Ньютон Исаак

Ньютон, Исаак (Sir Isaac Newton, сэр Исаак Ньютон), родился 25 декабря 1642 г. (старого стиля, 5 января 1643 по новому стилю) в  Ульсторпе (Woolsthorpe), деревне близ городка Грантама, в Линкольншире, в семье мелких землевладельцев. Учился сначала в городской школе, а 18 лет от роду поступил в Тринити-колледж (кембриджского университета). По приобретении степеней бакалавра (В. А.) и магистра (М. А.) стал профессором (с 1669 г.) математики в кембриджском университете, где и провел после этого почти безвыездно 27 лет. С 1696 г. смотритель (warden), а потом директор (master) монетного двора в Лондоне, куда он и переселился в 1701 г., оставив кафедру в Кембридже, но являясь представителем (одним из трех) этого университета в парламенте. Уже с 1672 г. член Королевского общества (Royal Society), а с 1703 г. до смерти — его президент. Рыцарское достоинство (knigthood) с титулом «сэр» получил в 1705 г. Скончался холостым после долгих физических страданий на 85-м году жизни в Лондоне — 20 марта старого стиля 1727 г. Знаменитейший ученый мира на протяжении двух с половиной веков, так как научные заслуги Ньютона неисчислимы.

Прежде всего, Ньютон явился в сущности основателем современной теоретической механики, так как до эпохи Ньютона в механике были установлены лишь отдельные, разрозненные положения (Галилеем, Гюйгенсом и др.). Так, например, оба названные ученые не умели еще пользоваться т. н. параллелограммом скоростей и сил, Галилей приписывал падение тел особому их свойству и т. д. Ньютон первый свел все эти положения в одно целое, формулировав свои три знаменитые аксиомы, или законы движения (см. XVIII, 41/42), из которых и вытекает как вся механика, так и физика.

Все попытки изменить эти законы или заменить их иными оказались доселе безуспешны, и только в недавнее время выяснилось, что эти аксиомы механики в форме, данной им Ньютоном, требуют в известных случаях обобщения.

Именно, в обыкновенной механике принимается казавшееся до самого последнего времени естественным допущение, что масса тел есть величина, их характеризующая и остающаяся неизменной, что бы с телом ни происходило (т. е. как бы тело ни двигалось, в какие бы состояния оно ни приходило, и т. д.). При этом объяснения, что такое масса, и чем обусловлено характерное свойство, называется инерцией, мы не имели.

Современная физика пришла к заключению, что масса эквивалентна энергии, что она, по-видимому, вся электромагнитного происхождения и что поэтому она не неизменна. Так, например, масса тела, теряющего свою теплоту излучением и охлаждающегося при этом, уменьшается, а масса тела, нагревающегося от притекающих к нему лучей, увеличивается. В то же время оказывается, что масса покоящегося тела меньше, чем масса того же тела движущегося, т. е. что масса тел возрастает с увеличением скорости движения и возрастает так, что становится бесконечно большой, когда скорость движения становится равной скорости света в эфире (см.), или т. н. пустом пространстве. Благодаря этому скорость материального тела не может никогда стать больше названной скорости света, и вся механика оказывается в тесной связи с той главой физики, которая рассматривает электромагнитные и световые процессы.

Механика Ньютона оказывается, таким образом, безусловно, верной для такого мира, в котором световые электромагнитные волны распространялись бы мгновенно, с бесконечно большой скоростью. Для нашего же мира со скоростью света в 300000 километров в сек. механика Ньютона верна для всех случаев, когда скорость движения материальных тел мала сравнительно со скоростью света. Практически все скорости движения материальных тел, с которыми мы имеем дело, совершенно ничтожны сравнительно со скоростью света, кроме лишь скоростей движения электронов (см.) в известных случаях. Поэтому практически «новая механика» никаких изменений в механику Ньютона не вносит, и последняя неприменима лишь исключительно по отношению к очень быстро движущимся электронам.

Второе открытие Ньютона — и открытие чрезвычайной важности — это изобретение т. н. метода флюксий, т. е. того, что теперь называют исчислением бесконечно-малых (см.) и развилось в т. н. дифференциальное и интегральное исчисления. Это открытие было сделано Ньютоном еще в 1665—1666 г., и его приоритет оспаривал знаменитый Лейбниц (1674). Ученый этот спор тянулся сначала вяло в течение целых 25 лет,  с 1699 г. по год смерти Лейбница (1716) носил весьма ожесточенный характер, причем в споре приняли участие многие ученые. Королевским обществом было по этому поводу наряжено особое следствие, в результате которого в 1713 г. были опубликованы целые книги. За Ньютоном был признан бесспорный приоритет открытия, а за Лейбницем честь первого опубликования и дальнейшего развития метода.

Ньютону сверх того принадлежит и открытие многих теорем чистой математики, как в области анализа (например, всем известный бином Ньютона; см. двучлен), так и в области геометрии, к которой он был особенно склонен.

В большой публике гораздо большей известностью пользуется Ньютон как основатель т. н. небесной механики, открывший законы т. н. всемирного тяготения. Законы движения планет около солнца были открыты Кеплером путем изучения наблюдений над положением планет на небе в разное время, после того как Коперник опроверг тысячелетнее заблуждение человечества, будто солнце и звезды движутся около земли, как центра. Возник вопрос, какая же причина удерживает планеты в их движении около солнца и не позволяет им улететь в сторону, почему не улетает от земли ее спутник — луна и т. д. Вот это-то движение луны и было для Ньютона исходным пунктом для открытия всемирного тяготения. Ньютон доказал, что луна притягивается землей к центру последней и потому-то и не улетает от земли прочь, а описывает около нее круг (почти), подобно тому как камень на нити описывает круг около руки, если получит толчок, заставляющий камень двигаться. Притяжение землей луны и играет роль названной нити. Сами по себе эти идеи не были новы; и до Ньютона подозревали существование подобных сил, испытываемых планетами от солнца, спутниками от планет и т. д. Догадывались также, что эти силы ослабевают по мере увеличения расстояния планет от солнца и т. д. и ослабевают обратно пропорционально квадрату этих расстояний. Однако неизвестно было происхождение этих сил, не была установлена их связь с силой тяжести, испытываемой телами, находящимися на земле.

И. Ньютону принадлежит честь доказать прежде всего, что эти силы — те же самые, как и сила, заставляющая на земле камень падать вниз: и луна и камень притягиваются к центру земли с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния от земного центра (1666—1684). Тогда естественно было заключить, что и притяжение планет солнцем есть проявление подобной же силы, а отсюда вытекало и то, что и планеты взаимно притягиваются, и по тому же закону. А теперь получают свое объяснение и давно известные, но бывшие до тех пор совершенно непонятными неправильности в движении луны: они именно зависят от того, что на луну влияет не только земля, но и солнце и другие планеты.

Возник вопрос, откуда же берется эта сила, влекущая планеты и другие небесные тела друг к другу, как целое, и с силами, зависящими от взаимного расстояния центров тел. И Ньютон дал на это смелый ответ: это результат взаимного притяжения всяких двух мельчайших частиц материи, которые тоже притягиваются взаимно с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату их расстояния. Это-то взаимное притяжение и получило имя всемирного тяготения, или ньютоновского тяготения.

Однако высказанная Ньютоном идея и выполненные им вычисления по этому поводу не убедили многих из выдающихся его современников. Гюйгенс, например, допуская взаимное притяжение планет, находил абсурдным взаимное притяжение мельчайших частиц, составляющих планеты. И Ньютон нашел факты, которыми неоспоримо доказал наличность такого взаимодействия и между мельчайшими частицами вещества.

Это прежде всего явление приливов и отливов в океанах и морях, обусловленное как раз притяжением солнцем и луной отдельных капель воды; эти капли на стороне земли, обращенной к луне, испытывают притяжение со стороны луны более сильное, чем центр земли, а капли на стороне земли, противоположной указанной, испытывают притяжение луной менее сильное, чем центр земли. Этим и вызывается прилив и отлив в связи с вращением земли; влияет здесь и солнце, но лишь второстепенно, благодаря крайне большому его расстоянию от земли.

Но если так, то ведь должна притягиваться луной и всякая песчинка на земле; так оно и есть. Однако песчинки не так подвижны, как капли воды, и этого притяжения мы бы не заметили, если бы земля была идеальным шаром. Благодаря же тому, что земля сплющена по ее оси вращения и как бы раздута по экватору, получается избыток против формы шара с диаметром, равным длине земной оси, и на песчинки избытка действует солнце сильнее на стороне земли, обращенной к солнцу, и слабее — на стороне противоположной. Это действие на каждую песчинку избытка слагается в силу, стремящуюся увеличить наклон земной оси к линии, соединяющей центры солнца и земли. В результате — земная ось не остается в пространстве параллельной себе самой, а описывает в 26 000 лет конус, подобно тому, как конус описывает и ось вращающегося волчка, если она не вертикальна. Это явление т. н. прецессии (см.), или предварения равноденствия.

Теория Ньютона, таким образом, оказалась безусловно верной, а позже, в конце XVIII и в XIX веке, физикам удалось и прямо на опыте показать, что, например, два металлических шара взаимно притягиваются по закону Ньютона (опыт Кавендиша, 1798). Все эти результаты вместе с многими другими были опубликованы в классическом труде Ньютона «Philosophiae naturalis principia mathematica», Londini, 1687.

Ньютон не был однако только великим математиком и механиком. Его заслуги велики и в физике, и не только в теоретической, непосредственно связанной с математикой и механикой, но и в физике опытной. Именно Ньютон открыл то, что назвал спектром (см.), и объяснил его происхождение.

Т. н. белый луч света, например, солнца, оказался в руках Ньютона сложным явлением — группой лучей различных цветов (все оттенки от фиолетового через синий, зеленый и желтый до темно-красного), производящих лишь ощущение в нашем глазу белого света, когда эти лучи параллельны между собой. Когда же эти лучи проходят через т. н. призму, например, из стекла, то каждый из лучей имеет свою скорость распространения в стекле и идет потому, вообще говоря, в призме и выходит из нее по своему особому направлению. В результате призма изменяет первоначальное направление лучей, но изменяет неодинаково у разных лучей, и лучи выходят из призмы развернутыми наподобие веера, так что составные лучи, входящие в состав белого, становятся видимы и рисуют на стене или экране окрашенную в цвета радуги вытянутую полосу, которая и называется спектром (1666).

Это открытие Ньютона стало основанием современной обширной главы физики — учения о спектре, главы химии — спектрального анализа и целой науки — астрофизики. Ведь, если отвлечься от тяготения, все, что доходит к нам от звезд нашего неба —  это лишь лучи света. Поэтому, изучая лишь их спектры, мы получим возможность делать заключения о химическом составе звезд (например, солнца), о физическом состоянии на них разных веществ (газы или нет) и даже о движении этих звезд (т. н. двойные звезды, см. XXI, 36/9, вращение солнца и др.).

Наконец, имя Ньютона неразрывно связано с первой научной теорией явлений света: это — т. н. теория истечения, которая однако в средине XIX века была заменена современной теорией волнения (основана Гюйгенсом). Любопытно, однако, что самим Ньютоном открыто явление (т. н. кольца Ньютона), исследование которого самим же Ньютоном дало численный материал как раз для доказательства того, что свет — волны, а не летящие частицы.

Надо, впрочем, заметить, что современная физика находится как бы на пути к грядущему примирению этих двух, на первый взгляд как бы исключающих одна другую, теорий.

Именно, недавно открыты факты, приводящие к заключению, что энергия, теряемая каким-либо телом в форме лучей видимого или невидимого света (электромагнитные волны), слагается из мельчайших неделимых, т. е. комочков, или «атомов энергии», получивших название квант. Эти кванты энергии выбрасываются лучеиспускающим телом и несутся в пространстве со скоростью света аналогично тому, как это делали у Ньютона частицы света. С этой точки зрения явления света оказываются одновременно и волнами и летящими «частицами» Ньютона. Только последние являются в современной физике несколько в иной роли, чем это было в теории Ньютона.

Имя Ньютона было связано также на протяжении целого ряда лет с именем Декарта в философском споре двух школ — ньютонианской и картезианской. Слова Ньютона по поводу всемирного тяготения: «Hypotheses non fingo» — «не выдумываю гипотез» (для объяснения происхождения взаимного притяжения) дали повод издателю второго издания (1713) «Principia» Котесу при молчаливом согласии самого Ньютона определить тяготение как не подлежащее дальнейшему объяснению свойство вещества, как чистое «действие на расстоянии» (actio in distans). Догматом образовавшейся затем школы ньютонианцев и было это действие на расстоянии и отрицание существования какой-либо промежуточной среды и для объяснения иных явлений, кроме тяготения (например, явлений электричества и магнетизма).

Картезианцы, напротив того, были сторонниками идеи взаимодействия тел на расстоянии лишь при посредстве некоторой окружающей тела среды (эфир) или даже сред, которых движение (вихри) увлекает видимые нам материальные тела и создает кажущиеся силы взаимодействия между ними. Однако механика этих движений была нередко совершенно фантастична и ненаучна, так как в то время и самые законы вихревого движения не были достаточно известны.

Физика XIX века с этой точки зрения была картезианской, — конечно, без недостатков старого картезианизма; зато в последнее время в физике наблюдается некоторое течение снова в сторону старого ньютонианства, как будто способное не останавливаться и перед допущением actio in distans (принцип относительности).

Сам Ньютон в третьей книге «Principia» склонен был к допущению особого «тончайшего газа» (spiritus), который вызывает не только всемирное тяготение частиц, но и взаимодействие тел в области явлений электричества и даже получаемые нами ощущения.  Но, добавляет Ньютон, «такие вещи не могут быть объяснены немногими словами, потому что у нас нет еще достаточного числа опытов для точного определения и доказательства законов, по которым действует этот газ».

Литература: J. С. Poggendorff, «Biographisch-litterarisches Handwörterbuch zur Geschichte der exacten Wissenschaften» (Leipzig, 1863; там же указана литература о Ньютоне); «Двухсотлетие намяти Ньютона (1687—1887)», речи, читаемые в соединенном заседании И. О. любителей естествознания, А. и Э. и Московского математического общества 20 декабря 1887 г. профессорами Н. Е. Жуковским, А. Г. Столетовым, В. К. Церасским и В. Я. Цингером.

Д. Гольдгаммер.