Ньютоново яблоко

Исаак Ньютон (1643–1727), знаменитый английский математик, астроном и физик, а также известный алхимик и толкователь библейских пророчеств, родился в деревушке Вульсторп в Линкольншире. Он появился на свет поразительно хилым, и окружающие были уверены, что младенец не выживет. Однако Ньютон не только выжил, но и дожил до глубокой старости.

Исаак Ньютон

Семья Ньютонов была небогата, но Исаак ходил в начальную школу, а потом в общественную школу в Грантэме и в Тринити‑колледж. В 1665 году он получил степень бакалавра изящных искусств (словесных наук) в Кембридже, одном из лучших университетов Европы. В Кембридже наставником Ньютона стал профессор Исаак Барроу (1630–1677), знаменитый богослов, физик и математик, автор известного интегрального соотношения, называемого теперь теоремой анализа или формулой Ньютона‑Лейбница (кстати сказать, сам Ньютон никогда не оспаривал приоритет Барроу в открытии этой формулы).

Первые научные опыты Ньютона были связаны с исследованиями света. Он, например, доказал, что при помощи призмы белый цвет можно разложить на составляющие его цвета. Кроме того, изучая преломление света в тонких линзах, Ньютон наблюдал интерференционную картину в виде концентрических колец, получившую впоследствии название «кольца Ньютона».

А в 1666 году в Кембридже разразилась эпидемия чумы, и Ньютон удалился в родную деревню Вульсторп. Там, не имея под рукой ни книг, ни приборов, он стал жить отшельником, предаваясь глубоким философским размышлениям, плодом которых стало гениальнейшее из его открытий – учение о всемирном тяготении.

Строго говоря, мысль о том, что тела падают на землю не просто так, а вследствие притяжения их земным шаром, была далеко не нова: это знали еще древние ученые, например, ученик Сократа и учитель Аристотеля Платон. Но как измерить силу этого притяжения? Везде ли на земном шаре оно одинаково и как далеко оно простирается? Эти вопросы до Ньютона смущали ученых и философов. В частности, немецкий астроном Иоганн Кеплер, открывший законы движения планет (законы Кеплера), в 1619 году издал свою знаменитую «Гармонию мироздания», в которой практически подошел к закону о всемирном тяготении, но все‑таки не открыл его. Он приписал движения планет некоторому взаимному притяжению, но предположил, что оно обратно пропорционально не квадратам расстояний, а самим расстояниям. Считается, что законы планетной кинематики, открытые Кеплером, послужили Ньютону основой для создания учения о всемирном тяготении. Более того, Ньютон математически доказал, что все законы Кеплера являются следствиями закона всемирного тяготения.

Иоганн Кеплер

Много лет спустя Ньютон написал, что математическую формулу, выражающую закон всемирного тяготения, он вывел из изучения законов Кеплера. Приняв за основу гипотезу о движении планет вокруг Солнца, Ньютон стал ее проверять, провел множество математических вычислений и, таким образом, превратил гипотезу в грандиознейшую по своему значению систему мироздания.

...

Непосредственным предшественником Ньютона в рассматриваемой области был его соотечественник Уильям Гилберт (1540–1603). Он тоже учился в Кембридже, а затем в Оксфорде. В 20 лет он получил степень бакалавра, в 24 года – магистра, а в 29 лет – доктора медицины, а потом и философии. Широта его интересов простиралась от химии до астрономии.

Особенно Гилберта интересовали магниты, и именно он сделал гениальное предположение (до Гилберта об этом никто даже не подозревал) о том, что вся Земля – гигантский магнит, а полюсы земного шара – полюсы магнита.

В 1600 году в Лондоне вышел фундаментальный труд Гилберта «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». В другом сочинении ученого, напечатанном уже после его смерти, было сказано, что Земля и Луна влияют друг на друга как два магнита, и притом пропорционально своим массам.

Открытие закона всемирного тяготения связано сегодня с распространенным преданием: якобы однажды летним днем Ньютон сидел в своем саду, и его размышления были прерваны падением яблока. Это яблоко и привело Ньютона к вопросу: везде ли на земном шаре падение тел происходит одинаково и с одинаковой скоростью?

Родственник Ньютона (муж его племянницы) Джон Кондуитт пишет об этом так:

...

«В то время как он размышлял в саду, ему в голову пришло, что сила тяжести (которая заставляет яблоко падать на землю) не ограничена определенным расстоянием от Земли, а что сила должна распространяться гораздо дальше, чем обычно думают. Почему бы не до Луны? – сказал он себе, и если так, это должно влиять на ее движение и, возможно, удерживать ее на орбите. Вследствие чего он решил вычислить, каков мог бы быть эффект такого предположения; но поскольку у него не было тогда книг, он использовал общеупотребительное суждение, распространенное среди географов и наших моряков до того, как Норвуд [3] измерил Землю, и заключающееся в том, что в одном градусе широты на поверхности Земли содержится 60 английских миль. Расчет не совпал с его теорией и заставил его довольствоваться предположением, что наряду с силой тяжести должна быть еще примесь той силы, которой была бы подвержена Луна, если бы она переносилась в своем движении вихрем».

Ньютон и знаменитое яблоко

Приоритет открытия закона всемирного тяготения долгое время оспаривал Роберт Гук (1635–1703) – соотечественник и современник Ньютона.

...

Имя Роберта Гука, ученого XVII века, сегодня мало известно, хотя он за свою жизнь сделал около 500 научных и технических открытий. Эти открытия составляют основу многих отраслей современной науки, но по разным причинам они приписываются совершенно другим людям. Скорее всего, это было связано с особенностями характера и чрезвычайно широким кругом интересов Гука, что не давало ему доводить свои открытия до логического завершения.

В 1658 году, например, Роберт Гук изобрел и построил воздушный насос, экспериментируя с которым, открыл знаменитый закон газового состояния: pV = const, где р – давление газа, а V – объем газа. Сообщение об этом законе с указанием имени автора впервые опубликовал в 1660 году британский физик и химик Роберт Бойль (1627–1691), у которого Роберт Гук работал ассистентом. Сегодня этот закон, вошедший во все школьные и университетские курсы физики, называется законом Бойля или законом Бойля‑Мариотта.

Роберт Гук был прирожденным экспериментатором. Например, он изобрел основные метеорологические приборы, установил зависимость барометрического давления от состояния погоды, впервые оценил высоту атмосферы. Он же придумал измерять силу тяжести посредством качания маятника и сообщил в «Королевском обществе» о том, что сила, удерживающая планеты в их орбитах, должна быть подобна той, которая производит круговое движение маятника.

В марте 1666 года Гук прочитал на заседании лондонского «Королевского общества», созданного королем Карлом II (фактически, это была британская Академия наук), отчет о своих опытах над изменением силы тяжести в зависимости от расстояния падающего тела относительно центра Земли.

Роберт Гук

Первое столкновение Гука с Ньютоном произошло в 1673 году по поводу природы света, которую Ньютон считал корпускулярной (свет – это поток частиц, или по‑латински «корпускул»), а Гук – волновой (свет – это волны в эфире). Кстати сказать, эти две теории попеременно брали верх, но в конце концов, когда придумали квантовую механику, обнаружили, что они обе отчасти правильные. Свет состоит из квантов (фотонов), а квантам свойственен корпускулярно‑волновой дуализм, то есть они в разных ситуациях могут вести себя либо как волны, либо как частицы. В конце 1679 года, когда Роберт Гук стал секретарем «Королевского общества», между ним и Ньютоном произошел обмен письмами, в которых Гук изложил свою гипотезу закона тяготения. Он считал, что сила притяжения между двумя телами, в соответствии с законами Кеплера, должна быть обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Однако Ньютон переписку с Гуком оборвал и дискутировать с ним отказался. С этого момента и началась вошедшая в историю полемика между этими двумя учеными. Нужно отметить, что в конце концов Ньютон признал, что идея об обратной пропорциональности силы притяжения квадрату расстояния принадлежит, помимо него самого, также астроному Эдмонду Галлею (1656–1742) и Роберту Гуку.

Если рассматривать формулировку основных принципов, необходимых для решения какой‑либо проблемы, достаточной для суждения о приоритете, то право на него, несомненно, имеет Роберт Гук. Но если рассматривать эту формулировку без сопровождающего ее математического доказательства недостаточной, то прав Ньютон.

И все же нельзя не признать, что именно Роберт Гук подсказал Ньютону основные идеи закона всемирного тяготения, который имеет следующую формулировку: между любыми двумя материальными частицами действует сила притяжения (направленная вдоль прямой, соединяющей частицы), величина которой пропорциональна массе каждой из частиц и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

...

Известный русский просветитель Ф. Ф. Павленков (кстати, основатель знаменитой книжной серии «Жизнь замечательных людей») называл Гука «самым опасным противником Ньютона» и считал, что по своему таланту он «если и не равнялся Ньютону, то, во всяком случае, стоял в ряду первоклассных светил тогдашней науки».

А, скажем, такой признанный авторитет, как академик С. И. Вавилов, в своей превосходной биографии Ньютона констатирует: «Написать “Начала натуральной философии” в XVII веке никто, кроме Ньютона, не мог, но нельзя оспаривать, что план “Начал” был впервые набросан Гуком».

На 1665–1667 годы пришелся пик творческой активности Ньютона. Он одновременно с Готфридом‑Вильгельмом Лейбницем (1646–1716) и независимо от него разработал важнейшие разделы математики (дифференциальное и интегральное исчисления), начал эксперименты по оптике.

В 1669 году Ньютон принял руководство кафедрой математики, оставленной ему профессором Барроу. Он читал лекции, в которых излагал свои главные открытия относительно анализа световых лучей; но ни одна из его научных работ еще не была опубликована.

Готфрид‑Вильгельм Лейбниц

Известность он приобрел в 1673 году, построив и собственноручно изготовив первую модель телескопа‑рефлектора, за что и был тогда же избран членом «Королевского общества». После этого Ньютон вдруг на время бросил науку и занялся алхимией, которую к науке не причисляли (настоящей химии тогда еще не было). А еще страстью Ньютона стала Библия и стремление разработать систему толкования ее пророчеств, которая бы позволила предсказывать будущее человечества. Более того, если верить письмам самого Ньютона, именно расшифровку библейских пророчеств он и стал считать главным делом своей жизни. Отметим, что результаты этих исследований изложены в его объемном труде «Обозрение пророчеств Даниила и Апокалипсиса Святого Иоанна», изданном в Лондоне в 1733 году. В этой книге, помимо всего прочего, Ньютон уделяет большое внимание срокам, когда должен будет настать «конец времен» (по его логике, все должно произойти в промежуток с 2015 по 2060 год).

В 1682 году Ньютон использовал данные, полученные французским астрономом Жаном‑Феликсом Пикаром (1620–1682), который первым точно определил дугу меридиана. Зная длину меридиана, Ньютон вычислил диаметр земного шара и тут же ввел новую информацию в свои вычисления. Тем самым он математически доказал, что Земля не совсем круглая, а представляет собой шар, расширенный у экватора и сплюснутый у полюсов (согласно теории Ньютона, центробежная сила вращения Земли должна приводить к появлению небольшого сжатия у полюсов и выпуклости у экватора). Кроме того, он доказал зависимость приливов и отливов от действия Луны и Солнца.

А еще Ньютон расчетным путем подтвердил один из законов Кеплера, гласящий, что центры планет описывают эллипсы и что в фокусе их орбит находится центр Солнца. После этого все сложнейшие движения планет стали для Ньютона вполне ясными, и появилась возможность научного предсказания передвижений всех тел Солнечной системы.

Это была поистине новая картина мира, согласно которой все планеты, находящиеся друг от друга на огромных расстояниях, оказываются связанными в одну систему. А дальнейшие исследования позволили Ньютону определить массу и плотность планет и Солнца.

В частности, он установил, что наиболее близкие к Солнцу планеты отличаются наибольшей плотностью.

В 1701 году Ньютон был избран членом Парламента, а в 1703 году он стал президентом «Королевского общества». На этом посту Ньютон оставался до конца жизни. В 1705 году королева Англии возвела его в дворянское достоинство, пожаловав звание лорда.

Умер Исаак Ньютон 31 марта 1727 года, и в день его похорон в стране был объявлен национальный траур. Прах Ньютона покоится в Вестминстерском аббатстве, рядом с самыми выдающимися людьми Англии, а надпись на его памятнике гласит:

...

«Здесь покоится сэр Исаак Ньютон, дворянин, который божественным разумом первый доказал с факелом математики движения планет, пути комет и приливы океанов. Он исследовал различие световых лучей и появляющиеся при этом различные свойства цветов, чего ранее никто не подозревал. Прилежный, мудрый и верный истолкователь природы, древности и Святого Писания, он утверждал своей философией величие всемогущего Бога, а нравом выражал евангельскую простоту. Пусть смертные радуются, что существовало такое украшение рода человеческого».