Isaac Newton

W swoim słynnym dziele Philosophiae naturalis principia mathematica (1687 r.) przedstawił prawo powszechnego ciążenia, i dodatkowo prawa ruchu leżące obok podstaw mechaniki klasycznej. Niezależnie od Gottfrieda Leibniza przyczynił się do rozwoju rachunku różniczkowego i całkowego.

Jako pierwszy wykazał, że te same prawa rządzą ruchem ciał na Ziemi, jak i ruchem ciał niebieskich. Jego dociekania doprowadziły do rewolucji naukowej i powszechnego przyjęcia teorii heliocentryzmu. Podał matematyczne uzasadnienie dla praw Keplera i rozszerzył je udowadniając, że orbity (w większości – komet) są nie tylko eliptyczne, ale mogą być też hiperboliczne i paraboliczne. Głosił, że światło ma naturę korpuskularną, czyli że składa się z cząstek, którym towarzyszą fale decydujące o ruchu rozchodzenia się światłaEric M. Rogers „Fizyka dla dociekliwych” tom 2 „Astronomia” wydanie VI, Warszawa 1986, PWN, tłum. Marcin Kubiak, ISBN 83-01-02919-6 str. 307.. Był pierwszym, który zdał sobie sprawę, że widmo barw obserwowane podczas padania białego światła na pryzmat jest cechą padającego światła, a nie pryzmatu, jak głosił 400 lat wcześniej Roger Bacon.

Rozwinął prawo stygnięcia. Sformułował twierdzenie o dwumianie i zasady zachowania pędu oraz momentu pędu. Zajmował się też pomiarami prędkości dźwięku w powietrzu i ogłosił teorię pochodzenia gwiazd. Jako pierwszy opisał matematycznie zjawisko pływów morskich (1687).

Dzieciństwo i młodość

Newton urodził się w Woolsthorpe koło Colsterworth, w hrabstwie Lincolnshire. Ojciec Newtona, również Isaac, zmarł na trzy miesiące przed narodzinami syna. Dwa lata później jego matka Hannah wyszła za mąż ponownie za Barnabasza Smitha i pozostawiła syna pod opieką babki.

Według E.T. Bella (Men of Mathematics, 1937, Simon and Schuster) i H. Eve
Newton rozpoczął swoją edukację w szkole wiejskiej, a następnie został posłany do Grantham Grammar School, gdzie szybko został prymusem. W Grantham mieszkał u lokalnego aptekarza i ostatecznie zaręczył się z jego przybraną córką, panną Storey, zanim wyjechał do uniwersytetu w Cambridge w wieku lat 19. Jednak z powodu studiów romans osłabł i panna Storey poślubiła kogoś innego. Newton zachował ciepłe wspomnienie tej miłości, ale później nie miał już żadnej innej ukochanej i nigdy się nie ożenił..

Newton pobierał nauki w Grantham Grammar School, gdzie uczono głównie łaciny, a także w nieco mniejszym stopniu greki i hebrajskiego. W 1661 r. rozpoczął edukację w Trinity College w Cambridge, gdzie wcześniej studiował jego wuj William Ayscough. W tamtych czasach programy nauczania w College’u oparte były na dziełach Arystotelesa, ale Newton wolał poznawać dzieła współczesnych uczonych, takich jak Kartezjusz, Galileusz, Kopernik i Kepler. W 1665 odkrył twierdzenie o dwumianie i rozpoczął pracę nad teorią matematyczną znaną obecnie jako rachunek różniczkowy i całkowy. Wkrótce po tym jak Newton uzyskał stopień naukowy w 1665 r., uniwersytet został zamknięty z powodu zarazy. Przez następne dwa lata Newton pracował w zaciszu domowym nad rachunkiem różniczkowym i całkowym, a także optyką i grawitacją.

Legenda głosi, że Newton siedział pod jabłonią, gdy spadające na jego głowę jabłko uświadomiło mu, że upadek ciał na Ziemię i ruch ciał niebieskich są powodowane tą samą siłą – grawitacją. Historia ta jest wyolbrzymieniem opowieści samego Newtona, który jakoby siedząc pewnego dnia przed oknem w swoim domu obserwował spadające z drzewa jabłka. Jednak obecnie uważa się, że nawet ta historia jest fałszywa i została wymyślona przez Newtona pod koniec jego życia, który w ten sposób chciał pokazać, że potrafi czerpać inspirację z codziennych zdarzeń. Pisarz William Stukeley opisał w swoich Memoirs of Sir Isaac Newton’s Life rozmowę z Isaakiem Newtonem w Kensington 15 kwietnia 1726 r., w której Newton powiedział mu, że „kiedy pierwszy raz przyszło mu na myśl pojęcie grawitacji, było to przy okazji widoku spadającego jabłka, kiedy siedział w nastroju kontemplacyjnym. Zadał sobie wtedy pytanie, dlaczego jabłko zawsze spada pionowo w kierunku ziemi. Dlaczego nie podąża na boki albo ku górze, ale zawsze w kierunku centrum Ziemi”. W podobny sposób wyraził się Voltaire w swoim dziele zatytułowanym Essay on Epic Poetry (1727 r.).

Newton został członkiem Trinity College w 1667 r. W tym samym roku rozpowszechnił swoje odkrycia w De analysi per aequationes numeri terminorum infinitas a później w De methodis serierum et fluxionum, której tytuł dał nazwę jego metodzie „fluksji”.

Newton i Leibniz rozwinęli teorię rachunku różniczkowego i całkowego niezależnie i używając różnych notacji. Niekiedy przypisuje się im „wynalezienie” tych gałęzi matematyki, jednak jest to zbyt daleko idące uproszczenie. Próba kontynuacji prac matematycznych Galileusza i Keplera przez siedemnastowiecznych uczonych prowadzących między sobą ożywioną korespondencję doprowadziła do sformułowania dwóch zagadnień, pierwszym z nich było zagadnienie stycznych polegające na wyznaczeniu stycznych do danej krzywej, a więc podstawowe zagadnienie rachunku różniczkowego, drugim natomiast zagadnienie kwadratury, czyli wyznaczenie pola pod daną krzywą, które z kolei jest podstawą rachunku całkowego. Zasługą Newtona i Leibniza było wykazanie związku pomiędzy tymi zagadnieniami, ujednolicenie metod dotychczas stosowanych oraz wprowadzenie wygodnej notacji. Pomimo tego, że Newton opracował szczegółowo swoją własną metodę przed Leibnizem, to w anglojęzycznym świecie została ogólnie przyjęta notacja Leibniza i nazwa „metoda różniczkowa” (paradoksalnie w Niemczech notacja Newtona była bardziej popularna). Chociaż Newton należał do największych umysłów swojej epoki, ostatnie dwadzieścia pięć lat swojego życia spędził na gorzkiej dyskusji z Leibnizem, którego oskarżył o plagiat.

29 października 1669 został wybrany profesorem matematyki na katedrze Lucasa (Lucasian Professor of Mathematics) na uniwersytecie w Cambridge.

Newton i optyka

Od 1670 do 1672 wykładał optykę. W tym czasie badał załamanie (refrakcję) światła, pokazując, że pryzmat może rozszczepić białe światło w widmo barw, a potem soczewka i drugi pryzmat powodują uzyskanie białego światła ponownie z kolorowego widma. Na tej podstawie wywnioskował, że każdy refraktor (teleskop soczewkowy) będzie posiadał wadę polegającą na rozszczepieniu światła (aberracja chromatyczna), aby uniknąć tego problemu zaprojektował własny typ teleskopu wykorzystujący zwierciadło zamiast soczewki znany później jako teleskop Newtona (teleskop zwierciadlany). Później, kiedy dostępne stały się szkła o różnych własnościach dyspersyjnych problem ten rozwiązano stosując soczewki achromatyczne. W 1671 Royal Society poprosiło o demonstrację jego teleskopu zwierciadlanego. Zainteresowanie to zachęciło Newtona do opublikowania notatek pt. On Colour, które później rozwinął w większe dzieło pt. Opticks. Kiedy Robert Hooke skrytykował niektóre z pomysłów Newtona, ten obraził się do tego stopnia, że wycofał się z publicznej debaty. Z powodu paranoi Newtona, tych dwóch ludzi pozostało wrogami aż do śmierci Hooke’a.

W jednym z listów do Hooke’a z datą 5 lutego 1676 Newton napisał: „Jeśli widzę dalej to tylko dlatego, że stoję na ramionach olbrzymów”. Jest to parafraza zaczerpnięta z Lukana (II, 10): „Karły umieszczone na barkach gigantów widzą więcej niż sami giganci”. Słowa te są przytaczane dzisiaj jako dowód szacunku jaki miał Newton do osiągnięć swych poprzedników. W rzeczywistości była to złośliwa uwaga poczyniona pod adresem Hooke’a, jako że ten był człowiekiem niskiego wzrostu.

Newton twierdził, że światło składa się z cząstek. Późniejsi fizycy przychylili się bardziej do falowej natury światła, ponieważ znalazła ona potwierdzenie w eksperymentach (np. słynny eksperyment z dwoma szczelinami Thomasa Younga z 1801 roku). Obecnie mechanika kwantowa uznaje dualizm korpuskularno-falowy, jakkolwiek fotony mają bardzo mało wspólnego z Newtonowskimi cząstkami światła (np. załamanie tłumaczył Newton tym, że na cząstki światła działa siła pochodząca od materii i działająca tylko w jej sąsiedztwie). Jednak niektórzy uważają, że teoria światła Newtona jest bliska dualistycznej, choć nie identyczna z nią„Mówi się, że Newton podał teorię korpuskularną światła i przeciwstawia się ją ‘dobrej‘ teorii falowej Huygensa, Younga i Fresnela. Gdy jednak zajrzymy do dzieł Newtona, możemy przekonać się, że (…) Newton mówił też o drganiach i że jego teoria światła jest może najbliższa naszemu dualistycznemu wyobrażeniu” (Andrzej Kajetan Wróblewski „Prawda i mity w fizyce” W-wa 1987 str. 12) Cytat z Optyki Newtona „Jeśli bowiem przypuścimy, że promienie świetlne składają się z maleńkich cząsteczek, które są wyrzucane we wszystkich kierunkach przez świecące ciało, to cząstki te, padając na załamującą lub odbijającą powierzchnię, powinny wywołać w eterze drgania równie nieuniknione, jak kamień rzucony w wodę. Jeśli przypuścimy, że drgania te mają różną szerokość lub grubość [długość] w zależności od tego, jaką wielkość lub prędkość posiadały cząstki świetlne, które je wywołały, to korzyść takich drgań nie ujdzie uwagi tych, którzy uważają za celowe zadać sobie wiele trudu, by zastosować hipotezy dla objaśnienia zjawisk” (tamże str. 99) Podobnie E.M.Rogers op.cit. s 307n “Obecnie (…) posiadamy wystarczającą ilość dowodów doświadczalnych, by stwierdzić, ze światło zachowuje się zarówno jak fala i jak strumień pędzących cząstek, jako słuszną przyjmujemy teorię, która zaskakująco przypomina teorię Newtona!”..

Wydaje się, że Newton był przekonany o pokrewieństwie między różnymi oddziaływaniami na odległość takimi jak telepatia (w jego wczesnych notatkach można znaleźć wzmiankę o pracy Josepha Glanvilla dotyczącą tego właśnie tematu) czy leczenie ran na odległość poprzez obkładanie odpowiednimi proszkami broni (autorem tej hipotezy był Kenelm Digby, arystokrata, filozof i członek Royal Society) a przyciąganiem magnetycznym i grawitacją. John Maynard Keynes, który zdobył większość prac Newtona dotyczących alchemii, głosił, że „Newton nie był pierwszym w epoce rozumu, ale ostatnim z magików”. Zainteresowania Newtona alchemią nie mogą być oddzielane od jego wkładu w naukę, nie było wtedy jasnego rozróżnienia między alchemią a nauką. Jeśli nie wierzyłby w ideę oddziaływania na odległość poprzez próżnię, nigdy nie rozwinąłby teorii grawitacji.

Fizyka

W 1679 Newton powrócił do swojej pracy nad grawitacją i jej wpływem na orbity planet, odwołując się do praw Keplera. Swoje wyniki opublikował w De motu corporum (1684). Obejmowała ona początki praw ruchu, które zostały szerzej omówione w Principiach.

Philosophiae naturalis principia mathematica (Matematyczne podstawy filozofii naturalnej, bardziej znane dzisiaj jako Principia), zostały opublikowane w 1687 dzięki zachęcie i finansowemu wsparciu Edmunda Halleya. W dziele tym Newton ogłosił trzy uniwersalne zasady dynamiki, które przetrwały niezmienione aż do czasów Alberta Einsteina. Użył łacińskiego słowa gravitas (ciężar) do nazwania siły, którą obecnie znamy pod nazwą grawitacji i zdefiniował prawo powszechnego ciążenia. W tej samej pracy przedstawił pierwsze analityczne wyprowadzenie, oparte na prawie Boyle’a, wzoru na prędkość dźwięku w powietrzu.

Był zwolennikiem teorii atomistycznej oraz skończoności prędkości światła, gdy idee te nie były jeszcze powszechnie akceptowane przez świat nauki.

Principia przyniosły Newtonowi międzynarodową sławę i uznanie. Zdobył krąg wielbicieli.

Późniejsze życie

Dużą część ostatnich trzydziestu lat swego życia Newton poświęcił na dogłębne badanie tekstu Pisma Świętego, ze szczególnie drobiazgowymi studiami nad zawartymi tam proroctwami oraz badaniem chronologii świata od czasów najdawniejszych. W latach 90. XVII w. napisał wiele religijnych traktatów zajmujących się dosłowną interpretacją Biblii. Poglądy Henry’ego More’a o nieskończoności wszechświata i odrzucenie kartezjańskiego dualizmu mogły inspirować religijne idee Newtona. Odrzucił dogmat o Trójcy, jednakże manuskrypt wysłany do Johna Locke’a w 1690, w którym kwestionował jej istnienie nie został opublikowany za jego życia. Ze względu na swoją wysoką pozycję społeczną i potencjalny sprzeciw czynników kościelnych Newton nigdy publicznie nie głosił tego poglądu. W roku 1690 przesłał Locke’owi niewielki rękopis zawierający jego uwagi na temat zniekształceń jakich dokonano w Nowym Testamencie. Wspominał o Pierwszym Liście Jana 5,7 i Pierwszym Liście do Tymoteusza 3,16. Miał nadzieję, że Locke pomoże mu przetłumaczyć manuskrypt na francuski i opublikować go we Francji, ponieważ wydrukowanie go w Anglii wydawało mu się zbyt niebezpieczne. Dzieło nazywało się teraz „An Historical Account of two Notable Corruptions of Scripture”. W roku 1692 podjęto próbę anonimowego opublikowania dzieła po łacinie. Słysząc to, Newton błagał Locke’a, aby zapobiegł publikacji, sądził bowiem, że nie nadszedł jeszcze odpowiedni czas na to.

Pod koniec życia Newton napisał dzieła poświęcone chronologii – The Chronology of Ancient Kingdoms Amended („Poprawiona chronologia starożytnych królestw” 1728) i Observations Upon the Prophecies of Daniel and the Apocalypse of St. John („Uwagi dotyczące proroctw Daniela i Apokalipsy św. Jana” 1733). Zostały one opublikowane dopiero po jego śmierci. Wyłożył w nich drobiazgowe wyliczenia dat, które uważał za kluczowe (np. wyprawa argonautów) oraz przekonanie o nieuchronnie zbliżającym się końcu świata. Dzieła te traktowane łącznie mogą być próbą stworzenia dla historii powszechnej ludzkości odpowiednika wyłożonej w Principiach fizycznej historii świata. Newton poświęcał też dużo czasu na alchemię (patrz uwagi powyżej).

Newton był także członkiem Parlamentu w latach 1689-1690 i w 1701, ale jego jedyne udokumentowane wystąpienie dotyczyło zażalenia na zimne powietrze w sali i żądaniu zamknięcia okna.

W 1695 podjęto decyzję o odnowieniu monety, w związku z czym wysokie funkcje powierzono Locke’owi, Newtonowi i Halleyowi. Newton przeniósł się do Londynu, aby objąć posadę Nadzorcy (Warden) Mennicy Królewskiej w 1696. Stanowisko to uzyskał dzięki patronatowi Charlesa Montagu (znanego też jako lord Halifax), wtedy lorda Skarbu. Edmund Halley został nadzorcą mennicy w Chester. Swoje obowiązki jako nadzorca Newton sprawował z właściwym sobie poczuciem obowiązku, co doprowadziło m.in. do tego, że uwikłał się w konflikt z komendantem Tower of London Lucasem, na terenie której znajdowała się Mennica. Podczas sprawowania urzędu Newton osobiście uczestniczył w przesłuchaniach więźniów oskarżonych o fałszowanie i „obcinanie” monet (przestępstwo polegające na zmniejszaniu rozmiarów srebrnych monet). W 1697 r. za fałszerstwa w samym tylko Londynie w Tyburn wykonano 19 wyroków śmierci. Po śmierci Lucasa w 1699 r., Newton został w 1700 Kuratorem (Master) Mennicy Królewskiej i sprawował ów urząd aż do śmierci. Ze swoich obowiązków w Cambridge zrezygnował w 1701.

W 1701 Newton anonimowo opublikował prawo termodynamiki, znane obecnie jako prawo ostygania w Philosophical Transactions of the Royal Society.

W 1703 Newton został Prezesem Royal Society i zagranicznym członkiem Francuskiej Akademii Nauk. W tym czasie popadł w konflikt z Johnem Flamsteedem, astronomem królewskim, próbując przywłaszczyć sobie jego obserwacje gwiazd, które miały być podstawą nowego katalogu. Newtonowi i Halleyowi udało się wykraść większość danych do nowego katalogu i opublikowali je w 1712 roku. Flamsteed dowiedziawszy się o tym wykupił 300 z 400 egzemplarzy i spalił je.

W 1705 roku Newton uzyskał tytuł szlachecki z rąk królowej Anny. Był od tej pory tytułowany Sir Isaac.

Razem z Halleyem był jednym z inicjatorów uchwały parlamentu z 1714 rozpisującej konkurs na metodę wyznaczania długości geograficznej na morzu, wygrany w 1773 przez Johna HarrisonaLudwik Zajdler Dzieje Zegara W-wa 1977, wydanie 2 przerobione str. 270nn..

Newton nigdy się nie ożenił ani nie miał dzieci. Zmarł w Londynie i został pochowany w opactwie Westminster.

Filozofia nauki

Newton uważał, że przedmiotem nauki są zjawiska, zaś jej celem jest znalezienie związków między nimi, to znaczy praw. Z zakresu nauki wyłączał poszukiwanie transcendentnych przyczyn wywołujących zjawiska. Wedle tego, na przykład badając ciężar, fizyka ma ustalić jakim prawom on podlega, nie zajmując się jego naturą.

Poglądy religijne i przekonania

Prawo powszechnego ciążenia stało się najbardziej znanym odkryciem Newtona. Przestrzegał on jednak przed używaniem go w celu patrzenia na Wszechświat jak na pewien rodzaj maszyny np. wielkiego zegara. Pisał

Biblia, a nie nauka, była największą pasją Newtona. Poświęcał więcej czasu Pismu Świętemu niż nauce. Napisał: „Jestem przekonany, że Biblia jest Słowem Bożym, napisanym przez tych, których On inspirował. Studiuję ją codziennie” or

Newton był potajemnie unitarianinem, tzn. nie wierzył w Trójcę Świętą. Napisał na ten temat wiele prac, jednak wszystkie zostały opublikowane dopiero po jego śmierciStephen David Snobelen, Isaac Newton, Socinianism and "the One Supreme God", w: Socinianism And Arminianism. Antitrinitarians, Calvinists, And Cultural Exchange in Seventeenth-Century Europe, edited by Martin Mulsow and Jan Rohls, Brill, Leiden 2005, s. 247-248..

Znany był z maksym Nie wiem, kim wydaję się dla świata, dla siebie jestem małym chłopcem bawiącym się na plaży, podczas gdy ocean prawdy leży niezbadany przede mną oraz Hypotheses non fingo (hipotez nie tworzę, interpretowane ja

Dziedzictwo Newtona

Prawa ruchu i powszechnego ciążenia dostarczyły podstaw do przewidywania sytuacji w szerokim obszarze działań zarówno nauki, jak i inżynierii, zwłaszcza do przewidywań ruchu ciał niebieskich. Jego wkład w analizę matematyczną stał się podstawą do tworzenia teorii naukowych. Wreszcie, połączył ze sobą wiele odrębnych faktów z zakresu fizyki, które były odkryte wcześniej, w jeden wspólny zbiór praw. Z tych powodów jest uważany za największego i najbardziej błyskotliwego naukowca i jedną z najbardziej wpływowych osób w całej historii.

Dzieła Newtona

• Method of Fluxions (1671)
• De motu corporum in gyrum (1684)
• Philosophiae naturalis principia mathematica (1687)
• Opticks (1704)
• Arithmetica Universalis (1707, redaktor i wydaw
• An Historical Account of Two Notable Corruptions of Scripture (1754)

Opublikowane pośmiertnie w 1728: Short Chronicle, The System of the World, Optical Lectures, Universal Arithmetic, The Chronology of Ancient Kingdoms, Amended i De mundi systemate.

Bibliografia

w języku polsk

• Marian Grotowski, Newton; tom 1-3. Poznań: Księgarnia Św. Wojciecha, 1932-1933.
• Frank E. Manuel, Portret Izaaka Newtona, ser
• Jerzy Kierul, Izaak Newton, Bóg, światło i świat, Quadrivium, Wrocław 1996 .

w języku angielsk

• Frank E. Manuel, A Portrait of Isaac Newton, Da Capo Series in Science, Da Capo Press, 1990.
• Frank E. Manuel, Isaac Newton, Historian, Harvard University Press, 1963.
• James Gleick, Isaac Newton, Knopf, 2003.