Newton,Sir Isaac (1642-1727), angol természetfilozófus, akit általában a tudománytörténet legeredetibb és legnagyobb hatású teoretikusának tartanak. Az infinitezimális számítás és a fény és a színek új elméletének feltalálása mellett Newton a három mozgástörvényével és az egyetemes gravitáció törvényével átalakította a fizikai tudomány szerkezetét. A 17. századi tudományos forradalom alapköveként Newton munkája Kopernikusz, Kepler, Galilei, Descartes és mások hozzájárulásait új és erőteljes szintézissé ötvözte. Három évszázaddal később az így létrejött szerkezet – a klasszikus mechanika – továbbra is a zsenialitásának ékes, de nem kevésbé elegáns emlékműve.
Élet & Jellem – Isaac Newton koraszülöttként született 1642 karácsonyán (1643. január 4-én, új stílusban) Woolsthorpe-ban, a Lincolnshire-i Grantham melletti faluban. Az apátlan csecsemő, aki egy írástudatlan földműves (akit szintén Isaacnak hívtak) posztumusz fia volt, születésekor elég kicsi volt ahhoz, hogy “beleférjen egy negyedliteres edénybe”. Amikor alig volt hároméves, Newton anyja, Hanna (Ayscough) nagyanyjánál helyezte el elsőszülöttjét, hogy újra férjhez menjen, és második családot alapítson Barnabas Smithszel, a közeli North Witham gazdag rektorával. Sokat foglalkoztak Newton posztumusz születésével, az anyjától való hosszas elválásával és a mostohaapja iránti páratlan gyűlöletével. Amíg Hanna 1653-ban, második férje halála után vissza nem tért Woolsthorpe-ba, Newton megtagadta anyja figyelmét, ami talán összetett jellemének egyik lehetséges nyomára utal. Newton gyermekkora minden volt, csak nem boldog, és egész életében az érzelmi összeomlás határán mozgott, időnként erőszakos és bosszúálló támadásokba esett barát és ellenség ellen egyaránt.
Amikor anyja 1653-ban visszatért Woolsthorpe-ba, Newtont elvették az iskolából, hogy földművesként töltse be születési jogait. Szerencsére ez a hivatása nem sikerült, és visszatért a Grantham-i King’s Schoolba, hogy felkészüljön a cambridge-i Trinity College-ba való felvételire. Ebből az időszakból számos anekdota maradt fenn Newton szétszórtságáról, mint kezdő farmer, és gyenge teljesítményéről, mint diák. Newton életében azonban a fordulópont 1661 júniusában következett be, amikor Woolsthorpe-ból a Cambridge-i Egyetemre távozott. Newton itt egy új világba lépett, amelyet végül a sajátjának nevezhetett.
Bár Cambridge a tudomány kiemelkedő központja volt, a tudományos forradalom szelleme még nem hatolt be az ősi és kissé megcsontosodott tantervbe.Newton egyetemi tanulmányairól keveset tudunk, de valószínűleg nagy adagot kapott Arisztotelészből és más klasszikus szerzőkből, és minden jel szerint tudományos teljesítménye nem volt kiemelkedő. 1664-ben Isaac Barrow, a cambridge-i Lucasianus matematikaprofesszor megvizsgálta Newton euklideszi ismereteit, és súlyos hiányosságokat állapított meg. Ma már tudjuk, hogy egyetemi évei alatt Newton mélyen belefeledkezett a magántanulmányokba, hogy magánúton elsajátította René Descartes, PierreGassendi, Thomas Hobbes és a tudományos forradalom más jelentős alakjainak műveit. 1664-ben Newton már jóval Euklidész Elemeit megelőzve kezdte elsajátítani Descartes Géométrie-jét és a matematika más formáit. Barrow, aki maga is tehetséges matematikus volt, még nem tudta értékelni Newton zsenialitását.
1665-ben Newton dicséret és kitüntetés nélkül letette az alapdiplomát Cambridge-ben.Mivel az egyetem a következő két évben a pestis miatt zárva volt, Newton az év közepén visszatért Woolsthorpe-ba. Ott az elkövetkező 18 hónapban egy sor eredeti tudományos hozzájárulást tett. Ahogy később visszaemlékezett: “Mindez az 1665-ös és 1666-os pestisjárványos években történt, mert akkoriban voltam a találmányokhoz szükséges legjobb koromban, és a matematikával és a filozófiával többet foglalkoztam, mint bármikor azóta. A matematika terén Newton megalkotta a “fluxionok módszerét” (infinitezimális számítás), lefektette a fény- és színelméletének alapjait, és jelentős betekintést nyert a bolygómozgás problémájába, amely felismerések végül a Principia (1687) kiadásához vezettek.
1667 áprilisában Newton visszatért Cambridge-be, és a nehézségek ellenére a Trinity kisebb ösztöndíjasává választották. A sikert szerencse követte. A következő évben senior fellow lett, miután megszerezte a mesterdiplomáját, és 1669-ben, még mielőtt betöltötte volna a 27. életévét, Isaac Barrowa Lucasian matematika professzor utódja lett. E kinevezéssel járó feladatok lehetőséget adtak Newton számára, hogy rendszerezze korábbi optikai kutatásainak eredményeit, és 1672-ben, nem sokkal a Királyi Társaságba való megválasztása után közölte első nyilvános tanulmányát, egy briliáns, de nem kevésbé ellentmondásos tanulmányt a színek természetéről.
A keserű viták sorozatának első darabjaként Newton szarvakon ütközött a társaság híres kísérleti kurátorával, az okos, de törékeny Robert Hooke-kal. Az ezt követő vita, amely 1678-ig tartott, mintát teremtett Newton viselkedésében. A kezdeti csetepaté után csendben visszavonult. 1675-ben Newton ennek ellenére egy újabb, újabb dolgozatra vállalkozott, amely viszont villámcsapást kapott, ezúttal azzal a váddal, hogy Hooke-tól plagizált. A vádak teljesen alaptalanok voltak. Kétszer is megégették, Newton visszavonult.
1678-ban Newton súlyos érzelmi összeomlást szenvedett, és a következő évben meghalt az édesanyja. Newton úgy reagált, hogy megszakította a kapcsolatot másokkal, és az alkímiai kutatásba mélyedt. Ezek a tanulmányok, amelyek egykor zavarba hozták a Newton-kutatókat, nem félrevezetett elmélkedések voltak, hanem a természet rejtett erőinek szigorú vizsgálata. Newton alkímiai tanulmányai olyan elméleti lehetőségeket nyitottak meg, amelyeket a mechanikus filozófiában, a korai munkásságának alapjául szolgáló világnézetben nem talált meg. Míg a mechanikus filozófia minden jelenséget a mozgásban lévő anyag hatására redukált, az alkímiai hagyomány fenntartotta a vonzás és taszítás lehetőségét a részecskék szintjén. Newton későbbi felismerései az égi mechanikában részben az alkímiai érdeklődésére vezethetők vissza: a távolsági hatás és a matematika kombinálásával Newton átalakította a mechanikai filozófiát egy titokzatos, de nem kevésbé mérhető mennyiség, a gravitációs erő hozzáadásával.
A hagyomány szerint 1666-ban Newton megfigyelte egy alma leesését a woolsthorpe-i kertjében, és később így emlékezett vissza: “Ugyanebben az évben kezdtem el gondolkodni a gravitációról, amely a Hold körüli pályára is kiterjedt”. Newton emlékezete nem volt pontos. Valójában minden bizonyíték arra utal, hogy az egyetemes gravitáció koncepciója nem 1666-ban pattant ki Newton fejéből teljes valójában, hanem közel 20 évig érlelődött. Ironikus módon Robert Hooke segített életre kelteni. 1679 novemberében Hooke kezdeményezett egy levélváltást, amely a bolygómozgás kérdését érintette. Bár Newton sietve megszakította a levelezést, Hooke levelei fogalmi kapcsolatot teremtettek a központi vonzás és a távolság négyzetével csökkenő erő között. Úgy tűnik, hogy valamikor 1680 elején Newton csendben levonta a saját következtetéseit.
Eközben a londoni kávéházakban Hooke, Edmund Halley és Christopher Wren sikertelenül küzdött a bolygómozgás problémájával. Végül 1684 augusztusában Halley legendás látogatást tett Newtonnál Cambridge-ben, remélve, hogy választ kap rejtélyére: Milyen görbét ír le egy bolygó a Nap körüli pályáján, feltételezve a vonzás fordított négyzetes törvényét? Amikor Halley feltette a kérdést, Newton készséges válasza az volt, hogy “ellipszis”. Amikor megkérdezték tőle, honnan tudja, hogy ez egy ellipszis, Newton azt válaszolta, hogy már kiszámította. Bár Newton magánemberként megválaszolta a világegyetem egyik rejtélyét – és egyedül ő rendelkezett az ehhez szükséges matematikai képességekkel -, a számítást jellegzetesen rosszul végezte el. További vita után megígérte, hogy haladéktalanul elküldi Halleynek az új számítást. Ígéretének részleges teljesítéseként Newton elkészítette 1684-es De Motu című művét. Ebből a magból közel két évnyi intenzív munka után jelent meg a Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Vitathatatlanul ez a tudomány történetében megjelent legfontosabb könyv. De ha a Principia Newton agyszüleménye volt is, Hooke és Halley nem voltak mások, mint bábák.
Bár a Principia kedvező fogadtatásban részesült, jövője már megjelenése előtt kétségessé vált. Itt ismét Hooke került a középpontba, aki ezúttal azt állította (nem alaptalanul), hogy 1679-1680-ban írt leveleivel szerepet játszott Newton felfedezésében. De eredménytelenül. Newton annyira dühös volt Hooke-ra, hogy a Principia III. könyvének teljes elhallgatásával fenyegetőzött, és végül a tudományt “szemtelenül pereskedő hölgynek” nevezte. Newton lecsillapodott, és végül beleegyezett a kiadásba. Newton azonban ahelyett, hogy elismerte volna Hooke hozzájárulását, szisztematikusan törölte Hooke nevének minden lehetséges említését. Newton gyűlölete Hooke iránt elhatalmasodott. Valójában Newton később visszatartotta az Opticks (1704) kiadását, és gyakorlatilag kivonult a Királyi Társaságból Hooke 1703-ban bekövetkezett haláláig.
A Principia kiadása után Newton egyre inkább részt vett a közügyekben. 1689-ben megválasztották Cambridge képviselőjének a parlamentben, és londoni tartózkodása alatt megismerkedett John Locke-kal, a híres filozófussal és Nicolas Fatio de Duillierrel, egy briliáns fiatal matematikussal, aki bizalmas barátja lett. 1693-ban azonban Newton súlyos idegbetegségben szenvedett, amely nem különbözött az 1677-1678-as összeomlásától. Az okokat szabadon lehet értelmezni: túlhajszoltság; a vitákkal járó stressz; a Fatióval való barátság megmagyarázhatatlan elvesztése; vagy talán krónikus higanymérgezés, amely a közel három évtizedes alkímiai kutatás eredménye volt. Mindegyik tényező szerepet játszhatott. Csak annyit tudunk, hogy Locke és Samuel Pepys furcsa és látszólag zavart leveleket kapott, amelyek aggodalomra adtak okot Newton “fejének, elméjének vagy mindkettőnek a zavara” miatt. Bármi is volt az ok, nem sokkal felépülése után Newton új állást keresett Londonban. 1696-ban Charles Montague, a Trinity ösztöndíjasa, majd Halifax grófja segítségével Newtont kinevezték a pénzverde igazgatójává, majd mesterévé. Új pozíciója “a legmegfelelőbbnek” bizonyult, és megbánás nélkül távozott Cambridge-ből Londonba.
Londoni évei alatt Newton hatalmat és világi sikereket élvezett. A pénzverdében betöltött pozíciója kényelmes társadalmi és gazdasági státuszt biztosított, és aktív és ügyes adminisztrátor volt. Hooke 1703-ban bekövetkezett halála után Newtont a Royal Society elnökévé választották, és haláláig évente újraválasztották. 1704-ben adta ki második fő művét, az Optikákat, amely nagyrészt az évtizedekkel korábban befejezett munkáján alapult. 1705-ben lovaggá ütötték.
Noha alkotó évei elmúltak, Newton továbbra is nagy hatást gyakorolt a tudomány fejlődésére. A Királyi Társaság tulajdonképpen Newton eszköze volt, és ő személyes előnyére játszott vele. Elnöki megbízatását zsarnoki és autokratikusnak nevezték, és a fiatalabb tanítványok élete és karrierje felett gyakorolt ellenőrzése szinte abszolút volt. Newton nem tűrte az ellentmondást vagy a vitát – a Hookep-pel folytatott vitái egyedülálló példákat szolgáltatnak. Későbbi vitáiban azonban a Királyi Társaság elnökeként Newton minden rendelkezésére álló erőt összevont. Például kiadta Flamsteed csillagászati megfigyeléseit – egy élet munkáját – a szerző engedélye nélkül; és a Leibnizzel a számtanról folytatott elsőbbségi vitájában Newton fiatalabb embereket toborzott, hogy vívják meg szócsatáját, miközben a vonalak mögött titokban támadást és ellentámadást irányított.Végül a Társaság intézkedései alig voltak többek Newton akaratának kiterjesztésénél, és haláláig rivális nélkül uralta a tudományos életet. Londonban halt meg 1727. március 20-án (új stílusban március 31-én).
Matematika- Newton matematika iránti érdeklődésének eredete a Cambridge-i egyetemi éveire vezethető vissza. Newton itt ismerkedett meg számos korabeli munkával, köztük Descartes Géométrie című művének egy kiadásával, John Wallis Arithmetica infinitorum című művével és más kiemelkedő matematikusok munkáival. De 1664 és a pestis után Cambridge-be való visszatérése között Newton alapvető hozzájárulásokat tett az analitikus geometriához, az algebrához és a számtanhoz. Konkrétan felfedezte a binomiális tételt, új módszereket a végtelen sorozatok kiterjesztésére, valamint a “direkt és inverz folyosók módszerét”. Amint a kifejezés is mutatja, a fluxusszámítás a változó vagy áramló mennyiségek kezelésére szolgáló módszer. Ezért a “fluxió” egy “folyékony” – egy folyamatosan változó vagy áramló mennyiség, például távolság, terület vagy hossz – változásának mértékét jelenti. Lényegében a fluxionok voltak az első szavak a fizika új nyelvén.
Newton kreatív matematikai évei 1664-től nagyjából 1696 tavaszáig tartottak. Bár elődei már előre látták a számtan különböző elemeit, Newton általánosította és integrálta ezeket a felismeréseket, miközben új és szigorúbb módszereket fejlesztett ki. Gondolatainak lényeges elemeit három traktátusban mutatta be, az első egy magánkiadásban megjelent értekezésben, a De analysi (Az analízisről) címűben, amely 1711-ig kiadatlan maradt. Newton 1671-ben kidolgozta a végtelen számok módszerének teljesebb leírását, amely kilenc évvel a halála után jelent meg Methodusfluxionum et serierum infinitarum (A fluxionok és a végtelen sorozatok módszere, 1736) címen. E műveken kívül Newton négy kisebb traktátust írt, amelyek közül kettőt az 1704-ben megjelent Opticks című művéhez csatolt.
Newton és Leibniz. Newton matematikai pályafutásának legjellemzőbb vonása a ragyogása mellett a késedelmes publikálás volt. Newton Leibnizzel folytatott elsőbbségi vitája híres, de szerencsétlen példa erre. Gottfried Wilhelm Leibniz, Newton legtehetségesebb ellenfele, 1684-ben kezdte el publikálni a számtanról szóló dolgozatokat, csaknem 20 évvel Newton felfedezéseinek megkezdése után. Ennek az időbeli eltérésnek az eredménye egy közel két évtizeden át tartó elkeseredett vita lett. A megpróbáltatások azzal a híreszteléssel kezdődtek, hogy Leibniz ötleteket kölcsönzött Newtontól, és azokat sietve nyomtatásba adta. Befejeződött a tisztességtelenség és a nyílt plágium vádjával. A Newton-Leibniz prioritási vita – amely végül kiterjedt az Isten és a világegyetem természetével kapcsolatos filozófiai területekre is – végül az elsőbbség kétértelműsége körül forgott. Ma már általánosan elfogadott, hogy Newton és Leibniz mindketten egymástól függetlenül fejlesztették ki a számtant, és ezért társfelfedezőknek tekintik őket. De míg Newton volt az első, aki kitalálta és kifejlesztette a fluxusokra vonatkozó módszerét, addig Leibniz volt az első, aki független eredményeit publikálta.
Optika: Newton optikai kutatásai, akárcsak matematikai vizsgálatai, a cambridge-i egyetemi évei alatt kezdődtek. De a matematikai munkájától eltérően Newton optikai tanulmányai hamar nyilvánosságot kaptak. Nem sokkal azután, hogy 1671-ben megválasztották a Királyi Társaság tagjává, Newton közzétette első tanulmányát a Royal Society Philosophical Transactions of the Royal Society című folyóiratban. Ez a tanulmány, és az azt követő többi is, egyetemi kutatásaira, valamint cambridge-i Lucasian előadásaira támaszkodott.
1665-1666-ban Newton számos kísérletet végzett a fény összetételével kapcsolatban. Newton kezdetben Kepler és Descartes írásaitól vezérelve azt a fő felfedezést tette, hogy a látható (fehér) fény heterogén, azaz a fehér fény olyan színekből áll, amelyek elsődlegesnek tekinthetők. Newton briliáns kísérletsorozattal bizonyította, hogy a prizmák inkább szétválasztják, mint módosítják a fehér fényt. Arisztotelész és más ókori elméletekkel ellentétben Newton úgy vélte, hogy a fehér fény másodlagos és heterogén, míg a különálló színek elsődlegesek és homogének. Talán ugyanilyen fontos, hogy Newton azt is bebizonyította, hogy a spektrum színeit, amelyeket minőségeknek véltek, egy megfigyelt és számszerűsíthető “átváltozási foknak” felelnek meg.”
A döntő kísérlet. Newton leghíresebb kísérlete, az experimentum crucis, a fény összetételének történeti elméletét mutatta be. Röviden: Newton egy sötét szobában egy ablakredőnyön lévő kis lyukon keresztül egy keskeny napsugarat engedett át egy prizmán, így a fehér fényt egy táblán hosszúkás spektrumra bontotta. Ezután Newton a táblán lévő kis nyíláson keresztül kiválasztott egy adott színt (például a vöröset), amelyet egy másik nyíláson keresztül egy második prizmára engedett át, amelyen keresztül a fény egy második táblára tört meg. A kezdetben közönséges fehér fény így két prizmán keresztül szóródott szét.
Newton “döntő kísérletével” bebizonyította, hogy az első prizmából kilépő kiválasztott színt a második prizma nem tudja tovább elválasztani. A kiválasztott fénysugár ugyanolyan színű maradt, és a törésszöge végig állandó volt. Newton arra a következtetésre jutott, hogy a fehér fény “különbözőképpen frissülő sugarak heterogén keveréke”, és hogy a spektrum színei önmagukban nem módosíthatók külön-külön, hanem “eredeti és összefüggő tulajdonságok”.
Newton valószínűleg Cambridge-ben végezte prizmakísérleteinek egy részét, mielőtt a pestis miatt kénytelen volt visszatérni Woolsthorpe-ba. Lucasian előadásai,amelyeket később részben Optikai előadások (1728) címen adtak ki, kiegészítik a Társaság Transactions című folyóiratában1672 februárjától közzétett egyéb kutatásokat.
TheOpticks. Az 1704-es TheOpticks, amely először jelent meg angolul, Newton legátfogóbb és legkönnyebben hozzáférhető műve a fényről és a színekről. Newton kardoskodása szerint az Opticks célja “nem az volt, hogy hipotézisekkel magyarázza a fény tulajdonságait, hanem hogy észérvekkel és kísérletekkel javasoljon és bizonyítson.” A három könyvre osztott TheOpticks a definícióktól, axiómáktól,tételektől és tételektől a kísérletekkel való bizonyításig halad. A matematikai érvelés és a gondos megfigyelés finom keveréke, az Opticks a 18. században a kísérleti fizika modelljévé vált.
A korpuszkuláris elmélet. Az Optickok azonban többet tartalmaztak, mint kísérleti eredményeket. A 17. században széles körben elterjedt az a nézet, hogy a fény, akárcsak a hang, awave vagy hullámzó mozgásból áll, és Newton fő kritikusai az optika területén – Robert Hooke és Christiaan Huygens – ennek az elméletnek a hangzatos szószólói voltak.Newton azonban nem értett egyet. Bár nézetei idővel fejlődtek, Newton fényelmélete alapvetően korpuszkuláris, azaz részecskés volt. Mivel a fény (a hanggal ellentétben) egyenes vonalban halad és éles árnyékot vet, Newton azt állította, hogy a fény különálló részecskékből áll, amelyek egyenes vonalban mozognak, mint az inerciatestek. Továbbá, mivel a kísérletek azt mutatták, hogy a fény egyes színeinek tulajdonságai állandóak és változatlanok, Newton úgy vélte, hogy maga a fény anyaga is részecskékből áll.
Pályafutása különböző pontjain Newton tulajdonképpen ötvözte a fény részecske- és hullámelméletét. A Hooke-kal folytatott legkorábbi vitájában, majd az 1717-es Optikájában Newton egy éterikus anyag – egy mindenütt jelenlévő, a levegőnél finomabb, rugalmas anyag – lehetőségét mérlegelte, amely a hullámok vagy rezgések terjedésének közegét biztosítaná. Newton kezdettől fogva elutasította Hooke és Huygens alapvető hullámmodelljeit, talán azért, mert azok figyelmen kívül hagyták a periodicitás finomságát.
A periodicitás kérdése a “Newton-gyűrűk” néven ismert jelenséggel merült fel. Az Opticks II. könyvében Newton egy kísérletsorozatot ír le a vékony filmek színeivel kapcsolatban. A legfigyelemreméltóbb megfigyelése az volt, hogy egy lapos üveglaphoz nyomott domború lencsén áthaladó fény koncentrikus színes gyűrűket (Newton-gyűrűk) hoz létre váltakozó sötét gyűrűkkel. Newton úgy próbálta megmagyarázni ezt a jelenséget, hogy a részecskeelméletet alkalmazta a “könnyű transzmisszió és reflexió illeszkedésének” hipotézisével együtt. Gondos mérések után Newton megállapította, hogy a lencse (adott görbületű) és az üveg közötti légréteg vastagsága megegyezik a gyűrűk távolságával. Ha a sötét gyűrűk 0, 2, 4, 6, 4, 6, … , akkor a színes gyűrűk páratlan számú haladásnak feleltek meg: 1, 3, 5, 7, ….. Bár Newtond nem spekulált e periodicitás okáról, a “newtoni gyűrűk” kezdeti összekapcsolása egy közegben lévő rezgésekkel arra utal, hogy hajlandó volt módosítani, de nem hagyta el a részecskeelméletet.
A TheOpticks volt Newton legolvasottabb műve. Az első kiadást követően 1706-ban és 1719-ben latin nyelvű változatok, 1717-ben és 1721-ben pedig második és harmadik angol nyelvű kiadások jelentek meg. Az Optickák talán legprovokatívabb része a “Kérdések” néven ismert rész, amelyet Newton a könyv végére helyezett. Itt kérdéseket tett fel és véleményt fejtett ki a repülés, az anyag és a természeti erők természetéről.
Mechanika.Newton dinamikai kutatásai három nagyobb időszakra oszthatók: az 1664-1666-os pestisévekre, a Hooke levelezését követő 1679-1680-as vizsgálatokra és a Halley cambridge-i látogatását követő 1684-1687-es időszakra. Newton gondolkodásának fokozatos fejlődése e két évtized alatt szemlélteti teljesítményének összetettségét, valamint a tudományos “felfedezések” elhúzódó jellegét.”
Míg Newton és az alma mítosza talán igaz, a Newtonról és a gravitációról szóló hagyományos beszámoló nem az. Az biztos, hogy Newton korai gondolatai a gravitációról Woolsthorpe-ban kezdődtek, de a híres “holdkísérlet” idején Newton még nem jutott el a gravitációs vonzás fogalmához. A korai kéziratok azt sugallják, hogy az 1660-as évek közepén Newton nem a Holdnak a Föld felé irányuló centrális vonzásáról, hanem inkább a Hold centrifugális távolodási hajlamáról gondolkodott. A mechanikus filozófia hatása alatt Newton még nem gondolt a távolsági hatás lehetőségére; és nem volt tisztában Kepler első két bolygóhipotézisével sem. Történelmi, filozófiai és matematikai okokból Newton feltételezte, hogy a Hold centrifugális “törekvése” egyenlő és ellentétes valamilyen ismeretlen mechanikai kényszerrel. Ez utóbbit Kepler harmadik hipotéziséből (a bolygó keringési idejének négyzete arányos a Naptól való átlagos távolságának kockájával), a centrifugális erő képletéből (a centrifugális erő egy forgó testre a sebességének négyzetével arányos és fordítottan arányos a keringési sugarával) és a körpálya feltételezéséből vezette le.
A következő lépés az volt, hogy a fordított négyzetes összefüggést empirikus adatokkal tesztelte, és ehhez Newton tulajdonképpen a Hold “távolodási törekvésének” visszafogottságát hasonlította össze a földre eső tárgyak megfigyelt gyorsulási sebességével. A probléma a pontos adatok megszerzése volt. Feltételezve Galilei becslését, miszerint a Hold 60 földsugárnyira van a Földtől, a Holdra ható visszatartó erőnek a földi gravitációs gyorsulás 1/3600 (1/602) értékének kellett volna lennie. Newton azonban túl alacsonyra becsülte a Föld méretét, és számításai szerint a Holdra gyakorolt hatás a Földre gyakorolt hatás 1/4000-ének felel meg. Ahogy Newton később leírta, a Hold tesztje “eléggé közel” válaszolt. De a Holdra vonatkozó számadatok nem voltak pontosak, és Newton felhagyott a problémával.
1679 végén és 1680 elején egy levélváltás Hooke-kal megújította Newton érdeklődését. 1679 novemberében, közel 15 évvel a holdkísérlet után, Hookewriting Newton egy hipotézissel kapcsolatban, amelyet a Kísérlet a Föld mozgásának bizonyítására (1674) című művében mutatott be. Ebben Hooke azt javasolta, hogy a bolygó körpályák egy érintőleges mozgásból és egy “a központi test felé irányuló vonzó mozgásból” erednek. Későbbi leveleiben Hooke tovább részletezte a központi vonzóerőt, amely a távolság négyzetével csökken. E levélváltás eredményeként Newton elvetette korábbi elképzelését a centrifugális tendenciákról a centrális vonzás javára. Hooke levelei döntő jelentőségű meglátásokkal szolgáltak, de visszatekintve, ha Hooke intuitív ereje páratlannak is tűnik, sem elvben, sem a gyakorlatban nem közelítette meg Newton matematikai erejét.
Amikor Halley 1684-ben Cambridge-be látogatott, Newton már kimutatta a fordított négyzetes vonzás és az elliptikus pályák közötti kapcsolatot. Halley “örömére és csodálkozására” Newton láthatóan sikerrel járt ott, ahol neki és másoknak nem sikerült. Ezzel Halley szerepe megváltozott, és folytatta Newton irányítását a publikálás felé. Halley személyesen finanszírozta a Principia-t, és a sajtón keresztül 1687 júliusában megjelentetéséig kísérte.
A Principia. Newton remekműve három könyvre oszlik. A Principia I. könyve nyolc definícióval és három axiómával kezdődik, ez utóbbiak ma Newton mozgástörvényei néven ismertek. Ezek nélkül egyetlen Newtonról szóló értekezés sem lenne teljes: (1) Minden test nyugalmi állapotban vagy egyenes vonalú egyenletes mozgásban marad, hacsak a rá ható erők nem kényszerítik arra, hogy ezt az állapotot megváltoztassa (tehetetlenség). (2) A mozgás megváltozása arányos a kifejtett mozgatóerővel, és annak az egyenesnek az irányában történik, amelyben az erő kifejtésre kerül (F= ma). (3) Minden hatásnak mindig van egy ellentétes és egyenlő reakciója.” Ezen axiómákat követve Newton lépésről lépésre halad a tételekkel, tételekkel és problémákkal.
A Principia II. könyvében Newton a testek ellenálló közegeken keresztül történő mozgását, valamint maguknak a folyadékoknak a mozgását tárgyalja. Mivel a II. könyv nem volt része Newton eredeti vázlatának, hagyományosan kissé helytelennek tűnik. Mindazonáltal figyelemre méltó, hogy a II. könyv vége felé (IX. szakasz) Newton bemutatja, hogy a Descartes által a bolygómozgás magyarázatára hivatkozott örvények nem lehetnek önfenntartóak; az örvényelmélet nem volt összhangban Kepler három bolygószabályával sem. A II. könyv célja ezután világossá válik. Descartes rendszerének hiteltelenné tétele után Newton megállapítja:
A III. könyvben, melynek alcíme A világ rendszere, Newton kiterjesztette a három mozgástörvényét a világ vázára, és végül kimutatta, hogy “van egy minden testre ható gravitációs erő, amely arányos a bennük lévő anyagmennyiséggel”. Newton egyetemes gravitációs törvénye kimondja, hogy F = G Mm/R2; vagyis minden anyagot kölcsönösen vonz egymáshoz egy olyan erő (F), amely arányos a tömegük (Mm) szorzatával és fordítottan arányos a köztük lévő távolság (R2) négyzetével. G egy olyan állandó, amelynek értéke a tömeg és a távolság mértékegységétől függ. Newton elmélete erejének demonstrálására a gravitációs vonzás segítségével magyarázta a bolygók és holdjaik mozgását, a napéjegyenlőség precesszióját, az árapályok hatását és az üstökösök mozgását. Összességében Newton univerzuma egyetlen törvényszerűséggel egyesítette az eget és a földet. Ez lett a modern világkép fizikai és szellemi alapja.
A Principia, amely talán a valaha kiadott legerősebb és legbefolyásosabb tudományos értekezés, még Newton életében két további kiadásban is megjelent, 1713-ban és 1726-ban.
Más kutatások. Pályafutása során Newton a teológia és a történelem területén ugyanolyan szenvedéllyel folytatott kutatásokat, mint a kémia és a tudományok terén. Bár egyes történészek elhanyagolták Newton nem tudományos írásait, kevés kétség merül fel az e témák iránti elkötelezettségét illetően, amint azt kéziratai bőségesen tanúsítják. Newton teológiai és bibliai témájú írásai önmagukban mintegy 1,3 millió szót tesznek ki, ami a mai szabványos hosszúságú könyvek közül 20-nak felel meg. Bár ezek az írások keveset árulnak el a newtoni tudományról, sokat elárulnak Isaac Newtonról.
Newton utolsó gesztusa halála előtt az volt, hogy megtagadta a szentségimádást, ami a 18. században nem kis jelentőségű döntés volt. Bár Newton kötelességtudóan a protestáns hagyományban nevelkedett, érett teológiai nézetei nem voltak sem protestánsok, sem hagyományosak, sem ortodoxok. Gondolatainak és írásainak magányában Newton számos olyan tanítást elutasított, amelyeket misztikusnak, irracionálisnak vagy babonásnak tartott. Egyszóval unitárius volt.
Newton tudományon kívüli kutatásai – a teológia, a prófécia és a történelem területén – a koherenciára és az egységre törekedtek. Szenvedélye a tudás és a hit egyesítése volt, a természet könyvének és a Szentírás könyvének összeegyeztetése. De gondolkodásának eleganciája és kutatásának bátorsága ellenére Isaac Newton rejtélye megmaradt. Newton végül is ugyanolyan rejtély számunkra, mint amilyen kétségtelenül ő maga volt.
RobertA. Hatch
Universityof Florida