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 Cambridgeđóng cửa và trong thời gian ở nhà, Newtonđã 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 lý thuyết 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
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 Newtonđược 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 Newtoncũng 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. Newtoncòn 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. Newtonđã 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, Newtonđã 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 Newtonqua 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. Newtonđưa 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 Newtonrất 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
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 sớm vào tháng 10 năm 1662. 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 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 1665, ông phải trở về nhà 2 năm vì
trường đóng cửa do dịch cúm. 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 tước hiệp sĩ năm 1705. Những năm cuối đời, Newton trải qua
một cuộc cãi cọ phức tạp với Leibniz về việc ai là người sáng tạo ra giải tích
trước. Ông mất ngày 31 tháng 3 năm 1727 tại Luân Đôn.
Nghiên cứu khoa học
Quang học
Quyển “Opticks” (Quang học) của NewtonTừ 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.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).