¿Cuáles fueron las explicaciones más exitosas hechas por Isaac Newton en física? ¿Cómo reveló la utilidad de su física?

Richard Westfall, un gran biógrafo de Newton, alguna vez consideró un experimento de pensamiento histórico. ¿Qué pensaríamos de Newton si hubiera muerto en 1684? En ese momento, tenía 42 años, reconocido en el pequeño círculo de matemáticos británicos del siglo 17 como un prodigio extraordinario, pero uno que nunca había completado nada sustancial. Habría muerto como alguien que nunca se había dado cuenta de su potencial.

Las investigaciones de sus documentos habrían descubierto vastos paquetes de experimentos alquímicos, escritos en un semicódigo opaco, y estos habrían inundado los trabajos a medio terminar sobre cálculo, matemáticas y mecánica celeste que pueden haber pasado desapercibidos fácilmente. Podría haber sido un proyecto minucioso para futuros historiadores de la ciencia descubrir algunos de los logros solitarios y no reconocidos de Newton, pero estos habrían sido tratados como curiosidades: el crédito por realizarlos se habría dado en otro lugar.

(Imagen de Newton en la década de 1680, Fuente: Retratos de Newton)

Por ejemplo, Newton había completado su cálculo fluxional dieciocho años antes en 1666, y al mismo tiempo razonó a través de muchos de los conocimientos de física por los que más tarde se haría famoso. Pero no había publicado nada que le hubiera permitido al mundo exterior saber nada de esto.

¿Por qué? Newton fue ciertamente paranoico acerca de que otros robaran sus ideas, pero la razón fundamental parece haber sido su personalidad. Newton era un postergador, que era francamente horrible al completar las cosas. Parecía amar el proceso inicial de comprensión y descubrimiento, pero estaba mucho menos interesado en los tediosos cálculos y en atar todos los cabos sueltos necesarios para producir trabajos para su publicación.


En 1684, ocurrió el evento desencadenante, y lo hizo casi por accidente. En enero, Robert Hooke (de la ley), Christopher Wren (de la catedral) y Edmund Halley (del cometa) estaban discutiendo la mecánica celestial en un café de Londres. Hooke afirmó que podía probar todas las leyes de la mecánica celeste de Kepler suponiendo que la ley que atraía cuerpos al sol era una ley cuadrada inversa (esta idea estaba circulando en ese momento). Halley admitió que había considerado la idea, pero que no había logrado que las matemáticas funcionaran, y retó a Hooke a revelar su prueba, incluso ofreciéndole un premio en efectivo para hacerlo. Hooke se negó y afirmó que lo mantendría en secreto hasta que otros, al no resolverlo, supieran lo valioso que era. Hooke nunca reveló esta prueba (presumiblemente ficticia).

Siete meses después, Halley fue a ver a Newton a Cambridge. Halley le contó a Abraham de Moivre lo que sucedió después:

En 1684, el Dr. Halley vino a visitarlo a Cambridge. Después de haber estado un tiempo juntos, el Dr. le preguntó qué pensaba que sería la curva que describirían los planetas, suponiendo que la fuerza de atracción hacia el sol fuera recíproca al cuadrado de su distancia. Sir Isaac respondió de inmediato que sería una elipse. El Doctor, sorprendido de alegría y asombro, le preguntó cómo lo sabía. Por qué, dice él, lo he calculado. Con lo cual el Dr. Halley le pidió su cálculo sin más demora. Sir Isaac miró entre sus papeles pero no pudo encontrarlo, pero le prometió que lo renovaría y que luego se lo enviaría …

Según Westfall, Newton se dio cuenta de que su prueba original contenía un error, pero rápidamente proporcionó un reemplazo, como parte de un folleto de nueve páginas que envió a Halley ( De motu corporum in gyrum ) unas semanas después. Esto excitó tanto a Halley que instó a Newton a presentarlo a la Royal Society, y también a escribir las ideas y las matemáticas que lo habían conducido. Al menos para Halley estaba claro que este trabajo solo podría haberse producido con un andamiaje de pensamiento profundamente importante que nadie más conocía.

Este parecía ser el momento en que el propio Newton se dio cuenta de cuán importantes eran sus ideas inacabadas y la fama que le alcanzaría si pudiera presentarlas de manera estructurada. Se concentró, incluso renunciando a la alquimia (por un tiempo) para concentrarse en la escritura. Principia fue el resultado. Más tarde en la vida, Newton mejoró un poco para terminar las cosas y logró sacar algunos trabajos más, incluido su Opticks. Juntos, estos trabajos hicieron las siguientes predicciones y explicaciones en física:

  • Las tres leyes universales del movimiento que son obedecidas por todos los cuerpos masivos, en todas partes del universo.
  • La ley de la gravitación : junto con las leyes del movimiento, esto le permitió explicar las tres leyes de Kepler y todos los movimientos astronómicos conocidos. Una gran parte de los Principia se toma analizando y explicando los últimos datos de observación sobre cometas y planetas en términos de sus leyes. Aquí está Newton explicando triunfalmente las proporciones sesquiplicadas * de los períodos orbitales de los satélites de Júpiter como lo observa John Flamsteed:

(Fuente: Principia Online, pp.521–2)

  • La primera explicación de las mareas que de alguna manera coincidían con la observación (a diferencia de Galileo)
  • La predicción de que se encontraría que la Tierra no sería un globo perfecto, sino un esferoide achatado – luego confirmado por mediciones detalladas por científicos franceses
  • La naturaleza del espectro visible, las diferentes refracciones de los diferentes colores y el hecho de que la luz blanca es una combinación de todos los colores.
  • El telescopio reflector que resultó ser mucho más grande que los diseños existentes.
  • Cómo funciona el ojo, que consistió en insertar una aguja detrás de uno de sus globos oculares y presionar con fuerza para ver qué sucedió
  • Su ley de enfriamiento Newton demostró experimentalmente que la velocidad de enfriamiento de un objeto caliente era proporcional a la diferencia de temperatura entre este y sus alrededores.
  • La solapa del gato , que inventó para evitar que una familia de gatos rascara su puerta y lo molestara para que no trabajara en nada más **

Esta lista es lamentablemente incompleta, pero da una idea de cómo sus contemporáneos se dieron cuenta de su importancia, incluso antes de que sus leyes fueran aplicadas en años posteriores para descubrir más y más. Y recuerde, esto es solo física: ni siquiera hemos llegado a las matemáticas, donde avanzó en todos los campos que tocó.


[*] A pesar de las objeciones de mi corrector ortográfico, “sesquiplicado” es una palabra real: significa aumentar como la raíz cuadrada del cubo, o por el poder de 3/2.

[**] Bien, casi seguro que se había inventado antes. Pero es una buena historia.

Newton es mejor conocido por su invención de la gravedad. Así es, él inventó la gravedad. Antes de Newton, la palabra gravedad solo se usaba para describir situaciones graves. Como “este es un crimen de gravedad considerable”. Según Aristóteles, los objetos tienden a encontrar su lugar natural en el universo, con objetos más pesados ​​que se mueven hacia abajo mientras que el aire se mueve hacia arriba.

Newton se dio cuenta de que si pensamos en esta tendencia de los objetos a moverse hacia abajo como una fuerza invisible (“la mano de Dios”, según Newton) que actúa más fuertemente sobre objetos más grandes o más densos, la misma fuerza podría usarse para explicar la movimiento de la luna y las órbitas de los planetas. Él demostró que los planetas se moverían en elipses si se mantenían en sus órbitas por gravedad, mientras que, de lo contrario, se moverían indefinidamente en línea recta, como es la tendencia natural de los objetos en movimiento sin perturbaciones (como se establece en la primera ley de Newton), exactamente de acuerdo con observaciones Para idear la prueba matemática de esto, él inventó el cálculo, aunque Leibniz inventó independientemente el cálculo y es su notación la que usamos.

Inventar lo que ahora es una rama importante de las matemáticas solo para investigar una teoría de la física que tienes, es algo que pocos han logrado.

Newton inventó el concepto de “masa”, o al menos lo hizo riguroso, llamándolo “cantidad de materia”. También inventó la noción rigurosa moderna de impulso, llamándola “cantidad de movimiento”.

Newton ideó tres leyes que juntas explican gran parte del movimiento observable de los objetos físicos. Se dio cuenta de que un objeto seguiría moviéndose para siempre a menos que una fuerza actuara sobre él. Si bien Newton advirtió que sus leyes no podían aplicarse al comportamiento humano, muchas personas argumentaron que las leyes de Newton o algo muy similar eventualmente se usarían para explicar cómo funcionan incluso los cerebros, junto con todo lo demás, y muchas personas incluso ahora creen algo en ese sentido. – tal vez incluso la mayoría de los científicos, aunque la mecánica cuántica no es tan “newtoniana” como incluso la relatividad. A menudo se considera que la mecánica cuántica es el punto en el que la física moderna finalmente se separó de la física clásica y la física adoptó una teoría importante que tenía poco parecido con el marco determinista de Newton, con la relatividad siendo la física determinista clásica.

Las leyes de Newton han demostrado ser invaluables no solo en astronomía, sino también en arquitectura, ingeniería y una amplia gama de otras disciplinas.

También fue Newton quien anunció por primera vez al mundo que la luz blanca está compuesta de todos los colores del arco iris, un hecho que es cierto pero extremadamente contra-intuitivo.

Desde que escribí esto originalmente, busqué en Google y parece que Newton no fue la primera persona en usar la “gravedad” en relación con el peso de los objetos. El primer uso registrado de esa manera data de más o menos veinte años antes de que Newton naciera. Sin embargo, la idea de “fuerza” ni siquiera se había hecho rigurosa en ese momento. Tampoco se sabía que la gravedad mantiene la luna en órbita o explica los movimientos de los planetas. A Newton también se le atribuye haberse dado cuenta de que la gravedad actúa entre todos los objetos, y ciertamente ideó la ecuación que describe eso, además de describir rigurosamente la conexión de la fuerza y ​​el movimiento.

Se ha dicho que antes de Newton, había oscuridad, y Newton trajo luz. Esto suena absurdo hasta que te das cuenta de que muchas de las nociones que ahora damos por sentado en física no fueron meramente investigadas por Newton, sino inventadas por él. Tomó una colección de fenómenos que ahora consideramos que tienen que ver con la fuerza, el movimiento y el impulso (y la gravedad), y los colocó a todos dentro de un marco matemático coherente, incluso inventando nuevas matemáticas para poder verificar su trabajo analizando el movimiento. de los planetas, basados ​​en resmas de datos astronómicos.

La primera mención de lo que ahora llamamos energía ocurre en una especie de apéndice (scholium) de algunos de los escritos de Newton, en los que menciona casualmente que cierta cantidad, ahora conocida como energía, se conserva en las interacciones entre objetos.

La más famosa, por supuesto, es la explicación de la órbita de la luna. Como escribí en mi libro (perdón por esto, pero es mucho más fácil copiar y pegar):

“Según un informe, cuando vio que la respuesta finalmente saldría bien, se emocionó tanto que se vio obligado a detenerse y dejar que un amigo continuara por él. Cuando Halley vio el resultado de Newton, estaba igualmente emocionado. No solo indujo a Newton a escribir su trabajo, sino que pagó por la publicación. El resultado fue el Principia Mathematica que, a pesar de estar en latín y que Newton lo hizo “intencionalmente difícil para que no fuera molestado por los” expertos “matemáticos”, generalmente se considera el mayor trabajo científico jamás escrito. ”

“Newton pronto se convirtió en el científico más aclamado que el mundo había conocido. Galileo había descubierto regularidades sobre la caída de cuerpos y Kepler había demostrado que los planetas se mueven en órbitas elípticas alrededor del sol, pero fue Isaac Newton quien realizó la gran síntesis, explicando ambas observaciones sobre la base de una sola fuerza universal “.

(de Fields of Color , quantum-field-theory.net)

Newton probó el movimiento planetario heliocéntrico y predijo con precisión el retorno y el camino del cometa Halley. También usó su teoría para explicar las mareas y el movimiento de la luna.

Newton, Isaac (1642-1727) – del Mundo de Biografía Científica de Eric Weisstein

Sin duda la gravedad y las tres leyes del movimiento NEwton