Cómo cambió Isaac Newton nuestra visión del universo
Isaac Newton se ganó su lugar como padre de la ciencia moderna al cambiar por completo la manera en la que la ciencia era concebida. Los conceptos sobre la gravedad y la mecánica de Newton, aunque ahora se sabe que no son del todo correctos, representaron un enorme paso adelante en la evolución de la comprensión del universo. (Einstein hizo que esta comprensión avanzara con su teoría de la relatividad; véase el capítulo 13). Como resultado, es considerado uno de los mayores científicos de la historia.
Newton no solo desarrolló teorías revolucionarias sobre el movimiento, sino que también concibió una ley universal de la gravedad y contribuyó a lo que sabemos sobre la luz y el color. En su tiempo libre, Newton creó una nueva forma de matemáticas porque comprendió que no podía usar las de su tiempo para calcular cosas tales como los movimientos de los planetas. Lo que él llamó el método de flujos y que hoy conocemos como cálculo se usa en todas las ramas de las ciencias físicas, ingeniería, economía, negocios y medicina. (Si leéis más sobre Newton, sabréis de un contemporáneo, Gotfried Leibniz, que vivió de 1646 a 1716 y que también practicó el cálculo, negó que Newton lo inventara).
Billete de una libra con la efigie de Newton.
Plano de Cambridge donde aparece el Trinity College (zona central). Supuestamente allí tuvo lugar la archiconocida anécdota del manzano de Isaac Newton.
Isaac Newton (1642-1727) nació en el seno de una familia de granjeros del condado de Lincolnshire, Inglaterra. Su padre murió tres meses antes de que naciera, y cuando Newton tenía tan solo dos años, su madre fue a vivir con su nuevo marido, dejando que la abuela criara a Isaac. Se reunió con su madre tras la muerte de su padrastro cuando tenía diez años. Newton fue a la escuela pero fue un estudiante mediocre (los informes escolares lo describen como «ocioso» y «distraído»). Nadie habría predicho que un día sería reconocido como una de las mayores mentes de todos los tiempos.
Cuando tenía diecisiete años, su familia lo sacó del colegio e intentó que aprendiera el negocio familiar. Newton rogó volver al colegio y en 1661 se matriculó en el Trinity College de Cambridge. Era mayor que la mayoría de sus compañeros, y aunque su familia tenía dinero, entró como sizar, un estudiante que recibe dinero de una beca a cambio de actuar como sirviente de otros estudiantes.
Los primeros dos años de estudios en Cambridge estaban dedicados al estudio de Aristóteles, pero el tercer año, se les permitía libertad académica. Newton entró en contacto con la filosofía de Descartes (inventó la geometría analítica y trabajó en las leyes del movimiento), Gassendi (fue uno de los que se enfrentaron a las enseñanzas de Aristóteles y fue uno de los primeros en creer en la existencia de los átomos o «materia en movimiento»), Hobbes (aunque más conocido por su filosofía política de gobierno civil, Hobbes fue importante para Newton por su rechazo de la filosofía aristotélica y escolástica en favor de la «nueva» filosofía de Galileo y Gassendi), y Boyle (fundó el estudio de la química como ciencia autónoma y tuvo como objetivo «mejorar el conocimiento natural por medio de la experimentación»). Newton también estudió la mecánica de la astronomía copernicana, así como el trabajo de Galileo y Kepler. En uno de sus cuadernos, escribió una afirmación en latín que rezaba: «Soy amigo de Platón, soy amigo de Aristóteles, pero soy más amigo de la verdad».
Aristóteles y su alargada sombra
Aristóteles, que vivió en el siglo IV a. C. (384-322) escribió de manera tan excelente e inteligente para su época —y para los tiempos venideros— que durante 1800 años los científicos basaban su trabajo en sus enseñanzas. Aristóteles escribió sobre una vasta cantidad de temas, y entre ellos estaba su opinión de que el universo era geocéntrico (que todo daba vueltas alrededor de la tierra). Como habéis leído en el capítulo 10, durante el siglo XVII, había personas trabajando en este tema. Copérnico, Brahe, Kepler y Galileo llegaron a creer que Aristóteles estaba equivocado y que el universo era heliocéntrico (que todo daba vueltas alrededor del sol), pero aún no habían ideado un método para demostrar sus teorías. Las matemáticas de flujos de Newton (el cálculo) pudieron hacerlo.
Además, Newton lanzó un concepto de la gravedad que anulaba la concepción de los elementos de Aristóteles. Según Aristóteles, que no conocía la gravedad, el movimiento de la naturaleza estaba enraizado en el hecho de que todas las cosas están compuestas por cuatro elementos: tierra, aire, fuego y agua. Basándose en esto, predijo que «los iguales se atraen», así los elementos con más tierra en ellos se reunían, y el fuego, por otra parte, era repelido por la tierra, explicando por qué el fuego ascendía.
La habilidad de Newton para hacer que la ciencia avanzase —más allá de Aristóteles— y para demostrar sus teorías contribuyó a que dejase una huella indeleble en la ciencia.
Los libros de historia cuentan que hay que darle las gracias a la Gran Plaga que asoló Inglaterra a mitad de la década de 1660 de que Newton realizara sus grandes avances científicos. Una de cada siete personas que vivía en Londres murió por la peste bubónica, de modo que en el verano de 1665, la universidad envió a todo el mundo a casa para tratar de evitar que se expandiera la enfermedad. Así Newton volvió a Lincolnshire. Durante este tiempo de estudio solitario, cuando aún no tenía veinticinco años, puso las bases de sus revolucionarios avances en matemáticas, óptica, física y astronomía.
En su obra, Newton desarrolló tres leyes del movimiento y demostró que se aplicaban a todos los movimientos. Para formular estas leyes, Newton buscaba patrones, al igual que habían hecho otros científicos antes que él. Newton, sin embargo, dividió todos los movimientos físicos en dos categorías separadas: movimiento uniforme, el movimiento de un objeto viajando en una dirección a velocidad constante o un objeto en reposo, y aceleración, que se aplicaba a cualquier elemento que cambiase de dirección o de velocidad. Los planetas estaban en esta segunda categoría. Estas son las tres leyes:
Debido a que Newton no solo creó las leyes sino también el lenguaje matemático para realizar cálculos con estas leyes, ideó la habilidad de cuantificar el mundo natural. Como resultado, este método científico puede usarse para derivar ecuaciones exactas que resuelvan problemas específicos; desde cómo construir un rascacielos a cómo crear una atracción de feria.
Newton también redefinió el concepto de gravedad. Aunque el astrónomo alemán Johannes Kepler (1571-1630) había ideado empíricamente los cimientos matemáticos para describir los movimientos planetarios (sus leyes de movimientos planetarios), y Galileo Galilei había presentado relaciones empíricas de cómo caen los objetos (primeros estudios sobre la gravedad y el movimiento), estas áreas —celestes y terrestres— eran vistas como campos separados.
Newton fue el que comprendió que Galileo y Kepler estudiaban lo mismo, y desarrolló su ley de gravitación universal: entre cualesquiera dos objetos hay una fuerza de atracción directamente proporcional al producto de las dos masas dividido por el cuadrado de la distancia que los separa. En otras palabras, una manzana que cae al suelo y la luna que orbita alrededor de la tierra son afectadas por la gravedad de la misma manera.
La idea misma de que una flecha, una bola lanzada, los planetas y nuestra propia sangre están controlados por las mismas leyes del movimiento era un pensamiento realmente revolucionario. El trabajo de Newton significó el fin de multitud de enfoques de prueba-error para aprender las cosas, porque de repente la naturaleza era predecible de tal manera que los experimentos podían ahora demostrar o falsear las hipótesis.
Con la ley de la gravitación universal Newton cerró el círculo de su obra. Tenía la fuerza —la gravedad— que operaba en todo, y tenía las leyes —las del movimiento— que regían los efectos de todas las fuerzas. De repente, con estas teorías y las fórmulas correspondientes, los científicos pudieron comenzar a predecirlo todo de una nueva manera.
Uno de los primeros en emplear de manera exitosa las leyes de Newton fue Edmond Halley (1656-1742), famoso gracias al Cometa Halley. Usando informes históricos y las leyes de Newton, Halley describió la órbita del cometa que ahora lleva su nombre. Cuando el cometa reapareció el día de Navidad de 1758, como había predicho (desafortunadamente murió antes de que esto ocurriese), el suceso subrayó con fuerza la idea de que el universo funcionaba como un inmenso reloj y demostró que era posible realizar predicciones fiables.
Hoy sabemos que el reloj del universo no es del todo predecible. Aunque la mecánica de Newton predice correctamente cómo se comportan los planetas y los objetos cotidianos, no explica con exactitud el comportamiento de objetos diminutos como los átomos, como tampoco explicaba el comportamiento de los objetos que viajan casi a la velocidad de la luz. En la década de 1920 un nuevo tipo de mecánica (la mecánica cuántica) evolucionó para explicar con mayor detalle el universo.
La teoría del caos es otro nuevo desafío para las teorías de Newton de la predictibilidad. Con ciertos sistemas, las condiciones iniciales apenas pueden medirse correctamente para predecir su comportamiento en el futuro. Por ejemplo, con el clima, no importa lo mucho que los meteorólogos midan la velocidad del tiempo, la temperatura del aire y la presión barométrica, nunca podrán predecir exactamente a qué hora comenzará a llover mañana, mucho menos cómo será el tiempo dentro de un año. La naturaleza caótica del movimiento atmosférico hace que sea difícil predecirlo.
Sir Isaac Newton está enterrado en la abadía de Westminster junto a personajes tan importantes como Charles Dickens, David Livingstone y Charles Darwin entre muchos otros. Nave central de la abadía de Westminster tomada entre el 1865 y el 1890. (Cornell University Library)
Sin embargo, el desarrollo de Newton del estudio del universo fue el primer ejemplo del método científico usado en el que había una imbricación entre la observación y la teoría que condujo a nuevas teorías y experimentos que modificaron las teorías existentes.
La obra maestra de Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica o Principios matemáticos de la filosofía natural, más conocida como Principia, estuvo a punto de no ser escrita —ciertamente no habría sido publicada—, de no haber sido por Edmond Halley. En 1684 Halley visitó a Newton en Cambridge y le hizo una pregunta matemática sobre los planetas. Newton pudo responderla pero no pudo localizar el papel donde había escrito los cálculos. Halley le animó a escribir un artículo sobre el tema, y Newton hizo mucho más. Se retiró durante dos años y escribió su obra maestra, los Principia. Cuando la Royal Society de Londres, que tenía intención de publicar el libro, se retiró por problemas financieros, Halley pagó de su propio bolsillo la publicación (1687). El resultado fue la fama instantánea para Newton y un paso gigantesco para la ciencia.
Los Principia establecían las tres leyes del movimiento de Newton (un cuerpo no cambia su estado a menos que se ejerza sobre él alguna fuerza; un cuerpo seguirá moviéndose en línea recta hasta que otra fuerza actúe para cambiar su velocidad o para desviarlo; y toda acción tiene una reacción igual y contraria). También establecía su ley de gravitación universal (todo objeto en el universo ejerce una atracción sobre los demás).
Para un genio que había ejercido una influencia tan sorprendente en la ciencia, Newton realizó la mayoría de sus contribuciones científicas en su juventud. Más tarde, dedicó su tiempo a otras cosas, incluyendo la alquimia (una «ciencia» medieval que trataba de mutar los metales comunes en oro). Entonces en la década de 1690 escribió una serie de tratados religiosos y actuó como miembro del Parlamento entre 1689 y 1690. Se mudó a Londres en 1696 y se convirtió en guardián y finalmente maestro de la casa de la moneda, donde supervisó las acuñaciones y también persiguió a los acuñadores de monedas (una actividad ilegal) y a los falsificadores. Irónicamente, fue su trabajo en la casa de la moneda, en lugar de sus contribuciones a la ciencia, lo que le valió ser nombrado caballero (1705).
Las leyes del movimiento y de la gravedad de Newton suministraron los cimientos para predecir una gran variedad de situaciones científicas o de ingeniería, especialmente el movimiento de los cuerpos celestes. El cálculo resultó ser vital para el desarrollo de teorías científicas. Finalmente, unificó en un sistema satisfactorio de leyes muchos de los hechos físicos aislados que se estaban descubriendo.
La teoría de la relatividad general de Albert Einstein, la mejor teoría actual de gravitación, incorpora a Newton, Kepler y Galileo y avanza su trabajo. En el futuro, algunos físicos producirán un campo teórico unificado que haga que todo dé un paso más hacia adelante. Las verdaderas revoluciones son extremadamente raras en la ciencia. Todo evoluciona.
Tumba de Sir Isaac Newton.