Newton,Sir Isaac (1642-1727), englantilainen luonnonfilosofi,jota pidetään yleisesti tieteen historian omaperäisimpänä ja vaikutusvaltaisimpana teoreetikkona. Sen lisäksi, että Newton keksi infinitesimaalilaskennan ja uuden valo- ja väriteorian, hän muutti fyysisen tieteen rakennetta kolmella liikelaeellaan ja universaalin painovoiman lailla. Newton yhdisti 1600-luvun tieteellisen vallankumouksen kulmakivenä Kopernikuksen, Keplerin, Galilein, Descartesin ja muiden aikaansaannokset uudeksi ja voimakkaaksi synteesiksi. Kolme vuosisataa myöhemmin tuloksena syntynyt rakenne – klassinen mekaniikka – on edelleen Newtonin nerokkuuden näköinen mutta yhtä tyylikäs muistomerkki.
Elämä & Luonne – Isaac Newton syntyi ennenaikaisesti joulupäivänä 1642 (4.1.1643, uusi tyyli) Woolsthorpessa, Lincolnshiren Granthamin lähellä sijaitsevassa kylässä. Hän oli lukutaidottoman talonpojan (jonka nimi oli myös Isaac) jälkeläinen poika, ja isätön pikkulapsi oli syntyessään niin pieni, että mahtui ”neljännesvuosiruukkuun”. Kun Newtonin äiti Hanna (Ayscough) oli hädin tuskin kolmevuotias, hän jätti esikoisensa hänen isoäitinsä luokse mennäkseen uudelleen naimisiin ja perustaakseen toisen perheen läheisen North Withamin varakkaan kirkkoherran Barnabas Smithin kanssa. Newtonin kuolemanjälkeisestä syntymästä, hänen pitkittyneestä erostaan äidistään ja hänen vertaansa vailla olevasta vihanpidostaan isäpuoltaan kohtaan on puhuttu paljon. Kunnes Hanna palasi Woolsthorpeen vuonna 1653 toisen aviomiehensä kuoleman jälkeen, Newtonilta evättiin äidin huomio, mikä on mahdollinen johtolanka hänen monimutkaiselle luonteelleen. Newtonin lapsuus oli kaikkea muuta kuin onnellinen, ja koko elämänsä ajan hän oli henkisen romahduksen partaalla sortuen toisinaan väkivaltaisiin ja kostonhimoisiin hyökkäyksiin niin ystäviä kuin vihamiehiäkin vastaan.
Kun hänen äitinsä palasi Woolsthorpeen vuonna 1653, Newton otettiin koulusta täyttämään synnyinoikeutensa maanviljelijänä. Onneksi hän epäonnistui tässä kutsumuksessa ja palasi Granthamin King’s Schooliin valmistautuakseen pääsemään Trinity Collegeen Cambridgeen. Tältä ajalta on säilynyt lukuisia anekdootteja Newtonin hajamielisyydestä aloittelevana maanviljelijänä ja hänen heikosta suorituksestaan opiskelijana. Newtonin elämän käännekohta oli kuitenkin kesäkuussa 1661, kun hän lähti Woolsthorpesta Cambridgen yliopistoon. Täällä Newton astui uuteen maailmaan, jota hän saattoi lopulta kutsua omakseen.
Vaikka Cambridge oli erinomainen oppimiskeskus, tieteellisen vallankumouksen henki ei ollut vielä tunkeutunut sen ikivanhaan ja jokseenkin jähmettyneeseen opetussuunnitelmaan.Newtonin muodollisista opinnoista perustutkintoa suorittaessaan tiedetään vain vähän, mutta hän sai luultavasti suuria annoksia Aristoteleen ja muiden klassisten kirjailijoiden oppikirjoja.Kaiken kaikkiaan hänen akateemiset suorituksensa eivät olleet erinomaisia. Vuonna 1664 Cambridgen Lucasin matematiikan professori Isaac Barrow tutki Newtonin Eukleideuksen ymmärtämistä ja totesi sen olevan hyvin puutteellista. Nyt tiedämme, että opiskeluaikanaan Newton oli syventynyt yksityisopiskeluun ja että hän opiskeli yksityisesti René Descartesin, PierreGassendin, Thomas Hobbesin ja muiden tieteellisen vallankumouksen merkkihenkilöiden teoksia.Eräät säilyneet muistiinpanovihkot osoittavat, että vuoteen 1664 mennessä Newton oli alkanut hallita Descartesin Géométriea ja muita matematiikan muotoja paljon ennen Eukleideen alkulukuja. Barrow, joka oli itsekin lahjakas matemaatikko, ei vielä osannut arvostaa Newtonin neroutta.
Vuonna 1665 Newton suoritti Cambridgessä kandidaatin tutkinnon ilman kunniaa tai palkintoa.Koska yliopisto oli suljettuna seuraavat kaksi vuotta kulkutaudin vuoksi, Newton palasi vuoden puolivälissä Woolsthorpeen. Siellä hän teki seuraavien 18 kuukauden aikana joukon omaperäisiä panoksia tieteeseen. Myöhemmin hän muisteli: ”Kaikki tämä tapahtui kahtena ruttovuonna 1665 ja 1666, sillä tuolloin olin parhaassa iässäni keksintöjen tekemiseen ja ajattelin matematiikkaa ja filosofiaa enemmän kuin koskaan sen jälkeen”. Matematiikan alalla Newton kehitti fluxions-menetelmänsä (infinitesimaalilaskennan), loi perustan valo- ja väriteorialleen ja sai merkittävää tietoa planeettojen liikkeen ongelmasta; nämä oivallukset johtivat lopulta Principian (1687) julkaisemiseen.
Huhtikuussa 1667 Newton palasi Cambridgeen, ja vastoin kovia odotuksia hänet valittiin Trinityn minor fellowiksi. Menestystä seurasi hyvä onni. Seuraavana vuonna hänestä tuli vanhempi stipendiaatti suoritettuaan taiteen maisterin tutkinnon, ja vuonna1669, ennen kuin hän oli täyttänyt 27 vuotta, hänestä tuli Isaac Barrowas Lucasian matematiikan professori. Tämän nimityksen mukanaan tuomat tehtävät tarjosivat Newtonille tilaisuuden järjestää aikaisempien optisten tutkimustensa tulokset, ja vuonna 1672, pian sen jälkeen, kun hänet oli valittu Royal Societyn jäseneksi, hän toimitti ensimmäisen julkisen artikkelinsa, loistavan mutta yhtä kiistanalaisen tutkimuksensa värien luonteesta.
Ensimmäisessä katkerassa kiistassaan Newton asettui vastakkain seuran kuuluisan kokeilujen kuraattorin, valovoimaisen, mutta hauraan Robert Hooken kanssa. Seurannut kiista, joka jatkui vuoteen 1678 asti, loi mallin Newtonin käytökseen. Alustavan kahakan jälkeen hän vetäytyi hiljaa.Vuonna 1675 Newton teki kuitenkin vielä yhden artikkelin, joka taas aiheutti salamoita, ja tällä kertaa häntä syytettiin väitteistä, joiden mukaan hän oli plagioinutHookelta. Syytökset olivat täysin perusteettomia. Kahdesti poltettuna Newton vetäytyi.
Vuonna1678 Newton kärsi vakavasta henkisestä romahduksesta, ja seuraavana vuonna hänen äitinsä kuoli. Newtonin reaktio oli katkaista yhteydet muihin ja uppoutua alkemialliseen tutkimukseen. Nämä tutkimukset, jotka olivat aikoinaan Newtonin tutkijoiden kiusana, eivät olleet harhaanjohtavia pohdiskeluja vaan tiukkoja tutkimuksia luonnon kätketyistä voimista. Newtonin alkemistiset tutkimukset avasivat teoreettisia aukkoja, joita ei löytynyt mekaanisesta filosofiasta, maailmankatsomuksesta, johon Newtonin varhaiset työt perustuivat. Mekaaninen filosofia pelkisti kaikki ilmiöt liikkeessä olevan aineen vaikutukseksi, kun taas alkemian perinne piti kiinni vetovoiman ja hylkimisen mahdollisuudesta hiukkastasolla. Newtonin myöhemmät oivallukset taivaanmekaniikasta ovat osittain seurausta hänen alkemialaisista kiinnostuksen kohteistaan.Yhdistämällä kaukovaikutuksen ja matematiikan Newton muutti mekaanista filosofiaa lisäämällä siihen salaperäisen mutta yhtä lailla mitattavissa olevan suureen, gravitaatiovoimaan.
Perinteen mukaan Newton havaitsi vuonna 1666 omenan putoamisen puutarhassaan Woolsthorpessa ja muisteli myöhemmin: ”Samana vuonna aloin ajatella, että painovoima ulottuu Kuun kiertoradalle asti”. Newtonin muisti ei ollut tarkka. Itse asiassa kaikki todisteet viittaavat siihen, että universaalin gravitaation käsite ei noussut Newtonin päähän täysimittaisena vuonna 1666, vaan se oli lähes 20 vuotta kypsymässä. Ironista kyllä, Robert Hooke auttoi herättämään sen henkiin. Marraskuussa 1679 Hooke aloitti kirjeenvaihdon, joka koski kysymystä planeettojen liikkeistä. Vaikka Newton keskeytti kirjeenvaihdon hätäisesti, Hooken kirjeet tarjosivat käsitteellisen yhteyden keskusvetovoiman ja etäisyyden neliön myötä vähenevän voiman välille. Joskus vuoden 1680 alkupuolella Newton näyttää tehneen hiljaa omat johtopäätöksensä.
Sillä välin Lontoon kahviloissa Hooke, Edmund Halley ja Christopher Wren kamppailivat tuloksetta planeettojen liikkeen ongelman kanssa. Lopulta elokuussa 1684 Halley teki legendaarisen vierailun Newtonin luokse Cambridgeen toivoen vastausta arvoitukseensa: Minkälaista käyrää planeetta kuvaa kiertoradallaan auringon ympäri, jos oletetaan, että vetovoiman laki on käänteinen neliö? Kun Halley esitti kysymyksen, Newtonin vastaus oli ”ellipsi”. Kun häneltä kysyttiin, mistä hän tiesi sen olevan ellipsi, Newton vastasi, että hän oli jo laskenut sen. Vaikka Newton oli yksityisesti vastannut yhteen maailmankaikkeuden arvoituksista – ja vain hänellä oli siihen matemaattiset valmiudet – hän oli tyypillisesti tehnyt laskutoimituksen väärin. Lisäkeskustelun jälkeen hän lupasi lähettää Halleylle uuden laskelman välittömästi. Osittain täyttääkseen lupauksensa Newton esitti De Motu -teoksensa vuodelta 1684. Tästä siemenestä syntyi lähes kahden vuoden intensiivisen työn jälkeen Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Se on kiistatta merkittävin tieteen historiassa julkaistu kirja. Mutta jos Principia oli Newtonin aivolapsi, Hooke ja Halley olivat pelkkiä kätilöitä.
Vaikka Principia sai hyvän vastaanoton, sen tulevaisuus kyseenalaistettiin jo ennen sen ilmestymistä. Hooke oli jälleen keskeisellä sijalla, ja tällä kertaa hän väitti (ei suotta), että hänen kirjeensä vuosilta 1679-1680 ansaitsivat hänelle roolin Newtonin keksinnössä. Mutta tuloksetta. Newton oli niin raivoissaan Hookelle, että hän uhkasi tukahduttaa Principian III kirjan kokonaan ja tuomitsi lopulta tieteen ”röyhkeästi riitaisaksi naiseksi”. Newton rauhoittui ja suostui lopulta julkaisemiseen. Sen sijaan, että Newton olisi tunnustanut Hooken panoksen, hän poisti järjestelmällisesti kaikki mahdolliset maininnat Hooken nimestä. Newtonin viha Hookea kohtaan oli kuluttavaa. Myöhemmin Newton pidättäytyi julkaisemasta teosta Opticks (1704) ja käytännössä vetäytyi Kuninkaallisesta seurasta aina Hooken kuolemaan asti vuonna 1703.
Principian julkaisemisen jälkeen Newton osallistui entistä enemmän julkisiin asioihin. Vuonna 1689 hänet valittiin Cambridgen edustajaksi parlamenttiin, ja Lontoossa ollessaan hän tutustui kuuluisaan filosofiin John Lockeen ja loistavaan nuoreen matemaatikkoon Nicolas Fatio de Duillieriin, josta tuli hänen läheinen ystävänsä. Vuonna 1693 Newton sai kuitenkin vakavan hermoromahduksen, joka ei muistuttanut hänen vuosien 1677-1678 hermoromahdustaan. Syy on tulkinnanvarainen: ylikuormitus, kiistojen aiheuttama stressi, selittämättömän ystävyyden menettäminen Fation kanssa tai kenties krooninen elohopeamyrkytys, joka oli seurausta lähes kolme vuosikymmentä kestäneestä alkemiantutkimuksesta. Jokaisella tekijällä on saattanut olla oma osuutensa. Tiedämme vain, että Locke ja Samuel Pepys saivat outoja ja ilmeisen häiriintyneitä kirjeitä, jotka herättivät huolta Newtonin ”pään tai mielen tai molempien” sekavuudesta. Olipa syy mikä tahansa, Newton haki pian toipumisensa jälkeen uutta työpaikkaa Lontoosta. Vuonna 1696 Newton nimitettiin Trinityn stipendiaatin ja myöhemmän Halifaxin kreivin Charles Montaguen avulla ensin rahapajan johtajaksi ja sitten rahapajan päälliköksi. Hänen uusi asemansa osoittautui ”mitä sopivimmaksi”, ja hän lähti Cambridgestä Lontooseen katumatta.
Lontoon-vuosinaan Newton nautti vallasta ja maallisesta menestyksestä. Hänen asemansa rahapajassa takasi hänelle mukavan sosiaalisen ja taloudellisen aseman, ja hän oli aktiivinen ja kyvykäs hallintomies. Hooken kuoltua vuonna 1703 Newton valittiin Royal Societyn puheenjohtajaksi, ja hänet valittiin vuosittain uudelleen hänen kuolemaansa saakka. Vuonna 1704 hän julkaisi toisen merkittävän teoksensa, Optickit, joka perustui suurelta osin vuosikymmeniä aiemmin valmistuneeseen työhön. Hänet lyötiin ritariksi vuonna 1705.
Vaikka hänen luomisvuotensa olivat ohi, Newton vaikutti edelleen syvällisesti tieteen kehitykseen. Kuninkaallinen seura oli itse asiassa Newtonin väline, ja hän käytti sitä omaksi edukseen. Hänen puheenjohtajakauttaan on kuvailtu tyrannimaiseksi ja itsevaltaiseksi, ja hänen valvontansa nuorempien oppilaiden elämästä ja urasta oli lähes ehdotonta. Newton ei voinut sietää ristiriitoja tai kiistoja – hänen ja Hookepin väliset riitansa tarjoavat ainutlaatuisia esimerkkejä. Myöhemmissä kiistoissaan Newton kuitenkin käytti Royal Societyn puheenjohtajana kaikkia käytettävissään olevia voimia. Hän esimerkiksi julkaisi Flamsteedin tähtitieteelliset havainnot – elämäntyönsä – ilman tekijän lupaa; ja ensisijaisessa kiistassaan Leibnizin kanssa laskutoimituksesta Newton värväsi nuorempia miehiä käymään sanasotaansa, kun hän linjojen takana ohjasi salaa hyökkäystä ja vastahyökkäystä.Loppujen lopuksi seuran toimet eivät olleet juuri muuta kuin Newtonin tahdon jatkeita, ja kuolemaansa asti hän hallitsi tieteen kenttää ilman kilpailijaa. Hän kuoli Lontoossa 20. maaliskuuta 1727 (31. maaliskuuta uuden tyylin mukaan).
Matematiikka- Newtonin kiinnostus matematiikkaa kohtaan sai alkunsa hänen opiskeluaikoinaan Cambridgessa. Siellä Newton tutustui useisiin aikalaistensa teoksiin, kuten Descartesin Géométrie-painokseen, John Wallisin Arithmetica infinitorum -teokseen ja muihin tunnettujen matemaatikkojen teoksiin. Vuoden 1664 ja ruttoruton jälkeisen Cambridgeen paluunsa välisenä aikana Newton teki kuitenkin perustavanlaatuista työtä analyyttisen geometrian, algebran ja laskennan alalla. Erityisesti hän löysi binomiteorian, uusia menetelmiä äärettömien sarjojen laajentamiseksi ja ”suoran ja käänteisen luksiomenetelmän”. Kuten termi antaa ymmärtää, fluksionaalilaskenta on menetelmä, jolla käsitellään muuttuvia tai virtaavia suureita. Näin ollen ”virtaussuure” edustaa ”virtaussuureen” – jatkuvasti muuttuvan tai virtaavan suureen, kuten etäisyyden, pinta-alan tai pituuden – muutosnopeutta. Fluksionit olivat pohjimmiltaan fysiikan uuden kielen ensimmäiset sanat.
Newtonin luovat vuodet matematiikan alalla ulottuivat vuodesta 1664 suunnilleen vuoden 1696 kevääseen. Vaikka hänen edeltäjänsä olivat ennakoineet laskennan eri osatekijöitä, Newton yleisti ja integroi nämä oivallukset ja kehitti samalla uusia ja tiukempia menetelmiä. Hänen ajattelunsa keskeiset elementit esiteltiin kolmessa tutkielmassa, joista ensimmäinen ilmestyi yksityisesti levitetyssä teoksessa De analys (Analyysistä), joka jäi julkaisematta vuoteen 1711 asti. Vuonna 1671 Newton kehitti täydellisemmän selostuksen äärettömien suureiden menetelmästään, joka ilmestyi yhdeksän vuotta hänen kuolemansa jälkeen nimellä Methodusfluxionum et serierum infinitarum (Methodus fluxionum et serierum infinitarum, 1736). Näiden teosten lisäksi Newton kirjoitti neljä pientä traktaattia, joista kaksi liitettiin vuonna 1704 ilmestyneeseen teokseensa Opticks.
Newton ja Leibniz. Newtonin matemaattisen uran tunnusomaisin piirre sen loistavuuden ohella oli julkaisemisen viivästyminen. Newtonin prioriteettikiista Leibnizin kanssa on kuuluisa mutta onneton esimerkki. Gottfried Wilhelm Leibniz, Newtonin kyvykkäin vastustaja, alkoi julkaista laskutoimituksia vuonna 1684, lähes 20 vuotta sen jälkeen, kun Newtonin keksinnöt olivat alkaneet. Tämän ajallisen eron seurauksena syntyi katkera kiista, joka raivosi lähes kaksi vuosikymmentä. Koettelemus alkoi huhuista, joiden mukaan Leibniz olisi lainannut Newtonin ideoita ja kiirehtinyt niiden painamista. Se päättyi syytöksiin epärehellisyydestä ja suoranaisesta plagioinnista. Newtonin ja Leibnizin prioriteettikiista – joka ulottui lopulta myös Jumalan ja maailmankaikkeuden olemusta koskeviin filosofisiin kysymyksiin – kääntyi lopulta prioriteettikiistan epäselvyyden ympärille. Nykyään ollaan yleisesti yhtä mieltä siitä, että Newton ja Leibniz kehittivät kumpikin laskutoimituksen itsenäisesti, ja siksi heitä pidetään rinnakkaislöytäjinä. Mutta vaikka Newton oli ensimmäinen, joka keksi ja kehitti fluksiomenetelmänsä, Leibniz oli ensimmäinen, joka julkaisi itsenäiset tuloksensa.
Optiikka.Newtonin optiset tutkimukset alkoivat hänen matemaattisten tutkimustensa tavoin hänen opiskeluaikanaan Cambridgessa. Mutta toisin kuin hänen matemaattiset työnsä, Newtonin optiikan tutkimuksista tuli nopeasti julkisia. Pian sen jälkeen, kun hänet oli valittu Royal Societyn jäseneksi vuonna 1671, Newton julkaisi ensimmäisen artikkelinsa Royal Societyn Philosophical Transactions -lehdessä. Tämä ja muut sitä seuranneet artikkelit perustuivat hänen opiskeluaikaisiin tutkimuksiinsa sekä hänen Cambridgessa pitämiinsä Lucasian-luentoihin.
Vuosina 1665-1666 Newton teki useita valon koostumusta koskevia kokeita. Aluksi Keplerin ja Descartesin kirjoitusten ohjaamana Newtonin tärkein löytö oli, että näkyvä (valkoinen) valo on heterogeenista – eli valkoinen valo koostuu väreistä, joita voidaan pitää ensisijaisina. Newton osoitti loistavalla koesarjalla, että prismat pikemminkin erottelevat kuin muokkaavat valkoista valoa. Toisin kuin Aristoteleen ja muiden antiikin aikalaisten teoriat, Newton katsoi, että valkoinen valo on sekundaarista ja heterogeenista, kun taas erilliset värit ovat primaarisia ja homogeenisia. Kenties yhtä tärkeää on, että Newton osoitti myös, että spektrin värit, joita pidettiin ominaisuuksina, vastaavat havaittua ja mitattavissa olevaa ”muuttuvuusastetta”.
Kriittinen koe. Newtonin tunnetuin koe, experimentum crucis, osoitti valon koostumusta koskevan teorian. Lyhyesti sanottuna Newton antoi pimeässä huoneessa kapean auringonvalonsäteen kulkea ikkunaluukussa olevasta pienestä reiästä prisman läpi, jolloin valkoinen valo hajosi pitkulaiseksi spektriksi taululle. Sitten Newton valitsi taulussa olevan pienen aukon kautta tietyn värin (esimerkiksi punaisen), joka kulki toisen aukon kautta toiseen prismaan, jonka kautta se taittui toiselle taululle. Tavallisena valkoisena valona alkanut valo hajosi näin kahden prisman läpi.
Newtonin ”ratkaiseva koe” osoitti, että ensimmäisestä prismasta lähtevää valittua väriä ei voitu enää erottaa toisesta prismasta. Valittu säde pysyi samanvärisenä, ja sen taitekulma oli koko ajan vakio. Newton päätteli, että valkoinen valo on ”heterogeeninen sekoitus eri tavoin virkistyviä säteitä” ja että spektrin värejä ei voida muuttaa erikseen, vaan ne ovat ”alkuperäisiä ja yhteenkuuluvia ominaisuuksia”.
Newton teki todennäköisesti useita prismakokeitaan Cambridgessa ennen kuin rutto pakotti hänet palaamaan Woolsthorpeen. Hänen Lucasian-luentonsa, jotka julkaistiin myöhemmin osittain nimellä Optical Lectures (1728), täydentävät muita tutkimuksia, jotka julkaistiin seuran Transactions-lehdessä helmikuulta1672.
TheOpticks. TheOpticks vuodelta 1704, joka ilmestyi ensimmäisen kerran englanniksi, on Newtonin kattavin ja helppokäyttöisin teos valosta ja väreistä. Newtonin sanoin Opticksin tarkoituksena ei ollut ”selittää valon ominaisuuksia hypoteesien avulla, vaan ehdottaa ja todistaa ne järjen ja kokeiden avulla.” Kolmeen kirjaan jaettu TheOpticks etenee määritelmistä, aksioomista,lauseista ja teoreemoista kokeisiin perustuvaan todistamiseen. Matemaattisen päättelyn ja huolellisen havainnoinnin hienovarainen sekoitus, Opticksista tuli kokeellisen fysiikan malli 1700-luvulla.
Korpuskulaariteoria. Optickit sisälsivät kuitenkin muutakin kuin kokeellisia tuloksia. 1700-luvulla oltiin laajalti sitä mieltä, että valo, kuten äänikin, koostuu aalto- tai aaltoliikkeestä, ja Newtonin tärkeimmät kriitikot optiikan alalla – Robert Hooke ja Christiaan Huygens – olivat tämän teorian selväsanaisia puolestapuhujia.Mutta Newton oli eri mieltä. Vaikka hänen näkemyksensä kehittyivät ajan myötä, Newtonin valoteoria oli pohjimmiltaan korpuskulaarinen eli hiukkasmainen. Koska valo (toisin kuin ääni) kulkee suorassa linjassa ja heittää terävän varjon, Newton esitti, että valo koostui erillisistä hiukkasista, jotka liikkuvat suorassa linjassa inertiaalikappaleiden tapaan. Lisäksi, koska kokeet olivat osoittaneet, että valon erillisten värien ominaisuudet olivat pysyviä ja muuttumattomia, Newton päätteli, että myös itse valon aineet olivat hiukkasia.
Vaihtelevissa kohdissa uraansa Newton itse asiassa yhdisti valon hiukkas- ja aaltoteoriat. Varhaisimmassa kiistassaan Hooken kanssa ja uudelleen vuonna 1717 ilmestyneessä Opticks-teoksessaan Newton pohti mahdollisuutta, että olisi olemassa eteerinen aine – kaikkialle ulottuva, ilmaa hienovaraisempi elastinen aine – joka tarjoaisi väliaineen aaltojen tai värähtelyjen etenemiselle. Newton hylkäsi alusta alkaen Hooken ja Huygensin aaltojen perusmallit, kenties siksi, että ne jättivät huomiotta jaksollisuuden hienovaraisuuden.
Kysymys jaksollisuudesta nousi esiin Newtonin renkaiksi kutsutun ilmiön yhteydessä.
Optikko-teoksen kirjassa II Newton kuvaa sarjan kokeita, jotka koskivat ohuiden kalvojen värejä. Hänen huomattavin havaintonsa oli, että valo, joka kulkee kuperan linssin läpi tasaista lasilevyä vasten, tuottaa samankeskisiä värirenkaita (Newtonin renkaat), joissa on vuorotellen tummia renkaita. Newton yritti selittää tämän ilmiön käyttämällä hiukkasteoriaa yhdessä hypoteesinsa kanssa, jonka mukaan valo läpäisee ja heijastuu helposti. Huolellisten mittausten jälkeen Newton havaitsi, että (tietyn kaarevuuden omaavan) linssin ja lasin välisen ilmakalvon paksuus vastasi renkaiden välejä. Jos pimennysrenkaiden paksuudet olivat 0, 2, 4, 6,… , niin värilliset renkaat vastasivat parittomien lukujen 1, 3, 5, 7, …. etenemistä. Vaikka Newton ei spekuloinutkaan tämän jaksollisuuden syyllä, hänen alustava assosiointinsa ”Newtonin renkaista” värähtelyihin väliaineessa viittaa hänen haluunsa muuttaa mutta ei hylätä hiukkasteoriaa.
TheOpticksoli Newtonin laajimmin luettu teos. Ensimmäisen painoksen jälkeen siitä ilmestyi latinankieliset versiot vuosina 1706 ja 1719 sekä toinen ja kolmas englanninkielinen painos vuosina 1717 ja 1721. Optikko-teoksen kenties provosoivin osa on ”Kyselyiksi” kutsuttu osa, jonka Newton sijoitti kirjan loppuun. Siinä hän esitti kysymyksiä ja uskalsi esittää mielipiteitä lennon, aineen ja luonnonvoimien luonteesta.
Mekaniikka.Newtonin dynamiikan tutkimus jakautuu kolmeen suureen ajanjaksoon: ruttovuosiin 1664-1666, Hooken kirjeenvaihtoa seuranneisiin tutkimuksiin 1679-1680 ja Halleyn Cambridgessa tekemän vierailun jälkeiseen ajanjaksoon 1684-1687. Newtonin ajattelun asteittainen kehittyminen näiden kahden vuosikymmenen aikana havainnollistaa hänen saavutustensa monimutkaisuutta sekä tieteellisen ”löytämisen” pitkäkestoisuutta.”
Myytti Newtonista ja omenasta saattaa olla totta, mutta perinteinen kertomus Newtonista ja painovoimasta ei ole. On totta, että Newtonin varhaiset ajatukset painovoimasta alkoivat Woolsthorpessa, mutta hänen kuuluisan ”kuukokeensa” aikaan Newton ei ollut vielä päässyt painovoiman vetovoiman käsitteeseen. Varhaiset käsikirjoitukset viittaavat siihen, että 1660-luvun puolivälissä Newton ei ajatellut kuun keskipakoisesta vetovoimasta maata kohti vaan pikemminkin kuun keskipakoisesta taipumuksesta väistyä. Mekaanisen filosofian vaikutuksen alaisena Newton ei ollut vielä pohtinut etäisyysvaikutuksen mahdollisuutta, eikä hän ollut tietoinen Keplerin kahdesta ensimmäisestä planeettahypoteesista. Historiallisista, filosofisista ja matemaattisista syistä Newton oletti, että kuun keskipakovoima on yhtä suuri ja vastakkainen jonkin tuntemattoman mekaanisen rajoituksen kanssa. Jälkimmäinen oli johdettu Keplerin kolmannesta hypoteesista (planeetan kiertokauden neliö on verrannollinen sen keskimääräisen etäisyyden kuutioon auringosta), keskipakovoiman kaavasta (pyörivään kappaleeseen kohdistuva keskipakovoima on verrannollinen sen nopeuden neliöön ja kääntäen verrannollinen sen radan säteeseen) ja oletuksesta, jonka mukaan kiertoradat ovat pyöreitä.
Seuraavana vaiheena oli testata käänteinen neliöllinen suhde empiirisiin tietoihin.Tätä varten Newton itse asiassa vertasi Kuun ”pyrkimyksen” väistymiseen kohdistuvaa rajoitusta maan päällä putoavien kappaleiden havaittuun kiihtyvyysnopeuteen. Ongelmana oli saada tarkkoja tietoja. Jos oletetaan, että Galileon arvion mukaan Kuu on 60 maapallon säteen päässä Maasta, Kuuhun kohdistuvan kiihtyvyyden olisi pitänyt olla 1/3600 (1/602) maapallon gravitaatiokiihtyvyydestä. Newtonin arvio maapallon koosta oli kuitenkin liian alhainen, ja hänen laskelmansa mukaan kuuhun kohdistuva vaikutus oli noin 1/4000 maapalloon kohdistuvasta vaikutuksesta. Kuten Newton myöhemmin kuvaili, kuutesti vastasi ”melko lähelle”. Kuua koskevat luvut eivät kuitenkaan olleet tarkkoja, ja Newton hylkäsi ongelman.
Vuoden 1679 ja vuoden 1680 alkupuolella kirjeenvaihto Hooken kanssa herätti Newtonin kiinnostuksen uudelleen. Marraskuussa 1679, lähes 15 vuotta kuukokeen jälkeen, Hook kirjoitti Newtonille hypoteesista, joka oli esitetty hänen teoksessaan Attempt to Provethe Motion of the Earth (1674). Siinä Hooke esitti, että planeettojen kiertoradat johtuvat tangentiaalisesta liikkeestä ja ”vetovoimaisesta liikkeestä kohti keskuskappaletta”. Myöhemmissä kirjeissään Hooke täsmensi vielä keskipisteen vetovoimaa, joka vähenee etäisyyden neliön myötä. Tämän keskustelun tuloksena Newton hylkäsi aiemman käsityksensä keskipakovoimasta ja suosi keskusvetovoimaa. Hooken kirjeet tarjosivat ratkaisevia oivalluksia, mutta jälkikäteen ajateltuna Hooken intuitiivinen voima vaikuttaa vertaansa vailla olevalta, mutta se ei koskaan saavuttanut Newtonin matemaattista voimaa periaatteessa eikä käytännössä.
Kun Halley vieraili Cambridgessa vuonna 1684, Newton oli jo osoittanut käänteisen neliövetovoiman ja elliptisten ratojen välisen yhteyden. Halleyn ”iloksi ja hämmästykseksi” Newton ilmeisesti onnistui siinä, missä hän ja muut epäonnistuivat. Tämän myötä Halleyn rooli muuttui, ja hän jatkoi Newtonin ohjaamista kohti julkaisua. Halley rahoitti Principian henkilökohtaisesti ja saattoi sen painosta julkaisuun heinäkuussa 1687.
Principia. Newtonin mestariteos on jaettu kolmeen kirjaan. Principian I kirja alkaa kahdeksalla määritelmällä ja kolmella aksioomalla, joista jälkimmäiset tunnetaan nykyään Newtonin liikelaeina. Mikään Newtonia koskeva keskustelu ei olisi täydellinen ilman niitä: (1) Jokainen kappale pysyy lepotilassaan eli tasaisessa liikkeessä suorassa linjassa, ellei siihen kohdistuvat voimat pakota sitä muuttamaan tätä tilaa (inertia). (2) Liikkeen muutos on verrannollinen vaikuttavaan voimaan ja tapahtuu sen suoran suunnassa, johon voima vaikuttaa (F= ma). (3) Jokaiseen vaikutukseen liittyy aina vastakkainen ja yhtä suuri reaktio.Näiden aksioomien jälkeen Newton etenee askel askeleelta lauseiden, teoreemojen ja ongelmien parissa.
Principian II kirjassa Newton käsittelee kappaleiden liikettä vastakkaisten väliaineiden läpi sekä itse nesteiden liikettä. Koska II kirja ei kuulunut Newtonin alkuperäiseen hahmotelmaan, se on perinteisesti vaikuttanut hieman irralliselta. On kuitenkin huomionarvoista, että lähellä kirjan II loppua (jakso IX) Newton osoittaa, että pyörteet, joihin Descartes vetosi selittääkseen planeettojen liikkeen, eivät voineet olla itsestään säilyviä; pyörreteoria ei myöskään ollut yhdenmukainen Keplerin kolmen planeettasäännön kanssa. Kirjan II tarkoitus tulee tällöin selväksi. Sen jälkeen, kun Descartesin järjestelmä on diskreditoitu, Newton päättelee:
Kirjassa III, jonka alaotsikkona on Maailman järjestelmä, Newton laajensi kolme liikelakiaan koskemaan maailman runkoa ja osoitti lopulta, että ”kaikkiin kappaleisiin kohdistuu gravitaatiovoima, joka on verrannollinen niiden sisältämiin erilaisiin ainemääriin”. Newtonin universaalin gravitaatiolain mukaan F = G Mm/R2 eli kaikki aineet vetävät toisiaan puoleensa voimalla (F), joka on verrannollinen niiden massojen (Mm) tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön (R2). G on vakio, jonka arvo riippuu massan ja etäisyyden yksiköistä. Osoittaakseen teoriansa voiman Newton käytti gravitaatiovetovoimaa selittääkseen planeettojen ja niiden kuiden liikkeet, päiväntasausten prekession, vuoroveden vaikutuksen ja komeettojen liikkeet. Kaiken kaikkiaan Newtonin maailmankaikkeus yhdisti taivaan ja maan yhdeksi ainoaksi lakikokonaisuudeksi. Siitä tuli modernin maailmankuvan fysikaalinen ja älyllinen perusta.
Principia oli kenties voimakkain ja vaikutusvaltaisin koskaan julkaistu tieteellinen tutkielma, ja siitä ilmestyi vielä kaksi painosta Newtonin elinaikana, vuosina 1713 ja 1726.
Muut tutkimukset. Newton teki koko uransa ajan teologian ja historian tutkimusta samalla intohimolla kuin kemian ja luonnontieteiden tutkimusta. Vaikka jotkut historioitsijat ovat laiminlyöneet Newtonin ei-tieteelliset kirjoitukset, hänen omistautumisestaan näille aiheille ei ole juuri epäilystäkään, kuten hänen käsikirjoituksensa runsaasti todistavat. Pelkästään teologisia ja raamatullisia aiheita käsitteleviä Newtonin kirjoituksia on noin 1,3 miljoonaa sanaa, mikä vastaa 20:tä nykyisin tavanomaisen pituista kirjaa. Vaikka nämä kirjoitukset kertovat vain vähän Newtonin tieteestä, ne kertovat meille paljon Isaac Newtonista.
Newtonin viimeinen ele ennen kuolemaansa oli kieltäytyä sakramentista, jolla oli merkitystä 1700-luvulla. Vaikka Newton kasvatettiin tunnollisesti protestanttisessa perinteessä, hänen kypsät teologiset näkemyksensä eivät olleet protestanttisia, perinteisiä eivätkä ortodoksisia. Ajatustensa ja kirjoitustensa yksityisyydessä Newton hylkäsi joukon oppeja, joita hän piti mystisinä, irrationaalisina tai taikauskoisina. Lyhyesti sanottuna hän oli unitaristi.
Newtonin tieteen ulkopuolinen tutkimus – teologiassa, profetiassa ja historiassa – pyrki etsimään johdonmukaisuutta ja yhtenäisyyttä. Hänen intohimonsa oli tiedon ja uskon yhdistäminen, luonnon kirjan ja Raamatun kirjan yhteensovittaminen. Mutta kaikesta hänen ajatustensa tyylikkyydestä ja rohkeasta etsinnästä huolimatta Isaac Newtonin arvoitus säilyi. Loppujen lopuksi Newton on meille yhtä suuri arvoitus kuin hän oli epäilemättä itselleen.
RobertA. Hatch
UniversityofFlorida