БЕЛИТЕ ХРОНИКИ НА ВИТАНОВ. Хроника №8: Исак Нютон Част I: Нютон и науката

Автор: Николай К. Витанов, Калоян Н. Витанов, Институт по механика – БАН

 

Исак Нютон – завеяният учен? Не – Исак Нютон – победителят.

Фигура 1. Често се носят слухове, че Нютон бил затворен, завеян учен, интересуващ се само от наука.  Като четете този цитат, вероятно ще почнете да се усъмнявате. Една от целите на тази хроника е да разбие тази представа. Големите учени са силни личности.


РЕКЛАМА:

***

            И тъй, в предната хроника ви разказахме за началото на съвременната английска наука – за прохождането на Лондонското кралско общество и дейността на членовете – основатели на обществото, пречупена през житие описанието на най-дейния от тях – Робърт Хук.  Обща закономерност е, че за да не загине делото на една група от хора, те трябва да си намерят подходящи следовници. Пишем подходящи, защото ако следовниците са некомпетентни и некадърни, делото със сигурност ще загине. Не такъв бил случаят с Лондонското кралско общество. След поколението на основателите – бейкънианци дошло поколението на продължителите – нютонианци, най-ярката фигура от която бил самият Исак (Айзък) Нютон, управлявал с желязна ръка Кралското общество почти четвърт век – фиг. 1. Делото на Кралското общество не пропаднало, а се развило.  Лондонското кралско общество се превърнало в изключително реномирана организация, каквото е и до днес. Ама чакайте, ще каже някой, нас са ни учили, че той там Нютон денонощно, в тъмната стая, само с наука се занимавал. А този, дето ви е учил на тези неща, дали ви каза, че Нютон е бил член на английския парламент, че е бил директор на Кралския монетен двор, че е бил президент на Лондонското кралско общество, че е водил люти спорове с Робърт Хук, че е бил добър администратор и че за заслуги към короната е станал от Исак Нютон – сър Исак Нютон. Някак си това не се връзва с образа на бледния, вторачен в колбите учен, не интересуващ се какво става около него.

Фигура 2. Сър Исак Нютон – директор на Кралския монетен двор и президент на Лондонското кралско общество – бюст, 18 век.

Ето защо, в тази хроника ще ви разкажем за истинския Исак Нютон – железният, интелигентен и настойчив Исак Нютон (фиг. 2), вървящ по пътя си и постигащ целите си, далновидният учен и администратор на науката, извел Лондонското кралско общество до върха на световната наука (особено във втората част на тази хроника). Разбира се, при всяка възможност ще наблягаме върху административните му дела. Необходимо условие  (но не и достатъчно) да си добър администратор в науката е да си добър учен. Нютон е бил страшно добър учен. Но е имал и второто условие – административните заложби. Не всеки добър учен е добър администратор в науката. Много добри учени са се проваляли като администратори, защото не са разбирали от сложните управленски системи на още по-сложните научно-технологични системи. Нютон е разбирал и от това. И нека да видим как са се случили нещата.

  1. Годините преди Кеймбридж. Учителят Хенри Стокс: момчето разбира от математика – пратете го да учи.

Животът на Исак Нютон не започнал никак добре. Той се родил на 25 декември 1642 г (стар стил) в селцето Вулсторп, на 10-километра от градчето Грантъм, на около 150 километра на север от Лондон и близо до източното крайбрежие на Англия.

Фигура 3. Младият Нютон.

Баща му починал на 37 години няколко месеца преди раждането, а малкият Нютон се родил преждевременно и бил толкова хилав, че местните „експерти” не му давали много живот. Е, това преминало и Нютон имал нормално детство – фиг.3. След което доживял до 85 години, надживял доста английски крале и бил съвременник на Луи XIV  и на Петър I. Говорело се, че родът му по бащина линия произлизал от разорил се в Англия преселник от шотландския благороднически род Нютон – фиг. 4. Майката на Нютон, Ан Ейскоу, била от уважавано в околността фермерско семейство и съвременниците й я помнят като  начетена и оправна жена от семейство, уважаващо образоанието (брат й бил свещеник,  завършил университета в Кеймбридж).

Фигура 4. Родната къща на Нютон във Вулсторп. На преден план – прочутото ябълково дърво, от което паднала ОНАЯ ЯБЪЛКА…

Три години след смъртта на съпруга си, тя се омъжила за свещеник в Грантъм и малкият Нютон бил оставен за отглеждане при баба си, която доста се интересувала от образованието му и даже го подбутвала към медицинските професии. Та Нютон научил четенето и писането в селското училище и след това бил изпратен в училището в Грантъм и настанен на квартира при местния аптекар Кларк (което показва, че образованието на момчето не било оставено на самотек). В 1656 г. майката на Нютон овдовяла отново и се прибрала във Вулсторп с трите си деца от втория си брак. Нютон също бил прибран от Грантъм във Вулсторп. Но… будното и ученолюбиво момче вече било забелязано от учителя Хенри Стокс, директор на  училището в Грантъм. Стокс имал заслужена репутация на един от най-добрите учители в целия район, та чак до Кеймбридж. Многократно забелязвайки, че Нютон постига много добри резултати в учението, той отишъл при майка му и я убедил, че това момче трябва да продължи образованието си в университета в  Кеймбридж. Което и станало. Нютон бил върнат в училището в Грантъм, за да се подготви за приемните изпити в университета – фиг. 5.

Фигура 5. „Автограф“ на Нютон, издълбан с джобен нож на перилото на прозореца на училището в Грантъм. И тъй…. Нютон бил едно такова дете, дето прилежно учело уроците си и нямал джобен нож. Не, нямал, бе!  Той бил кротко дете, невинно държащо на стената си портрета на екзекутирания крал Чарлс I по време на управлението на Оливър Кромуел. Всички добри деца тогава правели така. Да-а-а…

А там, в университета, той се оказал доста по-подготвен от връстниците си. В Грантъм Нютон получил добра подготовка по математика, латински и богословие. И ето как полека пред очите ви изплува важен фактор за успеха на Нютон – учителят Хенри Стокс от Грантъм. За когото вероятно не бяхте чували досега. Важно е да имаш добри учители в училище. Освен това, Нютон бил доста любознателен. Той си изрязал (с ножа, действал на  фиг. 5) циферблат за слънчев часовник на стената на къщата във Вулсторп (който циферблат днес можете да видите в музея на Лондонското кралско общество), пускал хвърчила и се опитвал да измери силата на вятъра по време на буря, като измервал дължината на скоковете си по посоката и срещу посоката на вятъра. Престоят му в дома на аптекаря Кларк увлякъл Нютон по заниманията с химия и алхимия. Наличието на двама мъже свещеници (вторият му баща и вуйчо му) предизвикали интереса на Нютон и към богословието. В Грантъм Нютон четял доста, а и рисувал доста добре – в стаята му в къщата на аптекаря стоял портрет на Чарлс I, рисуван собственоръчно от Нютон (което не било съвсем безопасно във времената на Кромуел) и тази работа показвала, че Нютон имал доста младежка дързост. Добавете към това, че Нютон обичал да прави столчета и механични играчки, събирал билки и предпочитал тези занимания пред това да си играе (т.е. да се бие) с връстниците си. В дома на аптекаря пламнала и единствената любов с младата мис Сторей, помощничка на аптекаря. По-дълбоките чувства били угасени, когато Нютон започнал подготовка за научна кариера в Кеймбридж – едно от изискванията било да не се жени, но Нютон и мис Сторей (по-късно мисис Винсънт) останали добри приятели чак до смъртта на Нютон (като опитна специалистка в аптекарските дела мисис Винсънт надживяла твърде много живелия за стандартите по ония времена Нютон).

И тъй – виждаме нормално талантливо момче, с много добър учител и обичащо да върши неща със собствените си ръце. Нито е бил болнав през целия си живот, нито затворен в себе си, не се крил по тъмни стаи, не е избягвал жените и даже малко е бил опозиция на властта, държейки в стаята си портрет на екзекутирания крал насред времената на управлението на Кромуел. А сега – напред към Кеймбридж.

  1. Годините в Кеймбридж до поемането на Лукасовската катедра по математика

Та, в 1661 г. Нютон е приет за студент в Тринити колидж в Кеймбридж – полуграждански – полудуховен колеж, силно пострадал от гражданската война в Англия, завършила с победа на Кромуел и обезглавяването на Чарлс I – фиг. 6.

Фигура 6. Статуята на Нютон в Тринити колидж в Кеймбридж.

Доходите на колежа намалявали, много от видните му членове били избити по време на войната или пък емигрирали. Така, студентите били оставени в известна степен на самотек и това се оказало добра идея – те се образовали доста по-бързо, водени от собствените си интереси, отколкото преминавайки през системата от курсове, доста от които били скучни, че и досадни. Попадането на Нютон точно в Тринити колидж и в Кеймбридж не било случайно. Вуйчо му бил завършил Тринити колидж, преди да стане свещеник, а приятел на аптекаря Кларк (у когото Нютон бил на квартира по време на престоя си в Грантъм), бил старшият член на Тринити колидж Бебингтън. Нютон бил приет като студент втора категория – субсайзер. Това означавало, че той ще учи в колежа, но трябва да е прислужник на бакалаврите и магистрите, за което му се плащала някаква сума, за да може да си поддържа съществуването и да си купува учебници. Будното момче скоро било забелязано от професор Айзък Бароу, първи титуляр на наскоро основаната в Кеймбридж Лукасовска катедра по математика (основана със средства, дарени от Хенри Лукас, със задължение Лукасовският професор да чете 1 лекция седмично по геометрия, аритметика, география, астрономия или статика и още 4 часа седмично да обсъжда материала от лекцията със студентите).

Фигура 7. Статуята на Исак (Айзък) Бароу, първият Лукасовски професор по математика в Тринити колидж в Кеймбридж – учител, наставник и приятел на Исак Нютон.

След Бароу, вторият титуляр на катедрата бил Нютон, а след това длъжността Лукасовски професор по математика станала най-престижната професура в Кеймбридж – та и до ден днешен. Бароу бил прекрасен учител, син на епископ и убеден роялист. Той щял да почине пред 1677 г. на 47 години след шеметна кариера като член на Лондонското кралско общество от 1663 г. и професор по математика в Кеймбридж (на 33 години). През 1669 г. Бароу е избран за кралски капелан и поради това отстъпва Лукасовската катедра на ученика си Исак Нютон. През 1672 г. Бароу е назначен за директор на Тринити колидж в Кеймбридж. С такъв млад, талантлив и могъщ административно учител, Нютон напредва бързо в науката и бива въведен в елитните научни среди на Англия. И така, Нютон отново има  късмет да попадне при добър учител – след Стокс с Грантъм, сега при Бароу в Кеймбридж. Бароу запалва интереса на Нютон към оптиката и дори му дава да коригира книгата му „Оптични  и геометрични лекции”.  Бароу пише в предговора към книгата – „Нашият колега д-р Исак Нютон (мъж славен и с изключителни познания), прегледа ръкописа, нанесе няколко необходими поправки и добави нещо и със своето перо, което може да бъде забелязано с удоволствие на няколко места”. Този цитат е първото споменаване на името на Исак Нютон в научната литература. Бароу запалил интереса на Нютон и към зараждащото се тогава интегрално и диференциално смятане.  Нютон бил много разстроен от ранната смърт на Бароу през 1677 г. Бароу не само бил учител на Нютон, той се погрижил и за неговата кариера. През 1664 г. Нютон вече е редовен студент, през 1665 г. става бакалавър, а през 1667 е избран за младши член на колежа. През 1668 г. Нютон вече е старши член на колежа, а през 1669 получава от Бароу  Лукасовската катедра по математика. Казват че след смъртта на Бароу през 1677 г. на Нютон била предложена директорската длъжност на Тринити колидж, но той отказал, тъй като трябвало да приеме духовен сан.

Фигура 8. Нютон и ябълката.

По това време, между 1665 и 1667 г. Нютон прекарва 2 години извън Кеймбридж заради върлуващата по това време в Англия чумна епидемия. Това е прочутият престой на Нютон във Вулсторп, където той разсъждава върху ябълката, паднала върху главата му и прави редица наблюдения, довели до по-нататъшните му открития по оптика – фиг. 8. В 1665 и 1666 г. Нютон публикува две статии по анализа на безкрайно малките или както е известно днес – по диференциално и интегрално смятане. Тези разработки също са направени във Вулсторп. Дългите дни на усъвършенстване на уменията във Вулсторп превърнали Нютон в прекрасен шлифовач на оптически стъкла, което по-късно станало и фактор за приемането му за член на Лондонското кралско общество.

След завръщането си в Кеймбридж Нютон започнал да реализира и публикува идеите си, дошли в главата му във  Вулсторп – фиг. 9. Той обаче не се затворил в кабинета и лабораторията си, както се опитват да ни убедят някои. Нютон участвал в организираните студентски пиршества и в игрите на карти в Кеймбридж.

Фигура 9. Младият Нютон в началото на кариерата си като Лукасовски професор по математика в Кеймбридж.

 

Допълнителен удар върху имиджа на Нютон като затворен в кулата си от слонова кост учен нанася и кореспонденцията му от онова време. Ето няколко откъса от писмото до приятеля му Астън (бъдещ секретар на Лондонското кралско общество) по повод на предстоящо пътуване на Астън в чужбина:

наблюдавайте нравите. Приспособявайте се към тях и вашите отношения (с чужденците) ще бъдат по-свободни и откровени…

следете за политиката, благосъстоянието и държавните дела  на нациите….

разберете какви са данъците за отделните групи от населението, търговията и характерните за съответната държава стоки….

разберете какви са укрепленията, които ви се появяват на пътя, техния вид, сила и преимущества в отбраната…

Все указания, давани от „кабинетен плъх”, нали. Та толкоз за бледния юноша, интересуващ се само от това,  какво става в колбите му.

  1. Битките на Нютон в оптиката

Геометричната оптика, съгласно която светлината в еднородни среди се разпространява праволинейно, променяйки посоката си само при отражение и пречупване, е била доста изучавана по времето на Нютон (заради телескопите и микроскопите) – фиг. 10. Забелязани са и някои странни аспекти на поведението на светлината, например при разпространението й в мътни среди като в мъгла или пък при преминаването през малки отвори, но това, което геометричната оптика не можела да обясни добре, били различните цветове на светлинните лъчи.

Фиг. 10.  Ръкопис на лекциите по оптика, четени от Нютон в Кеймбридж.

 

Как така лъч бяла светлина, преминаващ през призма се трансформира в  лъчи с различни цветове? И какво определя цвета на светлината? Дали пък не е различната степен на смесване на светлината с тъмнината – бялото е това, което обилно изпуска светлина, черното почти не изпуска светлина, червеното е това, което излъчва сгъстена светлина, синьото излъчва разредена светлина, зеленото и то излъчва разредена светлина. Всички останали цветове са смес от гореизброените.  Имало  и вълнова теория на светлината, според която различните цветове били свързани с променлива величина, свързана с вълновия светлинен процес.  Привърженик на вълновата теория на светлината  бил най-големият бъдещ опонент на Нютон – Робърт Хук (за когото ви разказахме в предната хроника) – фиг.11. Той обаче предположил, че променливата величина, свързана с цвета била не честотата, а ъгълът, образуван между повърхността на вълната и посоката на разпространение на светлината. Според Хук, на белия цвят съответствал прав ъгъл, а на другите цветове съответствали други вълни. Имало и други възгледи, по-близки до истината – че цветът  е свързан със светлината, а не с тялото, през което тя минава (призмата). Един такъв възглед се получава, ако за променлива  величина във вълновата теория се вземе честотата на светлинната вълна (идея аналогична на тази, че различните звуци се съпоставят на вълни с различна честота в акустиката).

Фигура 11. Робърт Хук.

Първите признати успехи на Нютон в оптиката идват от областта на … телескопостроенето.  След телескопа на Галилей телескопостроенето е много модерно в Европа, като учените се опитват да построят все по-големи телескопи, съставени от лещи. Но тези телескопи имали в себе си вградени технически проблеми, един от които бил сферичната аберация – лъчите от светеща точка, преминаващи през сферична леща с крайни дебелина, размери и кривина не могат да се пресекат в една точка. Този ефект намалявал с увеличаването на дължината на телескопа, но телескопи с размери от десетки метри, които се появили 50 години след Галилей започнали да изглеждат абсурдно.

Фигура 12. Телескопът на Нютон от 1668 г.

И всички се опитвали да решат проблема и първата идея на всички били да направят несферични лещи. В тази посока започнал да работи и Нютон, но след година труд се отказал – получаването на несферични лещи изисквало нечовешки усилия (и компютри), пък и Нютон установил, че сферичната аберация не била основният проблем при телескопите, съставени само от лещи – основният проблем било паразитното осветляване на обектите в цветовете на дъгата, появяващо се както при сферични, така и при несферични лещи. На Нютон  започнала да му харесва следната  идея: няма леща – няма проблем. И заменил лещите с огледало. Родил се телескопът рефлектор на Нютон.  В допълнение Нютон се заинтересувал от паразитното явление – хроматичната аберация. Разбира се, хроматичната аберация била известна и преди Нютон, имало и идеи за замяна на лещите в телескопа с огледала (такава идея изказал италианският учен Чезаре Караваджи). Но телескопът е направен от Нютон. Който може, прави…(във втората черна хроника може да дочетете това изречение до края). Нютон, разбира се, признавал, че идеята за телескоп – рефлектор била известна и преди него и подчертавал, че на него принадлежи само част от концепцията и ноу-хау-то за изработката на този вид телескоп.

Първият огледален телескоп, изработен от Нютон, не бил много успешен. Огледалото му било с диаметър 2 сантиметра и половина, покритието не било с добри отражателни свойства – фиг.12. Но телескопът бил дълъг само 15 сантиметра и с него дори можело да се наблюдават спътниците на Юпитер. Нютон не се отказвал и продължавал да усъвършенства технологията на изработване на сферични огледала.  Три години след първия телескоп, през 1671 г. се появил и вторият телескоп. През есента на 1671 г. телескопът бил изпратен в Лондонското кралско общество и от него се заинтересувал самият крал Чарлз II. Телескопът бил инспектиран (от кого мислите?) от … Робърт Хук и от Кристофър Врен  (приятелят на Хук, архитект на Лондонската катедрала). Хук и Врен дали положителна оценка на телескопа и на 11 януари 1672 г. Исак Нютон бил избран за член на Лондонското кралско общество. Добрите му отношения с Робърт Хук обаче били дотук. Последвали 30 години спорове и съперничество. „Сивият кардинал” и блестящ експериментатор Хук до смъртта си не позволил на блестящия теоретик Нютон да заеме значителен пост в обществото. Но след смъртта на Хук през 1703 г, на 30 ноември същата година Нютон е избран за президент на Лондонското кралско общество и остава такъв почти 25 години, до смъртта си през 1727 г.   Та славният път на Нютоновите успехи в науката започнал от малкия телескоп от 1671 г. Борейки се с несферичните повърхности на лещите, Нютон трябвало да развива диференциалното и интегралното смятане. Борейки се със сплавите, осигуряващи по-добро отражение на огледалата, Нютон натрупал опит, който по-късно щял да му е полезен при работата му в монетния двор. Наблюдавайки звездното небе през телескопа, Нютон засилил интереса си към гравитацията и механиката.

Но да се върнем към събитията. Задавала се първата битка на Нютон с Робърт Хук. Датата била 6 февруари 1672 г, когато новоизбраният член на Кралското общество Нютон представил на заседание на обществото доклада си „Нова теория на светлината и цветовете”, която била в противоречие с теорията на Хук. Сблъсъкът бил неизбежен – фиг. 13. Нютон работил доста  в областта на оптиката и първото му по-значително произведение, което било чуто от други хора, бил курсът му лекции по оптика в Тринити колидж. Нютон обаче не бил добър преподавател и курсът му по оптика не бил много посещаван, така, че до сблъсъка с Хук, идеите на Нютон в областта на теорията на светлината и цветовете не били много известни даже и в Кеймбридж.

Фигура 13. Робърт Хук – страховитият научен опонент.

 Четейки тези лекции, човек вижда как Нютон доста настървено напада господстващите за времето си теории и особено тази, че цветовете са смес от светлина и тъмнина. Червеното си е червено – пише Нютон – и на обяд и при залез слънце. После Нютон напада тези, които си мислят, че цветът се получава при взаимодействие на светлината с прибори (например с призми). Това нападение е пряка атака срещу теорията на Хук, за която споменахме по-горе. И Нютон продължава – жадните за естествени науки следва най-напред да изучат геометрията (диференциалнотто и интегралното  смятане) … за да могат, вместо за измислици и предположения, за които биха ги похвалили, да прилагат геометрията и да укрепват науката с висши доказателства. Още тук проличава методът на Нютон – приложение на математиката за изучаване на природните явления. Доста различен от събирателно-описателния метод на бейкънианците. Нютон казва, че е необходима математическа теория на цветовете. И не казва дали смята, че светлината е вълна или съвкупност от частици. Ако и да са ви учили друго. Четете оригиналите! – фиг. 14  В изложението си пред Кралското общество Нютон следва схемата: формулира принципи (положения) на основата на експериментални наблюдения, след това на основата на принципите доказва теореми, които също се проверяват експериментално и от теоремите извлича необходимите му следствия, под формата на задачи, чиито решения също се проверяват експериментално. Едно от положенията на Нютон е, че цветът е свойство на светлинните лъчи, а не на предметите, с които тези лъчи взаимодействат. Друго положение е, че и на една и съща степен на пречупване на светлинните лъчи съответства един и същи цвят и обратно.  И така едно след друго – 13 положения. След които следват няколко думи на Нютон относно природата на светлината: Видяхме, че причината за цвета не е в предметите, а в светлината. Поради това имаме твърдо основание да считаме светлината за субстанция…Не е тъй лесно обаче, несъмнено и точно да определим какво е това светлината, защо тя се пречупва и по какъв начин извиква в нашата душа представата за цветовете. Аз не искам тук да смесвам въображаемото  с достоверното.

И тъй – светлината – субстанция (и като че ли не е вълна). Но Нютон усеща, че тук нещо не е наред и не иска да отиде засега още една стъпка напред и да провъзгласи корпускулярния характер на светлината. И това, което е изложил, е достатъчно, за да възбуди духовете – Нютон твърди, че съществуват прости цветове, а белият цвят е съставен цвят, че има разлика между физиологическото цветоусещане и физическия цвят, и че цветът е свързан със степента на пречупване на светлинните лъчи.

Фигура 14. Заглавна страница на Оптиката на Нютон – 1704 г.

Кралското общество веднага формирало комисия, за да провери тези твърдения. И кой мислите, че бил в комисията – … Робърт Хук, разбира се, както и Робърт Бойл и астрономът Сет Уорд. Та Сет Уорд бил учителят на Хук по астрономия, а пък самият Хук бил асистент на Робърт Бойл. Интересна била тази комисия, дето трябвало да се занимава с теорията на светлината на Нютон, която отричала теорията на светлината на Хук. Хук реагирал и изпратил мнението си след няколко дни. За тези, които не са чели хроника номер 7, посветена на Робърт Хук, нека да споменем, че Хук бил стълбът на Лондонското кралско общество от самото му основаване и обществото едва ли би било станало толкова известно и би се утвърдило без титаничния труд на Хук, който поставял експеримент след експеримент на заседанията на членовете на обществото в течение на десетилетия. И ето, влиятелният, талантлив и енергичен уважаван члeн на кралското общество Робърт Хук бил разгневен от теорията на Нютон, която отричала неговата собствена теория за светлината. Хук бил пълна противоположност на Нютон – докато Нютон бил настойчив и търпелив в научните изследвания, Хук се занимавал с много области на изследвания едновременно. Докато Нютон бил акуратен и изпипвал научните си публикации с десетилетия, Хук не отделял много време да изпипва формулировката на резултатите си. Докато Нютон предпочитал да работи далеч от  суетата на ежедневния живот, в дневника на Хук може да намерите имената на десетки лондонски кафенета и кръчми, в които той обсъждал резултатите си с колегите си и приятели от Лондонското кралско общество. Без Хук, Нютон нямало да бъде този Нютон, когото познаваме днес. Но да се върнем към спора за светлината и цветовете.

По същество, отговорът на Хук се състоял в това, че той смятал, че експериментите на Нютон са правилно направени, но теоретичната хипотеза, която Нютон извлича от тези опити, е неправилна. Хук отбелязвал, че изводите на Нютон могат да се обяснят от вълновата теория на светлината и не се съгласявал с извода, че цветът е свойство на светлинните лъчи. Хук се усъмнил, че белият цвят е смес от безкраен брой прости цветове. Ако се предположи, че светлината е поток от частици, то тогава на всеки цвят съответства светлинна частица и бялата светлина е смес от такива частици. Но видите ли как това ни отвежда към корпускулярната теория на светлината и към безкраен брой частици…. От гледна точка на вълновата теория на светлината, привърженик на която бил Хук, бялата светлина можело да се разглежда като смес от вълни с различна  честота, но може и да е резултат от сложен вълнов процес, от който посредством подходящи резонанси могат да бъдат извлечени чисти цветове – такова нещо се наблюдавало в акустиката, където акустичен шум карал посредством резонанси струнни музикални инструменти да произвеждат чисти тонове. Нютон обмислял половин година отговора си. И в този отговор можем да видим зачатъка на корпускулярно-вълновия дуализъм по отношение на светлината. Нютон пише: Нека да предположим, че светлинните лъчи се състоят от малки частици, изпускани във всички направления от светещото тяло. Тези частици, попадайки върху отразяващи или пречупващи повърхности, ще възбудят в ефира колебания, тъй неизбежни, както водните вълни, причинени от падането на камък върху водната повърхност. Ако предположим, че тези колебания имат различна ширина в зависимост от силата на светлинните лъчи то ползата на тези колебания за обяснение на (тук Нютон изрежда много явления) няма да се изплъзне от вниманието на тези, които ще счетат за целесъобразно да положат труд за приложението на хипотезата за обяснение на явленията.

Хук, разбира се, не бил съгласен с отговора на Нютон, въпреки, че Нютон отбелязвал, че предпочитайки идеята за емисионната (корпускулярната теория) на светлината, той не е против вълновата теория и я счита за много полезна, въпреки, че по времето на Нютон вълновата теория на светлината не можела да обясни праволинейното разпространение на светлината (Френел направил това 150 години по-късно, използвайки принципа на интерференция на светлината) – фиг. 15.

Фигура 15. Оптическите експерименти на Нютон.

Теорията на Нютон имала още известни явни критици, като Хюйгенс и влиятелни тайни критици като Флемстед – кралският астроном – другият член на Кралското общество, с когото Нютон имал масивни спорове. Но други, по-малко влиятелни за времето си учени, като Джеймс Грегъри, оценили високо теорията на Нютон. Нютон бил въвлечен в полемика и трябвало да отделя много време да отговаря на критиците си. Това силно го дразнело, което личи и от писмата му до секретаря на Кралското общество Хенри Олденбург – фиг. 16, в едно от които Нютон заявява: Искам да отбележа, че моето учение за пречупването на светлината и цветовете се състои единствено в установяване на някои свойства на светлината без всякакви хипотези за произхода на светлината. Тези хипотези трябва да се подчиняват на природата на явленията, а не да се опитват да подчиняват природата на явлението на себе си, без да се съобразяват с никакви експериментални доказателства.

Нютон бил толкова ядосан от нескопосността на някои от критиците на теорията му за светлината, че на 8 март 1673 г. написал писмо  на Олденбург с искане да го зачеркнат от списъка на членовете на Лондонското кралско общество.

Фигура 16. Хенри Олденбург – първият секретар на Лондонското кралско общество. Вдясно – заглавната страница на мемоара на Нютон за светлината в списанието на Кралското общество.

 

Олденбург успява да го разубеди, но Нютон е толкова ядосан, че на 23 юни същата година пише на Олденбург, че не желае повече да се занимава с естествени науки и че няма да отговаря повече на критиците си.  Нютон нямал навика да губи научни спорове и успявал да излиза победител в такива спорове. Хук обаче не бездействал и продължавал с опитите си в областта на оптиката. Той провеждал множество опити по цветове на тънки пластинки и изкривяване на светлината, преминаваща покрай острие на бръснач. За да обясни от гледната точка на своята теория тези и други експерименти, в 1676 г. Нютон изпраща в Кралското общество публикацията си „Теория на светлината и цветовете, допълваща хипотезата на автора, изложена в предишните мемоари, а също съдържаща описание на най-съществените явления на цветовете на тънки пластинки и сапунени мехури зависещи от по-ранно характеризирани свойства на светлината ”.  В тази публикация Нютон предлага отново компромисната си хипотеза за природата на светлината (без да настоява, че тази хипотеза е правилна): светлинните частици възбуждат колебания в ефира, намиращ се във веществото и около него. Нютон смята, че ефирът е подобен на въздуха и се състои от груба материя и няколко ефирни течности и тази нееднородност следва от наличието на електрически и магнитни сили и от гравитацията. Ефирът обаче прониква небезпрепятствено в телата и там ефирът е по-малко плътен, отколкото в пространството, окръжаващо телата. Светлината, казва Нютон, не може да се определи като ефир, а е материална еманация или материално движение. Аз предполагам само – пише Нютон – че светлината се състои от лъчи, отличаващи се един от друг поради случайни обстоятелства, по същия начин, по който се отличават песъчинките или човешките лица.

Трудът на Нютон бил четен на 4 заседания на Кралското общество и по-късно залегнал в основата на книгата му „Оптика”, издадена през 1704 г. (след смъртта на Робърт Хук) – фиг. 14. Хук възразил по въпроса за приоритета още по време на четенето на работата на Нютон. Двамата обменят писма, в които Нютон признава заслугите на Хук за експериментите, върху които е построена теорията на Нютон. Хук се отзовава добре за значителна част от съдържанието на труда на Нютон, но съперничеството между тези два остри камъка в зората на съвременната английска наука ще продължи още дълги години. Та Нютон публикува „Оптиката” след смъртта на Хук, защото  не е искал да отделя време да спори със своя прочут опонент.

Накрая, завършвайки краткото описание на оптичните експерименти на Нютон, нека отбележим, че  той е смятан за един от основоположниците на емисионната или корпускулярната теория на светлината. Нютон не правел хипотези и виждал, че нито съвременната му вълнова теория, нито теорията за светлината като поток от частици могат да обяснят всички експериментални факти. Затова той говорел по въпроса за природата на светлината без охота и предложил хипотеза за тези, които имали нужда от хипотези. Тази хипотеза била компромисна и съчетавала корпускулярната природа на светлината с вълновите й свойства. Това последното било забравяно от критиците, които нарочвали Нютон, че пропагандирал чисто корпускулярна природа на светлината, и громели този „възглед на Нютон”. Друг интересен възглед на Нютон бил този за ефира, който се появил вследствие на интереса на Нютон към опитите с вакуумни помпи, с които по това време Бойл и Хук изследвали свойствата на газовете. В началните представи на Нютон ефирът е нещо като газ с много малка плътност. Ефирът на Нютон можел да служи за основа на всички неща.  Ефирът според Нютон е способен на колебания като въздуха, но много по-бързи и малки. Ефирът според него е нехомогенен и има груби и фини компоненти. Грубата компонента на ефира е повече в пространството между телата, отколкото в самите тела. Тази представа за ефира при Нютон ще се промени и той ще се откаже от представата за грубия ефир в пространството между телата. Интересът на Нютон към ефира показва прехода му от въпросите на оптиката към въпросите на механиката и астрономията.

Освен това, в средата на 70-те години Нютон трябвало да мине през серия от административни въпроси. Срокът на членството му в Тринити колидж изтичал през 1675 г. и  по устав или трябвало да приеме  духовен сан, или трябвало да напусне колежа. На Нютон не му се искало да приеме духовен сан и директорът на колежа Бароу  ходатайствал той да получи разрешение да остане в колежа и да не приема духовен сан докато е Лукасов професор по математика. Кралят разрешил, което било много голямо изключение от правилата и голяма чест. През 1677 година починал Бароу, а през 1688 и секретарят на кралското общество Олденбург. Секретар на Кралското общество станал …. Робърт Хук. Нютон бил заплашен от изолация от делата на Кралското общество. Нютон не обичал Хук. И Хук не обичал Нютон.  Но късметът на Нютон сработил отново. Той се запознал с новоприетия студент в Кеймбридж Чарлз Монтегю, бъдещият лорд Халифакс, бъдещ финансов министър на Великобритания. Монтегю се интересувал доста от математиката и бързо се сприятелил с Нютон. Най-добрите години на Нютон предстояли.

  1. Гравитацията. Втората научна битка на Нютон с Хук

В началото била ябълката – тази, която паднала върху главата на Нютон според едни или пък до него, според други – фиг 8.  Тази ябълка го накарала да се замисли дали няма сила, която действа между телата и ги привлича едно към друго и че тази сила действа не само покрай повърхността на Земята, но и навсякъде във Вселената. Нютон обичал да нарича себе си математик и законите на Кеплер за движението на планетите му импонирали много с математическата си простота и изящност. Но Нютон не бил единственият английски учен, който изследвал взаимодействието между планетите. Имало и друг известен английски учен, който се интересувал от астрономия и от движение на планетите и това бил…Робърт Хук. Хук доста се доближил до качественото разбиране на действието на гравитацията, предположил, че степента на притегляне на телата се увеличава с намаляване на разстоянието между тях и се опитвал да определи  дали това  увеличение е пропорционално на намаляването на разстоянието на някаква степен.  На 6 януари 1680 г. секретарят на обществото Хук пише писмо на члена на обществото Нютон и споделя, че според предположенията му, силата на гравитацията намалява обратно пропорционално на квадрата на разстоянието между телата. Хук бил блестящ експериментатор с блестяща интуиция и предвидил решението на задачата, без да я решава. Хук и Фарадей били експериментатори и направили много за гравитацията и електромагнетизма. Делото им било довършено от блестящите теоретици Нютон и Максуел.

По време на работата върху теорията на гравитацията и на писането на Математическите принципи на натуралната философия,  Нютон имал помощник – икономът Хъмфри Нютон, земляк на Нютон, препоръчан от училището в Грантъм. Ускорението на работата по теория на гравитацията дала една среща между президента на Кралското общество Врен, Хук и Халей в едно от лондонските кафенета, където Хук убеждавал Врен, че притеглянето между небесните тела трябва да намалява обратно пропорционално на квадрата на разстоянието между тях. Врен не вярвал много и даже предложил малка премия на този, който  докаже тезата за зависимостта от квадрата на разстоянието. Хук казал, че ще изпрати решението, но не го изпратил в следващите няколко месеца. Тогава през август 1684 г. Халей поискал от Нютон да се опита да реши задачата. През февруари 1685 г. Нютон действително изпратил решението в Кралското общество.  След година в Кралското общество бил депозиран и първият вариант на капиталния труд на Нютон „Математически принципи на натуралната философия”, в които  Нютон извеждал движението на небесните тела и законите на Кеплер от единственото предположение, свързано с наличие на централна сила на привличане към Слънцето, обратно пропорционална на квадрата на разстоянието. На заседанието на Кралското общество на 19 май 1686 г. било решено книгата да бъде отпечатана и наблюдението на процеса било възложено на Едмънд Халей – фиг. 17.

Фигура 17. Капиталният труд на Нютон – Математически принципи на натуралната философия – 1686 г.

Обществото обаче нямало пари да отпечата книгата и за целта била жертвана заплатата на Халей, който бил клерк (пратен секретар на Кралското общество). Халей не бил възхитен, още повече, че в същото време заплатата на Хук продължавала да се изплаща в пари, докато Халей бил пращан с екземпляри от книгата на Нютон (такова било решението на управителния съвет на Кралското общество, а не желанието на Халей). Но Халей бил приятел на Нютон и се примирил – фиг. 18. Печатането се забавило и поради претенциите на Хук, че той е дал идеята на Нютон за зависимостта на силата на гравитацията от обратния квадрат на разстоянието между телата. Нютон се разсърдил и написал писмо на Халей, в което отричал всякакви заслуги на  Хук към наличните в книгата идеи. Нютон, разбира се, не бил прав и претенциите на Хук не били без основание. Халей се опитал, доколкото могъл да смекчи гнева на Нютон, който се съгласил да спомене името на Хук, заедно с  това на Врен и Халей в едно от поученията (схолиите) в книгата. Книгата излязла в средата на 1697 г. и бързо била изчерпана. Причината – в книгата се излагала нова система на мирозданието и се давал метод за решаване на задачите на механиката, астрономията и физиката. Появила се класическата физика, изградена по образ и подобие на геометрията, която шествала  победоносно по света над 200 години. В книгата се прилагал индуктивно-дедуктивен подход към проблемите на физиката- индуктивният подход на Бейкън, свързан с обобщаване на фактите в принципи и дедукцията – получаване на нови следствия от принципите, потвърждавани от опита (иначе принципите са неверни).

Фигура 18. Нютон (вляво) и Халей (секретар на Лондонскато кралско общество) обсъждат принципите на механиката.

Целта на книгата на Нютон била да докаже, че законът за всеобщото привличане произтича естествено от принципите на механиката и от движенията на небесните тела. След като дефинира основните понятия в механиката – маса, сила, количество на движението, Нютон излага трите принципа на механиката. Следват задачи, свързани с действието на законна за обратните квадрати и с други закони. Следва решаване на хидродинамични задачи и критика на теорията на Декарт за вихрите. Накрая Нютон внимателно излага вижданията си за системата на света.  В книгата има изложени доста интересни правила. Например:  Не трябва да се търсят в природата други причини, освен тези, които са истинни и достатъчни за обясненията на явленията. Природата, според Нютон, действа по проста  методология и не си позволява разкоша да задава излишни причини за природните явления. И още нещо интересно от Нютоновата книга: В експерименталната философия (наука) предположенията, изведени от явленията по пътя на индукцията, трябва да се почитат като точни или приблизително верни, без да се отчита възможността за противоречащи им хипотези, дотогава, докато не се намерят такива явления, чрез които те още повече се потвърждават или се оказват опровергани. Просто и ясно. Нютон пише, че това правило трябва да се следва, за да не се унищожат изводите, получени по пътя на индукция чрез хипотези (често нямащи експериментално основа).

За да може да формулира законите на механиката, Нютон дефинира абсолютното време и абсолютното пространство. Абсолютното време, според Нютон, само по себе си и без отношение към каквото и да е, протича равномерно. При същите условия, абсолютното пространство остава винаги еднакво и неподвижно. Абсолютните пространство и време обаче не са това, с което се сблъсква човек в своята дейност. Това, с което човек се сблъсква, са относителното пространство и време.  Относителното време (обикновеното време), пише Нютон, е или точна, или изменчива, постижима от чувствата външна,  извършваща се  посредствено някакво движение –  мярка на  продължителността, която се употребява в обикновения живот вместо истинското математическо време.  Мястото или частта от пространството, заемано от тялото, по отношение на пространството може да е или абсолютно или относително. Абсолютното движение е преместване на тяло от едно абсолютно място в друго абсолютно място. Относителното движение е преместването на тялото от едно относително място в друго относително място. В житейските дела се използват относителните пространство, време и движение. Може да се окаже, пише Нютон, че в действителност не съществува тяло в покой, относително което да отнасяме местоположението и движението на  другите тела. Дефинирайки абсолютното пространство и време (математическото пространство и време), необходими за изграждане на класическата механика, Нютон допускал, че съществуват и физическо пространство и време и че те  могат да имат най-странни свойства (както по-късно показал Айнщайн).

След дефинициите на основните понятия, Нютон определя трите принципа на класическата механика (но не съвсем във вида, в който ги познаваме днес). Нека да отбележим, че като отчетем изложената по-горе бележка на Нютон (че може и да няма тяло в покой, относително което да се измерва местоположението и движението на другите тела), то първият принцип или принципът за инерцията (за запазването на състоянието на равномерно праволинейно движение или покой, ако не действат външни сили) е разбиран от Нютон в относителна, а не в абсолютна форма (т.е. Нютон не си е играл да търси точката – център на Вселената, която да е в покой, ясно осъзнавайки, че може и да няма такава).

Силата е равна на масата по ускорението – тъй се учи днес вторият принцип на Нютон. Да, ама Нютон не го е формулирал така. Той е казал, че промяната на количеството на движението (произведението от масата и скоростта на тялото) е равно на произведението от големината на действащата сила по изминалото време. Ами, че то е същото, ще каже някой. Да ама не. Да оставим настрана, че във формулировката на Нютон се включва и случаят на променлива маса. Има и още нещо – формулировката на Нютон ни позволява да припишем маса на светлината и то 250 години преди Айнщайн (ама никой не се е сетил). Ето как. Светлинна корпускула (фотон!!!) с някаква маса (която ще определяме) и с някаква енергия лети и се блъска в черна пластинка и спира там. Значи количеството на движение (импулсът му) докато лети е равно на произведението от масата му по скоростта. Като спре – импулсът му е нула. Промяната на количеството на движение значи е равна на масата по скоростта на светлината.  Съгласно опитите на Лебедев, светлината оказва налягане върху повърхността на черната пластинка и това налягане е равно на енергията на светлината върху скоростта на светлината. Предполагайки, че всичко става за единица площ и за единица време, можем да приравним промяната на количеството на движението и налягането. Получаваме

Масата по скоростта на светлината = енергията върху скоростта на светлината

тоест

Енергията (на фотона) = масата (на фотона) по скоростта на светлината на квадрат!!!

И ето как светлинните корпускули съгласно Нютон (и с малко помощ от Лебедев) се оказаха с маса, която се изчислява по формулата на Айнщайн за връзката между масата и енергията. И оттук човек може да почне да си мисли  – що ли за маса е това и че освен масата в покой може и да има още някаква маса, свързана с движението (и съвсем да му се объркат представите какво е това маса).

И накрая идваме до третия принцип на Нютон, който самият Нютон обяснява така: Ако имаме две допиращи се тела и третият принцип не е верен, т.е. едното тяло действа на другото с по-голяма сила, отколкото второто тяло действа на първото, то ще се появи постоянно ускорение до безкрайност за тялото, съставено от двете тела, но това е нарушение на първия принцип (появява се ускорение без да е налице външна сила).

На основата на трите принципа на механиката Нютон извежда закона за всемирното привличане. Този закон е проверяван, проверяван, проверяван … и  се счита за верен или изпълнен с твърде голяма точност (констатирани са някои малки отклонения, повечето вследствие на неточни данни, но има и такива, които биха накарали човек да се замисли). Да се замисли или не, че законът на Нютон може да е едно приближение (много добро приближение на реалната ситуация), но това не променя факта, че законът за всемирното привличане на Нютон е едно от най-големите постижения на класическата наука. И нека все пак споменем, че законът описва как се привличат телата, но не ни казва много за това какво е гравитацията (е, тя е свързана с масата на телата, ама защо ли?).  Дали гравитацията е свързана с тайнствения ефир (Нютон не бил във възторг от тази хипотеза, той по принцип не вярвал много на хипотези, нямащи експериментална основа), дали било нещо друго, Нютон не знаел.  Нютон не вярвал и в действието от разстояние без посредничеството на друг агент, пренасящ това действие. Някои тълкуват това като подкрепа на хипотезата, че Нютон бил привърженик на ефира, но нека пак отбележим, че за Нютон ефирът бил хипотеза без експериментално доказателство, т.е. нещо, към което трябвало да се подхожда с голямо съмнение. Притеглянето, пише Нютон, трябва да се осъществява от агент, постоянно действащ по определен закон. Днес не сме стигнали далеч в разбирането на този агент и след Айнщайн можем да кажем, че агентът е свързан някак със свойствата на пространството. Нютон си задавал въпроса с какво е запълнено пространството, в което няма никакви тела. Отговорът бил доста странен – за Нютон и в пространството пълно с тела и в празното пространство присъствал вездесъщият Бог  и даже писал в „Оптиката”, че Бог присъства винаги и във всички неща. Та според Нютон празното пространство било напълнено с Бог, не оказващ съпротивление на движението и регулиращ всемирното привличане. Доколко Нютон бил убеден в това ли? – ами то било поредната хипотеза без експериментална основа. Нютон имал навика да изказва такива хипотези, от които нужда имали хората около него. Той обаче не им вярвал много-много докато не се получело експериментално потвърждение.

  1. Кратко заключение към първата част

И тъй, полека се запътваме към втората част на хрониката, където ще бъдат описани административните дела на късния Нютон. Ще видим политикът Нютон, чиновникът Нютон и председателят Нютон, стоящ начело на общество, превърнало се в армия за налагане на Нютоновата система на света. Но както видяхте, железният администратор започва като настойчив, високо интелигентен учен със забележителни постижения в оптиката и механиката. Тежкият  труд при полиране на лещи и огледала калил характера и укрепил настойчивостта и преследването на целта до успех. Продължителните научни спорове с Робърт Хук дали опит на Нютон в продължителни битки със силни противници и развили политическите му умения. Методът на Нютон, приспособил метода на Евклид към естествените науки, му дал ефективен и ефикасен поглед към света. Нютон вече принадлежал към научния елит, т.е. бил в подходящата социална мрежа. Иначе казано, имало всички предпоставки „лъвът“ Нютон да направи административен скок. И той щял да го направи, както ще разберете от втората част на тази хроника.


Европейска нощ на учените 2022 г.: