Ньютон проводит опыты с призмой в своей комнате в колледже Святой Троицы.
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.
Богиня Артемида с портретом Ньютона.
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».
Уильям Блейк. Исаак Ньютон. Цветная гравюра, 1795 г.
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.
«Начала» 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.
