1600-tallet var en lykkelig tid for videnskaberne, hvor banebrydende opdagelser blev gjort inden for astronomi, fysik, mekanik, optik og naturvidenskab. I midten af alt dette var Sir Isaac Newton, den mand, der er anerkendt som værende en af de mest indflydelsesrige forskere gennem tidene og som en nøglefigur i den videnskabelige revolution.
En engelsk fysiker og matematiker, Newton leverede flere sædvanlige bidrag til området optik og deler kredit med Gottfried Leibniz for udviklingen af calculus. Men det var Newtons udgivelse af Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (”Matematiske principper for naturfilosofi”), som han er mest berømt for. Udgivet i 1687 lagde denne afhandling grundlaget for klassisk mekanik, en tradition, der ville dominere forskernes syn på det fysiske univers i de næste tre århundreder.
Tidligt liv:
Isaac Newton blev født den 4. januar 1643 - eller den 25. december 1642 ifølge Julian Calendar (som var i brug i England dengang) - i Woolsthorpe-by-Colsterworth, en landsby i amtet Lincolnshire. Hans far, som han blev navngivet til, var en velstående landmand, som var død tre måneder før sin fødsel. Efter at være født for tidligt, var Newton lille som barn.
Hans mor, Hannah Ayscough, giftede sig igen da han var tre til pastor og efterlod Newton i plejen af sin mormor. Hans mor fortsatte med at få tre børn sammen med sin nye mand, der blev Newtons eneste søskende. På grund af dette havde Newton tilsyneladende et stenet forhold til sin stedfar og mor i nogen tid.
Da Newton var 17, blev hans mor enke enke. På trods af hendes håb om, at Newton ville blive landmand, ligesom hans far, hadede Newton landbruget og forsøgte at blive akademiker. Hans interesser i ingeniørarbejde, matematik og astronomi var tydelige fra en tidlig alder, og Newton begyndte sine studier med en evne til at lære og opfinde, der ville vare resten af hans liv.
Uddannelse:
Mellem 12 og 21 år blev Newton uddannet på The King's School, Grantham, hvor han lærte latin. Mens han var der, blev han den øverste studerende og modtog anerkendelse for sin bygning af solur og modeller af vindmøller. I 1661 blev han optaget på Trinity College, Cambridge, hvor han betalte sig ved at udføre en kammertjeners opgaver (hvad der blev kendt som en subsizar).
I løbet af sine første tre år på Cambridge blev Newton undervist i standard pensum, der var baseret på Aristotelian teori. Men Newton blev fascineret af den mere avancerede videnskab og brugte al sin fritid på at læse værkerne fra moderne filosoffer og astronomer, såsom René Descartes, Galileo Galilei, Thomas Street og Johannes Kepler.
Resultatet var en mindre end stjernernes forestilling, men hans dobbelte fokus ville også føre ham til at yde nogle af hans mest dybe videnskabelige bidrag. I 1664 modtog Newton et stipendium, hvilket garanterede ham yderligere fire år, indtil han fik sin kandidatgrad.
I 1665, kort efter at Newton fik sin B.A., lukkede universitetet midlertidigt på grund af udbruddet af Den store pest. Brug af denne tid til at studere derhjemme, Newton udviklede en række ideer, han havde, som til sidst ville cementere for at blive hans teorier om beregning, optik og gravitationloven (se nedenfor).
I 1667 vendte han tilbage til Cambridge og blev valgt som stipendiat i Trinity, skønt hans præstation stadig blev betragtet som mindre end spektakulær. Men med tiden blev hans formuer forbedret, og han fik anerkendelse for sine evner. I 1669 modtog han sin M.A. (før han var fyldt 27) og udgav en afhandling, der uddyber hans matematiske teorier for at håndtere uendelige serier.
I 1669 efterfulgte han sin engangslærer og mentor Isaac Barrow - en teolog og matematiker, der opdagede den grundlæggende teorem for beregning - og blev den Lucasianske formand for matematik i Cambridge. I 1672 blev han valgt til en medspiller af Royal Society, som han ville forblive en del af indtil slutningen af sit liv.
Videnskabelige resultater:
Mens han studerede i Cambridge, fastholdt Newton et andet sæt noter, som han havde titlen "Quaestiones Quaedam Philosophicae” (“Visse filosofiske spørgsmål”). Disse noter, som var summen af Newtons observationer om mekanisk filosofi, ville føre ham til at opdage den generaliserede binomiale teorem i 1665 og give ham mulighed for at udvikle en matematisk teori, der ville føre til hans udvikling af moderne beregning.
Newtons tidligste bidrag var imidlertid i form af optik, som han leverede under årlige forelæsninger, mens han havde stillingen som Lucasian formand for matematik. I 1666 observerede han, at lys, der trænger ind i et prisme, når en cirkulær stråle kommer ud i form af en aflang, hvilket viser, at et prisme bryder forskellige farver af lys i forskellige vinkler. Dette førte til, at han konkluderede, at farve er en egenskab, der er iboende for lys, et punkt, der var drøftet i tidligere år.
I 1668 designede og konstruerede han et reflekterende teleskop, som hjalp ham med at bevise hans teori. Fra 1670 til 1672 fortsatte Newton med at holde foredrag om optik og undersøgte lysets brydning, hvilket demonstrerede, at det flerfarvede spektrum produceret af et prisme kunne rekomponeres til hvidt lys af en linse og et andet prisme.
Han demonstrerede også, at farvet lys ikke ændrer dets egenskaber, uanset om det reflekteres, spredt eller transmitteret. Således observerede han, at farve er resultatet af objekter, der interagerer med allerede-farvet lys, snarere end objekter, der genererer farven selv. Dette er kendt som Newtons teori om farve.
Royal Society bad om en demonstration af hans reflekterende teleskop i 1671, og organisationens interesse opfordrede Newton til at offentliggøre hans teorier om lys, optik og farve. Dette gjorde han i 1672 i en lille afhandling med titlen Of Farver, som senere ville blive offentliggjort i et større bind indeholdende hans teorier om lysets ”korpuskulære” natur.
I det væsentlige argumenterede Newton for, at lys var sammensat af partikler (eller kropuskler), som han hævdede blev brydet ved at accelerere til et tættere medium. I 1675 offentliggjorde han denne teori i en afhandling med titlen "Lyshypotese “, hvor han også fremførte, at almindeligt stof var sammensat af større lig, og om eksistensen af en æter, der transmitterede kræfter mellem partikler.
Efter at have drøftet hans ideer med Henry More, en engelsk teosof og et medlem af Cambridge Platonists, blev Newtons interesse for alkymi genoplivet. Derefter erstattede han sin teori om en æter, der findes mellem partikler i naturen med okkulte kræfter, baseret på hermetiske ideer om tiltrækning og frastødelse mellem partikler. Dette afspejlede Newtons fortsatte interesse for både det alkymiske og videnskabelige, som der ikke var nogen klar sondring på det tidspunkt.
I 1704 udgav Newton alle sine teorier om lys, optik og farver i et enkelt bind med titlen Optik: Eller en afhandling af reflektioner, refraktioner, bøjninger og farver på lys. I det spekulerede han i, at lys og stof kunne omdannes til hinanden gennem en slags alkymisk transmutation og satte sig på teorier om lydbølger for at forklare gentagne mønstre for reflektion og transmission.
Mens senere fysikere favoriserede en rent bølgende forklaring af lys for at redegøre for interferensmønstre og det generelle fænomen af diffraktion, skyldte deres fund en hel del Newtons teorier. Meget det samme er tilfældet med nutidens kvantemekanik, fotoner og ideen om bølge-partikel dualitet, der kun har en lille lighed med Newtons forståelse af lys.
Selvom både han og Leibniz krediteres for at have udviklet en beregning uafhængigt, blev begge mænd indblandet i en kontrovers om, hvem der opdagede det først. Selvom Newtons arbejde med at udvikle moderne regnestykker begyndte i 1660'erne, var han tilbageholdende med at offentliggøre det, frygtet for kontrovers og kritik. Som sådan offentliggjorde Newton ikke noget før i 1693 og gav ikke en fuldstændig redegørelse for sit arbejde før i 1704, hvorimod Leibniz begyndte at offentliggøre en fuldstændig redegørelse for sine metoder i 1684.
Newton arbejder dog tidligere inden for mekanik og astronomi omfattende anvendelse af beregningen i geometrisk form. Dette inkluderer metoder, der involverer "en eller flere ordrer fra de uendelig små" i hans arbejde fra 1684, De motu corporum in gyrum (“På bevægelse af kroppe i kredsløb ”), og i bog I af Principia, som han omtalte ”metoden med første og sidste forhold”.
Universal Gravitation:
I 1678 led Newton en fuldstændig nervøs sammenbrud, sandsynligvis på grund af overarbejde og en løbende fejd med kollegaen til Royal Society-medlem Robert Hooke (se nedenfor). Hans mors død et år senere fik ham til at blive mere og mere isoleret, og i seks år trak han sig tilbage fra korrespondance med andre forskere, undtagen hvor de indledte det.
I løbet af denne hiatus fornyede Newton sin interesse for mekanik og astronomi. Ironisk nok var det takket være en kort brevveksling i 1679 og 1680 med Robert Hooke, der ville føre ham til at gøre hans største videnskabelige resultater. Hans genvækning skyldtes også en komet om vinteren 1680–1681, som han korresponderede med John Flamsteed - Englands astronom Royal.
Derefter begyndte Newton at overveje gravitation og dens virkning på planets baner, specifikt under henvisning til Keplers love om planetbevægelse. Efter sine udvekslinger med Hooke udarbejdede han bevis for, at den elliptiske form af planetariske kredsløb ville være resultatet af en centripetalkraft, der er omvendt proportional med firkant af radiusvektoren.
Newton meddelte sine resultater til Edmond Halley (opdager af "Haleys komet") og til Royal Society i hans De motu corporum in gyrum. Denne kanal, der blev offentliggjort i 1684, indeholdt frøet, som Newton ville udvide til at danne hans magnum opus, the Principia. Denne afhandling, der blev offentliggjort i juli 1687, indeholdt Newtons tre bevægelseslove. Disse love erklærede, at:
- Når det ses i en inertial referenceramme, forbliver et objekt enten i hvile eller fortsætter med at bevæge sig med en konstant hastighed, medmindre den udføres af en ekstern kraft.
- Vektorsummen af de eksterne kræfter (F) på et objekt er lig med massen (m) af dette objekt ganget med accelerationsvektoren (a) af objektet. I matematisk form udtrykkes dette som: F =m-en
- Når det ene legeme udøver en kraft på et andet legeme, udøver det andet legeme samtidig en styrke, der er lig med i størrelse og modsat retning i retning af det første legeme.
Tilsammen beskrev disse love forholdet mellem ethvert objekt, kræfterne, der virker på det og den resulterende bevægelse, og lagde grundlaget for klassisk mekanik. Lovene gjorde det også muligt for Newton at beregne massen på hver planet, beregne udjævningen af Jorden ved polerne og udbulingen ved ækvator, og hvordan tyngdekraften fra Solen og Månen skaber Jordens tidevand.
I det samme arbejde præsenterede Newton en beregningslignende metode til geometrisk analyse ved hjælp af 'første og sidste forhold', udarbejdede lydhastigheden i luft (baseret på Boyle's Law), der redegjorde for præcessionen af jævndøgnene (som han viste var et resultat af Månens gravitationsattraktion til Jorden), indledt gravitationsundersøgelsen af uregelmæssighederne i månens bevægelse, tilvejebragte en teori til bestemmelse af komets baner og meget mere.
Dette bind ville have en dybtgående indflydelse på videnskaberne, hvor dens principper forbliver kanon i de følgende 200 år. Det informerede også om konceptet om universel tyngdekraft, der blev bærebjælken i moderne astronomi og ikke ville blive revideret før i det 20. århundrede - med opdagelsen af kvantemekanik og Einsteins teori om generel relativitet.
Newton og "Apple-hændelsen":
Historien om Newton, der kommer med sin teori om universel tyngdekraft som et resultat af, at et æble falder på hans hoved er blevet et grundlæggende element i populærkulturen. Og selvom det ofte er blevet argumenteret for, at historien er apokryf, og Newton ikke udtænkte hans teori på et øjeblik, fortalte Newton selv historien mange gange og hævdede, at hændelsen havde inspireret ham.
Derudover har skrifterne til William Stukeley - en engelsk præst, antikvarisk og medmedlem i Royal Society - bekræftet historien. Men snarere end den komiske repræsentation af æblet, der slår Netwon på hovedet, beskrev Stukeley i sin Erindringer om Sir Isaac Newtons liv (1752) en samtale, hvor Newton beskrev overvejende tyngdekraften, mens han så et æble falde.
”… Vi gik ind i haven og drak thea i skyggen af nogle små æbler. kun han og mig selv. midt i en anden diskurs, fortalte han mig, var han lige i den samme situation, som når tidligere, gravitationen kom ind i hans sind. ”Hvorfor skulle det æble altid falde vinkelret på jorden,” tænkte han til sig selv; lejligheden efter et æble fald ... ”
John Conduitt, Newtons assistent ved Royal Mint (som til sidst giftede sig med hans niece), beskrev også at høre historien i hans egen beretning om Newtons liv. Ifølge Conduitt fandt hændelsen sted i 1666, da Newton rejste for at møde sin mor i Lincolnshire. Mens han svingede i haven, overvejede han, hvordan tyngdekraftens indflydelse strækkede sig langt ud over Jorden, ansvarlig for faldet af æble såvel som Månens bane.
Tilsvarende skrev Voltaire n hans Essay on Epic Poetry (1727) at Newton først havde tænkt på gravitationssystemet, mens han gik i sin have og så et æble falde fra et træ. Dette er i overensstemmelse med Newtons noter fra 1660'erne, som viser, at han kæmpede med tanken om, hvordan jordbunden tyngdekraft strækker sig, i en omvendt kvadratisk andel, til Månen.
Det tog ham dog to årtier mere at udvikle sine teorier til det punkt, at han var i stand til at tilbyde matematiske bevis, som demonstreret i Principia. Når dette var afsluttet, udledte han, at den samme kraft, der får en genstand til at falde til jorden, var ansvarlig for andre orbitalbevægelser. Derfor kaldte han det "universal gravitation".
Forskellige træer hævdes at være ”det” æbletræ, som Newton beskriver. King's School, Grantham, hævder, at deres skole købte det originale træ, oprørte det og transporterede det til rektorens have nogle år senere. National Trust, der holder Woolsthorpe Manor (hvor Newton voksede op) i tillid, hævder imidlertid, at træet stadig befinder sig i deres have. En efterkommer af det originale træ kan ses vokse uden for hovedporten til Trinity College, Cambridge, under det rum, hvor Newton boede, da han studerede der.
Feud med Robert Hooke:
Med Principia, Newton blev internationalt anerkendt og erhvervede en cirkel af beundrere. Det førte også til en fejd med Robert Hooke, med hvem han havde et uroligt forhold i fortiden. Med offentliggørelsen af sine teorier om farve og lys i 1671/72 kritiserede Hooke Newton på en ret nedlatende måde og hævdede, at lys var sammensat af bølger og ikke farver.
Mens andre filosofer var kritiske over Newtons idé, var det Hooke (et medlem af Royal Society, der havde udført omfattende arbejde inden for optik), der stakkede Newton værst. Dette førte til det urimelige forhold mellem de to mænd og til, at Newton næsten ophørte med Royal Society. Imidlertid overbeviste hans kollegers indgriben ham om at blive ved, og sagen døde til sidst ned.
Imidlertid med offentliggørelsen af Principia, anliggender kom igen til hovedet, med Hooke anklagede Newton for plagiering. Årsagen til sagen havde at gøre med det faktum, at Hooke tidligere i 1684 havde fremsat kommentarer til Edmond Halley og Christopher Wren (også medlemmer af Royal Society) om ellipser og lovgivningen om planetarisk bevægelse. På det tidspunkt tilbød han imidlertid ikke et matematisk bevis.
Ikke desto mindre hævdede Hooke, at han havde opdaget teorien om inverse firkanter, og at Newton havde stjålet sit arbejde. Andre medlemmer af Royal Society mente, at anklagen var ubegrundet, og krævede, at Hooke frigav de matematiske bevis for at underbygge denne påstand. I mellemtiden fjernede Newton al henvisning til Hooke i sine noter og truede med at trække den tilbage Principia fra efterfølgende udgivelse helt.
Edmund Halley, der var en ven med både Newton og Hooke, forsøgte at skabe fred mellem de to. Med tiden kunne han overbevise Newton om at indsætte en fælles anerkendelse af Hookes arbejde i sin diskussion af loven om omvendte firkanter. Dette gjorde imidlertid ikke opmærksom på Hooke, der opretholdt hans anklager om plagiering.
Efterhånden som tiden gik videre, fortsatte Newtons berømmelse med at vokse, mens Hooke fortsatte med at blive mindre. Dette fik Hooke til at blive stadig mere forvirret og mere beskyttende over det, han så som sit arbejde, og han skånede ingen muligheder for at slå ud på sin rival. Fejden sluttede endelig i 1703, da Hooke døde, og Newton efterfulgte ham som præsident for Royal Society.
Andre gennemførelser:
Foruden sit arbejde inden for astronomi, optik, mekanik, fysik og alkymi, havde Newton også en stor interesse for religion og Bibelen. I 1690'erne skrev han adskillige religiøse områder, der vedrørte bogstavelige og symboliske fortolkninger af Bibelen. F.eks. Stillede hans traktat om den hellige treenighed - sendt til den berømte politiske filosof og sociale teoretiker John Locke og upubliceret indtil 1785 - spørgsmålstegn ved ærligheden af 1 Johannes 5: 7, den beskrivelse, som den hellige treenighed er baseret på.
Senere religiøse værker - som De gamle kongedømmers kronologi ændret (1728) og Observationer ved Daniels Profetier og Apokalypsen af St. John (1733) - forblev også upubliceret indtil efter hans død. I Kingdoms, han beskæftigede sig med kronologien for forskellige antikke kongeriger - grækernes første tid, gamle egyptere, babylonier, medeanere og persere - og tilbød en beskrivelse af Salomons tempel.
I profetierne, han henvendte sig til apokalypsen, som forudsagt inden for Daniel bog og Revelationsog understregede hans tro på, at det ville finde sted i 2060 e.Kr. (selvom andre mulige datoer inkluderede 2034 e.Kr.). I hans teksttekstkritik med titlen En historisk beretning om to bemærkelsesværdige korrupsioner i Skriften (1754) placerede han korsfæstelsen af Jesus Kristus den 3. april 33 e.Kr., som stemmer overens med en traditionelt accepteret dato.
I 1696 flyttede han til London for at tiltræde som overordnede ved Royal Mint, hvor han overtog Englands store recoining. Newton ville forblive i dette pos i 30 år og var måske den mest kendte Mester for Mint. Så alvorlig var hans engagement i den rolle, at han trak sig tilbage fra Cambridge i 1701 for at føre tilsyn med reformen af Englands valuta og straf for forfalskere.
Som Warden og bagefter Master af Royal Mint, anslog Newton, at 20 procent af de mønter, der blev taget ind under den store genoptagelse i 1696, var forfalskede. Ved at udføre mange efterforskninger personligt rejste Newton til værtshuse og barer i forklædning for at indsamle beviser og gennemførte mere end 100 krydsundersøgelser af vidner, informanter og mistænkte - hvilket førte til en vellykket retsforfølgning af 28 forfalskede møntmænd.
Newton var medlem af Englands parlament for Cambridge University i 1689–90 og 1701–2. Ud over at være præsident for Royal Society i 1703 var han associeret af den franske Académie des Sciences. I april 1705 ridder dronning Anne Newton under et kongeligt besøg på Trinity College, Cambridge, hvilket gjorde ham til den anden videnskabsmand, der blev ridder (efter Sir Francis Bacon).
Død og arv:
Mod slutningen af sit liv indtog Newton ophold i Cranbury Park nær Winchester med sin niese og hendes mand, hvor han ville bo indtil hans død. På dette tidspunkt var Newton blevet en af de mest berømte mænd i Europa, og hans videnskabelige opdagelser var ubestridt. Han var også blevet velhavende, og investerede sin betydelige indkomst klogt og tildelt betydelige gaver til velgørenhed.
Samtidig begyndte Newtons fysiske og mentale helbred at falde. Da han nåede 80 år, begyndte han at opleve fordøjelsesproblemer og måtte ændre sin diæt og livsstil drastisk. Hans familie og venner begyndte også at bekymre sig om hans mentale stabilitet, da hans adfærd blev mere og mere uberegnelig.
I 1727 oplevede Newton alvorlige smerter i underlivet og mistede bevidstheden. Han døde i søvn den næste dag den 2. marts 1727 (Julian Calendar; eller 31. marts 1727, Gregorian Calendar) i en alder af 84. Han blev begravet i graven i Westminster Abbey. Og som en ungkarl havde han solgt meget af sin ejendom til slægtninge og velgørenhedsorganisationer i løbet af sine sidste år.
Efter hans død blev Newtons hår undersøgt og fundet at indeholde kviksølv, sandsynligvis resultatet af hans alkymiske forfølgelser. Kviksølvforgiftning er blevet nævnt som en grund til Newtons eksentricitet i det senere liv, såvel som den nervøse sammenbrud, han oplevede i 1693. Isaac Newtons berømmelse voksede endnu mere efter hans død, da mange af hans samtidige erklærede ham for at være det største geni, der nogensinde levede.
Disse påstande var ikke uden fortjeneste, da hans bevægelseslove og teori om universel tyngdekraft var hidtil uset i hans tid. Ud over at være i stand til at bringe planeterne, Månen og endda kometer baner i et sammenhængende og forudsigeligt system, opfandt han også moderne beregninger, revolutionerede vores forståelse af lys og optik og etablerede videnskabelige principper, som ville være i brug til de følgende 200 år.
Med tiden ville meget af, hvad Newton talte for, bevises forkert, stort set takket være Albert Einstein. Med sin generelle relativitetsteori skulle Einstein bevise, at tid, afstand og bevægelse ikke var absolut, men afhængig af observatøren. Dermed væltede han et af de grundlæggende forudsætninger for universel gravitation. Ikke desto mindre var Einstein en af Newtons største beundrere og erkendte en stor gæld til sin forgænger.
Ud over at kalde Newton en "skinnende ånd" (i en samtaleafgivelse leveret i 1927 på 200-årsdagen for Newtons død) bemærkede Einstein også, at "Naturen for ham var en åben bog, hvis breve han kunne læse uden anstrengelse." På hans studievæg skal Albert Einstein have gemt et billede af Newton sammen med billeder af Michael Faraday og James Clerk Maxwell.
En undersøgelse af Storbritanniens Royal Society blev også foretaget i 2005, hvor medlemmerne blev spurgt, hvem der havde større effekt på videnskabshistorien: Newton eller Einstein. Størstedelen af Royal Society's medlemmer var enige om, at Newton samlet set havde en større indflydelse på videnskaberne. Andre afstemninger foretaget i de seneste årtier har givet lignende resultater, hvor Einstein og Newton kæmper om første og anden plads.
Det er ikke let at bo i en af de mest lykkelige tider i historien. Derudover er det ikke let midt i alt dette at blive velsignet med en indsigt, der vil føre en til, kommer med ideer, der vil revolutionere videnskaberne og for evigt ændre historiens forløb. Men gennem det hele fastholdt Newton en ydmyg holdning og opsummerede sine resultater bedst med de berømte ord: ”Hvis jeg har set videre, er det ved at stå på giganters skuldre.“
Vi har skrevet mange artikler om Isaac Newton til Space Magazine. Her er en artikel om, hvad Isaac Newton opdagede, og her er en artikel om opfindelserne af Isaac Newton.
Astronomy Cast har også en vidunderlig episode med titlen Episode 275: Isaac Newton
For mere information, se denne artikel fra Galileo Society om Isaac Newton og den non-profit gruppe kendt som The Newton Project.
Vi har også optaget en hel episode af Astronomy Cast alt om tyngdekraft. Lyt her, afsnit 102: Gravity.
