Ньютон, очевидно, был умным молодым человеком, но особых признаков математического таланта не демонстрировал, и школьные отзывы характеризуют его как бездельника и невнимательного ученика. В этот момент мать забрала его из школы; она намеревалась подготовить Исаака к управлению фермой – обычное по тем временам занятие для старшего сына, но он проявил к этому еще меньше интереса, чем к школьным занятиям. Брат – дядя Исаака – убедил Анну в том, что мальчику следовало бы продолжить обучение в университете, в Кембридже, поэтому Исаака вновь отослали в Грэнтем заканчивать школу.
В 1661 г. Ньютон поступил в Кембридже в Тринити-колледж, где планировал получить ученую степень юриста. Курс обучения основывался на философии Аристотеля, однако на третьем курсе ему разрешили читать труды Декарта, философа и ученого Пьера Гассенди, философа Томаса Хоббса и физика Роберта Бойля. Он изучил работы Галилея и познакомился с теорией Коперника, согласно которой Земля обращается вокруг Солнца. Он прочел «Оптику» Кеплера. Как Ньютон познакомился с серьезной продвинутой математикой, вопрос более туманный. Как писал Абрахам де Муавр, все началось с того, что Ньютон купил на ярмарке книгу по астрологии и не смог разобраться в математических выкладках. Он попытался вникнуть в тригонометрию – и обнаружил, что не знает основ геометрии; он пошел и купил издание Евклида в переводе Исаака Барроу. Содержание книги казалось Ньютону тривиальным, пока он не добрался до теоремы о площади параллелограмма, которая произвела на него сильное впечатление. После этого он проглотил сразу несколько серьезных математических книг: «Ключ к математике» Уильяма Отреда, «Геометрию» Декарта, работы Франсуа Виета, «Геометрию Рене Декарта» Франса ван Шутена и «Алгебру» Джона Валлиса. Валлис использовал для вычисления площади, ограниченной параболой и гиперболой, неделимые, то есть бесконечно малые, величины. Ньютон обдумал это и написал: «Так делает Валлис, но можно делать и так…» Он уже начинал предлагать собственные доказательства и идеи, вдохновленный великими математиками, но не порабощенный ими. Методы Валлиса были интересны, но ни в коем случае не священны. Ньютон мог сделать лучше.
В 1663 г. Барроу занял лукасовскую кафедру и стал членом Тринити-колледжа, где учился Ньютон, но нет никаких свидетельств того, что он отметил какие-то особые таланты в этом молодом студенте. Талант Ньютона расцвел в 1665 г., когда студентов университета разослали по домам в связи с эпидемией чумы. В тишине и покое линкольнширской деревни Ньютон, не отвлекаемый городской суетой, обратил все внимание на физику и математику. За 1665 и 1666 гг. он разработал свой Закон всемирного тяготения, объяснявший движение Луны и планет, вывел законы движения, которые описывали движущиеся тела, изобрел математический анализ и совершил несколько значительных открытий в оптике. Публиковать все это он не стал, а просто вернулся в Кембридж, чтобы получить степень магистра, и был избран членом Тринити-колледжа. В 1669 г., когда Барроу ушел в отставку, он был назначен лукасовским профессором математики, а в 1672 г. стал членом Королевского общества.
После 1690 г. Ньютон писал трактаты по интерпретации Библии и занимался алхимическими экспериментами. Он занимал важные административные посты и со временем стал директором Королевского монетного двора. В 1703 г. Ньютон был избран президентом Королевского общества, а в 1705 г., когда королева Анна посетила Тринити-колледж в Кембридже, возведен в рыцарское достоинство. До него единственным ученым, удостоившимся такой чести, был Фрэнсис Бэкон. Во время краха биржевого пузыря – Компании южных морей – Ньютон потерял свое состояние и переехал жить под Уинчестер к племяннице и ее мужу, а в 1727 г. в Лондоне умер во сне. Подозревали отравление ртутью, так как в волосах Ньютона были обнаружены следы этого металла. Это согласуется с алхимическими экспериментами ученого и, возможно, объясняет его эксцентричность в старости.
Одно из ранних открытий Ньютона показывает его как мастера координатной геометрии. К тому времени было уже известно, что конические сечения определяются квадратными уравнениями. Ньютон исследовал кривые, определяемые кубическими уравнениями. Он обнаружил среди них 72 разновидности (мы сегодня признаем 78) и объединил их в четыре различных типа. В 1717 г. Джеймс Стирлинг доказал, что каждая кубическая кривая принадлежит к одному из этих типов. Ньютон утверждал, что все четыре типа проективно эквивалентны, и доказательство этому было найдено в 1731 г. Во всех этих открытиях Ньютон намного опередил свое время, и широкий контекст алгебраической и проективной геометрии, в который они прекрасно вписываются, по-настоящему проявился лишь несколько столетий спустя.
Если верить апокрифическому, скорее всего, анекдоту, одно из практических изобретений Ньютона родилось в ходе его ранних работ в области оптики, около 1670 г. Каждый школьник знает, что стеклянная призма расщепляет белый солнечный свет на все цвета радуги. Это открытие принадлежит Ньютону, проводившему соответствующие эксперименты у себя на чердаке. Однако в этой истории есть один любопытный момент. У Ньютона была кошка, причем весьма упитанная, поскольку хозяин, погруженный в научные исследования, забывал следить за питанием кошки и откровенно ее перекармливал. У кошки была привычка открывать лапой дверь на чердак, чтобы посмотреть, чем занят Исаак; при этом солнечные лучи, проникавшие в дверь, мешали молодому ученому проводить оптические эксперименты. Так что Ньютон прорезал в двери отверстие для кошки и завесил его куском войлока (получается, что именно он первым придумал такое приспособление). Когда у кошки появились котята, он прорезал рядом с первым отверстием второе, поменьше. (Пожалуй, это была не такая уж абсурдная идея: может, котятам трудно было протискиваться под большим и тяжелым куском войлока.) Анекдот этот, насколько нам известно, исходит от какого-то «сельского пастора», и вся история, возможно, является просто фантазией про кошек. Но в 1827 г. Джон Райт, живший тогда в бывших комнатах Ньютона в Тринити-колледже, писал, что в двери когда-то действительно было два отверстия – одно побольше, другое поменьше, подходящие для кошки и котенка.
Однако величайшим вкладом Ньютона в математику являются математический анализ и «Математические начала натуральной философии». Его работа в области оптики стала серьезным шагом в физике, но не оказала особого влияния на математику, поэтому я не буду больше обсуждать эту тему. С точки зрения логики математический анализ идет впереди «Начал», но исторически то и другое тесно и хитро переплетено, а нежелание Ньютона публиковаться еще больше запутывает дело. Ньютон испытывал инстинктивную нелюбовь к критике, а простейший способ уклониться от нее – держать свои открытия при себе. Однако в данном случае конечным результатом стал куда более сильный вал критики и сильнейший публичный скандал, поскольку немецкий математик и философ Готфрид Лейбниц разрабатывал примерно в то же время очень похожие идеи, и со временем все это вылилось в ожесточенный спор о приоритете.
Истоки математического анализа можно увидеть еще в трактате Архимеда «О методе», в «Арифметике бесконечного» Валлиса и в работах Ферма (глава 6). Сам анализ делится на две различные, но связанные между собой области.
Дифференциальное исчисление – это метод нахождения скорости изменения некоторой величины, меняющейся со временем. К примеру, скорость – это скорость изменения положения объекта (на сколько километров изменится ваше положение по прошествии часа). Ускорение – это скорость изменения скорости (ускоряетесь вы или замедляетесь). Главный вопрос дифференциального исчисления – найти скорость изменения некоторой функции времени. Результат – функция времени, потому что скорость изменения величины тоже может быть различной в разные моменты времени.
Интегральное исчисление занимается площадями, объемами и тому подобными вещами. Его метод – разрезать объект на тончайшие ломтики, затем оценить площадь или объем каждого ломтика, не обращая внимания на возможные ошибки, которые незначимы из-за малой толщины ломтиков, сложить все вместе, а затем позволить ломтикам сделаться сколь угодно тонкими. Как обнаружили независимо друг от друга и Ньютон, и Лейбниц, интегрирование, по существу, – это процесс, обратный дифференцированию.
Оба процесса задействуют несколько сомнительную с философской точки зрения идею величин, которые можно сделать сколь угодно маленькими. Такие величины известны как бесконечно малые и требуют очень осторожного обращения. Никакое конкретное число не может быть «сколь угодно малым», поскольку это сделало бы его меньше самого себя. Однако число, которое изменяется, может стать настолько маленьким, насколько мы захотим. Но если нечто изменяется, то как это нечто может быть числом?
Предположим, нам точно известно, где находится автомобиль в любой момент времени, и мы хотим определить по этим данным его скорость. Если за период времени длительностью в один час он переместился на 60 км, то средняя скорость за этот период времени составит 60 км/ч. Но вполне может быть, что в какие-то промежутки времени автомобиль ехал быстрее, а в какие-то – медленнее. Уменьшив интервал времени до одной секунды, мы получим более точную оценку – среднюю скорость за 1 с. Но и за этот промежуток времени скорость автомобиля могла немного измениться. Мы можем аппроксимировать мгновенную скорость в любой заданный момент, определив, какое расстояние пройдет машина за очень короткий промежуток времени, и разделив это расстояние на величину промежутка. Однако, каким бы маленьким мы ни сделали этот интервал, результат будет только приблизительным. Но если мы попробуем проделать все это с использованием формулы для положения машины, то окажется, что если делать интервал времени все более близким к нулю, то средняя скорость на этом интервале будет подходить все ближе и ближе к некоторой конкретной величине