннего Нового времени. Хотя его предшественники - Коперник, Галилей, Кеплер - заложили основу этого пути, описав наблюдаемые ими феномены, Ньютон изменил сам предмет натуральной философии - то, что мы теперь называем физикой, - поставив во главу угла поиск универсальных законов природы. Успех ньютоновской теории гравитации привел к формированию новой концепции точной науки, в которой физическая теория, сопровождаемая строгими доказательствами, получила примат над эмпирическим наблюдением, а любое расхождение между ними, даже самое малое, воспринималось как важная информация об окружающем мире. Вывод же Ньютона о том, что сила, удерживающая планеты на орбитах, - явление того же порядка, что и земная гравитация, покончил с представлением, восходящим еще к Аристотелю, что наука о небесных сферах не имеет ничего общего с наукой земной.
История создания
Стандарты обнародования научных достижений XVII века значительно отличались от современных. Многим открытиям не доводилось увидеть свет - они оставались в частной переписке ученых или хранились под замком в архивах. Изданию ньютоновских «Начал» современники были обязаны воле случая и стараниям конкретного человека - Эдмунда Галлея. Британский астроном и математик, будущий секретарь Лондонского королевского общества, не только вдохновил Ньютона на написание труда, но и взял на себя расходы по его публикации.
Национальная портретная галерея в Лондоне / Public domain
В августе 1684 года Галлей посетил Ньютона в Кембридже и рассказал ему о своей дискуссии с коллегами по Королевскому обществу - Кристофером Реном и Робертом Гуком - относительно движения планет. Гук к тому времени пришел к выводу, что гравитация обратно пропорциональна квадрату расстояния, однако вывести доказательства этому не смог.
К удивлению Галлея Ньютон заявил, что давно выполнил эти расчеты, но не может найти бумаги с записями. Галлей упросил его повторить доказательство, и спустя несколько месяцев Ньютон отправил ему девятистраничный манускрипт «О движении тел по орбите», выводящий закономерности, известные нам под именем законов Кеплера. Сочинение привело Галлея в восторг, он снова отправился к Ньютону, чтобы убедить его представить свои выводы Королевскому обществу.
По-видимому, красноречие Галлея возымело эффект: Ньютон углубился в работу, продолжавшуюся не менее полутора лет. Он был одержим своим творением: по свидетельству его родственника и секретаря Хэмпфри Ньютона, ученый периодически забывал о еде и сне, перестал заботиться о чистоте платья, и мог стремглав броситься в кабинет, если во время прогулки по саду ему приходила в голову новая мысль. Ньютон также полностью забросил свое хобби - химические и алхимические опыты: за все время работы над книгой в его журнале, где он тщательно документировал все эксперименты, не появилось ни одной записи.
Первый том ньютоновского труда был представлен Королевскому обществу весной 1686 года, спустя некоторое время за ним последовали еще два. Название «Математические начала натуральной философии» могло навевать аналогии с трактатом Декарта «Начала философии» (Principia Philosophiae) - первое и третье слово в заглавии было выделено крупным шрифтом. Впрочем, издание ньютоновского труда дважды оказывалось под вопросом - сначала с протестом выступил Гук, претендовавший на первенство в вопросе открытия закона тяготения. После рассмотрения вопроса Королевским обществом его претензии были отклонены, а Ньютон под давлением Галлея включил в текст фразу, что закон обратных квадратов соответствует третьему закону Кеплера, как «утверждали независимо Рен, Гук и Галлей». Затем выяснилось, что у Королевского общества нет денег на издание: все имевшиеся средства оно вложило в публикацию иллюстрированной «Истории рыб» Джона Рэя и Фрэнсиса Уиллоби, тираж которой так никогда и не был раскуплен. Спасителем ситуации снова выступил Галлей - сын зажиточного мыловара, - предложивший издать книгу Ньютона на свои деньги, с чем стороны охотно согласились.
Спор с Гуком и знаменитое яблоко
Как же Ньютон заинтересовался теорией тяготения? Согласно распространенному мнению, эта мысль буквально свалилась ему на голову вместе с упавшим яблоком. Первоначально эта легенда появляется в работе Вольтера, посвященной Ньютону, которую просветитель опубликовал в 1728 году. Вольтер при этом ссылался на племянницу Ньютона и ее мужа, бывшего ассистентом ученого. Другая версия истории с яблоком приводится в биографии Ньютона, написанной в 1752 году Уильямом Стакли, но не опубликованной вплоть до 20 века. Стакли, посетивший Ньютона за два года до его смерти - в 1725 году - так описывает этот эпизод: «После обеда установилась теплая погода, мы вышли в сад и пили чай в тени яблонь. Он [Ньютон] сказал мне, что мысль о гравитации пришла ему в голову, когда он точно так же сидел под деревом. Он находился в созерцательном настроении, когда неожиданно с ветки упало яблоко. „Почему яблоки всегда падают перпендикулярно земле?“ - подумал он».
Вероятно, вдохновителем легенды о яблоке являлся сам Ньютон - помимо лестной аналогии с Архимедом и его ванной она могла маскировать историю его непростых отношений с Гуком. В 1675 году Гук обвинил Ньютона в плагиате, после того как тот представил Королевскому обществу свой трактат о природе света. Хотя скандал удалось замять и ученые помирились, Ньютон не публиковал исследований в области оптики вплоть до смерти Гука.
В 1679 году Гук, изучавший движение небесных тел, пришел к выводу, что орбиты планет имеют сходство с эллипсами, однако вывести строгое математическое доказательство этому не смог. Тогда же он написал Ньютону письмо примирения с изложением своей теории - и, приправив послание изрядной долей лести, предложил тому вместе заняться расчетами. Ньютон так никогда и не ответил Гуку на письмо, но вычисления сделал - и благополучно переключился на другие вопросы, пока на горизонте не возник Галлей.
Претензии Гука на первенство раздражали Ньютона. В письме к Галлею он сетовал: «Математики, которые всё открывают, всё устанавливают и всё доказывают, должны довольствоваться ролью сухих вычислителей и чернорабочих. Другой же, который ничего не может доказать, а только на всё претендует и всё хватает на лету, уносит всю славу как своих предшественников, так и своих последователей… И вот я должен признать теперь, что всё получил от него, а что я сам всего только подсчитал, доказал и выполнил всю работу вьючного животного по изобретениям этого великого человека».
После кончины своего соперника Ньютон, занявший пост президента Королевского общества, по слухам, распорядился уничтожить его единственный портрет - однако подтверждений этого мифа, как и самого существования такого портрета нет. Другим оппонентом Ньютона, спор с которым также растянулся на годы, оказался Лейбниц - ученые не поделили право считаться изобретателем дифференциального и интегрального исчисления.
Я не выдвигаю гипотез
Первый том «Начал» открывался разделом определений - в нем Ньютон ввел такие понятия как масса, сила, инерция и центростремительная сила, а также постулировал абсолютность времени и пространства. На основе этих определений и формулируются три закона движения:
Всякое тело продолжает удерживаться в своём состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние.
Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.
Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе - взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны.
По сути «Начала» были посвящены решению главной проблемы - задачи о движении в поле силы, обратно пропорциональной квадрату расстояния до притягивающего центра. Ньютон доказал, что закон обратных квадратов идеально работает для кеплеровских эллиптичных орбит, а также что планеты удерживаются на орбите вокруг солнца за счет его притяжения и что тот же принцип может быть использован для объяснения орбиты луны и луны Юпитера - чего не скажешь о декартовской теории вортексов - вращающихся частиц. Используя наработки Галлея, Ньютон рассчитал массу каждой планеты, объяснил приплюснутость Земли у полюсов действием солнечной гравитации, а также связал солнечное и лунное притяжение с циклами приливов и отливов. По мысли Ньютона, вся Вселенная удерживалась сетью гравитационных сил, воздействующих на каждую звезду, планету или комету - то есть описывалась универсальным законом, доступным человеческому разуму.
Однако речь шла исключительно о математическом анализе - причем геометрическими методами, без применения дифференциального и интегрального исчисления (новаторская по сути работа Ньютона стала одновременно последним крупным научным трудом, использующим старую методику). Подробно описывая эффекты гравитации, Ньютон отказывался говорить почему она возникает. «Я не измышляю гипотез», - заявил он в начале третьего тома, однако все его тезисы и аргументы подтверждались математическими и экспериментальными доказательствами.
Публикация «Начал» произвела эффект разорвавшейся бомбы в научном сообществе - часть ученых с готовностью приняла ньютоновскую концепцию, другая (главным образом картезианцы) обрушилась с критикой на теорию притяжения. Дискуссии продолжались и в XVIII веке, пока ряд экспериментов, включая опыт с крутильными весами Генри Кавендиша, и наглядная возможность предсказывать движения небесных тел не доказали применимость ньютоновского закона тяготения. Ряд нерешенных Ньютоном проблем потребовал длительного совершенствования математического аппарата, а по мере развития науки накапливались необъяснимые в рамках теории расхождения расчетных и эмпирических данных - пока теория относительности Эйнштейна не свергла ньютоновскую концепцию с пьедестала, низведя ее до статуса частного случая общей теории.
Ньютон под яблоней разлёгся…
Разлёгся в ванной Архимед…
Походу, чтобы поумнеть…
мне надо тоже срочно лечь…
Яблоко прогресса: 12 мифов об Исааке Ньютоне
Математик и астроном, алхимик и детектив - за долгую жизнь Ньютон успел проявить себя в разных областях, да так, что о нём стали рассказывать легенды. А правда ли, что…
1. Учёный сформулировал закон всемирного тяготения, когда ему на голову упало яблоко
НЕТ. Наблюдение за падающим фруктом, возможно, имело место, но голова мыслителя при этом не пострадала. Престарелый Ньютон рассказал другу и биографу Уильяму Стьюкли, что когда-то пришёл к мысли о распространяющейся на всю Вселенную силе тяготения, сидя в саду и глядя на сорвавшееся с ветки яблоко.
Природой тяжести интересовались в 1660-е годы многие учёные. Теория не могла сформироваться одномоментно, на это Ньютону потребовалось примерно два десятка лет. «История с яблоком слишком проста», - утверждал немецкий математик Карл Фридрих Гаусс, полагавший, что Ньютон придумал эту байку, желая отвязаться от любопытствующих профанов.
2. Ньютон родился таким маленьким, что его можно было выкупать в пивной кружке объемом в одну кварту, или 1,1 литра
ВОЗМОЖНО. По крайней мере, так рассказывала его мать Анна Эйскоу. Мальчик появился на свет раньше срока, был очень слаб, и домочадцы опасались, что он долго не протянет. Однако Ньютон прожил 84 года.
3. Ньютон был алхимиком
ДА. Он надолго забрасывал занятия математикой и физикой ради экспериментов в алхимической лаборатории, собрал около сотни книг на эту тему, сам исписал тысячи страниц заметками в ходе опытов. В эпоху неутвердившихся границ между наукой и суеверием Ньютон, подобно многим современникам, искал философский камень и секрет получения золота из других металлов.
4. Учёный получил должность смотрителя Монетного двора благодаря красоте племянницы
НЕТ. Эта сплетня осталась в веках стараниями одного из самых влиятельных мыслителей XVIII столетия Вольтера, который в «Философских письмах» выразился так: «Исаак Ньютон имел довольно хорошенькую племянницу, прозванную мадам Кондуитт. Она очень нравилась великому казначею Галифаксу. Исчисление бесконечно малых и гравитация ничего не дали бы Ньютону, не будь у него красивой племянницы». На самом деле Ньютон пригласил Кэтрин Бартон, будущую Кондуитт, в Лондон в 1696 году, как раз после того, как получил должность смотрителя и перебрался в столицу. С лордом Галифаксом девушка познакомилась в 1703 году. К тому времени Ньютона уже повысили до главного управляющего Монетным двором.
5. Ньютон был членом парламента, но выступил всего один раз - с просьбой закрыть окно
НЕТ. Общепризнано, что это легенда. В протоколах собраний палаты общин, куда Ньютон был избран депутатом от Кембриджа в 1689 и 1701 годах, нет упоминаний ни об одном его выступлении. Впрочем, учёный активно участвовал в голосованиях и подробно рассказывал обо всём, что происходит на заседаниях, в письмах к вице- канцлеру Кембриджского университета.
6. Ньютона посвятили в рыцари за заслуги в науке
НЕТ. Как гениальный физик и математик Ньютон прославился ещё при жизни, но королева Анна даровала ему рыцарское звание не по этому поводу. И даже не за эффективное руководство Монетным двором, благодаря чему кризис, связанный с нехваткой в стране денег нового образца, преодолели в сжатые сроки. Королева посвятила подданного в рыцари перед парламентскими выборами 1705 года, чтобы продемонстрировать поддержку партии вигов, от которой Ньютон выставлял свою кандидатуру. Одобрение вигов нужно было королевской чете для продолжения Войны за испанское наследство. Впрочем, выборы Ньютон проиграл.
7, Ньютон консультировал Петра Великого
ВЕРОЯТНО. Молодой русский царь посетил Англию в 1698 году и интересовался в этой стране всем, от астрономии до государственного устройства. Шесть раз он был на Монетном дворе, которым тогда руководил Исаак Ньютон. Прямых свидетельств о встрече учёного с монархом нет, но сохранилась записка к Ньютону подчинённого: «…завтра сюда между двенадцатью и часом намеревается прибыть царь. Думаю, что обязан сообщить Вам о том, что он, по-видимому, ожидает увидеть здесь Вас».
8. Учёный пытался расшифровать Библию
ДА. Например, Ньютон трактовал видения пророка Даниила как иносказательное изложение политической и церковной истории. На основании своих вычислений библейской хронологии учёный, помимо прочего, в конце жизни предположил, что второе пришествие Христа и Страшный суд состоятся не ранее 2060 года.
9. Ньютон изобрёл дверцу для кошек во входной двери
НЕТ. В XIX веке бытовал анекдот: Ньютон якобы завёл кошку и вырезал в двери лаз, чтобы она ходила на улицу и обратно, не отвлекая учёного. В действительности нет никаких свидетельств, что Ньютон когда-либо держал у себя домашних животных, а отверстия для кошек в дверях вырезали за столетия до него. Такой лаз упомянут в поэме «Кентерберийские рассказы» Джеффри Чосера (XIV век).
10. Ради науки Ньютон воткнул себе шило в глаз
ДА. Точнее, между костью и глазным яблоком, чтобы выяснить, как механическое воздействие влияет на зрение. Сохранилось подробное описание этого опыта с рисунком, сделанное Ньютоном.
11. Великий физик разоблачил и отправил на казнь самого хитрого фальшивомонетчика Британии
ДА. Когда учёный только получил должность смотрителя Монетного двора, некто Уильям Шалонер в письмах в казначейство и парламент нещадно раскритиковал вверенное Ньютону учреждение. Шалонер утверждал, что может гораздо лучше тамошних чиновников усовершенствовать метод чеканки монет и защитить деньги от подделок, если его допустят к руководству Монетным двором. Ньютон насторожился, провёл тщательное расследование и выяснил, что «рационализатор» - на самом деле аферист и искусный фальшивомонетчик, неоднократно подделывавший британские и иностранные деньги. Ученый убедительно доказал это в суде, и Шалонера казнили. В дальнейшем Ньютон помог выявить и отдать под суд около сотни фальшивомонетчиков.
12. Зуб Ньютона считался самым дорогим в истории человечества
ДА. За зуб, который, как утверждалось, принадлежал учёному, покупатель-аристократ в 1816 году заплатил 730 фунтов - сумму, эквивалентную 35 700 долларам в начале XXI века. Этот рекорд был занесен в Книгу Гиннесса 2002 года, но побит в 2011-м на аукционе, где продали зуб, предположительно, принадлежавший Джону Леннону.
Причина появления важнейших их законов,
Которые признали как основы все великие умы,
Не яблоко, упавшее на голову Ньютону,
А мысли в одиночестве во время эпидемии чумы.