Isaac Newton

Sir Isaac Newton PRS (25 tháng 12 năm 1642 – 20 tháng 3 năm 1726 (lịch cũ)) là một nhà toán học, nhà vật lý, nhà thiên văn học, nhà thần học, và tác giả (ở thời của ông được gọi là "nhà triết học tự nhiên") người Anh, người được công nhận rộng rãi là một trong những nhà toán học vĩ đại nhất và nhà khoa học ảnh hưởng nhất mọi thời đại và là một hình ảnh điển hình trong cách mạng khoa học. Luận thuyết của ông Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (tạm dịch: Các Nguyên lý Toán học của Triết học Tự nhiên), xuất bản lần đầu năm 1687, đã đặt ra nền tảng cho cơ học cổ điển. Newton cũng có các đóng góp quan trọng cho quang học, và cùng với Gốt-phrit Vin-hem Lai-bnít (Gottfried Wilhelm Leibniz) là những người phát triển lên phép tính vi tích phân vô cùng bé.

Trong Principia, Newton thiết lập các định luật về chuyển động và định luật vạn vật hấp dẫn đã thống trị các quan điểm vật lý học và khoa học trong hơn hai trăm năm trước khi bị thay thế bởi thuyết tương đối. Newton đã sử dụng công cụ toán học của ông để miêu tả lực hấp dẫn và suy luận ra các định luật Kepler về chuyển động thiên thể, giải thích hiện tượng thủy triều, tính toán đường đi của các sao chổi, sự tiến động của điểm xuân phân và các hiện tượng khác, loại bỏ hết các nghi ngờ về thuyết nhật tâm của hệ Mặt Trời. Ông chứng minh rằng chuyển động của các vật thể trên Trái Đất và các thiên thể được miêu tả bởi cùng các nguyên lý. Lập luận của Newton về Trái Đất là một hình phỏng cầu sau đó đã được xác nhận bằng các đo đạc trắc địa bởi Maupertuis, La Condamine, và những người khác, thuyết phục hầu hết các nhà khoa học châu Âu về tính ưu việt của cơ học Newton so với các hệ thống trước đó.

Newton đã chế tạo kính thiên văn phản xạ thực tế đầu tiên và phát triển một lý thuyết phức tạp về màu sắc dựa trên quan sát rằng một lăng kính phân tách ánh sáng trắng thành các màu của quang phổ nhìn thấy được. Công trình nghiên cứu về ánh sáng của ông đã được tập hợp trong cuốn sách có ảnh hưởng lớn Opticks, xuất bản năm 1704. Ông cũng đưa ra định luật thực nghiệm về sự tiêu tán nhiệt, thực hiện phép tính lý thuyết đầu tiên về tốc độ âm thanh và đưa ra khái niệm về chất lỏng Newton. Ngoài nghiên cứu về phép tính vi tích phân, nhà toán học Newton đã đóng góp vào việc nghiên cứu chuỗi lũy thừa, khái quát định lý nhị thức cho số mũ không nguyên, phát triển phương pháp tính gần đúng tìm nghiệm thực của một hàm số và phân loại hầu hết các đường cong phẳng bậc ba.

Newton là một thành viên của trường Trinity College và đảm nhiệm chức danh giáo sư toán học Lucas thứ hai tại đại học Cambridge. Ông là một người sùng đạo Kitô hữu không chính thống, và cũng không thừa nhận học thuyết về chúa Ba Ngôi một cách kín đáo. Không như những thành viên khác của khoa Cambridge thời đó, ông đã từ chối nhận chức Thánh trong Giáo hội Anh. Ngoài nghiên cứu về khoa học toán học, Newton đã dành phần lớn thời gian của mình cho việc nghiên cứu về thuật giả kim và niên đại Kinh thánh, nhưng hầu hết các công trình của ông trong các lĩnh vực đó vẫn chưa được xuất bản cho đến rất lâu sau khi ông qua đời. Về mặt chính trị và cá nhân gắn liền với đảng Whig, Newton đã phục vụ hai nhiệm kỳ ngắn với tư cách là nghị sĩ Quốc hội của đại học Cambridge, vào các năm 1689–1690 và 1701–1702. Ông được Nữ vương Anne phong tước hiệp sĩ ( quý tộc) vào năm 1705 và trải qua ba thập kỷ cuối cùng của cuộc đời mình ở Luân Đôn, phục vụ với tư cách là người đứng đầu (Warden of the Mint) (1696–1699) và chủ tịch (Master of the Mint) (1699–1727) của Sở đúc tiền Hoàng gia (Royal Mint), cũng như là chủ tịch của Hội Hoàng gia (1703 –1727).

Cuộc đời

Tuổi trẻ

Isaac Newton được sinh ra (theo lịch Julius, đang được sử dụng ở Anh vào thời điểm đó) vào ngày Giáng sinh, 25 tháng 12 năm 1642 (lịch mới là ngày 4 tháng 1 năm 1643) "một hoặc hai giờ sau nửa đêm", tại trang viên Woolsthorpe ở Woolsthorpe-by-Colsterworth, một ngôi làng ở hạt Lincolnshire. Cậu bé bị sinh non và những người có mặt lúc ấy nghĩ rằng Newton không thể sống được. Cậu chưa một lần nhìn thấy mặt cha, do cha mình – một nông dân tên là Isaac Newton Sr., mất trước khi cậu sinh ra ba tháng. Newton là một trẻ sơ sinh bé nhỏ, theo mẹ của ông là bà Hannah Ayscough thì cậu có thể cho vừa vào một chiếc cốc to bằng một quart (hơn 1 lít). Khi Newton lên ba tuổi, mẹ cậu tái hôn và đến sống với người chồng mới, mục sư Barnabas Smith, để lại con trai cho bà ngoại, Margery Ayscough (nhũ danh Blythe) chăm sóc. Newton không thích cha dượng của mình và có ác cảm với mẹ mình, dựa trên một tội trong danh sách những tội lỗi cậu đã phạm cho đến tuổi 19: "Threatening my father and mother Smith to burn them and the house over them" (Doạ cha tôi và mẹ tôi — Smith sẽ thiêu sống họ và đốt nhà của họ). Mẹ của Newton có ba người con (Mary, Benjamin và Hannah) từ cuộc hôn nhân thứ hai.

Khi cậu ở tuổi từ khoảng 12 đến 17, cậu học tại King's School, Grantham, nơi mà cậu học tiếng Latinh và tiếng Hy Lạp và có thể là một nền tảng quan trọng cho việc học toán. Sau đó, Newton rời khỏi trường và đến tháng 10 năm 1659, cậu có mặt tại Woolsthorpe-by-Colsterworth, nơi mà mẹ cậu, lần thứ hai góa bụa, đã cố gắng thuyết phục cậu trở thành một nông dân. Nhưng Newton lại ghét việc đồng áng. Henry Stocks, thầy của cậu tại King's School, đã thuyết phục mẹ ông cho cậu quay trở lại trường học để cậu có thể tiếp tục việc học của mình. Newton đã trở thành một trong những học sinh đứng đầu trường, một phần vì muốn trả đũa những học sinh đã bắt nạt cậu vượt lên thành một học sinh ưu tú bằng việc làm ra những đồng hồ Mặt Trời và tạo các mô hình cối xay gió thô sơ.

Vào tháng 6 năm 1661, Newton được gửi tới Trường đại học Trinity, Cambridge theo như đề xuất của một người thân và cũng là cựu sinh viên của trường này – cậu của Newton William Ayscough(có một số nguồn, sách khác lại ghi tên cậu của Newton là James Ayscough) . Ban đầu ông làm các công việc lặt vặt được trả thù lao như một người giúp việc cho đến khi cậu được trao học bổng vào năm 1664, đảm bảo cho cậu thêm bốn năm cho đến khi có thể lấy được bằng tốt nghiệp đại học. Vào thời điểm đó, giáo trình của ngôi trường dựa trên triết học của Aristoteles, nhưng cậu nhanh chóng bị cuốn hút bởi toán học của Descartes, thiên văn học của Galileo và Thomas Street mà qua đó cậu đọc được các nghiên cứu của Kepler. Newton đã viết một loạt các câu hỏi ("Quaestiones") về triết học cơ học trong thời gian này. Năm 1665, cậu phát hiện ra định lý nhị thức tổng quát và bắt đầu phát triển một lý thuyết toán học mà sau này trở thành vi tích phân. Ngay sau khi Newton lấy bằng cử nhân vào tháng 8 năm 1665, trường đại học tạm thời đóng cửa để đề phòng đại dịch hạch. Mặc dù cậu không được đánh giá cao khi còn là sinh viên Cambridge, các nghiên cứu riêng của Newton tại nhà ở Woolsthorpe trong hai năm sau đó đã chứng kiến sự phát triển các lý thuyết của ông về vi tích phân, quang học và định luật hấp dẫn.

Vào tháng 4 năm 1667, cậu quay trở lại Cambridge và vào tháng 10 được nhận làm giảng viên của Trinity. Các nghiên cứu sinh được yêu cầu trở thành linh mục được thụ phong, mặc dù điều này không được thực hiện trong những năm tái thiết và chỉ cần họ tuân theo giáo hội Anh là đủ. Tuy nhiên, đến năm 1675, vấn đề này không thể tránh khỏi và lúc đó những quan điểm khác thường của cậu đã gây cản trở. Tuy nhiên, Newton đã tránh được điều đó bằng cách xin phép đặc biệt từ nhà vua Charles II của Anh.

Các nghiên cứu của cậu đã gây ấn tượng với giáo sư Lucas Isaac Barrow, người luôn lo lắng để phát triển tiềm năng quản trị và tôn giáo của riêng mình (ông trở thành hiệu trưởng của trường Trinity hai năm sau đó); năm 1669 Newton kế nhiệm chức danh giáo sư Lucas của ông, chỉ một năm sau khi nhận bằng Thạc sĩ. Ông được bầu làm thành viên của Hội Hoàng gia London (FRS) vào năm 1672.

Trung niên

Toán học

Công trình của Newton đã được cho là "thúc đẩy rõ rệt mọi ngành toán học được nghiên cứu sau đó." Công trình của ông về chủ đề này thường được gọi là thông lượng (fluxion) hoặc phép tính (calculus), được thấy trong một bản thảo vào tháng 10 năm 1666, hiện đã được xuất bản trong số các bài báo toán học của Newton. Tác giả của bản thảo De analysi per aequationes numro terminorum infinitas, do Isaac Barrow gửi đến nhà toán học John Collins vào tháng 6 năm 1669, được Barrow xác nhận trong một bức thư gửi cho Collins vào tháng 8 năm đó là "[...] của một thiên tài phi thường và thành thạo những thứ này."

Newton sau đó đã tham gia vào một cuộc tranh luận với Leibniz về ai là người đầu tiên phát triển phép tính vi tích phân (cuộc tranh luận về phép tính vi tích phân Leibniz–Newton). Hầu hết các nhà sử học hiện đại tin rằng Newton và Leibniz đã phát triển phép tính một cách độc lập, mặc dù với các ký hiệu toán học rất khác nhau. Đôi khi người ta cho rằng Newton hầu như không công bố gì về nó cho đến năm 1693, và không đưa ra miêu tả đầy đủ cho đến năm 1704, trong khi Leibniz bắt đầu xuất bản một bản thảo đầy đủ về các phương pháp của mình vào năm 1684. Ký hiệu của Leibniz và phương pháp vi phân, ngày nay được sử dụng và công nhận rộng rãi hơn, được chấp nhận bởi các nhà toán học lục địa châu Âu, và sau 1820 hoặc hơn, cũng bởi các nhà toán học Anh.

Nghiên cứu của ông sử dụng rộng rãi phép tính vi tích phân ở dạng hình học dựa trên các giá trị giới hạn của tỷ số các đại lượng vô cùng bé: trong chính quyển Principia, Newton đã chứng minh điều này dưới tên "phương pháp của tỷ lệ đầu tiên và tỷ lệ cuối cùng" và giải thích lý do tại sao ông trình bày ở dạng này, với ghi chú rằng "tại đây điều tương tự được thực hiện như bằng phương pháp phân chia."

Bởi vì điều này, Principia đã được gọi là "một cuốn sách dày về lý thuyết và ứng dụng của phép tính vô cùng bé" trong thời hiện đại và trong thời của Newton là "gần như tất tần tật về phép tính này." Việc sử dụng của ông về các phương pháp liên quan đến "một hoặc nhiều bậc của đại lượng nhỏ vô cùng nhỏ" được trình bày trong De motu corporum in gyrum của ông năm 1684 và trong các bài báo về chuyển động của ông "trong hai thập kỷ trước năm 1684".

Newton đã miễn cưỡng xuất bản phép tính của mình vì ông sợ các tranh cãi và chỉ trích. Ông thân thiết với nhà toán học Thụy Sĩ Nicolas Fatio de Duillier. Năm 1691, Duillier bắt đầu viết một ấn bản mới của Principia, và trao đổi thư từ với Leibniz. Năm 1693, mối quan hệ giữa Duillier và Newton trở nên xấu đi và cuốn sách không bao giờ được hoàn thành.

Bắt đầu từ năm 1699, các thành viên khác của Hội Hoàng gia đã buộc tội Leibniz sao chép các nghiên cứu của Newton. Cuộc tranh cãi sau đó bùng phát mạnh mẽ vào năm 1711 khi Hội Hoàng gia tuyên bố trong một nghiên cứu rằng chính Newton mới là người phát hiện ra và gán cho Leibniz là một kẻ lừa đảo; sau đó người ta thấy rằng Newton đã viết các nhận xét kết luận của nghiên cứu về Leibniz. Do đó, cuộc tranh cãi gay gắt bắt đầu đã làm cuộc đời của cả Newton và Leibniz bị hủy hoại cho đến khi Leibniz qua đời vào năm 1716.

Newton được công nhận với khám phá về định lý nhị thức tổng quát, áp dụng đối với bất kỳ số mũ nào. Ông cũng khám phá ra đồng nhất thức Newton, phương pháp Newton, phân loại các đường cong phẳng bậc ba (đa thức bậc ba có hai biến số), đóng góp đáng kể vào lý thuyết sai phân hữu hạn và là người đầu tiên sử dụng chỉ số phân số và sử dụng hệ tọa độ để tìm ra các nghiệm của phương trình Diophantos. Ông đã tính gần đúng tổng từng phần của chuỗi điều hòa bằng logarit (tiền thân của công thức tính tổng của Euler) và là người đầu tiên tự tin sử dụng chuỗi lũy thừa và nghịch đảo của chuỗi. Công trình của Newton về chuỗi vô hạn được lấy cảm hứng từ số thập phân của Simon Stevin.

Khi Newton nhận bằng thạc sĩ và trở thành thành viên của "Hội Chúa Ba Ngôi Thần Thánh và Không phân chia" vào năm 1667, ông đã cam kết rằng "Tôi sẽ đặt Thần học làm đối tượng nghiên cứu của mình và sẽ thực hiện các mệnh lệnh thánh trong thời gian quy định của các quy chế này [7 năm] có hiệu lực, nếu không tôi sẽ từ chức khỏi hội." Cho đến thời điểm này, ông vẫn chưa nghĩ nhiều về tôn giáo và đã hai lần ký vào thỏa thuận với ba mươi chín điều khoản, cơ sở của học thuyết Giáo hội Anh.

Ông được bổ nhiệm chức danh giáo sư toán học Lucas vào năm 1669, theo đề nghị của Barrow. Trong thời gian đó, bất kỳ thành viên nào của một trường cao đẳng tại Cambridge hoặc Oxford đều phải nhận chức thánh và trở thành một linh mục Anh giáo được truyền chức. Tuy nhiên, các điều khoản của chức vụ giáo sư Lucas yêu cầu người nắm giữ chức danh không được hoạt động trong nhà thờ - có lẽ là để có nhiều thời gian hơn cho khoa học. Newton lập luận rằng từ điều này nên miễn cho ông ta khỏi yêu cầu trở thành linh mục, và vua Charles II, người quyết định đặc ân, đã chấp nhận đề xuất này. Do đó, xung đột giữa quan điểm tôn giáo của Newton và chính thống của Anh giáo đã không xảy ra.

Quang học

Năm 1666, Newton quan sát thấy quang phổ của màu sắc thoát ra khỏi lăng kính ở vị trí có độ lệch cực tiểu là thuôn dài, ngay cả khi tia sáng đi vào lăng kính là hình tròn, nghĩa là lăng kính khúc xạ các màu khác nhau theo các góc khác nhau. Điều này khiến ông kết luận rằng màu sắc là một thuộc tính nội tại của ánh sáng - một điểm mà cho đến lúc đó vẫn còn là một vấn đề tranh luận.

Từ 1670 đến 1672, Newton giảng về quang học. Trong thời kỳ này, ông đã nghiên cứu sự khúc xạ của ánh sáng, chứng minh rằng quang phổ nhiều màu do lăng kính tạo ra có thể được tổng hợp bằng thấu kính và lăng kính thứ hai để chuyển thành ánh sáng trắng. Các học giả hiện đại đã phát hiện ra rằng nghiên cứu phân tích và tái tổng hợp ánh sáng trắng của Newton có liên hệ với thuật giả kim cũng được ông nghiên cứu.

Ông đã chỉ ra rằng ánh sáng có màu không thay đổi tính chất của nó bằng cách tách ra một chùm màu và chiếu nó lên các vật thể khác nhau, và bất kể là phản xạ, tán xạ hay truyền đi, ánh sáng vẫn có cùng một màu. Do đó, ông nhận thấy rằng màu sắc là kết quả của các vật thể tương tác với ánh sáng đã có màu chứ không phải là các vật thể tự tạo ra màu sắc. Đây được gọi là lý thuyết về màu sắc của Newton.

Từ công trình nghiên cứu này, ông kết luận rằng thấu kính của bất kỳ kính thiên văn khúc xạ nào cũng sẽ bị phân tán ánh sáng thành nhiều màu sắc (sắc sai, chromatic aberration). Để chứng minh cho khái niệm này, ông đã chế tạo một kính thiên văn bằng cách sử dụng gương phản chiếu thay vì thấu kính làm vật kính để vượt qua vấn đề đó. Dựa vào thiết kế, kính thiên văn có chức năng phản xạ đầu tiên được xây dựng, ngày nay được gọi là kính thiên văn Newton, liên quan đến việc giải quyết vấn đề về vật liệu gương phù hợp và kỹ thuật tạo hình. Newton đã tự mài gương từ một thành phần tùy chỉnh của miếng gương kim loại có độ phản xạ cao, sử dụng hiện tượng các vòng Newton để đánh giá chất lượng quang học cho kính thiên văn của ông. Cuối năm 1668, ông làm xong chiếc kính thiên văn phản xạ đầu tiên này. Nó dài khoảng 8 inch và cho hình ảnh rõ ràng và lớn hơn. Năm 1671, hội Hoàng gia yêu cầu trình diễn kính thiên văn phản xạ của ông. Sự quan tâm của họ đã khuyến khích ông xuất bản các ghi chú của mình, thành cuốn Of Colors, mà sau này ông mở rộng thành tác phẩm Opticks. Khi Robert Hooke phê bình một số ý tưởng của Newton, Newton đã bị xúc phạm đến mức ông rút lui khỏi cuộc tranh luận công khai. Newton và Hooke đã có những cuộc trao đổi ngắn vào năm 1679–80, khi Hooke, được chỉ định quản lý thông tấn của hội Hoàng gia, mở ra một loạt trao đổi thư từ nhằm gợi ý những đóng góp từ Newton cho các tạp chí của hội Hoàng gia, đã có tác dụng thúc đẩy Newton nghiên cứu chứng minh rằng dạng elip của quỹ đạo hành tinh sẽ là kết quả của lực hướng tâm tỷ lệ nghịch với bình phương của vectơ bán kính. Nhưng hai người nói chung vẫn giữ quan hệ không tốt cho đến khi Hooke qua đời.

Đọc tiếp trên Wikipedia

Nội dung từ bài Wikipedia “Isaac Newton”, theo giấy phép CC BY-SA 4.0.

Đang tải bài viết từ Wikipedia…