Научное творчество Ньютона

Будрейко Е. Н.

Работы в области физики

Научное наследство И. Ньютона очень многогранно: великий ученый внес вклад в механику, оптику, астрономию, математику. Однако славу создателя новой научной картины мира, работы которого обусловили научную революцию XVII столетия и привели к смене парадигмы научного мышления, ему принес изданный в 1687 г. огромный труд “Математические начала натуральной философии” (“Начала”).

“В этой работе Ньютон обобщил результаты исследований своих предшественников в области механики и свои собственные.

“Начала” в законченной, последовательной и четкой форме отразили новые, уже получившие распространение в трудах различных ученых черты научного творчества. В предисловии Ньютона к первому изданию “Начал” говорится о задачах естествознания. Прежде всего, заявляет Ньютон, необходимо, наблюдая конкретные явления движения, отыскать силы – причины этих движений, затем нужно, исходя из найденных сил, вывести конкретные движения. В первой книге “Начал” рассматривается движение под действием центральных сил, во второй – движение в сопротивляющейся среде, в третьей книге (“О системе мира”) из сформулированных ранее законов выводятся силы взаимного тяготения небесных тел и их движения.

“Начала” содержат основные понятия и аксиоматику классической механики, в частности понятия “масса” (которому Ньютон придавал большое значение как основному в механических процессах), количество движения, сила, ускорение, центростремительная сила и три закона движения (законы Ньютона) – закон инерции (“всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не принуждается приложенной силой изменить это движение”), закон пропорциональности силы ускорению и закон действия и противодействия. Из этих законов Ньютон выводит стройную систему следствий. Он дополняет их знаменитым законом всемирного тяготения, исходя из которого объясняет движение небесных тел (планет, их спутников, комет) и создает теорию тяготения. Так, Ньютон доказал, что сила тяжести, наблюдающаяся на Земле, – это та же сила, которая удерживает Луну на постоянной орбите при ее движении вокруг Земли, и та же сила, которая удерживает Землю на эллиптической орбите при ее вращении вокруг Солнца, что эта сила удерживает на эллиптических орбитах и все остальные небесные тела, что она пропорциональна массам тяготеющих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Ньютон показал, что из закона всемирного тяготения вытекают три закона Кеплера; развил теорию фигуры Земли, отметив, что она должна быть сжата у полюсов, теорию приливов и отливов; рассмотрел проблему создания искусственного спутника Земли и т.д.” (1, с.685). Считая пространство и время абсолютными, Ньютон выдвинул идею дальнодействия или действия на расстоянии – мгновенной передачи действия от одного тела к другому на расстояние через пустое пространство без помощи материи. В “Началах” Ньютон выдвинул идею божественного происхождения мира – “первотолчка”.

Таким образом, в своем основном труде – “Началах” – Ньютон создал физическую картину мира – ньютоновскую теорию пространства и времени, которая длительное время господствовала в науке.

Ньютоновская схема мира господствовала до начала XX века. Впервые ее ограниченность обнаружили Майкл Фарадей и Дж. Максвелл, показав, что эта схема неприменима к электромагнитным явлениям, а теория относительности А.Эйнштейна, окончательно доказала ограниченность классической физики Ньютона – физики малых скоростей и макроскопических масштабов. Однако теория относительности не отбросила совсем закономерностей, установленных Ньютоном, а лишь уточнила и дополнила их для случая движения со скоростями, соизмеримыми со скоростью света в вакууме. “Ныне место ньютоновской схемы дальнодействующих сил,– писал А.Эйнштейн,– заняла теория поля, испытали изменения и его законы, но все, что было создано после Ньютона, является дальнейшим органическим развитием его идей и методов”.

Необходимо отметить вклад Ньютона в оптику. “В 1666 г. при помощи стеклянной трехгранной призмы он разложил белый цвет на семь цветов (в спектр), тем самым доказав его сложность (явление дисперсии), открыл хроматическую аберрацию. Пытаясь избежать аберрации в телескопах, в 1668 и в 1671 гг. сконструировал телескоп-рефлектор оригинальной системы – зеркальный (отражательный), где вместо линзы использовал вогнутое сферическое зеркало (телескоп Ньютона). Исследовал интерференцию и дифракцию света, изучая цвета тонких пластинок, открыл так называемые кольца Ньютона, установил закономерности в их размещении, высказал мысль о периодичности светового процесса. Пытался объяснить двойное лучепреломление и близко подошел к открытию явления поляризации. Свет считал потоком корпускул – корпускулярная теория света Ньютона (однако на разных этапах рассматривал возможность существования и волновых свойств света, в частности в 1675 г. предпринял попытку создать компромиссную корпускулярно-волновую теорию света). Свои оптические исследования изложил в “Оптике” (1704)”.

Работы в области математики

Как уже отмечалось, в “Началах” Ньютон впервые (независимо от Г. Лейбница) дал общую схему строгого математического подхода к решению конкретных задач небесной и земной механики. Это потребовало от него разработки принципиально новых математических методов: дифференциального и интегрального исчисления, в основу которого он положил понятия флюксии (производной) и флюенты (интеграла).

Научное наследство Ньютона включает целый ряд математических сочинений: “Анализ при помощи уравнений с бесконечным числом членов” (1669), “Рассуждение о квадратуре кривых” (начало 1670-х гг.), “Всеобщая арифметика” (опубл. 1707) и др. Наиболее полное изложение дифференциального и интегрального исчисления содержится в трактате “Метод флюксий и бесконечных рядов” (1670–1671), где Ньютон сформулировал две основные взаимно обратные задачи анализа:

– определение скорости движения в данный момент времени по известному пути(задача дифференцирования);

– определение пройденного за данное время пути (задача интегрирования) (2, с.731, 732) .

Использование математического аппарата, разработанного Ньютоном, впервые позволило перейти от качественных объяснений строения вселенной к количественным подсчетам, связать воедино поведение земных объектов с поведением звезд и планет.

Алхимические изыскания

Долгое время казалось довольно удивительным, что такой строгий физик и математик, как Ньютон около 30 лет своей жизни посвятил алхимическим занятиям. Однако изыскания современных историков науки позволили объяснить этот странный феномен. Как выяснилось, увлечение Ньютона алхимией было напрямую связано с его исследованиями в области астрономии и математики.

“Уже в первой половине 1660-х годов в записной книжке Ньютона, хранящейся в библиотеке Кембриджского университета, появляются алхимические заметки “О форме и трансмутации”, “О солях и сернистых телах, о ртути и металлах” и т.д. Ученый составляет химический словарь, где подробно описывает многие химические операции и, в частности, способы выделения и очистки золота и серебра. Несколько позже Ньютон начинает собирать и конспектировать алхимические сочинения. (В этой связи интересно отметить, что лишь 16% книг из библиотеки ученого посвящены проблемам математики, физики и астрономии, тогда как литература по теологии, философии, истории, оккультизму составляет около 70%.) Большая часть этих рукописей – комментарии ученого к прочитанному. Известны и алхимические трактаты самого Ньютона… примерно с 1678 г. Ньютон ставит алхимические опыты, первые же описания выполненных им химических экспериментов датируются концом 1660-х гг. По свидетельству Х.Ньютона, около шести недель весной и шести недель осенью огонь в лаборатории его великого однофамильца практически не гас” (3, с. 53). Эта работа в лаборатории Тринити-колледжа не прошла для ученого бесследно: весной 1693 года у него стали проявляться признаки тяжелого нервного заболевания. Ньютон потерял сон и аппетит, стал замкнутым и раздражительным. К счастью, к концу года он начал поправляться. Как считают некоторые биографы, а также специалисты, анализировавшие сохранившиеся пряди волос Ньютона, причина его болезни – отравление тяжелыми металлами, прежде всего ртутью.

Даже работа над “Математическими началами натуральной философии” не смогла отвлечь его от алхимических занятий. Более того, на эти годы приходится наибольшая активность Ньютона в занятиях алхимией. Исследователи творчества Ньютона высказывают даже такое, казалось бы, парадоксальное предположение: “Не ошибаемся ли мы в расстановке акцентов в ньютоновском творчестве? Для нас, бесспорно “Начала” представляются его кульминационным пунктом. Но с точки зрения Ньютона, возможно, работа над “Началами” могла представляться как некоторая помеха его прежней деятельности” (3, с. 53).

Отвечая на этот вопрос, вспомним, что главной целью изысканий алхимиков были поиски “философского камня”, “универсального растворителя”, лекарства от всех болезней, способов превращения неблагородных металлов в золото, вещества, нейтрализиризующего действие магнита и прочих чисто практических вещей. Что касается Ньютона, то он преследовал совершенно иную цель: “штудируя алхимические трактаты, Ньютон искал в них описание универсальных процессов Природы: возникновение тел в результате соединения противоположных первоначал и очищение несовершенных творений, в результате чего лежащие в их основе духовные начала могли бы получить свое законченное выражение и быть познанными.

Природа, по мысли Ньютона, не может быть сведена к упорядоченному движению или расположению инертных частиц материи, она содержит активные начала, духовные агенты… Предельным активным агентом Природы служит, по Ньютону, то, что алхимики называли философским камнем…

“Проникающая сила духа и постоянная сила тела” – вот те два фундаментальных начала бытия, которые пыталась охватить ньютоновская мысль. Не удивительные химические открытия, не обманчивая злато-сереброискательская мечта, не тайная приверженность оккультизму как таковому тревожили ум и сердце Ньютона. Источником его упорства и долготерпения за письменным столом и у алхимического горна в маленькой лаборатории Тринити-колледжа стало желание постичь скрытый источник движения и изменения природных тел, биение жизни, познать исходящее от Бога немеханическое активное мировое начало, “без которого тела Земли, планет, комет и Солнца начали бы охлаждаться, замерзать и превратились бы в безжизненные массы” (3, с. 65, 66).

Научное творчество Ньютона сыграло исключительно важную роль в истории развития естественных наук. По словам А. Эйнштейна: “Ньютон был первым, кто пытался 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 все мировоззрение в целом”.

Список литературы

1. Всемирная история. Т.V. М., 1958.

2. Математики: энциклопедический словарь. М., 1995.

3. Дмитриев И.С. Охота на зеленого льва (алхимия в творчестве Исаака Ньютона) // Вопросы истории естествознания и техники. №2. 1993. С.52–66.