17-ти век е благоприятен период за науките, като са направени революционни открития в астрономията, физиката, механиката, оптиката и естествените науки. В центъра на всичко това беше сър Исак Нютон, човекът, който е широко признат като един от най-влиятелните учени на всички времена и като ключова фигура в Научната революция.
Английски физик и математик, Нютон направи няколко основни приноса в областта на оптиката и споделя кредит с Готфрид Лайбниц за разработването на смятане. Но това беше публикуването на Нютон Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica („Математически принципи на естествената философия“), за който той е най-известен. Публикуван през 1687 г., този трактат поставя основите на класическата механика, традиция, която ще доминира възгледа на учените за физическата вселена през следващите три века.
Ранен живот:
Исак Нютон е роден на 4 януари 1643 г. - или на 25 декември 1642 г. според Юлианския календар (който по онова време се използва в Англия) - в Вулстхорп до Колстерворт, махала в графство Линкълншир. Баща му, за когото беше кръстен, беше проспериращ земеделски производител, който почина три месеца преди раждането си. Роден преждевременно, Нютон беше малък като дете.
Майка му Хана Айскаф се жени повторно, когато е бил на три години в преподобни, оставяйки Нютон в грижите на баба си по майчина линия. Майка му щяла да има още три деца с новия си съпруг, който се превърнал само в братя и сестри. Заради това Нютон явно е имал скални отношения с доведения си и майка си известно време.
По времето, когато Нютън беше на 17 години, майка му отново беше овдовяла. Въпреки надеждата си Нютон да стане фермер, подобно на баща си, Нютон мразеше земеделието и се стреми да стане академик. Интересите му към инженерството, математиката и астрономията бяха очевидни от най-ранна възраст и Нютон започна изследванията си с способност за учене и измисляне, която ще продължи до края на живота му.
Образование:
Между 12 и 21 години Нютон се обучава в The King's School в Грантъм, където научава латински. Докато е там, той става най-високо класираният студент и получава признание за изграждането на слънчев часовник и модели на вятърни мелници. До 1661 г. той е приет в колежа Trinity в Кеймбридж, където плаща пътя си, като изпълнява задълженията на камериерката (известна като субсизар).
През първите си три години в Кеймбридж, Нютон е преподавал стандартната учебна програма, която се основава на теорията на Аристотел. Но Нютон бил очарован от по-напредналата наука и прекарал цялото си свободно време в четене на творбите на съвременни философи и астрономи, като Рене Декарт, Галилео Галилей, Томас Стрийт и Йоханес Кеплер.
Резултатът беше по-малко от звездното изпълнение, но двойният му фокус също щеше да го накара да направи някои от най-дълбоките си научни приноси. През 1664 г. Нютон получава стипендия, която му гарантира още четири години, докато не получи магистърската си степен.
През 1665 г., малко след като Нютон се сдобива с бакалавърска степен, университетът временно се затваря поради избухването на Голямата чума. Използвайки това време за изучаване у дома, Нютон разработи редица идеи, които имаше, които в крайна сметка ще се превърнат в негови теории за смятане, оптика и закон на гравитацията (виж по-долу).
През 1667 г. той се завръща в Кеймбридж и е избран за съгражданин на Тринити, въпреки че представянето му все още се смята за не толкова зрелищно. С времето обаче състоянието му се подобри и той придоби признание за своите способности. През 1669 г. той получава своя М.А. (преди да навърши 27 години) и публикува трактат, в който излага своите математически теории за справяне с безкрайните серии.
До 1669 г. той наследява своя еднократен учител и наставник Исак Бароу - богослов и математик, който открива основната теорема за смятане - и става катедрата на Лукас по математика в Кеймбридж. През 1672 г. е избран за член на Кралското общество, от което ще остане част до края на живота си.
Научни постижения:
Докато учи в Кеймбридж, Нютон поддържа втори набор от бележки, които озаглавява „Quaestiones Quaedam Philosophicae” (“Някои философски въпроси"). Тези бележки, които са сбор от наблюденията на Нютон за механичната философия, ще го накарат да открие обобщената биномиална теорема през 1665 г. и ще му позволят да разработи математическа теория, която да доведе до неговото развитие на съвременното смятане.
Въпреки това, най-ранните приноси на Нютон бяха под формата на оптика, която той изнасяше по време на годишни лекции, докато заемаше позицията на Лукас Катедра по математика. През 1666 г. той наблюдава, че светлината, влизаща в призма като кръгов лъч, излиза под формата на продълговата, демонстрираща, че призма пречупва различни цветове светлина под различни ъгли. Това го накара да заключи, че цветът е свойство, присъщо на светлината, точка, за която се обсъждаше в предишни години.
През 1668 г. той проектира и конструира отразяващ телескоп, който му помага да докаже теорията си. От 1670 до 1672 г. Нютон продължава да изнася лекции по оптика и изследва пречупването на светлината, като демонстрира, че многоцветен спектър, произведен от призма, може да бъде преустроен в бяла светлина чрез леща и втора призма.
Той също така демонстрира, че цветната светлина не променя свойствата си, независимо от това дали се отразява, разсейва или предава. По този начин той забеляза, че цветът е резултат от обекти, взаимодействащи с вече оцветена светлина, а не от обекти, генериращи самия цвят. Това е известно като теорията на цвета на Нютон.
Кралското общество поиска демонстрация на своя отразяващ телескоп през 1671 г. и интересът на организацията насърчи Нютон да публикува своите теории за светлината, оптиката и цвета. Това прави през 1672 г. в малък трактат, озаглавен Оf Цветове, който по-късно ще бъде публикуван в по-голям обем, съдържащ неговите теории за „корпускуларната“ природа на светлината.
По същество Нютон твърди, че светлината е съставена от частици (или корпускули), които според него са пречупени чрез ускоряване в по-плътна среда. През 1675 г. той публикува тази теория в трактат, озаглавен „Хипотеза за светлината “, в който той също така заяви, че обикновената материя е съставена от по-големи корпускули и за съществуването на етер, който предава сили между частиците.
След като обсъди идеите си с Хенри Море, английски теософ и член на платонистите в Кеймбридж, интересът на Нютон към алхимията се възражда. След това той замени теорията си за етер, съществуваща между частиците в природата, с окултни сили, основаваща се на херметични идеи за привличане и отблъскване между частиците. Това отразява продължаващия интерес на Нютон както към алхимичните, така и към научните, за които по онова време няма ясно разграничение.
През 1704 г. Нютон публикува всичките си теории за светлината, оптиката и цветовете в един том, озаглавен Opticks: Или трактат за отраженията, пречупванията, преклоненията и цветовете на светлината, В него той спекулира, че светлината и материята могат да се преобразуват една в друга чрез един вид алхимична трансмутация и да се опира на теории на звуковите вълни, за да обясни повтарящите се модели на отражение и предаване.
Докато по-късно физиците предпочитаха чисто вълнообразно обяснение на светлината, за да отчитат интерференционните модели и общото явление на дифракцията, техните открития дължат много на теориите на Нютон. Почти същото е валидно за днешната квантова механика, фотони и идеята за двойственост на вълната и частиците, които носят само малка прилика с разбирането на Нютон за светлината.
Въпреки че и той, и Лайбниц са приписани, че са разработили изчисление независимо, и двамата мъже се забъркват в спор за това кой го е открил пръв. Въпреки че работата на Нютон в разработването на модерно смятане започва през 1660-те, той не желае да го публикува, страхувайки се от спорове и критики. Като такъв, Нютон не публикува нищо до 1693 г. и не дава пълен отчет за работата си до 1704 г., докато Лайбниц започва да публикува пълен отчет за своите методи през 1684г.
Въпреки това, Нютон по-рано работи в областта на механиката и астрономията включва широко използване на смятане в геометрична форма. Това включва методи, включващи „един или повече нареждания на безкрайно малкия“ в неговата работа от 1684 г., De motu corporum в gyrum (“На движението на телата в орбита ”) и в книга I на Principia, който той посочи като "метод на първо и последно съотношение".
Универсално гравитация:
През 1678 г. Нютон претърпя пълен нервен срив, най-вероятно поради преумора и непрекъсната вражда с колегата на член на Кралското общество Робърт Хук (виж по-долу). Смъртта на майка му година по-късно го кара да става все по-изолиран и в продължение на шест години той се оттегля от кореспонденция с други учени, с изключение на мястото, където са го инициирали.
По време на този хиатус Нютон поднови интереса си към механиката и астрономията. По ирония на съдбата, именно благодарение на кратка размяна на писма през 1679 и 1680 г. с Робърт Хук щеше да го накара да постигне най-големите си научни постижения. Неговото повторно пробуждане се дължи и на появата на комета през зимата на 1680–1681 г., за която той си кореспондира с Джон Фламстед - Английският кралски астроном.
След това Нютон започва да обмисля гравитацията и нейния ефект върху орбитите на планетите, по-специално по отношение на законите на Кеплер за движението на планетата. След размяната си с Хук той разработи доказателство, че елиптичната форма на планетарните орбити се получава от центробелна сила, обратно пропорционална на квадрата на радиусния вектор.
Нютон съобщи резултатите си на Едмонд Халей (откривател на „Кометата на Хейли“) и на Кралското общество в De motu corporum в gyrum. Този тракт, публикуван през 1684 г., съдържаше семето, което Нютон ще разшири, за да образува своя магнум опус, The Principia, Този трактат, публикуван през юли 1687 г., съдържа трите закона на Нютон. Тези закони гласиха, че:
- Когато се гледа в инерциална референтна рамка, обект или остава в покой, или продължава да се движи с постоянна скорост, освен ако не е действан от външна сила.
- Векторната сума на външните сили (F) върху даден обект е равна на масата (т) на този обект, умножен по вектора на ускорение (а) на обекта. В математическа форма това се изразява като: F =mа
- Когато едно тяло упражнява сила върху второ тяло, второто тяло едновременно упражнява сила, равна по величина и противоположна по посока на първото тяло.
Заедно тези закони описваха връзката между всеки обект, силите, действащи върху него, и произтичащото от него движение, поставяйки основата на класическата механика. Законите също така позволиха на Нютон да изчисли масата на всяка планета, да изчисли сплескването на Земята при полюсите и издутината при екватора и как гравитационното дърпане на Слънцето и Луната създава приливите на Земята.
В същата работа Нютон представи подобен на смятане метод на геометричен анализ, използвайки „първо и последно съотношение“, разработи скоростта на звука във въздуха (въз основа на закона на Бойл), отчете прецесията на равноденствията (която той показа, че са резултат от гравитационното привличане на Луната към Земята), започна гравитационното изследване на нередностите в движението на Луната, предостави теория за определяне на орбитите на кометите и много други.
Този обем би имал дълбок ефект върху науките, като принципите му остават канон за следващите 200 години. Той също така информира концепцията за универсална гравитация, която стана основата на съвременната астрономия и няма да бъде ревизирана чак през 20 век - с откриването на квантовата механика и теорията на Айнщайн за обща относителност.
Нютон и „Apple инцидент“:
Историята на Нютон, измисляща теорията си за универсалното гравитация в резултат на ябълка, падаща върху главата му, се е превърнала в основна популярна култура. И макар че често се спори, че историята е апокрифна и Нютон не е измислил теорията си нито един момент, самият Нютон разказва историята много пъти и твърди, че инцидентът го е вдъхновил.
В допълнение, писанията на Уилям Стъкли - английски духовник, антиквар и член на Кралското общество - потвърдиха историята. Но вместо комичното представяне на ябълката, поразила Нетуон по главата, Стюкли описа в своето Спомени от живота на сър Исак Нютон (1752 г.) разговор, в който Нютон описва размишляването върху природата на гравитацията, докато наблюдава как пада ябълка.
„… Влязохме в градината и пихме теа под сянката на някои ябълкови дървета; само той, & аз. на фона на друг дискурс, каза ми той, той просто беше в същата ситуация, както когато преди това, в съзнанието му влизаше понятието гравитация. „Защо тази ябълка винаги да се спуска перпендикулярно на земята“ - помисли си той на себе си; повод от падането на ябълка ... ”
Джон Кондуит, помощник на Нютон в Кралския монетен двор (който в крайна сметка се ожени за племенницата му), също описа слух на историята в собствения си разказ за живота на Нютон. Според Конюит инцидентът е станал през 1666 г., когато Нютон пътувал да се срещне с майка си в Линкълншър. Докато се носи в градината, той обмисля как влиянието на гравитацията се простира далеч отвъд Земята, което е отговорно за падането на ябълката, както и за орбитата на Луната.
По подобен начин Волтер написал своето Есе на епическата поезия (1727 г.), че Нютон първо е мислил за системата на гравитация, докато се разхождал в градината си и гледал как ябълка пада от дърво. Това е в съответствие с бележките на Нютон от 1660-те, които показват, че той се бори с идеята как земната гравитация се простира, в пропорционална квадратна пропорция, до Луната.
Въпреки това ще са му необходими още две десетилетия, за да развие напълно своите теории до степен, че той е в състояние да предложи математически доказателства, както е показано в Principia, След като това приключи, той заключи, че същата сила, която кара един предмет да падне на земята, е отговорна за други орбитални движения. Следователно той го нарече „универсална гравитация“.
За различни дървета се твърди, че са "ябълковото дърво", което Нютън описва. Кралското училище, Грантъм, твърди, че училището им е закупило оригиналното дърво, изкоренило го и го транспортирало в градината на директора няколко години по-късно. Националният тръст обаче, който държи имението Вулсторп (където Нютон е израснал) в доверие, твърди, че дървото все още пребивава в градината им. Потомък на оригиналното дърво може да се види, растящ пред главната порта на Тринити Колидж, Кеймбридж, под стаята, в която е живял Нютон, когато е учил там.
Вражда с Робърт Хук:
С Principia, Нютон стана международно признат и придоби кръг от почитатели. Това доведе и до вражда с Робърт Хук, с когото той имаше проблемни отношения в миналото. С публикуването на своите теории за цвета и светлината през 1671/72 г. Хук критикува Нютон по доста снизходителен начин, твърдейки, че светлината е съставена от вълни, а не от цветове.
Докато други философи се отнасяха критично към идеята на Нютон, именно Хук (член на Кралското общество, който бе извършил обширна работа в областта на оптиката), удуши Нютон най-лошото. Това доведе до жестоки отношения между двамата мъже и Нютон почти се отказа от Кралското общество. Намесата на колегите му обаче го убеди да остане и въпросът в крайна сметка отшумя.
Въпреки това, с публикуването на Principia, въпросите отново се озоваха, а Хук обвини Нютон в плагиатство. Причината за обвинението е свързана с факта, че по-рано през 1684 г. Хук е направил коментари на Едмънд Халей и Кристофър Ррен (също членове на Кралското общество) относно елипсите и законите на движението на планетата. Въпреки това, по онова време той не предлага математическо доказателство.
Въпреки това Хук твърдеше, че е открил теорията за обратните квадрати и че Нютон е откраднал работата му. Други членове на Кралското общество считат обвинението за неоснователно и изискват Хук да освободи математическите доказателства, за да обоснове това твърдение. Междувременно Нютон премахна всички бележки за Хук в записките си и заплаши, че ще оттегли Principia от последващо публикуване изцяло.
Едмънд Халей, който беше приятел и на Нютон, и на Хук, се опита да сключи мир между двамата. След време той успя да убеди Нютон да вмъкне съвместно признание за работата на Хук в неговото обсъждане на закона за обратните квадрати. Това обаче не успокои Хук, който поддържаше обвинението си за плагиатство.
С течение на времето славата на Нютон продължава да расте, докато Хук продължава да намалява. Това накара Хук да става все по-озлобен и по-защитен от това, което той виждаше като своя работа, и той не спести възможност да се хвърли към съперника си. Враждата най-накрая приключи през 1703 г., когато Хук умира и Нютон го наследи за президент на Кралското общество.
Други постижения:
В допълнение към работата си в областта на астрономията, оптиката, механиката, физиката и алхимията, Нютон също проявява голям интерес към религията и Библията. През 1690-те той пише няколко религиозни трактата, които се отнасят до буквални и символични тълкувания на Библията. Например, неговият тракт върху Светата Троица - изпратен до известния политически философ и социален теоретик Джон Лок и непубликуван до 1785 г. - постави под въпрос истинността на 1 Йоан 5: 7, описанието, на което се основава Светата Троица.
По-късно религиозни произведения - като Изменена хронологията на древните царства (1728) и Наблюдения върху пророчествата на Даниил и Апокалипсиса на св. Йоан (1733 г.) - също остава непубликуван чак след смъртта му. в Kingdoms, той се занимава с хронологията на различни древни царства - Първите векове на гърците, древните египтяни, вавилонците, медеите и персите - и предлага описание на Соломоновия храм.
в Пророчествата, той се обърна към Апокалипсиса, както е предсказано в Книга на Даниел и Revelationsи изрази убеждението си, че това ще се случи през 2060 г. пр. н. е. (макар и други възможни дати да включват 2034 г. пр.н.е.). В текстовата си критика, озаглавена Исторически разказ за две забележителни поквари на Писанието (1754 г.), той постави разпятието на Исус Христос на 3 април, сл. 33 г., което се съгласява с традиционно приетата дата.
През 1696 г. той се премества в Лондон, за да заеме поста на надзирател на Кралския монетен двор, където поема великото възстановяване на Англия. Нютон ще остане на този пост 30 години и беше може би най-известният Учител на монетен двор. Толкова сериозен беше неговият ангажимент за ролята, че се оттегли от Кеймбридж през 1701 г., за да наблюдава реформата на валутата на Англия и наказанието на фалшификаторите.
Като Уордън, а след това и капитан на Кралския монетен двор, Нютон преценява, че 20 процента от монетите, взети по време на Голямото възстановяване от 1696 г., са фалшиви. Провеждайки лично много разследвания, Нютон пътуваше по кръчми и барове, прикрито да събира доказателства, и провежда повече от 100 кръстосани разпити на свидетели, информатори и заподозрени - което доведе до успешното преследване на 28 фалшиви монети.
Нютон е член на парламента на Англия за университета в Кеймбридж през 1689–90 и 1701–2. Освен че е президент на Кралското общество през 1703 г., той е сътрудник на френската Академия на науките. През април 1705 г. кралица Ан рицар Нютон по време на кралско посещение в Тринити Колидж в Кеймбридж, което го прави вторият учен, който е рицар (след сър Франсис Бейкън).
Смърт и наследство:
Към края на живота си Нютон пребивава в Кранбъри парк край Уинчестър заедно с племенницата си и съпруга си, където ще остане до смъртта си. По това време Нютон се бе превърнал в един от най-известните мъже в Европа и научните му открития бяха безспорни. Той също беше забогатял, инвестираше разумно своя доход и даряваше огромни подаръци за благотворителност.
В същото време физическото и психическото здраве на Нютон започнаха да намаляват. Докато навърши 80 години, той започна да изпитва храносмилателни проблеми и трябваше драстично да промени начина си на хранене и начин на живот. Семейството и приятелите му също започнаха да се притесняват за психическата му стабилност, тъй като поведението му ставаше все по-нестабилно.
След това през 1727 г. Нютон изпитва силна болка в корема и изгубва съзнание. Умира в съня си на следващия ден, на 2 март 1727 г. (Юлиански календар; или на 31 март 1727 г., Григориански календар) на 84-годишна възраст. Погребан е в гробница в Уестминстърското абатство. И като ерген, той беше предал голяма част от имението си на роднини и благотворителни организации през последните си години.
След смъртта му косата на Нютон е изследвана и е установено, че съдържа живак, вероятно произтичащ от алхимичните му занимания. Отравянето с живак е посочено като причина за ексцентричността на Нютон в по-късния живот, както и за нервния срив, който преживя през 1693 г. Славата на Исак Нютон нарасна още повече след смъртта му, тъй като много от съвременниците му го обявиха за най-големия гений, който някога живял.
Тези твърдения не бяха без заслуги, тъй като неговите закони за движение и теория на универсалното гравитация бяха безпрецедентни по времето му. Освен че може да изведе орбитите на планетите, Луната и дори кометите в една съгласувана и предсказуема система, той също измисли модерно смятане, революционизира нашето разбиране за светлина и оптика и установи научни принципи, които ще останат в употреба за следващите 200 години.
След време голяма част от това, което призовава Нютон, би се оказало грешно, до голяма степен благодарение на Алберт Айнщайн. Със своята Обща теория на относителността Айнщайн ще докаже, че времето, разстоянието и движението не са абсолюти, а са зависими от наблюдателя. По този начин той преобърна една от основните предписания на вселенската гравитация. Въпреки това Айнщайн беше един от най-големите почитатели на Нютон и призна голям дълг към своя предшественик.
Освен че нарича Нютон „блестящ дух“ (в похвала, произнесена през 1927 г. по повод 200-годишнината от смъртта на Нютон), Айнщайн отбелязва също, че „Природата за него е отворена книга, чиито писма може да прочете без усилие“ Казва се, че на стената му за проучване Алберт Айнщайн е запазил снимка на Нютон, заедно със снимки на Майкъл Фарадей и Джеймс Клерк Максуел.
През 2005 г. беше проведено и проучване на Кралското общество на Великобритания, където бяха попитани членове, които имат по-голям ефект върху историята на науката: Нютон или Айнщайн. Мнозинството от членовете на Кралското общество се съгласиха, че като цяло Нютон има по-голямо влияние върху науките. Други проучвания, проведени през последните десетилетия, дадоха сходни резултати, като Айнщайн и Нютон се класираха за първо и второ място.
Не е лесно да живеем през едно от най-благоприятните времена в историята. Нещо повече, не е лесно в средата на всичко това да бъдеш благословен с прозрение, което ще доведе до това да излезе с идеи, които ще революционизират науките и завинаги ще променят хода на историята. Но през всичко това Нютон поддържаше смирено отношение и обобщаваше постиженията си най-добре с известните думи: „Ако видях по-нататък, това е като застана на раменете на гиганти.“
Написахме много статии за Isaac Newton за Space Magazine. Ето статия за това, което откри Исак Нютон и ето статия за изобретенията на Исак Нютон.
Astronomy Cast също има прекрасен епизод, озаглавен Епизод 275: Исак Нютон
За повече информация, вижте тази статия от Галилейското общество на Исак Нютон и от групата с нестопанска цел, известна като The Newton Project.
Записахме и цял епизод на Astronomy Cast за Gravity. Чуйте тук, Епизод 102: Гравитация.
