Когда жил ньютон. Исаак ньютон - биография и научные открытия, перевернувшие мир

Приветствую постоянных читателей и гостей сайта! В статье «Исаак Ньютон: биография, факты, видео» — о жизни английского математика, физика, алхимика и историка. Наряду с Галилеем, Ньютона считают основоположником современной науки.

Биография Исаака Ньютона

Исаак родился в семье фермера 04.01.1643. За несколько месяцев до его рождения умер отец. Мать, пытаясь устроить личную жизнь, переехала в другой городок, оставив маленького сына с бабушкой в деревне Вулсторп.

Отсутствие родителей повлияет на характер маленького гения: он станет молчаливым и замкнутым. Всю свою жизнь он чувствовал себя одиноким, никогда не женился и не имел своей семьи.

После обучения в начальной школе, юноша продолжил учебу в школе города Грантема. Он жил в доме аптекаря Кларка, здесь у парня появился интерес к занятиям химией.

В 19 лет он поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета. Талантливый студент был очень беден, поэтому ему приходилось выполнять обязанности слуги в колледже, чтобы платить за свое обучение. Учителем Ньютона был известный математик Исаак Барроу.

Вулсторп

Окончив университет, Исаак Ньютон в 1665 получил учёную степень бакалавра. Но в этом же году на Англию обрушилась эпидемия чумы и Исааку пришлось вернуться в родную деревню Вулсторп.

Вулсторп. Дом, в котором родился и жил Ньютон

Деревенским хозяйством молодой человек заниматься не спешил, и быстро получил ярлык лентяя от соседей. Людям было непонятно, зачем взрослому юноше бросать камешки да вертеть в руках стекляшки.

Именно в этот период родились его идеи наиболее крупных открытий в математике и физике, которые привели его к созданию дифференциального и интегрального исчислений, к изобретению зеркального телескопа, открытию закона всемирного тяготения, здесь он провёл и опыты над разложением света.

Кембридж

В Кембридж он вернулся только через два года, и не с пустыми руками. Вскоре молодой человек получает степень магистра и начинает преподавать в колледже. А спустя год, профессор математики Ньютон возглавит физико-математическую кафедру.

Гениальный учёный продолжает свои опыты по оптике. В 1671 г. им был сконструирован первый зеркальный телескоп, который произвёл впечатление не только на учёных, но и на короля. Это открыло путь физику в Английскую академию наук.

Ньютон работал в университете и трудился над изучением законов движения и устройства мироздания. «Математические начала натуральной философии» (кратко «Начала») — главный труд его жизни.

«Начала» объединили в себе разные науки. Основы механики в классическом виде. Теоретический взгляд на движение небесных тел. Объяснение приливов и отливов и научный прогноз на несколько столетий вперёд.

Ньютон был честолюбивым учёным. Между ним и саксонским ученым возник настоящий спор о праве первооткрывателя в области дифференциальных и интегральных исчислениях. Полемика затянулась на долгие годы. Ньютон не стеснялся в оскорблениях по отношению к своему коллеге.

Лондон

Когда ученого назначили смотрителем государственного монетного двора, он переехал в Лондон.

Монетное дело, под его руководством, привели в порядок. Ему было присвоено престижное звание мастера. Это навсегда положило конец стеснённому материальному положению учёного, однако, отдалило его от науки.

Ньютон был избран членом Лондонского королевского общества, которое он возглавил в 1703, став его президентом. На этом посту он прослужил четверть века.

Сэр Ньютон

В 1705 произошло ещё одно памятное событие. Королева Анна произвела Ньютона в рыцари. Теперь почётного учёного нужно было именовать «Сэр».

Так, мальчик, на судьбе которого было написано быть фермером, не с самым отменным здоровьем, стал великим учёным, достаточно рано признанным, и прожившим 83 года. Похоронен великий ученый в Вестминстерском аббатстве . Его знак зодиака – Козерог.
Исаак Ньютон: краткая биография ↓

😉 Друзья, если вы считаете статью «Исаак Ньютон: биография, интересные факты» интересной, поделитесь в социальных сетях.

Великий английский физик, математик и астроном. Автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии» (лат. Philosophiae Naturalis Principia Mathematica), в котором он описал закон всемирного тяготения и так называемые Законы Ньютона, заложившие основы классической механики. Разработал дифференциальное и интегральное исчисление, теорию цветности и многие другие математические и физические теории.

Исаак Ньютон, сын мелкого, но зажиточного фермера, родился в деревне Вулсторп (графство Линкольншир), в год смерти Галилея и в канун гражданской войны. Отец Ньютона не дожил до рождения сына. Мальчик родился болезненным, до срока, но всё же выжил и прожил 84 года. Факт рождения под Рождество Ньютон считал особым знаком судьбы.

Покровителем мальчика стал его дядя по матери, Вильям Эйскоу. По окончании школы (1661) Ньютон поступает в Тринити-колледж (Колледж святой Троицы) Кембриджского университета. Уже тогда сложился его могучий характер - научная дотошность, стремление дойти до сути, нетерпимость к обману и угнетению, равнодушие к публичной славе. В детстве Ньютон, по отзывам современников, был замкнут и обособлен, любил читать и мастерить технические игрушки: часы, мельницу и т. п.

Судя по всему, научной опорой и вдохновителями творчества Ньютона в наибольшей степени были физики: Галилей, Декарт и Кеплер. Ньютон завершил их труды, объединив в универсальную систему мира. Меньшее, но существенное влияние оказали другие математики и физики: Евклид, Ферма, Гюйгенс, Меркатор, Валлис. Конечно, нельзя недооценивать и огромное влияние его непосредственного учителя Барроу.

Похоже на то, что значительную часть своих математических открытий Ньютон сделал ещё студентом, в «чумные годы» 1664-1666. В 23 года он уже свободно владел методами дифференциального и интегрального исчислений, включая разложение функций в ряды и то, что впоследствии было названо формулой Ньютона-Лейбница. Тогда же, по его утверждению, он открыл закон всемирного тяготения, точнее, убедился, что этот закон следует из третьего закона Кеплера. Кроме того, Ньютон в эти годы доказал, что белый цвет есть смесь цветов, вывел формулу «бинома Ньютона» для произвольного рационального показателя (включая отрицательные), и др.

1667: эпидемия чумы отступает, и Ньютон возвращается в Кембридж. Избран членом Тринити-колледжа, а в 1668 году становится магистром.

В 1669 году Ньютон избирается профессором математики, преемником Барроу. Барроу пересылает в Лондон сочинение Ньютона «Анализ с помощью уравнений с бесконечным числом членов», содержавшее сжатое изложение некоторых наиболее важных его открытий в анализе. Оно получило некоторую известность в Англии и за ее пределами. Ньютон готовит полный вариант этой работы, но найти издателя так и не удаётся. Он был опубликован лишь в 1711 году.

Продолжаются эксперименты по оптике и теории цвета. Ньютон исследует сферическую и хроматическую аберрации. Чтобы свести их к минимуму, он строит смешанный телескоп-рефлектор (линза и вогнутое сферическое зеркало, которое полирует сам). Всерьёз увлекается алхимией, проводит массу химических опытов.

1672: демонстрация рефлектора в Лондоне - всеобщие восторженные отзывы. Ньютон становится знаменит и избирается членом Королевского общества (британской Академии наук). Позже усовершенствованные рефлекторы такой конструкции стали основными инструментами астрономов, с их помощью были открыты иные галактики, красное смещение и др.

Разгорается полемика по поводу природы света с Гуком, Гюйгенсом и другими. Ньютон даёт зарок на будущее: не ввязываться в научные споры.

1680: Ньютон получает письмо Гука с формулировкой закона всемирного тяготения, послужившее, по признанию первого, поводом его работ по определению планетных движений (правда, потом отложенных на некоторое время), составивших предмет «Начал». Впоследствии Ньютон по каким-то причинам, быть может, подозревая Гука в незаконном заимствовании каких-то более ранних результатов самого Ньютона, не желает признавать здесь никаких заслуг Гука, но потом соглашается это сделать, хотя и довольно неохотно и не полностью.

1684-1686: работа над «Математическими началами натуральной философии» (весь трёхтомник издан в 1687 году). Приходит всемирная слава и ожесточённая критика картезианцев: закон всемирного тяготения вводит дальнодействие, несовместимое с принципами Декарта.

1696: Королевским указом Ньютон назначен смотрителем Монетного двора (с 1699 года - директор). Он энергично проводит денежную реформу, восстанавливая доверие к основательно запущенной его предшественниками монетной системе Великобритании.

1699: начало открытого приоритетного спора с Лейбницем, в который были вовлечены даже царствующие особы. Эта нелепая распря двух гениев дорого обошлась науке - английская математическая школа вскоре увяла на целый век, а европейская - проигнорировала многие выдающиеся идеи Ньютона, переоткрыв их много позднее. На континенте Ньютона обвиняли в краже результатов Гука, Лейбница и астронома Флемстида, а также в ереси. Конфликт не погасила даже смерть Лейбница (1716).

1703: Ньютон избран президентом Королевского общества, которым управлял двадцать лет.

1705: королева Анна возводит Ньютона в рыцарское достоинство. Отныне он сэр Исаак Ньютон . Впервые в английской истории звание рыцаря присвоено за научные заслуги.

Последние годы жизни Ньютон посвятил написанию «Хронологии древних царств», которой занимался около 40 лет, и подготовкой третьего издания «Начал».

В 1725 году здоровье Ньютона начало заметно ухудшаться (каменная болезнь), и он переселился в Кенсингтон неподалёку от Лондона, где и скончался ночью, во сне, 20 (31) марта 1727 года.

Надпись на его могиле гласит:

Здесь покоится сэр Исаак Ньютон , дворянин, который почти божественным разумом первый доказал с факелом математики движение 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 Св. писания, он утверждал своей философией величие Всемогущего Бога, а нравом выражал евангельскую простоту.

Пусть смертные радуются, что существовало такое украшение рода человеческого.

В честь Ньютона названы:

кратеры на Луне и на Марсе;

единица силы в системе СИ.

На статуе, воздвигнутой Ньютону в 1755 г. в Тринити-колледже, высечены стихи из Лукреция:

Qui genus humanum ingenio superavit (Разумом он превосходил род человеческий)

Научная деятельность

С работами Ньютона связана новая эпоха в физике и математике. В математике появляются мощные аналитические методы, происходит вспышка в развитии анализа и математической физики. В физике основным методом исследования природы становится построение адекватных математических моделей природных процессов и интенсивное исследование этих моделей с систематическим привлечением всей мощи нового математического аппарата. Последующие века доказали исключительную плодотворность такого подхода.

По словам А. Эйнштейна, «Ньютон был первым, кто попытался сформулировать элементарные законы, которые определяют временной ход широкого класса процессов в природе с высокой степенью полноты и точности» и «… оказал своими трудами глубокое и сильное влияние на всё мировоззрение в целом».

Математический анализ

Ньютон разработал дифференциальное и интегральное исчисление одновременно с Г. Лейбницем (немного раньше) и независимо от него.

До Ньютона действия с бесконечно малыми не были увязаны в единую теорию и носили характер разрозненных остроумных приёмов (см. Метод неделимых), по крайней мере, отсутствовала опубликованная систематическая формулировка и не была достаточно выявлена мощь аналитических приемов к решению таких сложных задач, как задачи небесной механики в их полноте. Создание математического анализа сводит решение соответствующих задач, в значительной степени, до технического уровня. Появился комплекс понятий, операций и символов, ставший отправной базой дальнейшего развития математики. Следующий, XVIII век, стал веком бурного и чрезвычайно успешного развития аналитических методов.

Повидимому, Ньютон пришёл к идее анализа через разностные методы, которыми много и глубоко занимался. Правда, в своих «Началах» Ньютон почти не использовал бесконечно малых, придерживаясь античных (геометрических) приёмов доказательства, но в других трудах применял их свободно.

Отправной точкой для дифференциального и интегрального исчисления были работы Кавальери и особенно Ферма, который уже умел (для алгебраических кривых) проводить касательные, находить экстремумы, точки перегиба и кривизну кривой, вычислять площадь её сегмента. Из других предшественников сам Ньютон называл Валлиса, Барроу и шотландского астронома Джеймса Грегори. Понятия функции ещё не было, все кривые он трактовал кинематически как траектории движущейся точки.

Уже будучи студентом Ньютон понял, что дифференцирование и интегрирование - взаимно обратные операции (по-видимому, первая опубликованная работа, содержащая этот результат в форме детально разобранной двойственности задачи о площадях и задачи о касательных, принадлежит учителю Ньютона Барроу).

Ньютон почти 30 лет не заботился о публикации своего варианта анализа, хотя в письмах (в частности, к Лейбницу) охотно делится многим из достигнутого. Тем временем вариант Лейбница широко и открыто распространяется по Европе с 1676 года. Лишь в 1693 году появляется первое изложение варианта Ньютона - в виде приложения к «Трактату по алгебре» Валлиса. Приходится признать, что терминология и символика Ньютона по сравнению с лейбницевской довольно неуклюжи: флюксия (производная), флюэнта (первообразная), момент величины (дифференциал) и т. п. Сохранились в математике только ньютоновское обозначение «o» для бесконечно малой dt (впрочем, эту букву в том же смысле использовал ранее Грегори), да ещё точка над буквой как символ производной по времени.

Достаточно полное изложение принципов анализа Ньютон опубликовал только в работе «О квадратуре кривых» (1704), приложении к его монографии «Оптика». Почти весь изложенный материал был готов ещё в 1670-1680-е годы, но лишь теперь Грегори и Галлей уговорили Ньютона издать работу, которая, с опозданием на 40 лет, стала первым печатным трудом Ньютона по анализу. Здесь у Ньютона появляются производные высших порядков, найдены значения интегралов разнообразных рациональных и иррациональных функций, приведены примеры решения дифференциальных уравнений 1-го порядка.

1711: наконец напечатан, спустя 40 лет, «Анализ с помощью уравнений с бесконечным числом членов». Ньютон с одинаковой лёгкостью исследует как алгебраические, так и «механические» кривые (циклоиду, квадратрису). Появляются частные производные, но почему-то нет правила дифференцирования дроби и сложной функции, хотя Ньютону они были известны; впрочем, Лейбниц на тот момент их уже опубликовал.

В этом же году выходит «Метод разностей», где Ньютон предложил интерполяционную формулу для проведении через (n + 1) данные точки с равноотстоящими или неравноотстоящими абсциссами параболической кривой n-го порядка. Это разностный аналог формулы Тейлора.

1736: посмертно издаётся итоговый труд «Метод флюксий и бесконечных рядов», существенно продвинутый по сравнению с «Анализом с помощью уравнений». Приводятся многочисленные примеры отыскания экстремумов, касательных и нормалей, вычисления радиусов и центров кривизны в декартовых и полярных координатах, отыскания точек перегиба и т. п. В этом же сочинении произведены квадратуры и спрямления разнообразных кривых.

Надо отметить, что Ньютон не только достаточно полно разработал анализ, но и сделал попытку строго обосновать его принципы. Если Лейбниц склонялся к идее актуальных бесконечно малых, то Ньютон предложил (в «Началах») общую теорию предельных переходов, которую несколько витиевато назвал «метод первых и последних отношений». Используется именно современный термин «предел» (limes), хотя внятное описание сущности этого термина отсутствует, подразумевая интуитивное понимание.

Теория пределов изложена в 11 леммах книги I «Начал»; одна лемма есть также в книге II. Арифметика пределов отсутствует, нет доказательства единственности предела, не выявлена его связь с бесконечно малыми. Однако Ньютон справедливо указывает на бо́льшую строгость такого подхода по сравнению с «грубым» методом неделимых.

Тем не менее в книге II, введя моменты (дифференциалы), Ньютон вновь запутывает дело, фактически рассматривая их как актуальные бесконечно малые.

Другие математические достижения

Первые математические открытия Ньютон сделал ещё в студенческие годы: классификация алгебраических кривых 3-го порядка (кривые 2-го порядка исследовал Ферма) и биномиальное разложение произвольной (не обязательно целой) степени, с которого начинается ньютоновская теория бесконечных рядов - нового и мощнейшего инструмента анализа. Разложение в ряд Ньютон считал основным и общим методом анализа функций, и в этом деле достиг вершин мастерства. Он использовал ряды для вычисления таблиц, решения уравнений (в том числе дифференциальных), исследования поведения функций. Ньютон сумел получить разложение для всех стандартных на тот момент функций.

В 1707 году выходит книга «Универсальная арифметика». В ней приведены разнообразные численные методы.

Ньютон всегда уделял большое внимание приближённому решению уравнений. Знаменитый метод Ньютона позволял находить корни уравнений с немыслимой ранее скоростью и точностью (опубликован в «Алгебре» Валлиса, 1685). Современный вид итерационному методу Ньютона придал Джозеф Рафсон (1690).

Примечательно, что теорией чисел Ньютон совершенно не интересовался. По всей видимости, физика ему была гораздо ближе математики.

Теория тяготения

Сама идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и до Ньютона. Ранее о ней размышляли Эпикур, Кеплер, Декарт, Гюйгенс, Гук и другие. Кеплер полагал, что тяготение обратно пропорционально расстоянию до Солнца и распространяется только в плоскости эклиптики; Декарт считал его результатом вихрей в эфире. Были, впрочем, догадки с правильной формулой (Буллиальд, Рен, Гук), и даже достаточно серьезно обоснованные (с помощью соотнесения формулы центробежной силы Гюйгенса и третьего закона Кеплера для круговых орбит). Но до Ньютона никто не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера).

Важно отметить, что Ньютон опубликовал не просто предполагаемую формулу закона всемирного тяготения, но фактически предложил целостную математическую модель в контексте хорошо разработанного, полного, явно сформулированного и систематически изложенного подхода к механике:

закон тяготения;

закон движения (2-й закон Ньютона);

система методов для математического исследования (математический анализ).

В совокупности эта триада достаточна для полного исследования самых сложных движений небесных тел, тем самым создавая основы небесной механики. До Эйнштейна никаких принципиальных поправок к указанной модели не понадобилось, хотя математический аппарат был очень значительно развит.

Ньютоновская теория тяготения вызвала многолетние дебаты и критику концепции дальнодействия.

Первым аргументом в пользу ньютоновской модели послужил строгий вывод на её основе эмпирических законов Кеплера. Следующим шагом стала теория движения комет и Луны, изложенная в «Началах». Позже с помощью ньютоновского тяготения были с высокой точностью объяснены все наблюдаемые движения небесных тел; в этом большая заслуга Клеро и Лапласа.

Первые наблюдаемые поправки к теории Ньютона в астрономии (объяснённые ОТО) были обнаружены лишь более чем через 200 лет (смещение перигелия Меркурия). Впрочем, и они очень малы в пределах Солнечной системы.

Ньютон также открыл причину приливов: притяжение Луны (даже Галилей считал приливы центробежным эффектом). Более того, обработав многолетние данные о высоте приливов, он с хорошей точностью вычислил массу Луны.

Ещё одним следствием тяготения оказалась прецессия земной оси. Ньютон выяснил, что из-за сплюснутости Земли у полюсов земная ось совершает под действием притяжения Луны и Солнца постоянное медленное смещение с периодом 26000 лет. Тем самым древняя проблема «предварения равноденствий» (впервые отмеченная Гиппархом) нашла научное объяснение.

Оптика и теория света

Ньютону принадлежат фундаментальные открытия в оптике. Он построил первый зеркальный телескоп (рефлектор), в котором, в отличие от чисто линзовых телескопов, отсутствовала хроматическая аберрация. Он также открыл дисперсию света, показал, что белый свет раскладывается на цвета радуги вследствие различного преломления лучей разных цветов при прохождении через призму, и заложил основы правильной теории цветов.

В этот период было множество спекулятивных теорий света и цветности; в основном боролись точка зрения Аристотеля («разные цвета есть смешение света и тьмы в разных пропорциях») и Декарта («разные цвета создаются при вращении световых частиц с разной скоростью»). Гук в своей «Микрографии» (1665) предлагал вариант аристотелевских взглядов. Многие полагали, что цвет есть атрибут не света, а освещённого предмета. Всеобщий разлад усугубил каскад открытий XVII века: дифракция (1665, Гримальди), интерференция (1665, Гук), двойное лучепреломление (1670, Эразм Бартолин, изучено Гюйгенсом), оценка скорости света (1675, Рёмер), значительное усовершенствование телескопов. Теории света, совместимой со всеми этими фактами, не существовало.

В своём выступлении перед Королевским обществом Ньютон опроверг как Аристотеля, так и Декарта, и убедительно доказал, что белый свет не первичен, а состоит из цветных компонентов с разными углами преломления. Эти-то составляющие и первичны - никакими ухищрениями Ньютон не смог изменить их цвет. Тем самым субъективное ощущение цвета получало прочную объективную базу - показатель преломления.

Ньютон создал математическую теорию открытых Гуком интерференционных колец, которые с тех пор получили название «Кольца Ньютона».

В 1689 г. Ньютон прекратил исследования в области оптики - по распространённой легенде, поклялся ничего не печатать в этой области при жизни Гука, который постоянно донимал Ньютона болезненно воспринимаемой последним критикой. Во всяком случае, в 1704 году, на следующий год после смерти Гука, выходит в свет монография «Оптика». При жизни автора «Оптика», как и «Начала», выдержала три издания и множество переводов.

Книга первая монографии содержала принципы геометрической оптики, учение о дисперсии света и составе белого цвета с различными приложениями.

Книга вторая: интерференция света в тонких пластинках.

Книга третья: дифракция и поляризация света. Поляризацию при двойном лучепреломлении Ньютон объяснил ближе к истине, чем Гюйгенс (сторонник волновой природы света), хотя объяснение самого явления неудачное, в духе эмиссионной теории света.

Ньютона часто считают сторонником корпускулярной теории света; на самом деле он, по своему обыкновению, «гипотез не измышлял» и охотно допускал, что свет может быть связан и с волнами в эфире. В своей монографии Ньютон детально описывал математическую модель световых явлений, оставляя в стороне вопрос о физическом носителе света.

Другие работы в физике

Ньютону принадлежит первый вывод скорости звука в газе, основанный на законе Бойля-Мариотта.

Он предсказал сплюснутость Земли у полюсов, примерно 1:230. При этом Ньютон использовал для описания Земли модель однородной жидкости, применил закон всемирного тяготения и учёл центробежную силу. Одновременно аналогичные расчёты на сходных основаниях выполнил Гюйгенс,рассматривал тяготение таким, как будто его источник находится в центре планеты, так как, видимо, не верил в универсальный характер силы тяготения, то есть в конечном итоге не учел тяготения деформированного поверхностного слоя планеты. Соответственно Гюйгенс предсказал более чем вдвое меньшее сжатие, чем Ньютон, 1:576. Более того, Кассини и другие картезианцы доказывали, что Земля не сжата, а выпукла у полюсов наподобие лимона. Впоследствии, хотя и не сразу (первые измерения были неточны), прямые измерения (Клеро, 1743) подтвердили правоту Ньютона; реальное сжатие равно 1:298. Причина отличия этого значения от предложенного Ньютоном в сторону Гюйгенсовского состоит в том, что модель однородной жидкости всё же не вполне точна (плотность заметно возрастает с глубиной). Более точная теория, явно учитывающая зависимость плотности от глубины, была разработана только в XIX веке.

Прочие работы

Параллельно с изысканиями, закладывавшими фундамент нынешней научной (физической и математической) традиции, Ньютон много времени отдавал алхимии, а также богословию. Никаких трудов по алхимии он не издавал, и единственным известным результатом этого многолетнего увлечения стало серьёзное отравление Ньютона в 1691 году.

Парадоксально, что Ньютон, много лет трудившийся в Колледже святой Троицы, сам, видимо, в Троицу не верил. Исследователи его богословских работ, такие как Л. Мор, считают, что религиозные взгляды Ньютона были близки к арианству.

Ньютон предложил свой вариант библейской хронологии, оставив после себя значительное количество рукописей по данным вопросам. Кроме того, он написал комментарий на Апокалипсис. Теологические рукописи Ньютона ныне хранятся в Иерусалиме, в Национальной Библиотеке.

Тайные работы Исаака Ньютона

Как известно, незадолго до конца жизни Исаак опроверг все выдвинутые собой теории и сжёг документы, в которых содержалась тайна их опровержения: одни не сомневались, что всё было именно так, другие же полагают, что подобные действия были бы просто абсурдны и утверждают, что архив с документами цел, но только принадлежит избранным...

> Что открыл Исаак Ньютон?

Открытия Исаака Ньютона – законы и физика от одного из величайших гениев. Изучите закон всемирного тяготения, три закона движения, гравитация, форма Земли.

Исаак Ньютон (1642-1727) запомнился нам как философ, ученый и математик. Для своего времени он сделал очень много и активно участвовал в научной революции. Интересно, что его взгляды, законы и физика Ньютона будут преобладать еще 300 лет после смерти. По сути, перед нами создатель классической физики.

В последствии слово «ньютоновский» будут вставлять ко всем утверждениям, имеющим связь с его теориями. Исаака Ньютона считают одним из величайших гениев и наиболее влиятельных ученых, чья деятельность охватывала множество научных сфер. Но чем мы ему обязаны и какие открытия совершил?

Три закона движения

Начнем с его знаменитой работы «Математические начала натуральной философии» (1687), в которой раскрывались основы классической механики. Речь идет о трех законах движения, добытых из законов планетарного движения, выдвинутых Иоганном Кеплером.

Первый закон – инерция: объект в состоянии покоя будет оставаться в этом покое, пока на него не повлияет сила, лишенная баланса. Тело в движении продолжит двигаться с изначальной скоростью и в том же направлении, если не столкнется с несбалансированной силой.

Второй: ускорение появляется, когда сила влияет на массу. Чем больше масса, тем больше силы потребуется.

Третий: для каждого действия есть равное противодействие.

Универсальная гравитация

Ньютона стоит поблагодарить за закон всемирного тяготения. Он вывел, что каждая точка массы притягивает другую силой, направленной вдоль линии, пересекающей обе точки (F = G frac{m_1 m_2}{r^2}).

Эти три постулата гравитации помогут ему измерять траектории комет, приливов, равноденствий и прочих явлений. Его доводы разбили последние сомнения касательно гелиоцентрической модели и научный мир принял факт, что Земля не выступает вселенским центром.

Все знают, что Ньютон пришел к выводам о гравитации благодаря случаю с яблоком, упавшим ему на голову. Многие думают, что это всего лишь шуточный пересказ, а ученый вывел формулу постепенно. Но в пользу яблочного прорыва говорят записи в дневнике Ньютона и пересказы его современников.

Форма Земли

Исаак Ньютон полагал, что наша планета Земля сформировалась в виде сплющенного сфероида. Позже догадка подтвердится, но в его времена это была важная информация, которая помогла перевести большую часть научного мира с декартовской системы на механику Ньютона.

В математическом поле он обобщил биномиальную теорему, исследовал степенные ряды, вывел собственный метод для аппроксимации корней функции и поделил на классы большинство кривых кубических плоскостей. Также он делился разработками с Готфридом Лейбницем.

Его открытия были прорывными в физике, математике и астрономии, помогавшие при помощи формул разобраться в строении пространства.

Оптика

В 1666 году он все больше углубляется в оптику. Все началось с изучения свойств света, который он измерял сквозь призму. В 1670-1672 гг. исследовал рефракцию света, показывая, как разноцветный спектр перестраивается в одиночный белый свет при помощи линзы и второй призмы.

В итоге, Ньютон понял, что цвет формируется из-за взаимодействия объектов изначально окрашенных. Кроме того заметил, что объектив любого инструмента страдает из-за светового рассеивания (хроматическая аберрация). Ему удалось решить проблемы при помощи телескопа с зеркалом. Его изобретение считается первой моделью отражающего телескопа.

Кроме того…

Также ему принадлежит заслуга в формулировке эмпирического закона охлаждения и изучение скорости звука. С его подачи появился термин «ньютоновская жидкость» – описание любой жидкости, где вязкие напряжения линейно пропорциональны скорости ее трансформации.

Большое количество времени Ньютон посвящал исследованию не только научных постулатов, но и библейской хронологии и внедрялся в алхимию. Однако многие работы появились только после смерти ученого. Так что Исаак Ньютон запомнился не только как талантливый физик, но и философ.

Чем же мы обязаны Исааку Ньютону? Его идеи были прорывными не только для того времени, но и послужили стартовыми точками для всех последующих ученых. Он подготовил плодородную почву для новых открытый и вдохновил на исследование этого мира. Неудивительно, что у Исаака Ньютона появились последователи, развивающие его идеи и теории. Если вам интересно узнать больше, то на сайте есть биография Исаака Ньютона, где представлены дата рождения и смерти (по новому и старому стилю), самые важные открытия, а также интересные факты о величайшем физике.

Сэра Ньютона по праву считают одним из самых влиятельных ученых всех времен и ключевой фигурой в научной революции. Его книга "Математические начала натуральной философии" ("Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica"), где изложены основы классической механики, впервые была опубликована в 1687-м. В 1691-м Ньютон серьезно отравился; после эксгумации в его теле было обнаружено высокое содержание ртути.

Ньютон сформулировал законы движения и всемирного тяготения, которые доминировали в течение следующих трех веков среди ученых, занятых исследованием структуры физической вселенной. После того как Кеплер (Kepler) открыл закон движения планет Солнечной системы, уточненные на основе закона тяготения Ньютона, английский физик лишился последних сомнений по поводу обоснованности гелиоцентрической модели космоса.

Ньютон построил первый действующий телескоп-рефлектор и разработал теорию цвета, взяв за основу наблюдения за белым светом, разлагающимся призмой на спектральные цвета. Он сформулировал эмпирический закон теплового излучения и занимался изучением скорости звука. В дополнение к своим работам по исчислениям, Ньютон внес свой вклад в изучение степенных рядов, обобщил формулу бинома Ньютона и разработал метод Ньютона – итерационный численный метод нахождения корня в заданной функции.

Ньютон был членом Тринити-колледжа (Trinity College) и профессором математики в Кембриджском Университете (University of Cambridge). Помимо прочего, Ньютон увлекался алхимией и богословием, но никаких трудов по химии и алхимии не публиковал и рассматривал Библию с рационалистических позиций. По его подсчетам, конец света не должен наступить ранее 2060-го. Он отказался принять духовный сан от англиканской церкви, возможно, потому что отвергал доктрину тринитаризма. Ближе к концу своей жизни Ньютон стал президентом Королевского общества (Royal Society).

Исаак Ньютон родился 4 января 1643-го в семье фермера, в д. Вулсторп-бай-Колстерворт, графство Линкольншир (Woolsthorpe-by-Colsterworth, Lincolnshire). Отец не дожил до рождения Ньютона. Мать, Анна Эйскоу (Hannah Ayscough), вышла замуж во второй раз, за 63-летнего вдовца, и родила троих детей. Она стала уделять Исааку меньше внимания, и мальчик замкнулся, погрузился в чтение и нашел отдушину в том, чтобы мастерить диковинные технические игрушки.

В 1655-м Ньютон поступил в Грантемскую школу (The King"s School, Grantham) и жил в доме аптекаря. Его отчим скончался, и мать в 1659-м вернула Исаака назад в поместье, пытаясь подключить его к управлению хозяйством. Ньютон же просто ненавидел сельскую жизнь и с большей охотой занимался стихосложением, чем помогал матери. В конечном итоге, юноша вернулся обратно в школу, где стал одним из лучших учеников.

В 1661-м Исаак начал обучение в Тринити-колледже, на правах "сайзера", бедного студента, фактически соглашавшегося с ролью слуги в колледже, чтобы оплачивать обучение. В студенческие годы Ньютон по-прежнему не завел близких контактов, был равнодушен к славе и всецело поглощен одной идеей – во всем доходить до самой сути. В 1665-м Ньютон получил степень бакалавра. На волне творческого подъема он наметил для себя порядка 45 глобальных нерешенных вопросов, как в природе, так и в жизни человека. В 1665-1667 гг. он сформулировал свои главные идеи, впоследствии вылившиеся в систему дифференциальных и интегральных исчислений, в изобретение зеркального телескопа и открытие закона всемирного тяготения.

Ньютон был связан с Тринити-колледжем более 30 лет. Здесь же он проводил свои опыты над разложением света. В 1668-м ему была присвоена степень магистра; Ньютон получил отдельную комнату для жилья и оклад. Он добросовестно читал группе студентов лекции по стандартным учебным предметам, но никогда не пользовался популярностью, и на его занятиях была плохая посещаемость.

В 1687-м Исаак опубликовал свой великий труд – "Математические начала натуральной философии". В это же время начался его конфликт с королем Яковом II (James II), лишь после свержения которого Ньютон был в первый раз избран парламент от Кембриджского Университета.

С 1699-го система мира Ньютона начала преподаваться в Кембридже, а с 1704-го – в Оксфорде (Oxford University). В декабре 1701-го Ньютон официально оставил все свои посты в Кембридже и ушел в отставку. В 1705-м королева Анна впервые в истории Англии возвела в рыцари человека за его научные достижения. Однако сэр Исаак Ньютон, по одной из версий, все же был произведен в рыцари по политическим соображениям.

Незадолго до своей кончины Ньютон "погорел" на ценных бумагах, когда обанкротился банк торговой компании "The South Sea Company". Он умер во сне, 31 марта 1727-го. Кембриджский психолог Саймон Барон-Коэн (Simon Baron-Cohen) уверен, что причиной неконтактности и трудностей в социальном взаимодействии Ньютона был синдром Аспергера.

Отец Ньютона не дожил до рождения сына. Мальчик родился болезненным, до срока, но всё же выжил. Факт рождения под Рождество Ньютон считал особым знаком судьбы. Несмотря на тяжёлые роды, Ньютон прожил 84 года.

Тринити-колледж, часовая башня

Покровителем мальчика стал его дядя по матери, Вильям Эйскоу. В детстве Ньютон, по отзывам современников, был замкнут и обособлен, любил читать и мастерить технические игрушки: часы, мельницу и т. п. По окончании школы () он поступил в Тринити-колледж (Колледж святой Троицы) Кембриджского университета. Уже тогда сложился его могучий характер - научная дотошность, стремление дойти до сути, нетерпимость к обману и угнетению, равнодушие к публичной славе.

Научной опорой и вдохновителями творчества Ньютона в наибольшей степени были физики: Галилей , Декарт и Кеплер . Ньютон завершил их труды, объединив в универсальную систему мира. Меньшее, но существенное влияние оказали другие математики и физики: Евклид , Ферма , Гюйгенс , Валлис и его непосредственный учитель Барроу .

Похоже на то, что значительную часть своих математических открытий Ньютон сделал ещё студентом, в «чумные годы» - . В 23 года он уже свободно владел методами дифференциального и интегрального исчислений , включая разложение функций в ряды и то, что впоследствии было названо формулой Ньютона-Лейбница . Тогда же, по его утверждению , он открыл закон всемирного тяготения , точнее, убедился, что этот закон следует из третьего закона Кеплера . Кроме того, Ньютон в эти годы доказал, что белый цвет есть смесь цветов, вывел формулу «бинома Ньютона » для произвольного рационального показателя (включая отрицательные), и др.

Продолжаются эксперименты по оптике и теории цвета. Ньютон исследует сферическую и хроматическую аберрации . Чтобы свести их к минимуму, он строит смешанный телескоп-рефлектор (линза и вогнутое сферическое зеркало, которое полирует сам). Всерьёз увлекается алхимией, проводит массу химических опытов.

Оценки

Надпись на могиле Ньютона гласит:

Здесь покоится сэр Исаак Ньютон, дворянин, который почти божественным разумом первый доказал с факелом математики движение 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 Св. писания, он утверждал своей философией величие Всемогущего Бога, а нравом выражал евангельскую простоту.
Пусть смертные радуются, что существовало такое украшение рода человеческого.

Статуя Ньютона в Тринити-колледже

На статуе, воздвигнутой Ньютону в 1755 г. в Тринити-колледже, высечены стихи из Лукреция :

Qui genus humanum ingenio superavit (Разумом он превосходил род человеческий)

Сам Ньютон оценивал свои достижения более скромно:

Не знаю, как меня воспринимает мир, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу, который развлекается тем, что время от времени отыскивает камешек более пёстрый, чем другие, или красивую ракушку, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным.

Механика

Страница «Начал» Ньютона с аксиомами механики

Заслугой Ньютона является решение двух фундаментальных задач.

Создание для механики аксиоматической основы, которая фактически перевела эту науку в разряд строгих математических теорий.
Создание динамики , связывающей поведение тела с характеристиками внешних воздействий на него (сил).

Кроме того, Ньютон окончательно похоронил укоренившееся с античных времён представление, что законы движения земных и небесных тел совершенно различны. В его модели мира вся Вселенная подчинена единым законам.

Ньютон также дал строгие определения таких физических понятий, как количество движения (не вполне ясно использованное у Декарта) и сила . Он ввёл в физику понятие массы как меры инерции и, одновременно, гравитационных свойств (ранее физики пользовались понятием вес ).

Завершили математизацию механики Эйлер и Лагранж .

Теория тяготения

Закон тяготения Ньютона

Сама идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и до Ньютона. Ранее о ней размышляли Эпикур , Гассенди , Кеплер , Борелли , Декарт , Гюйгенс и другие. Кеплер полагал, что тяготение обратно пропорционально расстоянию до Солнца и распространяется только в плоскости эклиптики; Декарт считал его результатом вихрей в эфире. Были, впрочем, догадки с правильной формулой (Буллиальд, Рен , Гук), и даже кинематически обоснованные (с помощью соотнесения формулы центробежной силы Гюйгенса и третьего закона Кеплера для круговых орбит). . Но до Ньютона никто не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера). Только с трудов Ньютона начинается наука динамика .

Важно отметить, что Ньютон опубликовал не просто предполагаемую формулу закона всемирного тяготения , но фактически предложил целостную математическую модель в контексте хорошо разработанного, полного, явно сформулированного и систематически изложенного подхода к механике:

закон тяготения;
закон движения (2-й закон Ньютона);
система методов для математического исследования (математический анализ).

В совокупности эта триада достаточна для полного исследования самых сложных движений небесных тел, тем самым создавая основы небесной механики . До Эйнштейна никаких принципиальных поправок к указанной модели не понадобилось, хотя математический аппарат оказалось необходимым значительно развить.

Ньютоновская теория тяготения вызвала многолетние дебаты и критику концепции дальнодействия .

Важным аргументом в пользу ньютоновской модели послужил строгий вывод на её основе эмпирических законов Кеплера . Следующим шагом стала теория движения комет и Луны, изложенная в «Началах». Позже с помощью ньютоновского тяготения были с высокой точностью объяснены все наблюдаемые движения небесных тел; в этом большая заслуга Эйлера , Клеро и Лапласа , которые разработали для этого теорию возмущений . Фундамент этой теории был заложен ещё Ньютоном, который провёл анализ движения Луны, используя свой обычный метод разложения в ряд; на этом пути он открыл причины известных тогда аномалий (неравенств ) в движении Луны.

Ньютон также открыл причину приливов : притяжение Луны (даже Галилей считал приливы центробежным эффектом). Более того, обработав многолетние данные о высоте приливов, он с хорошей точностью вычислил массу Луны.

Оптика и теория света

Ньютону принадлежат фундаментальные открытия в оптике . Он построил первый зеркальный телескоп (рефлектор), в котором, в отличие от чисто линзовых телескопов, отсутствовала хроматическая аберрация . Он также открыл дисперсию света , показал, что белый свет раскладывается на цвета радуги вследствие различного преломления лучей разных цветов при прохождении через призму, и заложил основы правильной теории цветов.

В этот период было множество спекулятивных теорий света и цветности; в основном боролись точка зрения Аристотеля («разные цвета есть смешение света и тьмы в разных пропорциях») и Декарта («разные цвета создаются при вращении световых частиц с разной скоростью»). Гук в своей «Микрографии» (1665) предлагал вариант аристотелевских взглядов. Многие полагали, что цвет есть атрибут не света, а освещённого предмета. Всеобщий разлад усугубил каскад открытий XVII века: дифракция (1665, Гримальди), интерференция (1665, Гук), двойное лучепреломление (1670, Эразм Бартолин (Rasmus Bartholin ), изучено Гюйгенсом), оценка скорости света (1675, Рёмер). Теории света, совместимой со всеми этими фактами, не существовало.

Дисперсия света
(опыт Ньютона)

Ньютон создал математическую теорию открытых Гуком интерференционных колец, которые с тех пор получили название «кольца Ньютона ».

Титульный лист «Оптики» Ньютона

В 1689 г. Ньютон прекратил исследования в области оптики - по распространённой легенде, поклялся ничего не печатать в этой области при жизни Гука , который постоянно донимал Ньютона болезненно воспринимаемой последним критикой. Во всяком случае, в 1704 году , на следующий год после смерти Гука, выходит в свет монография «Оптика». При жизни автора «Оптика», как и «Начала», выдержала три издания и множество переводов.

Книга первая монографии содержала принципы геометрической оптики , учение о дисперсии света и составе белого цвета с различными приложениями.

Он предсказал сплюснутость Земли у полюсов, примерно 1:230. При этом Ньютон использовал для описания Земли модель однородной жидкости, применил закон всемирного тяготения и учёл центробежную силу. Одновременно аналогичные расчёты выполнил Гюйгенс , который не верил в дальнодействующую силу тяготения и подошёл к проблеме чисто кинематически. Соответственно Гюйгенс предсказал более чем вдвое меньшее сжатие, чем Ньютон, 1:576. Более того, Кассини и другие картезианцы доказывали, что Земля не сжата, а выпукла у полюсов наподобие лимона. Впоследствии, хотя и не сразу (первые измерения были неточны), прямые измерения (Клеро , ) подтвердили правоту Ньютона; реальное сжатие равно 1:298. Причина отличия этого значения от предложенного Ньютоном в сторону Гюйгенсовского состоит в том, что модель однородной жидкости всё же не вполне точна (плотность заметно возрастает с глубиной). Более точная теория, явно учитывающая зависимость плотности от глубины, была разработана только в XIX веке.

Другие сферы деятельности

Уточнённая хронология древних царств

Параллельно с изысканиями, закладывавшими фундамент нынешней научной (физической и математической) традиции, Ньютон много времени отдавал алхимии , а также богословию . Никаких трудов по алхимии он не издавал, и единственным известным результатом этого многолетнего увлечения стало серьёзное отравление Ньютона в 1691 году .

Ньютон предложил свой вариант библейской хронологии , оставив после себя значительное количество рукописей по данным вопросам. Кроме того, он написал комментарий на Апокалипсис . Теологические рукописи Ньютона ныне хранятся в Иерусалиме , в Национальной Библиотеке.

Примечания

Основные опубликованные сочинения Ньютона

Method of Fluxions ( , «Метод флюксий», опубликован посмертно, в 1736 году)
De Motu Corporum in Gyrum ()
Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ( , «Математические начала натуральной философии »)
Opticks ( , «Оптика»)
Arithmetica Universalis ( , «Универсальная арифметика»)
Short Chronicle , The System of the World , Optical Lectures , The Chronology of Ancient Kingdoms, Amended и De mundi systemate опубликованы посмертно в 1728 году .
An Historical Account of Two Notable Corruptions of Scripture (1754)

Литература

Сочинения

Ньютон И. Математические работы. Пер. и комм. Д. Д. Мордухай-Болтовского. М.-Л.: ОНТИ, 1937.
Ньютон И. Всеобщая арифметика или Книга об арифметическом синтезе и анализе. М.: Изд. АН СССР, 1948.
Ньютон И. Математические начала натуральной философии. Пер. и прим. А. Н. Крылова . М.: Наука, 1989.
Ньютон И. Лекции по оптике. М.: Изд. АН СССР, 1946.
Ньютон И. Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света. М.: Гостехиздат, 1954.
Ньютон И. Замечания на книгу пророка Даниила и Апокалипсис св. Иоанна. Пг.: Новое время, 1915.
Ньютон И. Исправленная хронология древних царств. М.: РИМИС, 2007.

О нём

Арнольд В. И. Гюйгенс и Барроу, Ньютон и Гук. . М.: Наука, 1989.
Белл Э. Т. Творцы математики. М.: Просвещение, 1979.
Вавилов С. И. Исаак Ньютон. 2-е доп. изд. М.-Л.: Изд. АН СССР, 1945.
История математики под редакцией А. П. Юшкевича в трёх томах, М.: Наука, 1970. Том 2. Математика XVII столетия.
Карцев В. Ньютон. М.: Молодая гвардия, 1987.
Катасонов В. Н. Метафизическая математика XVII в. М.: Наука, 1993.
Кирсанов В. С. Научная революция XVII века. М.: Наука, 1987.
Кузнецов Б. Г. Ньютон. М.: Мысль, 1982.
Московский университет - памяти Исаака Ньютона. М., 1946.
Спасский Б. И. История физики. Изд. 2-е. М.: Высшая школа, 1977. Часть 1. Часть 2.
Хеллман Х. Великие противостояния в науке. Десять самых захватывающих диспутов. M.: Диалектика, 2007. - Глава 3. Ньютон против Лейбница: Битва титанов.
Юшкевич А. П. О математических рукописях Ньютона. Историко-математические исследования, 22, 1977, с. 127-192.
Юшкевич А. П. Концепции исчисления бесконечно малых Ньютона и Лейбница. Историко-математические исследования, 23, 1978, с. 11-31.
Arthur R. T. W. Newton’s fluxions and equably flowing time. Studies in history and philosophy of science, 26, 1995, p. 323-351.
Bertoloni M. D. Equivalence and priority: Newton versus Leibniz. Oxford: Clarendon Press, 1993.
Cohen I. B. Newton’s principles of philosophy: inquires into Newton’s scientific work and its general environment. Cambridge (Mass) UP, 1956.
Cohen I. B. Introduction to Newton’s «Principia». Cambridge (Mass) UP, 1971.
Lai T. Did Newton renounce infinitesimals? Historia Mathematica, 2, 1975, p. 127-136.
Selles M. A. Infinitesimals in the foundations of Newton’s mechanics. Historia Mathematica, 33, 2006, p. 210-223.
Weinstock R. Newton’s Principia and inverse-square orbits: the flaw reexamined. Historia Mathematica, 19, 1992, p. 60-70.
Westfall R. S. Never at rest: A biog. of Isaac Newton. Cambridge UP, 1981.
Whiteside D. T. Patterns of mathematical thought in the later seventeenth century. Archive for History of Exact Sciences, 1, 1963, p. 179-388.
White M. Isaac Newton: The last sorcerer. Perseus, 1999, 928 с.

Художественные произведения