Исаак Ньютон – 300 лет выходу в свет фундаментального труда ученого «Оптика».
Исаак Ньютон родился 4 января 1643 г. на небольшой сельской ферме Вулсторп в графстве Линкольншир недалеко от г. Грэнтэм. От этого времени до того дня, когда в пантеоне своих великих соотечественников— Вестминстерском аббатстве—англичане отдали последнюю дань уважения гению нации, всемирно известному (хотя еще не везде понятому) ученому и президенту Лондонского Королевского общества, бывшему члену парламента (1688—90 гг.) и пожизненному (с 1696 г.) директору одного из главных правительственных учреждений — Монетного двора, возведенному исключительно за свои научные заслуги в дворянское звание сэру Исааку Ньютону—должно было пройти более восьми десятилетий. И поскольку вся жизнь Ньютона была целиком посвящена науке, то сейчас скорее приходится напоминать в общем' не очень существенные для ученого вышеуказанные внешние детали его жизни.
Все главное, связанное с именем Ньютона, знакомо каждому со школьных лет, и не только его законы, математические формулы (вроде бинома Ньютона), схема телескопа, но и то, что все свои великие открытия он сделал в молодые годы, в частности, во время эпидемии чумы, спасаясь от нее в своем Вулсторпе, где он действительно мог увидеть знаменитое падение яблока... Поэтому целесообразнее остановиться на его общей роли в развитии естествознания, лишь попутно напоминая о конкретных открытиях. Бесчисленные исследования творчества, биографии,— и среди них лучшая у нас, написанная академиком С. И. Вавиловым,—юбилейные сборники (пять только на русском языке) —вся эта обширная литература (помимо общих книг по истории естествознания) детально анализирует, воспевает, удивляется, преклоняется перед гением творца не только новой физики и новой общей физической картины мира, но первой реальной картины мира, ибо в дальнейшем развитие естествознания не отменило, а лишь расширило ее.
В истории науки нечасто слава и почести приходят к ученому в такой полной мере вовремя. Авторитет Ньютона при жизни был огромен и с годами лишь возрастал. В математике сложилась школа Ньютона. В физике—механике, оптике и других ее разделах,—наконец, в самом стиле научного мышления и исследования природы более столетия господствовало направление, известное под именем ньютоновского. Его называют также индуктивным или эмпирически-математическим, поскольку в основе ньютоновского метода лежит экспериментальное установление точных количественных закономерных связей между явлениями и вывод из них общих законов методом индукции, т. е. переходом от приближенных выводов из конечного числа конкретных наблюдений к предельным, абстрагированным от частностей, точным общим законам. Ньютон своими научными трудами доказал огромную эвристическую силу этого метода. Вразрез с многовековыми традициями в науке и, казалось бы, с основной целью ученого, он часто отказывался от поисков «конечных причин» явлений и законов, сознательно ограничиваясь точным изучением их проявлений.
В этом Ньютон сходен с Птолемеем. Обобщая накопившиеся за много веков наблюдательные факты и соотношения в кинематике небесных явлений, Птолемей, не вдаваясь в их суть, с помощью геометрического аппарата упорядочил их в своей гениальной кинематико-математической количественной теории движения небесных тел, превратив разрозненные факты в хорошо работающий инструмент исследования, предсказания явлений.
На новом этапе развития знаний Ньютон обобщил в своей универсальной (но также феноменологической!) теории тяготения новые астрономические, физические, геофизические факты: открытые Кеплером на базе гелиоцентрической теории Коперника кинематические законы планетных движений и первые обмеры Земли (градусные измерения); выявленные Галилеем первые реальные закономерности движения тел под воздействием сил (динамика) и теорию центростремительной силы, возникающей при круговом движении.
Но для математического описания, сведения в единую систему всех этих движений и взаимодействий тел самого разного рода, качеств, масштабов уже недостаточно было старого геометрического аппарата. И Ньютон создал новый математический метод, завершив и здесь многовековые искания ученых и соединив число и движение. Свой метод расчета механических движений путем рассмотрения бесконечно малых приращений величин — характеристик исследуемых движений он назвал «методом флюксий» (закончен к 1671 г., полностью опубликован в 1736 г.). Вместе с одновременным изобретением Лейбница он дал начало современным дифференциальному и интегральному исчислениям.
Древняя идея взаимного стремления, тяготения друг к другу, даже «любви» между телами в руках Ньютона освободилась и от антропоморфности, и от мистической характеристики как принципиально непознаваемого «скрытого качества», и превратилась в эмпирический постулат о существовании взаимного тяготения между любыми материальными частицами, независимо от их конкретных качеств и состава.
Многочисленные догадки об уменьшении этого взаимодействия пропорционально квадрату расстояния между телами оформились в точный универсальный закон действия центральных сил лишь после того как Ньютон показал неразрывную связь, взаимообусловленность законов Кеплера и квадратичного закона действия центральных сил. Законы движения планет перестали быть эмпирическими правилами. Эта роль была передана более глубокому уровню свойств материи как эмпирическое правило всемирного тяготения. Следствием чего является оно само? Причину и природу тяготения Ньютон (как в свое время и Птолемей — истинное расположение и движение планет) не считал возможным обсуждать за неимением достаточного количества точных фактов. Ньютон оставил для науки будущего и вопрос о мгновенности или длительности передачи действия тяготения от тела к телу, но не допускал действия через абсолютную пустоту, считая необходимым существование некоего «агента» — переносчика силы тяготения.
В наше время идея гравитационных волн, возникшая в общей теории относительности, намечает здесь направление дальнейшего углубления в лабораторию природы.
С именем Ньютона связано и окончательное установление и формулировка основных законов динамики:
закона инерции; пропорциональности изменения количества движения движущей силе; равенства по величине и противоположности по направлению сил при центральном характере взаимодействия двух тел. Подход Ньютона к изучению явлений природы оказался исключительно плодотворным. Его теория тяготения была уже не общим учением, а точным (и более чем на два века единственным) рабочим инструментом исследования окружающего мира. Дальнейшее развитие естествознания лишь ограничило область точного применения этой теории. На ее основе Ньютон уточнил сами законы Кеплера и сделал вывод о неизбежности небольших отклонений от них (неравенств) под влиянием взаимных воздействий друг на друга (возмущений) планет 1 и спутников. В движении Луны он открыл новые неравенства: вариацию, обратное движение узлов, годичное ! и параллактическое неравенства и др. Разрозненные и ; загадочные прежде явления на Земле и на небе — приливы и отливы, сжатие планет (уже обнаруженное тогда у Юпитера), прецессия — нашли четкое объяснение в теории всемирного тяготения. (Ньютон вычислил и весьма точно величину прецессии—50" в год, выделив в ней солнечную и лунную составляющие.) Новыми, подтвердившимися лишь после смерти Ньютона, были его выводы о сплюснутой у полюсов форме Земли, о единстве законов движения комет и планет. Ньютон дал способ вычисления истинной орбиты кометы по ее наблюдениям, позволивший Галлею открыть знаменитую первую периодическую комету, названную его именем. Действие
закона всемирного тяготения с развитием наблюдатель-, ной техники было подтверждено в масштабах всей наблюдаемой Вселенной, хотя с ростом масштабов, сам закон принимает уже обобщенную форму в соответствии ; с более общей, релятивистской теорией тяготения Эйнштейна (общей теорией относительности).
Другая часть необъятного научного наследия Ньютона стала фундаментом создания физической оптики и дальнейшего развития наблюдательной астрономии.
Ньютон был тонким экспериментатором-универсалом: и металлургом, и химиком, но прежде всего оптиком. Он собрал уникальную для своего времени оптическую лабораторию. Ньютон-оптик, виртуозный шлифовальщик i линзовых стеклянных объективов, работал в тесной «обратной связи» с Ньютоном-физиком. Упорные двухлетние поиски анаберрационной несферической формы объектива и изучение преломления света привели его к открытию в 1666 г. спектрального разложения белого света и к первым исследованиям преломления монохроматических лучей. Последнее позволило Ньютону объяснить хроматическую аберрацию линзовых объективов. Сделав вывод о принципиальной неустранимости этого дефекта рефракторов, он в поисках ахроматического объектива .изобрел в 1668 г. рефлектор. И хотя Ньютон не был автором идеи (ее высказывали уже в 1616 и в 1663 гг.), он и здесь впервые довел ее до окончательного оформления—построил в 1671 г. первый в мире рефлектор, своей оригинальной системы.
Этот маленький (15-сантиметровый с объективом в 2,5 см) прародитель будущих могучих орудий зондирования глубин звездной, а затем и внегалактической Вселенной принес Ньютону признание в ученых кругах — избрание в члены Лондонского Королевского общества. В оценке его теоретического основополагающего труда—«Математические принципы натуральной философии» (1687 г.) Английская академия не проявила такой проницательности, и без участия Э. Галлея он вряд ли бы увидел свет. В 1672 г. Ньютон доложил Лондонскому Королевскому обществу свою корпускулярную концепцию света. Итоговое сочинение «Оптика» он опубликовал в 1704 г.
Вскрыв существенные законы движения и взаимодействия тел в мироздании, Ньютон не мог не задуматься над причиной возникновения порядка во Вселенной, подразумевая Солнечную систему, поскольку другие звезды он считал такими же центрами планетных систем. Однако в области космогонии Ньютону, с одной стороны, не хватало фактов, а с другой,— склонности к умозрению. «Я не измышляю гипотез,— было сказано им в «Принципах» в связи с проблемой причины тяготения.
И хотя не раз обращалось внимание на то, что Ньютон все-таки высказывал гипотезы (особенно в оптике), они всегда были крепко привязаны к фактам. Измышлять гипотезы, т. е. лететь на крыльях фантазии, оттолкнувшись от ничтожного количества фактов, Ньютон не только не хотел, но, по-видимому, и не мог, не умел. Таков был склад его ума — гениальный систематизатор, синтезатор, строитель науки, но не генератор идей. В космогонии бросающуюся в глаза упорядоченность Солнечной системы Ньютон справедливо не мыслит возникшей из неупорядоченных механических движений в слепой, лишенной разума природе. Он проявляет при этом скорее глубину мысли, чем ограниченность, утверждая, что механические причины одни не могут создать все природное разнообразие следствий. В его время оставалось прибегнуть к вездесущему богу, вмешательством которого Ньютон и объясняет возникновение и поддержание космического порядка (Ньютон не мог еще сделать вывода об устойчивости Солнечной системы против возмущений внутри нее). Однако бог в понимании Ньютона не есть какое-либо верховное существо, а природа, наделенная «разумом», «волей» действовать в том или ином направлении, вечная и бесконечная. Все это напоминает природу, подчиняющуюся законам направленного действия (например, типа термодинамических).
С течением времени ньютоновская феноменологическая физическая картина мира была в немалой степени искажена именно ее апологетами. Как в свое время эпигоны Птолемея вульгаризировали его математическую модель мира и эмпирический геоцентрический постулат, возведя его в незыблемый принцип, так и ньютоновская картина была огрублена утверждением полной пустоты мирового пространства (тогда как Ньютон утверждал лишь крайнюю разреженность материи в нем, не создающей заметного сопротивления движению планет). Точно так же далек был от истинных представлений Ньютона и провозглашенный «ньютонианцами» принцип дальнодействия — мгновенной передачи через абсолютную пустоту действия тяготения. И только обращаясь к оригинальным трудам Ньютона, можно увидеть с позиций развивающегося естествознания силу, точность, ответственность его выводов, размышлений, предположений, отличающие истинно глубокий гениальный ум.
По материалам ежегодного «Астрономического календаря» за 1977 год.
Главная страница раздела
