Isaac
Newton
Bách khoa toàn thư mở
Wikipedia
Sir Isaac Newton
|
|
Isaac Newton 46 tuổi
Bức vẽ của Godfrey Kneller năm 1689 |
|
Sinh
|
|
Mất
|
|
Nơi
cư ngụ
|
|
Dân
tộc
|
|
Ngành
|
|
Học
trường
|
|
Các
sinh viên nổi tiếng
|
|
Nổi tiếng vì
|
|
Isaac Newton là một nhà vật lý, nhà thiên văn học, nhà triết học, nhà toán
học, nhà thần học và nhà giả kim người Anh. Theo lịch
Julius, ông sinh ngày 25
tháng 12 năm 1642
và mất ngày 20 tháng 3 năm 1727; theo lịch
Gregory, ông sinh ngày 4 tháng 1 năm 1643 và mất ngày 31 tháng
3 năm 1727.
Luận thuyết của ông về Philosophiae Naturalis
Principia Mathematica (Các Nguyên lý Toán học của Triết lý về Tự nhiên)
xuất bản năm 1687, đã mô tả về vạn vật hấp dẫn và 3 định luật Newton, được coi
là nền tảng của cơ học cổ điển, đã thống trị các quan niệm về vật
lý, khoa học trong suốt 3 thế kỷ tiếp theo. ông cho rằng sự chuyển động của các
vật thể trên mặt đất và các vật thể trong bầu trời bị chi phối bởi các định
luật tự nhiên giống nhau.
Trong cơ học, Newton đưa
ra nguyên lý bảo toàn động lượng (bảo toàn quán tính). Trong quang
học, ông khám phá ra sự tán sắc ánh
sáng, giải thích việc ánh sáng trắng qua lăng
kính trở thành nhiều màu.
Trong toán học, Newton
cùng với Gottfried Leibniz phát triển phép tính vi phân và
tích
phân. Ông cũng đưa ra nhị thức Newton tổng quát.
Năm 2005, trong một cuộc
thăm dò ý kiến của Hội Hoàng gia về nhân vật có
ảnh hưởng lớn nhất trong lịch sử khoa học, Newton vẫn là người được cho
rằng có nhiều ảnh hưởng hơn Albert
Einstein.[2]
Mục lục
|
Sự nghiệp
Isaac Newton sinh ra
trong một gia đình nông dân. May mắn cho nhân loại, Newton không làm ruộng giỏi
nên được đưa đến Đại học Cambridge để trở thành luật
sư. Tại Cambridge, Newton bị ấn tượng mạnh từ Euclid, tuy rằng tư
duy của ông cũng bị ảnh hưởng bởi trường phái của Roger Bacon
và René Descartes. Một đợt dịch bệnh đã khiến trường
Cambridge đóng cửa và trong thời gian ở nhà, Newton đã có những phát kiến khoa
học quan trọng, dù chúng không được công bố ngay.
Những người có ảnh hưởng
đến việc công bố các công trình của Newton là Robert
Hooke và Edmond Halley. Sau một cuộc tranh luận về chủ đề quỹ
đạo của một hạt
khi bay từ vũ trụ vào Trái
Đất với Hooke, Newton đã bị cuốn hút vào việc sử dụng định luật vạn vật hấp dẫn và cơ học
của ông trong tính toán quỹ đạo Johannes
Kepler. Những kết quả này hấp dẫn Halley và ông đã thuyết phục được Newton
xuất bản chúng. Từ tháng 8 năm 1684 đến mùa
xuân năm 1688,
Newton hoàn thành tác phẩm, mà sau này trở thành một trong những công trình nền
tảng quan trọng nhất cho vật lý
của mọi thời đại, cuốn Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Các
Nguyên lý Toán học của Triết lý về Tự nhiên).
Trong quyển I của tác
phẩm này, Newton giới thiệu các định nghĩa và ba định luật của chuyển động thường được biết với tên gọi
sau này là Định luật Newton. Quyển II trình bày các phương pháp luận khoa học mới của Newton thay thế
cho triết lý Descartes.
Quyển cuối cùng là các ứng dụng của lý thuyết động lực học của ông, trong đó có sự giải thích về thủy triều và lý thuyết về sự chuyển động của Mặt
Trăng. Để kiểm chứng lý thuyết về vạn vật hấp dẫn của ông, Newton đã hỏi nhà thiên văn John
Flamsteed kiểm tra xem Sao Thổ
có chuyển động chậm lại mỗi lần đi gần Sao Mộc
không. Flamsteed đã rất sửng sốt nhận ra hiệu ứng này có thật và đo đạc phù hợp
với các tính toán của Newton. Các phương trình của Newton được củng cố thêm bằng kết quả
quan sát về hình dạng bẹt của Trái Đất tại hai cực, thay vì lồi ra tại hai cực
như đã tiên đoán bởi trường phái Descartes. Phương trình của Newton cũng miêu
tả được gần đúng chuyển động Mặt Trăng, và tiên đoán chính xác thời điểm quay
lại của sao chổi Halley. Trong các tính toán về hình dạng
của một vật ít gây lực cản nhất khi nằm trong dòng chảy của chất lỏng hay chất
khí, Newton cũng đã viết ra và giải được bài toán giải tích biến phân đầu
tiên của thế giới.
Newton sáng tạo ra một
phương pháp khoa học rất tổng quát. Ông trình bày phương pháp luận của ông
thành bốn quy tắc của lý luận khoa học. Các quy tắc này được phát biểu trong
quyển Philosophiae Naturalis Principia Mathematica như sau:
- Các hiện tượng tự nhiên phải được giải thích bằng một hệ tối giản các quy luật đúng, vừa đủ và chặt chẽ.
- Các hiện tượng tự nhiên giống nhau phải có cùng nguyên nhân như nhau.
- Các tính chất của vật chất là như nhau trong toàn vũ trụ.
- Một nhận định rút ra từ quan sát tự nhiên chỉ được coi là đúng cho đến khi có một thực nghiệm khác mâu thuẫn với nó.
Bốn quy tắc súc tích và
tổng quát cho nghiên cứu khoa học này đã là một cuộc cách mạng về tư duy thực
sự vào thời điểm bấy giờ. Thực hiện các quy tắc này, Newton đã hình thành được
các định luật tổng quát của tự nhiên và giải thích được gần như tất cả các bài
toán khoa học vào thời của ông. Newton còn đi xa hơn việc chỉ đưa ra các quy
tắc cho lý luận, ông đã miêu tả cách áp dụng chúng trong việc giải quyết một
bài toán cụ thể. Phương pháp giải tích mà ông sáng tạo vượt trội các phương
pháp mang tính triết lý hơn là tính chính xác khoa học của Aristoteles
và Thomas
Aquinas. Newton đã hoàn thiện phương pháp thực nghiệm của Galileo
Galilei, tạo ra phương pháp tổng hợp vẫn còn được sử dụng cho đến ngày nay
trong khoa học. Những câu chữ sau đây trong quyển Opticks (Quang học) của
ông có thể dễ dàng bị nhầm lẫn với trình bày hiện đại của phương pháp nghiên
cứu thời nay, nếu Newton dùng từ "khoa học" thay cho "triết lý
về tự nhiên":
Cũng như trong toán học, trong triết lý về tự
nhiên, việc nghiên cứu các vấn đề hóc búa cần thực hiện bằng phương pháp phân
tích và tổng hợp. Nó bao gồm làm thí nghiệm, quan sát, đưa ra những kết luận
tổng quát, từ đó suy diễn. Phương pháp này sẽ giúp ta đi từ các hợp chất phức
tạp đến nguyên tố, đi từ chuyển động đến các lực tạo ra nó; và tổng quát là từ
các hiện tượng đến nguyên nhân, từ nguyên nhân riêng lẻ đến nguyên nhân tổng
quát, cho đến khi lý luận dừng lại ở mức tổng quát nhất. Tổng hợp lại các
nguyên nhân chúng ta đã khám phá ra thành các nguyên lý, chúng ta có thể sử
dụng chúng để giải thích các hiện tượng hệ quả.
Newton đã xây dựng lý
thuyết cơ
học và quang học cổ điển và sáng tạo ra giải
tích nhiều năm trước Gottfried
Leibniz. Tuy nhiên ông đã không công bố công trình về giải tích trước Leibniz. Điều này
đã gây nên một cuộc tranh cãi giữa Anh và lục địa châu Âu
suốt nhiều thập kỷ về việc ai đã sáng tạo ra giải tích trước. Newton đã phát
hiện ra định lý nhị thức đúng cho các tích của phân số, nhưng ông đã để cho John Wallis
công bố. Newton đã tìm ra một công thức cho vận tốc âm thanh, nhưng không phù
hợp với kết quả thí nghiệm của ông. Lý do cho sự sai lệch này nằm ở sự giãn nở
đoạn nhiệt, một khái niệm chưa được biết đến thời bấy giờ. Kết quả của Newton
thấp hơn γ½ lần thực tế, với γ là tỷ lệ các nhiệt dung
của không
khí.
Theo quyển Opticks,
mà Newton đã chần chừ trong việc xuất bản mãi cho đến khi Hooke mất, Newton đã
quan sát thấy ánh sáng trắng bị chia
thành phổ nhiều màu sắc, khi đi qua lăng
kính (thuỷ tinh của lăng kính có chiết suất thay đổi tùy màu). Quan điểm hạt về ánh sáng
của Newton đã xuất phát từ các thí nghiệm mà ông đã làm với lăng kính ở
Cambridge. Ông thấy các ảnh sau lăng kính có hình bầu dục chứ không tròn như lý
thuyết ánh sáng thời bấy giờ tiên đoán. Ông cũng đã lần đầu tiên quan sát thấy
các vòng giao
thoa mà ngày nay gọi là vòng Newton, một bằng chứng của
tính chất sóng của ánh sáng mà Newton đã không công nhận. Newton đã cho rằng
ánh sáng đi nhanh hơn trong thuỷ tinh, một kết luận trái với lý thuyết sóng ánh
sáng của Christiaan Huygens.
Newton cũng xây dựng một
hệ thống hoá học trong mục 31 cuối quyển Opticks. Đây cũng là
lý thuyết hạt, các "nguyên
tố" được coi như các sự sắp xếp khác nhau của những nguyên tử nhỏ và
cứng như các quả bi-a. Ông giải thích phản ứng hoá học dựa vào ái lực giữa các thành phần tham gia
phản ứng. Cuối đời (sau 1678)
ông thực hiện rất nhiều các thí nghiệm hoá học vô cơ mà không ra kết
quả gì.
Newton rất nhạy cảm với
các phản bác đối với các lý thuyết của ông, thậm chí đến mức không xuất bản các
công trình cho đến tận sau khi người hay phản bác ông nhất là Hooke mất. Quyển Philosophiae
Naturalis Principia Mathematica phải chờ sự thuyết phục của Halley mới ra
đời. Ông tỏ ra ngày càng lập dị vào cuối đời khi thực hiện các phản ứng hoá học
và cùng lúc xác định ngày tháng cho các sự kiện trong Kinh
Thánh. Sau khi Newton qua đời, người ta tìm thấy một lượng lớn thuỷ
ngân trong cơ thể của ông, có thể bị nhiễm trong lúc làm thí nghiệm. Điều
này hoàn toàn có thể giải thích sự lập dị của Newton.
Newton đã một mình đóng
góp cho khoa
học nhiều hơn bất cứ một nhân vật nào trong lịch sử của loài người. Ông đã
vượt trên tất cả những bộ óc khoa học lớn của thế giới cổ đại, tạo nên một miêu
tả cho vũ trụ không tự mâu thuẫn, đẹp và phù hợp với trực giác hơn mọi lý
thuyết có trước. Newton đưa ra cụ thể các nguyên lý của phương pháp khoa học có
thể ứng dụng tổng quát vào mọi lĩnh vực của khoa học. Đây là điều tương phản
lớn so với các phương pháp riêng biệt cho mỗi lĩnh vực của Aristoteles và
Aquinas trước đó.
Tuy các phương pháp của
Newton rất lôgic,
ông vẫn tin vào sự tồn tại của Chúa. Ông tin là sự đẹp đẽ hoàn hảo theo trật tự của tự nhiên
phải là sản phẩm của một Đấng Tạo hoá siêu nhân.
Ông cho rằng Chúa tồn tại mọi nơi và mọi lúc. Theo ông, Chúa sẽ thỉnh thoảng
nhúng tay vào sự vận hồi của thế gian để giữ gìn trật tự.
Cũng có các nhà triết học
trước như Galileo và John Philoponus sử dụng
phương pháp thực nghiệm, nhưng Newton là người đầu tiên định nghĩa cụ thể và hệ
thống cách sử dụng phương pháp này. Phương pháp của ông cân bằng giữa lý thuyết
và thực nghiệm, giữa toán
học và cơ học. Ông toán học hoá mọi khoa học về tự nhiên, đơn giản
hoá chúng thành các bước chặt chẽ, tổng quát và hợp lý, tạo nên sự bắt đầu của
Kỷ nguyên Suy luận. Những nguyên lý mà Newton đưa ra do đó vẫn giữ nguyên giá
trị cho đến thời đại ngày nay. Sau khi ông ra đi, những phương pháp của ông đã
mang lại những thành tựu khoa học lớn gấp bội những gì mà ông có thể tưởng
tượng lúc sinh thời. Các thành quả này là nền tảng cho nền công nghệ mà chúng
ta được hưởng ngày nay.
Không ngoa dụ chút nào
khi nói rằng Newton là danh nhân quan trọng nhất đóng góp cho sự phát triển của
khoa học hiện đại. Như nhà thơ Alexander Pope đã viết:
Nature
and Nature's laws lay hid in night
God
said, Let Newton be!
and
all was light
|
Tự
nhiên im lìm trong bóng tối
Chúa
bảo rằng Newton ra đời!
Và
ánh sáng bừng lên khắp lối
|
Tiểu sử
Quyển Philosophiae Naturalis Principia Mathematica của Newton
Isaac Newton sinh ra tại
một ngôi nhà ở Woolsthorpe, gần Grantham ở Lincolnshire,
Anh, vào ngày 25
tháng 12 năm 1642
(4 tháng 1, 1643 theo lịch mới). Ông chưa một lần nhìn thấy mặt cha, do cha
ông, một nông dân cũng tên là Isaac Newton, mất trước khi ông sinh ra không
lâu. Sống không hạnh phúc với bố dượng từ nhỏ, Newton bắt đầu những năm học phổ
thông trầm uất, xa nhà và bị gián đoạn bởi các biến cố gia đình. May mắn là do
không có khả năng điều hành tài chính trong vai anh cả sau khi bố dượng mất,
ông tiếp tục được cho học đại học (trường Trinity College Cambridge) sau phổ
thông vào năm 1661,
sử dụng học bổng của trường với điều kiện phải phục dịch các học sinh đóng học
phí.
Mục tiêu ban đầu của
Newton tại Đại học Cambridge là tấm bằng luật sư với chương
trình nặng về triết học của Aristotle, nhưng ông nhanh chóng bị cuốn hút bởi toán
học của Descartes, thiên văn học của Galileo và cả quang
học của Kepler. Ông đã viết trong thời gian này: "Plato là bạn của tôi,
Aristotle là bạn của tôi, nhưng sự thật mới là người bạn thân thiết nhất của
tôi". Tuy nhiên, đa phần kiến thức toán học cao cấp nhất thời bấy giờ,
Newton tiếp cận được là nhờ đọc thêm sách, đặc biệt là từ sau năm 1663, gồm các
cuốn Elements của Euclid, Clavis Mathematica của William Oughtred, La
Géométrie của Descartes, Geometria a Renato Des Cartes của Frans van Schooten, Algebra
của Wallis và các công trình của François Viète.
Ngay sau khi nhận bằng
tốt nghiệp, năm 1630,
ông phải trở về nhà 2 năm vì trường đóng cửa do bệnh dịch
hạch lan truyền. Hai năm này chứng kiến một loạt các phát triển quan trọng
của Newton với phương pháp tính vi phân và
tích
phân hoàn toàn mới, thống nhất và đơn giản hoá nhiều phương pháp tính khác
nhau thời bấy giờ để giải quyết những bài toán có vẻ không liên quan trực tiếp
đến nhau như tìm diện tích, tìm tiếp tuyến, độ dài đường cong và cực trị của
hàm. Tài năng toán học của ông nhanh chóng được hiệu trưởng của Cambridge nhận
ra khi trường mở cửa trở lại. Ông được nhận làm giảng viên của trường năm 1670, sau khi hoàn
thành thạc sĩ, và bắt đầu nghiên cứu và giảng về quang
học. Ông lần đầu chứng minh ánh sáng trắng thực ra được tạo thành bởi nhiều
màu sắc, và đưa ra cải tiến cho kính thiên văn sử dụng gương thay thấu kính để
hạn chế sự nhoè ảnh do tán sắc ánh sáng qua thuỷ tinh.
Newton được bầu vào Hội Khoa học Hoàng
gia Anh năm 1672
và bắt đầu vấp phải các phản bác từ Huygens và Hooke về lý thuyết hạt ánh sáng
của ông. Lý thuyết về màu sắc ánh sáng của ông cũng bị một tác giả phản bác và
cuộc tranh cãi đã dẫn đến suy sụp tinh thần cho Newton vào năm 1678. Năm 1679 Newton và Hooke
tham gia vào một cuộc tranh luận mới về quỹ đạo của thiên thể trong trọng
trường. Năm 1684,
Halley thuyết phục được Newton xuất bản các tính toán sau cuộc tranh luận này
trong quyển Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Các Nguyên lý
của Triết lý về Tự Nhiên). Quyển sách đã mang lại cho Newton tiếng tăm vượt ra
ngoài nước Anh, đến châu Âu.
Năm 1685, chính trị nước
Anh thay đổi dưới sự trị vì của James II, và trường Cambridge phải tuân thủ những
điều luật phi lý như buộc phải cấp bằng cho giáo chủ không thông qua thi cử.
Newton kịch liệt phản đối những can thiệp này và sau khi James bị William III đánh bại, Newton được bầu vào Nghị viện Anh nhờ những đấu tranh chính trị của ông.
Năm 1693, sau nhiều năm làm
thí nghiệm hoá học thất bại và sức khoẻ suy sụp nghiêm trọng, Newton từ bỏ khoa
học, rời Cambridge để về nhận chức trong chính quyền tại Luân
Đôn. Newton tích cực tham gia hoạt động chính trị và trở nên giàu có nhờ
bổng lộc nhà nước. Năm 1703
Newton được bầu làm chủ tịch Hội Khoa học Hoàng
gia Anh và giữ chức vụ đó trong suốt phần còn lại của cuộc đời ông. Ông
được Nữ hoàng phong bá tước năm 1705. việc ai phát minh
ra vi phân và tích phân, Newton và Lepnic không bao giờ tranh luận cả, nhưng
các người hâm mộ lại tranh cãi quyết liệt khiến hai nhà khoa học vĩ đại này cảm
thấy xấu hổ. Ông mất ngày 31 tháng 3 năm 1727 tại Luân Đôn.
Nghiên cứu khoa học
Quang học
Quyển Opticks của Newton
Từ năm 1670 đến 1672, Newton diễn
thuyết về quang học. Trong khoảng thời gian này ông khám phá ra sự tán sắc ánh
sáng, giải thích việc ánh sáng trắng qua lăng kính
trở thành nhiều màu, và một thấu
kính hay một lăng kính sẽ hội tụ các dãy màu thành ánh sáng
trắng.
Newton còn cho thấy rằng
ánh sáng màu không thay đổi tính chất, bằng việc phân tích các tia màu và chiếu
vào các vật khác nhau. Newton chú ý rằng dù là gì đi nữa, phản
xạ, tán xạ hay truyền qua, màu
sắc vẫn giữ nguyên. Vì thế màu mà ta quan sát là kết quả vật tương tác với
các ánh sáng đã có sẵn màu sắc, không phải là kết quả của vật tạo ra màu.
Tác phẩm
- Method of Fluxions (1671)