Исаак Ньютон (1642–1727)

5 февраля 1676 года Исаак Ньютон написал своему злейшему врагу Роберту Гуку письмо, где, в частности, говорилось: «Я видел дальше других лишь потому, что стоял на плечах гигантов». Часто считают, что этой фразой Ньютон засвидетельствовал свое почтение к теориям своих предшественников – Коперника, Галилея и Кеплера, – и она вошла в число самых популярных афоризмов за всю историю науки. Ньютон и в самом деле признавал заслуги этих ученых, одних – публично, других – в частной переписке. Однако в этом письме Гуку шла речь об оптических теориях, точнее, о феномене тонких пластин, в исследование которого значительный вклад внесли Гук и Рене Декарт.

Некоторые исследователи толкуют это высказывание как слегка завуалированное оскорбление в адрес Гука, который был сутулым и низкорослым, так что никто не назвал бы его гигантом, особенно Ньютон, человек чрезвычайно язвительный и мстительный. Однако, похоже, Ньютон, несмотря на личную неприязнь, смиренно признал важность исследований Гука и Декарта по оптике и к концу письма переходит на примирительный тон.

Исаака Ньютона считают отцом дифференциального и интегрального исчисления, механики и науки о движении планет, а также теории света и цвета. Но бессмертие он стяжал благодаря формулировке определения гравитации и законов движения и тяготения в своем основополагающем труде «Математические начала натуральной философии» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica) – обычно эту книгу называют просто «Начала». В ней Ньютон свел воедино научные достижения Коперника, Галилея, Кеплера и других ученых в динамичную новую симфонию. «Начала», первая книга по теоретической физике, всецело признана самым важным трудом в истории науки и научной основой современной картины мира.

Три книги, составляющие «Начала», Ньютон написал всего за полтора года, причем, что поразительно, в период тяжелых эмоциональных срывов, усугубленных, вероятно, соперничеством с Гуком. Жажда мести у Ньютона была так сильна, что он даже вычеркнул из книги все ссылки на труды Гука, однако, возможно, именно ненависть к собрату-ученому и вдохновила его на создание «Начал».

Ньютон не переносил ни малейшей критики в адрес своих трудов, даже если ее сопровождали и маскировали пространные восхваления, и зачастую впадал от нее в тяжкое уныние на месяцы и годы. Эта черта проявилась еще на заре жизни ученого и поневоле заставляет задуматься, на какие еще вопросы ответил бы Ньютон, если бы не был так одержим личными обидами. Но кое-кто считает, что научные открытия и достижения Ньютона были результатом его одержимости местью и, возможно, не состоялись бы, не будь он таким таким вздорным и заносчивым.

Еще в детстве Исаак Ньютон задавался вопросами, давно ставившими человечество в тупик, и старался найти на них ответы. Это было начало жизни, полной открытий, хотя первые шаги были сопряжены с некоторыми трудностями. Ньютон родился в Англии, в Линкольншире, в промышленном городе Вулстропе, в Рождество 1642 года, в год смерти Галилея. Родился он до срока, мать была уверена, что он долго не проживет, и при рождении, как говорил потом сам ученый, он был так мал, что помещался в пинтовую кружку. Отец Ньютона, мелкий фермер, тоже Исаак, умер за три месяца до рождения сына, и когда Ньютону исполнилось два года, его мать Ханна Эйскоу снова вышла замуж за некоего Варнаву Смита, состоятельного священника из Северного Уитэма.

Очевидно, в молодой семье Смитов не было места для маленького Исаака, и его вверили заботам бабушки Марджери Эйскоу. Призрак материнского предательства в совокупности с тем, что Исаак никогда не знал отца и воспринимал это как личную трагедию, преследовал Ньютона всю жизнь. Отчима он презирал и в дневниковых записях 1662 года, перечисляя свои грехи, вспоминал, что «грозил своим отцу и матери Смитам сжечь их дом и их самих заодно».

Детство Ньютона, как и зрелые годы, изобилует эпизодами вражды и мстительных нападок, причем не только на тех, кого Исаак считал врагами, но и на друзей и родных. Одновременно он проявлял своеобразную любознательность, характерную для всех его дальнейших достижений, – интересовался моделями механизмов и архитектурными чертежами. Он мог с утра до вечера собирать часы, мастерить воздушные змеи и миниатюрные мельницы (жернова в них двигали мыши), наблюдать за солнечными часами и делать тщательные зарисовки кораблей и животных. В пять лет его отдали в школу, сначала в Скиллингтоне, потом в Стоуке, но он считался одним из самых слабых учеников, и учителя в своих отчетах называли его «невнимательным» и «ленивым». Несмотря на любознательность и явную страсть к учению, Ньютон не прижился на школьной скамье.

Когда Исааку исполнилось десять, Варнава Смит скончался, и Ханна унаследовала значительное состояние и имение мужа. Исаак с бабушкой стали жить вместе с Ханной и сводным братом и двумя сводными сестрами Ньютона. Поскольку в школе Ньютон не делал особых успехов, Ханна решила, что лучше поручить ему управлять фермой и имением, и забрала его из бесплатной средней школы в Грэнтеме. К вящей досаде Ханны, Исаак занимался хозяйством так же вяло и неумело, как и школьными уроками. Брат Ханны Уильям, священник, решил, что для семьи будет лучше, если растяпа Исаак вернется в школу и закончит образование.

На этот раз Исаак жил у директора бесплатной средней школы Джона Стокса, и в его образовании, похоже, наметился благоприятный поворот. По легенде, как-то раз школьный хулиган ударил юного Исаака по голове, и это парадоксальным образом прояснило у того мысли и пробудило способности к учению. Теперь Ньютон выделялся интеллектуальными способностями и любознательностью и задумался о продолжении образования в университете. Он решил пойти в колледж Святой Троицы в Кембриджском университете, альма-матер своего дяди Уильяма.

В колледже Ньютон стал субстипендиатом, то есть учился бесплатно, но за это должен был исполнять различные обязанности, например, разносить еду в столовой и убирать комнаты преподавателей. Однако к 1664 году он получил место преподавателя, что гарантировало доход и освободило его от обязанностей слуги. В 1665 году университет закрылся из-за эпидемии бубонной чумы, и Ньютон уехал в Линкольншир. Дома он провел полтора года, посвятил себя механике и математике и начал заниматься оптикой и гравитацией. Этот annus mirabilis, «чудесный год», как называл его сам Ньютон, стал одним из самых продуктивных и плодотворных периодов в его жизни. Кроме того, именно тогда на голову Ньютону, задремавшему под деревом, по легенде, упало яблоко, разбудив его и вдохновив на формулировку закона всемирного тяготения. Легенда, конечно, не очень правдоподобная, однако сам Ньютон писал, что падающее яблоко «случайно» натолкнуло его на углубленные размышления о гравитации, и полагают, что тогда он занимался и опытами с маятником. «Это был расцвет моих изобретательских способностей, – вспоминал потом Ньютон, – и математика и философия интересовали меня как никогда».

Вернувшись в Кембридж, Ньютон изучал философию Аристотеля и Декарта, а также открытия Томаса Гоббса и Роберта Бойля. Он увлекся механикой Коперника и астрономией Галилея, а также оптикой Кеплера. Примерно тогда же Ньютон начал ставить опыты с призмами по рефракции и рассеянию света – вероятно, в своей комнате в колледже Святой Троицы или дома, в Вулстропе. Будущее Ньютона определили и некоторые перемены в университете: туда приехал Исаак Барроу, занявший именную должность лукасовского профессора математики. Барроу сразу заметил выдающийся математический талант Ньютона и в 1669 году, отказавшись от кафедры ради изучения богословия, рекомендовал на свое место двадцатисемилетнего Ньютона.

В должности лукасовского профессора Ньютон сначала сосредоточился на изучении оптики. Он решил доказать, что белый свет состоит из смеси различных типов света, каждый из которых при разложении призмой дает свой цвет спектра. Серия остроумных и точных экспериментов, при помощи которых Ньютон доказал, что свет состоит из крошечных частичек, навлек на него гнев ученых вроде Гука, убежденных, что свет распространяется волнами. Гук потребовал, чтобы Ньютон предоставил дальнейшие доказательства своих эксцентрических оптических теорий. В ответ Ньютон поступил как всегда: он повзрослел, но так и не преодолел детских слабостей. Он замкнулся в себе, не упускал случая унизить Гука и отказывался публиковать свою «Оптику» до самой смерти Гука в 1703 году.

С самого начала работы в должности лукасовского профессора Ньютон заметно продвинулся в изучении чистой математики, однако делился своими достижениями лишь с избранными коллегами. Уже в 1666 году он открыл общие методы решения задач о кривизне, которые назвал теорией производных и обратных производных. Это открытие привело к бурной ссоре со сторонниками немецкого математика и философа Готфрида Вильгельма Лейбница, который более десяти лет спустя опубликовал свои открытия по дифференциальному и интегральному исчислению. Ньютон и Лейбниц сформулировали примерно одни и те же математические принципы, однако Лейбниц опубликовал свою книгу раньше Ньютона. Сторонники Ньютона утверждали, что Лейбниц несколько лет назад видел записи лукасовского профессора, и разгорелся жаркий спор между двумя лагерями, получивший название «Спор Ньютона и Лейбница о приоритете», завершившийся лишь со смертью Лейбница в 1716 году. Злобные нападки Ньютона, зачастую распространявшиеся на вопросы о Боге и Вселенной, а также обвинения в плагиате довели Лейбница до бесславия и нищеты.

Большинство историков науки сходятся на том, что на самом деле Ньютон и Лейбниц пришли к одному и тому же открытию независимо и спор не имел смысла. Между тем язвительные нападки на Лейбница скверно сказались на эмоциональном и физическом состоянии самого Ньютона. Вскоре он ввязался в другой спор – на сей раз о теории цвета, – и в 1678 году у него случился тяжелый нервный срыв. На следующий год умерла его мать Ханна, и Ньютон начал замыкаться в себе. Он тайно занялся алхимией, хотя уже в те времена считалось, что это занятие к достижениям не приводит. Этот эпизод из жизни ученого огорчал и смущал многих его биографов. Лишь годы спустя после смерти Ньютона стало ясно, что интерес к химическим опытам имел отношение к его дальнейшим исследованиям по небесной механике и тяготению.

К 1666 году Ньютон уже начал формулировать теории движения, однако еще не нашел правдоподобного объяснения механике кругового движения. Примерно за полвека до этого немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер выдвинул три закона движения планет, которые точно описывали траектории планет вокруг Солнца, однако объяснить, почему они движутся именно так, а не иначе, Кеплер не сумел. Он лишь приблизился к идее тяготения, когда назвал силы, связывающие Солнце и планеты, «магнетическими».

Ньютон решил разобраться, почему орбиты планет имеют форму эллипсов. Он применил свой закон центробежной силы к третьему закону Кеплера (закону гармоний) и вывел закон обратных квадратов, который гласит, что сила тяготения между двумя телами обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами тел. Таким образом Ньютон пришел к мысли об универсальности гравитации: он понял, что падением яблока и вращением Луны управляет одна и та же сила. Затем он решил проверить отношение обратных квадратов на известных данных. Он взял оценку Галилея, согласно которой расстояние от Луны до Земли составляет 60 радиусов Земли, однако его собственная оценка диаметра Земли была настолько неточной, что проверка не принесла удовлетворительных результатов. Как ни странно, интерес к этой задаче заново пробудила переписка со старым противником Гуком в 1679 году. На этот раз Ньютон обратился ко второму закону Кеплера, закону равных площадей, и сумел доказать его при помощи понятия о центробежной силе. Гук тоже пытался объяснить форму орбит планет, и в некоторых его письмах содержались соображения на сей счет, которые особенно заинтересовали Ньютона.

В 1684 году состоялась знаменитая встреча трех членов Королевского общества – Роберта Гука, Эдмонда Галлея и Кристофера Рена, прославленного архитектора, который построил собор Св. Павла. Разгорелась дискуссия об отношении обратных квадратов, управляющем движением планет. В начале семидесятых годов XVII века в лондонских кофейнях и других интеллектуальных центрах велись разговоры о том, что гравитация исходит от Солнца во всех направлениях и слабеет пропорционально квадрату расстояния, то есть при расширении сферы гравитация на ее поверхности уменьшается.

Встреча в 1684 году стала, по сути, моментом зарождения «Начал». Гук заявил, что из закона Кеплера об эллипсах вывел доказательство, что тяготение – это испускаемая сила, однако подробно рассказывать об этом Галлею и Рену отказался, поскольку хотел довести свое открытие до публикации. Галлей в ярости отправился в Кембридж, рассказал Ньютону о притязаниях Гука и поставил следующую задачу: «Какой будет форма орбиты планеты вокруг Солнца, если бы ее притягивала к Солнцу сила, изменяющаяся обратно пропорционально квадрату расстояния?» Мгновенный ответ Ньютона потряс Галлея: «Это будет эллипс». Затем Ньютон сказал Галлею, что решил эту задачу четыре года назад, но потерял записи доказательства в своем кабинете.

По просьбе Галлея Ньютон потратил три месяца на восстановление и уточнение доказательства. Затем в приливе вдохновения, который продлился полтора года и достигал такой силы, что Ньютон за работой забывал поесть, он развил эти идеи, и полное их изложение заняло три тома. Ньютон решил назвать свой труд Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, тем самым намеренно противопоставив его Principia Philosophiae («Началам философии») Декарта. Три книги «Начал» Ньютона – недостающее звено между законами Кеплера и физическим миром. У Галлея открытия Ньютона вызвали «изумление и радость». С его точки зрения, лукасовский профессор достиг успеха там, где все остальные потерпели неудачу, и он лично профинансировал публикацию объемистого труда как шедевра и дара человечеству.

Галилей показал, что предметы «притягиваются» к центру Земли, а Ньютон сумел доказать, что та же самая сила – всемирное тяготение – влияет и на орбиты планет. Кроме того, он был знаком с работой Галилея о движении ядер и заявил, что орбита Луны вокруг Земли подчиняется тем же принципам. Ньютон показал, что всемирное тяготение объясняет и предсказывает и движение Луны, и приливы и отливы земных морей и океанов. Первая книга «Начал» описывает три закона Ньютона.

1. Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние.

2. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

3. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе – взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны.

Вторая книга начинается примерно как дополнение к первой, и Ньютон не собирался включать ее в «Начала». В сущности, это трактат по механике жидкостей, давший Ньютону простор для демонстрации своей математической находчивости. К концу книги Ньютон приходит к выводу, что теория вихрей, которой Декарт объясняет движение планет, несостоятельна, поскольку двигаться в пустом пространстве можно безо всяких вихрей. «Способ, которым эти движения совершаются на самом деле в свободном пространстве, – пишет Ньютон, – можно понять по первой книге, подробнее же он рассматривается в изложении системы мира».

«Система мира» – это подзаголовок третьей книги, где Ньютон применяет законы движения из книги первой к физическому миру и приходит к выводу, что «все тела по соседству с Землею тяготеют к Земле, и притом пропорционально количеству материи каждого из них… На основании этого правила надо утверждать, что все тела тяготеют друг к другу». Таким образом Ньютон показал, что его закон всемирного тяготения объясняет движение и шести известных планет, и лун, и комет, и приливы, и равноденствия. Закон всемирного тяготения гласит, что все материальные тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Одним набором законов Ньютон объединил Землю со всем, что видно в небесах. В первых двух «Правилах умозаключений» из книги третьей Ньютон пишет:

Второе правило и объединило, в сущности, небесное и земное. Аристотелевская картина мира предполагала, что небесная и земная механика – это, очевидно, разные явления природы, поэтому к ней второе правило Ньютона было бы неприменимо. Но Ньютон видел мир иначе.

«Начала» вышли в свет в 1687 году и были встречены довольно благожелательно, правда, первый тираж составлял всего около пятисот экземпляров. Однако злейший враг Ньютона Роберт Гук грозил свести на нет всю славу Ньютона. Когда вышла вторая книга, Гук публично заявил, что в основу открытий Ньютона легли научные идеи, позаимствованные из переписки с Гуком в 1679 году. Эти притязания имели под собой некоторые основания и вызвали у Ньютона такое отвращение, что он дал зарок отложить публикацию третьей книги, а может быть, и вовсе не издавать ее. Потом Ньютон все-таки сдался и обнародовал последнюю книгу «Начал», но прежде тщательно вымарал с ее страниц всякие упоминания о Гуке.

Ненависть к Гуку не утихала у Ньютона долгие годы. В 1693 году у него случился очередной нервный срыв, и он прекратил исследования. Он не появлялся в Королевском обществе до самой смерти Гука в 1703 году, после чего был избран его президентом и переизбирался ежегодно до самой своей смерти в 1727 году. Кроме того, Ньютон откладывал публикацию «Оптики» – фундаментального исследования света и самой читаемой своей книги – опять же до смерти Гука.

В восемнадцатый век Ньютон вступил на правительственном посту: он был назначен хранителем Монетного двора, где, опираясь на свои алхимические исследования, нашел способы восстановить пошатнувшуюся денежную систему Англии. В качестве президента Королевского общества Ньютон продолжал неумолимую борьбу с теми, кого считал врагами, – в частности, продолжал бесконечный спор с Лейбницем о приоритете в изобретении дифференциального и интегрального исчисления. В 1705 году королева Анна пожаловала Ньютону рыцарский титул. За время жизни ученого «Начала» успели дважды переиздать.

Умер Исаак Ньютон в марте 1727 года от воспаления легких и подагры. Соперников в сфере науки у него не было – как он и мечтал. Ньютон так и не изведал романтических чувств к женщине (впрочем, некоторые историки высказывали подозрение, что у него, вероятно, были связи с мужчинами, в числе которых называют швейцарского естествоиспытателя Никола Фатио де Дюилье), зато никто не стал бы упрекать его в отсутствии страсти к науке. Поэт Александр Поуп, современник Ньютона, описал наследие великого мыслителя изящным двустишием:

При всей склонности к мелочным спорам, при очевидной заносчивости, отличавшей Ньютона всю жизнь, свои достижения на закате дней он оценивал на удивление скромно: «Не знаю, каким меня видит мир, но сам я всегда считал себя просто мальчиком, который играл на берегу и, развлекаясь, искал то гладкий камушек, то хорошенькую ракушку, а великий океан истины так и расстилался передо мной непознанный».