1600-talet var en lyckosam tid för vetenskaperna, med banbrytande upptäckter som gjordes inom astronomi, fysik, mekanik, optik och naturvetenskap. I centrum för allt detta var Sir Isaac Newton, mannen som är allmänt erkänd som en av de mest inflytelserika forskarna genom tiderna och som en nyckelfigur i den vetenskapliga revolutionen.
Newton, en engelsk fysiker och matematiker, gjorde flera avgörande bidrag till optikområdet och delar kredit med Gottfried Leibniz för utvecklingen av kalkyl. Men det var Newtons publicering av Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (”Matematiska principer för naturfilosofi”), som han är mest känd för. Denna avhandling publicerades 1687 och lagt grunden för klassisk mekanik, en tradition som skulle dominera forskarnas syn på det fysiska universumet under de kommande tre århundradena.
Tidigt liv:
Isaac Newton föddes den 4 januari 1643, eller den 25 december 1642 enligt Julian Calendar (som var i bruk i England vid den tiden) - i Woolsthorpe-by-Colsterworth, en by i länet Lincolnshire. Hans far, för vilken han namngavs, var en välmående bonde som hade dött tre månader före hans födelse. Efter att han föddes för tidigt var Newton liten som barn.
Hans mor, Hannah Ayscough, gifte sig igen när han var tre till en pastor och lämnade Newton i vård av sin mormor. Hans mamma skulle fortsätta att ha ytterligare tre barn med sin nya make, som blev Newtons enda syskon. På grund av detta hade Newton tydligen en stenig relation med sin styvfar och mamma under en tid.
När Newton var 17 år, änkade hans mor igen. Trots hennes förhoppningar att Newton skulle bli bonde, liksom hans far, hatade Newton jordbruk och försökte bli akademiker. Hans intressen i teknik, matematik och astronomi var tydliga från en tidig ålder, och Newton började sina studier med en möjlighet att lära sig och uppfinna som skulle hålla resten av hans liv.
Utbildning:
Mellan åldrarna 12 och 21 utbildades Newton på The King's School, Grantham, där han lärde sig latin. Medan han blev där blev han den högst rankade studenten och fick erkännande för sin byggnad av solur och modeller av vindkraftverk. År 1661 antogs han på Trinity College, Cambridge, där han betalade sig genom att utföra en betjänares uppgifter (det som var känt som en subsizar).
Under sina tre första år på Cambridge fick Newton lära sig standardplanen, som baserades på Aristoteliansk teori. Men Newton var fascinerad av den mer avancerade vetenskapen och tillbringade all sin fritid på att läsa verk av moderna filosofer och astronomer, såsom René Descartes, Galileo Galilei, Thomas Street och Johannes Kepler.
Resultatet var en prestanda som var mindre än stjärna, men hans dubbla fokus skulle också leda honom till att göra några av hans mest djupgående vetenskapliga bidrag. 1664 fick Newton ett stipendium, vilket garanterade honom ytterligare fyra år tills han fick sin magisterexamen.
1665, kort efter att Newton fick sin B.A., stängde universitetet tillfälligt på grund av utbrottet av den stora pesten. Genom att använda denna tid för att studera hemma, utvecklade Newton ett antal idéer som han hade, som så småningom skulle cementera för att bli hans teorier om kalkyl, optik och gravitationslagen (se nedan).
1667 återvände han till Cambridge och valdes till en kollega i Trinity, även om hans prestanda fortfarande ansågs vara mindre än spektakulär. Men med tiden förbättrades hans förmögenheter och han fick erkännande för sina förmågor. 1669 fick han sin M.A. (innan han fyllde 27) och publicerade en avhandling som beskrev hans matematiska teorier för att hantera oändliga serier.
År 1669 efterträdde han sin engångslärare och mentor Isaac Barrow - en teolog och matematiker som upptäckte den grundläggande teorem för kalkylen - och blev Lucasians matematikordförande i Cambridge. 1672 valdes han till kamrat för Royal Society, som han skulle förbli en del av till slutet av sitt liv.
Vetenskapliga prestationer:
När han studerade i Cambridge behöll Newton en andra uppsättning anteckningar som han gav rubriken "Quaestiones Quaedam Philosophicae” (“Vissa filosofiska frågor”). Dessa anteckningar, som var summan av Newtons iakttagelser om mekanisk filosofi, skulle leda honom att upptäcka den generaliserade binomialteoremet 1665 och tillät honom att utveckla en matematisk teori som skulle leda till hans utveckling av modern kalkyl.
Newtons tidigaste bidrag var emellertid i form av optik, som han levererade under årliga föreläsningar medan han innehöll tjänsten som Lucasian matematikordförande. 1666 observerade han att ljus som tränger in i ett prisma när en cirkulär stråle kommer ut i form av en avlång, vilket visar att ett prisma bryter olika ljusfärger i olika vinklar. Detta ledde till att han drog slutsatsen att färg är en egenskap som är iboende för ljus, en punkt som diskuterats under tidigare år.
1668 designade och konstruerade han ett reflekterande teleskop, som hjälpte honom att bevisa sin teori. Från 1670 till 1672 fortsatte Newton att föreläsa om optik och undersökte brytningen av ljus, vilket visade att det mångfärgade spektrum som produceras av ett prisma kunde komponeras till vitt ljus av en lins och ett andra prisma.
Han demonstrerade också att färgat ljus inte förändrar dess egenskaper, oavsett om det reflekteras, sprids eller överförs. Således observerade han att färg är resultatet av föremål som interagerar med redan färgat ljus, snarare än föremål som genererar färgen själva. Detta kallas Newtons färgteori.
Royal Society bad om en demonstration av sitt reflekterande teleskop 1671, och organisationens intresse uppmuntrade Newton att publicera sina teorier om ljus, optik och färg. Detta gjorde han 1672 i en liten avhandling med titeln Of Färger, som senare skulle publiceras i en större volym innehållande hans teorier om ljusets ”korpuskulära” natur.
I huvudsak hävdade Newton att ljus var sammansatt av partiklar (eller kroppar), som han hävdade bryts av genom att accelerera till ett tätare medium. 1675 publicerade han denna teori i en avhandling med titeln "Ljushypotes ”, där han också poserade att vanlig materia var sammansatt av större kroppar och om förekomsten av en eter som överförde krafter mellan partiklar.
Efter att ha diskuterat sina idéer med Henry More, en engelsk teosof och en medlem av Cambridge Platonists, återupplivades Newtons intresse för alkemi. Han ersatte sedan sin teori om en eter som existerar mellan partiklar i naturen med ockulta krafter, baserat på hermetiska idéer om attraktion och repulsion mellan partiklar. Detta återspeglade Newtons pågående intresse för både det alkemiska och vetenskapliga, för vilket det inte fanns någon tydlig åtskillnad vid den tiden.
År 1704 publicerade Newton alla sina teorier om ljus, optik och färger i en enda volym med titeln Optik: Eller, en avhandling av reflektioner, refraktioner, inflektioner och ljusfärger. I det spekulerade han att ljus och materia kunde omvandlas till varandra genom en slags alkemisk transmutation, och satte sig på teorier om ljudvågor för att förklara upprepade mönster av reflektion och transmission.
Medan senare fysiker gynnade en rent våglig förklaring av ljus för att redogöra för interferensmönstren och det allmänna diffraktionsfenomenet, var deras resultat mycket skyldiga Newtons teorier. Mycket samma sak gäller dagens kvantmekanik, fotoner och idén om våg-partikeldualitet, som bara har en liten likhet med Newtons förståelse av ljus.
Även om både han och Leibniz krediteras för att de har utvecklat kalkylen oberoende, båda männen blev inblandade i en kontrovers om vem som upptäckte den först. Även om Newtons arbete med att utveckla modern kalkyl började på 1660-talet var han ovillig att publicera den och fruktade kontroverser och kritik. Som sådan publicerade Newton inte någonting förrän 1693 och gav inte en fullständig redogörelse för sitt arbete förrän 1704, medan Leibniz började publicera en fullständig redogörelse för sina metoder 1684.
Emellertid Newton tidigare arbetar inom mekanik och astronomi involverade omfattande användning av kalkylen i geometrisk form. Detta inkluderar metoder som involverar "en eller flera beställningar av oändligt små" i hans arbete från 1684, De motu corporum in gyrum (“På kroppens rörelse i omloppsbana ”), och i bok I av Principia, som han hänvisade till som "metoden för första och sista förhållanden".
Universal Gravitation:
1678 drabbades Newton av ett fullständigt nervöst sammanbrott, troligen på grund av överarbete och en pågående fejd med kollegan medlem av Royal Society Robert Hooke (se nedan). Då hans mor dödade ett år senare fick honom att bli allt mer isolerad, och i sex år drog han sig ur korrespondens med andra forskare, utom där de initierade det.
Under denna hiatus förnyade Newton sitt intresse för mekanik och astronomi. Ironiskt nog var det tack vare ett kort brevutbyte 1679 och 1680 med Robert Hooke som skulle leda honom till att göra hans största vetenskapliga framsteg. Hans återuppvaknande berodde också på en komet på vintern 1680–1681, om vilken han korresponderade med John Flamsteed - Englands astronom Royal.
Därefter började Newton överväga gravitationen och dess inverkan på planets banor, särskilt med hänvisning till Keplers lagar om planetrörelse. Efter sina utbyten med Hooke utarbetade han bevis för att den elliptiska formen av planetbanor skulle bero på en centripetalkraft omvänt proportionell mot radiusvektorns kvadrat.
Newton meddelade sina resultat till Edmond Halley (upptäckaren av "Haleys komet") och till Royal Society i hans De motu corporum in gyrum. Denna kanal, publicerad 1684, innehöll utsäde som Newton skulle utvidga för att bilda sin magnum opus, the Principia. Denna avhandling, som publicerades i juli 1687, innehöll Newtons tre rörelseregler. Dessa lagar uppgav att:
- När det ses i en tröghetsreferensram förblir ett objekt antingen i vila eller fortsätter att röra sig med en konstant hastighet, såvida det inte påverkas av en extern kraft.
- Vektorsumman för de yttre krafterna (F) på ett objekt är lika med massan (m) av det objektet multiplicerat med accelerationsvektorn (a) för objektet. I matematisk form uttrycks detta som: F =men
- När en kropp utövar en kraft på en andra kropp utövar den andra kroppen samtidigt en kraft lika stor i storlek och motsatt i riktning på den första kroppen.
Tillsammans beskrev dessa lagar förhållandet mellan vilket objekt som helst, krafterna som verkar på det och den resulterande rörelsen, som lägger grunden för klassisk mekanik. Lagarna tillät också Newton att beräkna massan på varje planet, beräkna utjämningen av jorden vid polerna och utbuktningen vid ekvatorn och hur gravitationen från solen och månen skapar jordens tidvatten.
I samma arbete presenterade Newton en kalkylliknande metod för geometrisk analys med "första och sista förhållanden", utarbetade hastigheten för ljudet i luften (baserat på Boyle's Law), redogjorde för förekomsten av jämjockorna (som han visade var ett resultat av månens gravitationsattraktion till jorden), inledde gravitationsstudien av oegentligheter i månens rörelse, gav en teori för bestämning av kometerbanor och mycket mer.
Denna volym skulle ha en djup inverkan på vetenskaperna, med dess principer som kan vara kvar de följande 200 åren. Det informerade också om konceptet universell gravitation, som blev grundpelaren i modern astronomi, och skulle inte revideras förrän på 1900-talet - med upptäckten av kvantmekanik och Einsteins teori om allmän relativitet.
Newton och "Apple Incident":
Berättelsen om Newton som kommer med sin teori om universell gravitation som ett resultat av att ett äpple faller på hans huvud har blivit en bas i populærkulturen. Och även om det ofta har hävdats att berättelsen är apokryf och Newton inte tänkte ut sin teori på något ögonblick, berättade Newton själv historien många gånger och hävdade att händelsen hade inspirerat honom.
Dessutom har skrifterna av William Stukeley - en engelsk präst, antikvarisk och medmedlem i Royal Society - bekräftat historien. Men snarare än den komiska framställningen av äpplet som slår Netwon på huvudet, beskrev Stukeley i hans Memoarer av Sir Isaac Newtons liv (1752) en konversation där Newton beskrev att fundera över tyngdkraften när han tittade på ett äpple faller.
”... vi gick in i trädgården och drack tea i skuggan av några äpplen; bara han och jag själv. mitt i en annan diskurs, berättade han för mig, var han precis i samma situation, som när tidigare, gravitationen kom in i hans sinne. "Varför skulle det äpplet alltid stiga vinkelrätt mot marken," tänkte han till sig själv; tillfället av hösten av ett äpple ... ”
John Conduitt, Newtons assistent vid Royal Mint (som så småningom gifte sig med sin systerdotter), beskrev också att han hörde historien i sin egen berättelse om Newtons liv. Enligt Conduitt inträffade händelsen 1666 när Newton reser för att träffa sin mor i Lincolnshire. Medan han slingrade sig i trädgården, tänkte han på hur tyngdekraftens inflytande sträckte sig långt bortom Jorden, ansvarig för fallet av äpplet och månens bana.
Likaså skrev Voltaire n hans Uppsats om episk poesi (1727) att Newton först tänkte på gravitationssystemet medan han gick i trädgården och tittade på ett äpple falla från ett träd. Detta överensstämmer med Newtons anteckningar från 1660-talet, som visar att han kämpade med idén om hur den markbundna tyngdkraften sträcker sig, i en omvänd kvadratisk proportion, till månen.
Det skulle dock ta honom ytterligare två decennier att fullt utveckla sina teorier till den grad att han kunde erbjuda matematiska bevis, vilket visades i Principia. När detta var fullständigt drog han slutsatsen att samma kraft som får ett föremål att falla till marken var ansvarig för andra rörelser i kretsloppet. Därför kallade han det "universal gravitation".
Olika träd påstås vara ”äppelträdet” som Newton beskriver. King's School, Grantham, hävdar att deras skola köpte det ursprungliga trädet, ryckte ut det och transporterade det till rektorns trädgård några år senare. National Trust, som innehar Woolsthorpe Manor (där Newton växte upp) i förtroende, hävdar dock att trädet fortfarande finns i deras trädgård. En ättling till det ursprungliga trädet kan ses växa utanför huvudporten till Trinity College, Cambridge, nedanför rummet som Newton bodde i när han studerade där.
Feud med Robert Hooke:
Med Principia, Newton blev internationellt erkänd och förvärvade en cirkel av beundrare. Det ledde också till en fejd med Robert Hooke, med vilken han hade en orolig relation tidigare. Med publiceringen av sina teorier om färg och ljus 1671/72 kritiserade Hooke Newton på ett ganska nedlåtande sätt och hävdade att ljus var sammansatt av vågor och inte färger.
Medan andra filosofer var kritiska mot Newtons idé, var det Hooke (en medlem av Royal Society som hade utfört omfattande arbete inom optik) som stickade Newton värst. Detta ledde till det felaktiga förhållandet mellan de två männen och till att Newton nästan slutade Royal Society. Emellertid övertog hans kollegas ingripande honom att hålla sig vidare och saken blev så småningom att dö.
Men med publiceringen av Principia, frågor återigen kom till ett huvud, med Hooke anklagade Newton för plagiering. Anledningen till anklagelsen hade att göra med det faktum att Hooke tidigare 1684 hade kommenterat Edmond Halley och Christopher Wren (även medlemmar av Royal Society) om ellipser och lagarna om planetrörelse. Men vid den tiden erbjöd han inte ett matematiskt bevis.
Ändå hävdade Hooke att han hade upptäckt teorin om omvända torg och att Newton hade stulit sitt arbete. Andra medlemmar av Royal Society ansåg att anklagelsen var ogrundad och krävde att Hooke släppte de matematiska bevisen för att underbygga detta påstående. Under tiden tog Newton bort all hänvisning till Hooke i sina anteckningar och hotade att dra tillbaka den Principia från efterföljande publicering helt och hållet.
Edmund Halley, som var en vän till både Newton och Hooke, försökte skapa fred mellan de två. Med tiden kunde han övertyga Newton att infoga ett gemensamt erkännande av Hookes arbete i sin diskussion om lagen om omvända torg. Men detta gjorde inte Hooke, som upprätthöll sin anklagelse för plagiering.
När tiden gick fortsatte Newtons berömmelse att växa medan Hooke fortsatte att minska. Detta fick Hooke att bli allt mer förvirrad och mer skyddande för vad han såg som sitt arbete, och han skonade ingen möjlighet att slå ut på sin rival. Feiden slutade slutligen 1703, när Hooke dog och Newton efterträdde honom som president för Royal Society.
Andra prestationer:
Förutom sitt arbete inom astronomi, optik, mekanik, fysik och alkemi, hade Newton också ett stort intresse för religion och Bibeln. Under 1690-talet skrev han flera religiösa områden som behandlade bokstavliga och symboliska tolkningar av Bibeln. Till exempel ifrågasatte hans område om den heliga treenigheten - skickat till den berömda politiska filosofen och socialteoretikern John Locke och opublicerad fram till 1785 - sanningen i 1 Johannes 5: 7, den beskrivning som den heliga treenigheten bygger på.
Senare religiösa verk - som Ancient Kingdoms Chronology Amended (1728) och Iakttagelser vid profetierna av Daniel och apokalypsen av Johannes (1733) - förblev också opublicerade förrän efter hans död. I rikenhan hanterade kronologin för olika forntida kungarike - grekarnas första ålder, forna egyptier, babylonier, medéer och perser - och erbjöd en beskrivning av Salomos tempel.
I profetior, han talade om apokalypsen, som förutses inom Daniel's Book och Revelationsoch förespråkade hans tro på att det skulle äga rum 2060 e.Kr. (även om andra möjliga datum inkluderade 2034 e.Kr.). I hans textkritik med titeln En historisk redogörelse för två anmärkningsvärda korruptionsskador (1754) placerade han korsfästelsen av Jesus Kristus den 3 april 33 e.Kr., vilket överensstämmer med ett traditionellt accepterat datum.
1696 flyttade han till London för att tillträda posten som övervaktare av Royal Mint, där han tog ansvaret för Englands stora recoining. Newton skulle stanna kvar i detta inlägg i 30 år och var kanske den mest kända mästaren i mynten. Så allvarligt var hans engagemang för rollen att han gick i pension från Cambridge 1701 för att övervaka reformen av Englands valuta och straff av förfalskare.
Som Warden, och därefter Mästare, av Royal Mint, uppskattade Newton att 20 procent av de mynt som togs in under den stora återföreningen 1696 var förfalskade. Genom att genomföra många utredningar personligen, reste Newton till krogar och barer i förklädnad för att samla bevis och genomförde mer än 100 korsutredningar av vittnen, informatörer och misstänkta - vilket ledde till ett framgångsrikt åtal för 28 förfalskade myntmän.
Newton var ledamot av Englands parlament för Cambridge University 1689–90 och 1701–2. Förutom att han var president för det kungliga samhället 1703 var han associerad till den franska Académie des Sciences. I april 1705 riddade drottning Anne Newton under ett kungligt besök på Trinity College, Cambridge, vilket gjorde honom till den andra forskaren som skulle bli riddare (efter Sir Francis Bacon).
Död och arv:
Mot slutet av sitt liv bosatte sig Newton i Cranbury Park nära Winchester med sin systerdotter och hennes man, där han skulle stanna till sin död. Vid denna tid hade Newton blivit en av de mest berömda männa i Europa och hans vetenskapliga upptäckter var ostridiga. Han hade också blivit rik, och investerat sin betydande inkomst klokt och skänkte betydande gåvor till välgörenhet.
Samtidigt började Newtons fysiska och mentala hälsa minska. När han nådde 80 års ålder började han upplever matsmältningsproblem och var tvungen att ändra sin diet och livsstil drastiskt. Hans familj och vänner började också oroa sig för hans mentala stabilitet, eftersom hans beteende blev allt mer oberoende.
1727 upplevde Newton allvarlig smärta i buken och förlorade medvetandet. Han dog i sömn nästa dag, den 2 mars 1727 (Julian Calendar; eller 31 mars 1727, Gregorian Calendar) vid en ålder av 84. Han begravdes i graven i Westminster Abbey. Och som ungkarl hade han avyttrat mycket av sin egendom till släktingar och välgörenhetsorganisationer under sina sista år.
Efter hans död undersöktes Newtons hår och innehöll kvicksilver, troligen till följd av hans alkemiska sysselsättningar. Kvicksilverförgiftning har nämnts som ett skäl till Newtons excentricitet i senare liv, såväl som den nervösa nedbrytningen han upplevde 1693. Isaac Newtons berömmelse växte ännu mer efter hans död, eftersom många av hans samtida förklarade honom att vara den största geni som någonsin levde.
Dessa påståenden var inte utan förtjänst, eftersom hans rörelselagor och teori om universell gravitation var oöverträffad i hans tid. Förutom att han kunde föra planeter, månen och till och med kometer i ett sammanhängande och förutsägbart system uppfann han också modern kalkyl, revolutionerade vår förståelse för ljus och optik och etablerade vetenskapliga principer som skulle vara kvar i användning för följande 200 år.
Med tiden skulle mycket av det som Newton föreslog bevisas fel, till stor del tack vare Albert Einstein. Med sin allmänna relativitetsteori skulle Einstein bevisa att tid, avstånd och rörelse inte var absolut, utan beroende av observatören. Därmed vred han en av de grundläggande förordningarna om universell gravitation. Ändå var Einstein en av Newtons största beundrare och erkände en stor skuld till sin föregångare.
Förutom att kalla Newton en "lysande anda" (i en samtal som levererades 1927 på 200-årsjubileet för Newtons död), påpekade Einstein också att "Naturen för honom var en öppen bok, vars brev han kunde läsa utan ansträngning." På hans studievägg sägs Albert Einstein ha hållit en bild av Newton, tillsammans med bilder av Michael Faraday och James Clerk Maxwell.
En undersökning av Storbritanniens Royal Society genomfördes också 2005, där medlemmarna frågades vem som hade större effekt på vetenskapens historia: Newton eller Einstein. Majoriteten av Royal Society: s medlemmar var överens om att Newton totalt sett hade en större inverkan på vetenskaperna. Andra undersökningar som genomförts under de senaste decennierna har gett liknande resultat, med Einstein och Newton kämpar för första och andra plats.
Det är inte lätt att leva under en av de mest gynnsamma tiderna i historien. Dessutom är det inte lätt mitt i allt detta att bli välsignad med en insikt som kommer att leda till att man kommer med idéer som kommer att revolutionera vetenskaperna och för alltid förändra historiens gång. Men genom det hela hållte Newton en ödmjuk inställning och sammanfattade hans prestationer bäst med de berömda orden: ”Om jag har sett vidare är det genom att stå på jättarnas axlar.“
Vi har skrivit många artiklar om Isaac Newton för Space Magazine. Här är en artikel om vad Isaac Newton upptäckte, och här är en artikel om uppfinningarna av Isaac Newton.
Astronomy Cast har också ett underbart avsnitt med titeln Avsnitt 275: Isaac Newton
För mer information, kolla in den här artikeln från Galileo Society på Isaac Newton och den ideella gruppen känd som The Newton Project.
Vi har också spelat in ett helt avsnitt av Astronomy Cast om Gravity. Lyssna här, avsnitt 102: Gravity.
