Статья: Научное творчество Ньютона
Статья: 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.