Isaac Newton

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Isaac Newton fue un gran matemático, físico y astrónomo inglés. Estaba dotado de una mente poderosa, original y tenaz. Empleaba la lógica y la deducción para investigar el funcionamiento de las matemáticas y de la física.

Isaac Newton fue el primero en explicar que la fuerza que hace que los objetos caigan con aceleración constante en la Tierra (gravedad terrestre), es la misma que mantiene en movimiento los planetas y las estrellas.

Desde muy temprana edad se interesó por las cuestiones relativas a la naturaleza, estudiándolas y realizando experimentos.

Entre sus grandes logros están:

  • el cálculo infinitesimal,
  • los colores de la luz y
  • la ley de gravitación universal.

Astrónomos predecesores de Newton

Además, de los astrónomos mayas, caldeos y griegos, los inmediatos predecesores de Isaac Newton, fueron:

  • Nicolás Copérnico, Polonia 1473-1543
  • Tycho Brahe, Suecia 1546-1601
  • Galileo Galilei, Italia 1564-1642
  • Johannes Kepler, Alemania 1571-1630

Astrónomos contemporáneos de Newton

  • Giovanni Cassini, Italia 1625-1712
  • Christiaan Huygens, Holanda 1629-1695
  • Edmond Halley (1656-1742)

Infancia y formación

Isaac Newton nació el 4 de enero de 1643, en la pequeña aldea de Woolsthorpe, en el distrito de Lincolnshire, Inglaterra.

Su padre fue un pequeño terrateniente que falleció a comienzos de octubre de 1642, poco antes del nacimiento de Newton.

Aldea
Woolsthorpe es una aldea de Lincolnshire, Inglaterra. Crédito: Wikipedia

La madre de Newton lo matriculó en la King’s School, de la cercana población de Grantham.

Ahí en Grantham, Newton se alojó en casa de un farmacéutico, hasta que cumplió los dieciséis años, en 1659.

En esos años de infancia, se desarrolló su gran habilidad mecánica, que ejercitó en la construcción de diversos mecanismos (el más citado es un reloj de agua) y juguetes (especialmente cometas, a cuya cola ataba linternas que, por las noches, asustaban a sus vecinos).

Cumplidos los dieciséis años, su madre lo hizo regresar a Woolsthorpe, para que empezara a ocuparse de las tierras heredadas por la familia.

Sin embargo, el joven Isaac no se mostró en absoluto interesado por asumir sus responsabilidades como terrateniente.

Newton ingresó en Cambridge

Su madre, aconsejada por el maestro de Newton, y por su propio hermano, accedió a que regresara a la escuela, para preparar su ingreso en la Universidad de Cambridge.

En junio de 1661, Newton fue admitido en el Trinity College, de Cambridge.

Al no tener recursos económicos suficientes, se matriculó como fámulo. De esta manera, ganaba su manutención, a cambio de prestar servicios domésticos a los alumnos más adinerados.

En ese tiempo, en la Universidad de Alcalá de Henares, también existía la figura del fámulo. Y con el fin de que los alumnos adinerados pudieran distinguir más fácilmente a sus fámulos, éstos llevaban puesto un gran gorro. Por eso, eran llamados “gorrones“.

Allí en Cambridge, Isaac Newton empezó a recibir una sólida educación, basada en los principios de la filosofía aristotélica.

Cambridge
Cambridge es una ciudad universitaria inglesa, situada a orillas del río Cam. Crédito: Wikipedia

En diciembre de 1663, en la Universidad de Cambridge, el reverendo Henry Lucas, miembro del Parlamento inglés, legó en su testamento una biblioteca de 4.000 volúmenes, y encargó la compra de terrenos que diesen un rendimiento anual de 100 libras para poder fundar una Cátedra de Matemáticas.

La intensa actividad científica e intelectual que reinaba en la Universidad de Cambridge, estimuló la mente prodigiosa de Newton y despertó su interés por las matemáticas y por las cuestiones relativas a la investigación de la naturaleza.

El aporte de Newton a las matemáticas

En 1664, Newton inventó la famosa fórmula para el desarrollo de la potencia de un binomio con un exponente cualquiera, entero o fraccionario, aunque tardó varios años en comunicárselo al secretario de la Royal Society.

Pero, fue el comienzo de su gran aporte al desarrollo de las matemáticas como herramienta necesaria para el estudio de la naturaleza.

La primera exposición completa de su método de análisis matemático por medio de series infinitas, la escribió Newton en 1669.

El procedimiento seguido por Newton para establecer la fórmula binomial, tuvo la virtud de hacerle ver la importancia de las series infinitas para el cálculo infinitesimal.

Por esa época, Newton redactó sus primeras ideas acerca del cálculo infinitesimal; ideas que no publicó hasta más tarde.

El cálculo infinitesimal es una  herramienta matemática que inventó Newton. En los años posteriores, el cálculo infinitesimal fue indispensable para  el estudio de la mecánica celeste y de muchas otras actividades científicas.

Newton no fue el primero en servirse de aquel tipo de cálculo; de hecho, la primera edición de su obra, contenía el reconocimiento de que Leibniz estaba en posesión de un método análogo.

El cálculo infinitesimal es uno de los instrumentos conceptuales y analíticos más básicos y más importantes inventados por los humanos.  Sin él, la historia de la ciencia habría sido diferente.

Actualmente se reconoce que los inventores del cálculo infinitesimal fueron dos gigantes de la ciencia: Isaac Newton  y Wilhelm Leibniz.

La epidemia de peste en Inglaterra

Al declararse en Londres la gran epidemia de peste bubónica de 1665, Cambridge cerró sus puertas y Newton regresó a Woolsthorpe.

En marzo de 1666, volvió a Cambridge, pero en junio reapareció la peste y el Colegio interrumpió sus actividades.

En una carta póstuma, Newton describió los años de 1665 y 1666 como su época más fecunda de invención, durante la cual pensó en las matemáticas y en la filosofía, mucho más que nunca desde entonces.

Muchas de las ideas de matemáticas, la teoría de los colores y las primeras ideas sobre la atracción gravitatoria, relacionadas con la permanencia de la Luna en su órbita en torno a la Tierra, fueron los logros que Newton consiguió en esos años.

Teoría de la gravitación universal

Luna Tierra
Imagen artística de la atracción Tierra-Luna. Crédito: astrojem.com

Hasta mediados del siglo XVII, los astrónomos habían logrado describir con mucho detalle las trayectorias de la Tierra, la Luna y los planetas. Pero nadie había conseguido averiguar la causa de estos desplazamientos tan precisos.

Fue Isaac Newton el que descubrió que “todo sucede como si la materia atrajera a la materia“. Pero hizo mucho más: descubrió que existe una relación cuantitativa para la fuerza de atracción entre dos objetos con masa.

La fuerza de gravedad de la Tierra, causa una aceleración de la Luna hacia la Tierra. La fuerza de gravedad de la Luna, causa una aceleración de la Tierra hacia la Luna. Ambas fuerzas tienen la misma intensidad.

De sus reflexiones y cálculos, dedujo que todo objeto en el universo que posea masa ejerce una atracción sobre cualquier otro objeto con masa, aún si están separados por una gran distancia. A esta fuerza de atracción, la llamó “gravedad”.

Los primeros cálculos de Newton para averiguar algo acerca de la atracción mutua de la Tierra y  la Luna,  chocaron con un obstáculo: demostrar que la fuerza de atracción entre dos esferas, es igual a la que existiría si las masas de cada una de ellas, estuviesen concentradas en los centros respectivos.

Resolvió ese problema en febrero de 1685, tras comprobar la validez de su ley de la atracción gravitatoria, mediante su aplicación al caso de la Luna; la idea, nacida veinte años antes, quedó confirmada entonces, gracias a la medición precisa del radio de la Tierra realizada por el astrónomo francés Jean Picard.

Gravedad
Imagen publicada en la web taringa.net

En la fórmula de la gravitación, es muy importante la introducción de un valor que sirve para obtener el valor exacto de las fuerzas de atracción gravitacional. Es la famosa “constante G“, la constante de gravitación universal.

La constante G vale aproximadamente 6,674 * 10 -11

Newton no conocía la causa de esta constante y tampoco su valor exacto. Sólo pudo indicar que se trataba de una constante universal, y que su valor era un número bastante pequeño.

Sólo mucho tiempo después, se desarrollaron las técnicas necesarias para mejorar el cálculo de su valor.

Características de la fuerza de gravedad, según Newton:

  • siempre es atractiva, nunca es repulsiva.
  • siempre produce atracción entre los cuerpos, cualquiera que sea su composición.
  • cada cuerpo ejerce una fuerza sobre el otro, las dos fuerzas son iguales en intensidad y dirección, pero contrarias en sentido.
  • se produce atrayéndose el centro de gravedad de un objeto con el centro de gravedad del otro.
  • es universal, y todas las partículas materiales están sometidas a ella, sin excepción.
  • tiene alcance infinito, por muy alejados que estén entre sí dos cuerpos, siguen experimentando esta fuerza.
  • pierde intensidad, en proporción al cuadrado de la distancia que separa a los cuerpos. Por ejemplo, si se aleja un objeto de otro al triple de distancia, entonces la fuerza de gravedad se reduce a la novena parte.
  • la transmisión es instantánea y no necesita de un medio de transmisión

Sin embargo, Newton nunca pudo hallar una explicación satisfactoria  acerca de cómo se transmite la fuerza gravitacional.

Siempre afirmó con humildad, que no sabía cuál era la causa de todo esto. Muy avanzado ya el siglo XXI, todavía nadie lo sabe.

En el interior de los átomos, la fuerza de gravedad no juega un papel importante, debido a la pequeñísima magnitud de las masas de las partículas elementales.

El matemático y astrónomo Edmond Halley tuvo el mérito de vencer las reticencias de Newton para publicar su obra.

Edmond Halley se encargó personalmente de que el manuscrito fuese presentado en abril de 1686, ante la Royal Society. Además, él se hizo cargo de los gastos de la impresión, terminada en julio de 1687.

Isaac Newton enunció la ley de Gravitación Universal en su libro, con el título de “Los principios matemáticos de la filosofía natural”, que se conocen como “Los Principia“. Es uno de los libros más importantes de toda la historia.

Los Principia contenían la primera exposición impresa del cálculo infinitesimal creado por Newton, aunque éste prefirió que, en general, la obra presentara los fundamentos de la física y la astronomía, formulados en el lenguaje sintético de la geometría.

Manzano
El famoso manzano en la casa de Newton. Crédito: National Geographic.

El mismo Newton, se encargó de propagar, hacia el final de su vida, la anécdota que relaciona sus primeros pensamientos sobre la ley de la gravedad, con la observación casual de una manzana que cayó de alguno de los frutales de su jardín. El filósofo francés, Voltaire, se encargó de propagar esa anécdota, que conocía por la sobrina de Newton.

Newton regresó a Cambridge en 1967

Newton regresó definitivamente a Cambridge, en abril de 1667. Poco después, en octubre de 1667, fue elegido miembro becario del Trinity College. Dos años más tarde fue nombrado catedrático.

En 1672, Newton fue nombrado miembro de la Royal Society de Londres, en reconocimiento a su contribución a la ciencia, al haber construido un telescopio.

Telescopio
Una réplica del segundo telescopio reflector de Newton, el cual fue presentado a la Royal Society en 1672. Crédito: Wikipedia.

Newton y la óptica

El capítulo de la ciencia que eligió para impartir sus clases en el Trinity College, fue la óptica, a la que venía dedicando su atención desde que, en 1666, tuvo la idea que le llevó a su descubrimiento de la naturaleza compuesta de la luz.

En febrero de 1672, pocos días después de que la Royal Society de Londres lo hubiera elegido como uno de sus miembros, presentó su primer comunicado sobre el tema.

En este comunicado, Newton aportó la indiscutible evidencia experimental, de que la luz blanca era una mezcla de rayos de diferentes colores, caracterizado cada uno por su distinto grado de refracción al atravesar un prisma óptico.

Prisma
Reproducción artística del experimento de Newton. Crédito: objetivismo.org/la-optica-de-newton/

Newton consideró que su descubrimiento de que la luz blanca es una mezcla de rayos de diferentes colores, era el más singular y el más importante de los hallazgos que se habían hecho hasta entonces, relativos al conocimiento de la naturaleza.

Rayo de luz blanca atravesando un prisma de cristal

El prestigioso secretario de la Royal Society, Robert Hooke se opuso a las ideas de Newton en materia de óptica.

Robert Hooke tuvo una enorme influencia en los sabios de su época y, sin duda, el descubrimiento y consecuencias de la gravitación universal, se debe en gran parte al respeto que Newton sentía por él y por sus ideas.

Hooke defendía que la luz son ondas electromagnéticas; en cambio, Newton afirmaba que la luz es un fenómeno resultante de la emisión de corpúsculos luminosos por parte de cuerpos calientes.

En 1676, Newton renunció a proseguir la polémica acerca de su teoría de los colores y por unos años, se refugió de nuevo en la intimidad casi absoluta.

 Se concentró en sus trabajos sobre el cálculo diferencial e integral. Dedicó gran parte de sus pensamientos a  dos temas alejados del mundo de sus investigaciones sobre la naturaleza: la alquimia y los estudios bíblicos.

El movimiento de los planetas

Newton recibió una carta de Robert Hooke, por entonces secretario de la Royal Society, en la que intentaba que Newton restableciera su contacto con la institución; y le sugería la posibilidad de hacerlo, comentando las teorías del propio Hooke acerca del movimiento de los planetas.

Planetas
Concepción artística del sistema solar. Crédito:  Dr.Maggie Aderin-Pocok, web “teachwire.net/news/8-solar-system-facts-to-wow-students”

Esta carta devolvió a Newton su interés por la mecánica dinámica. Pronto constató que la trayectoria seguida por un cuerpo que se mueva bajo el efecto de la fuerza de gravedad con otro, tendría forma elíptica. Inicialmente había pensado que la trayectoria seguida por esos dos cuerpos, sería una espiral.

Desde entonces, postuló que la Tierra y todos los planetas deben moverse en una órbita elíptica alrededor del Sol.

Traslación
Traslación de la Tierra. en una órbita elíptica: Crédito: web “byjus.com”

En 1684, el matemático y astrónomo inglés, Edmond Halley, era catedrático de Matemáticas en Oxford. Visitó a Newton en Cambridge, y le preguntó cuál sería la órbita de un planeta si la fuerza de gravedad disminuyese con el cuadrado de la distancia. La respuesta de Newton fue inmediata: “una elipse“.

Maravillado por la rapidez con que Newton consideraba resuelto un asunto en cuyo esclarecimiento andaban compitiendo Hooke y el propio Halley, éste le preguntó a Newton ¿cómo conoce la forma de la curva?  Newton esbozó una sonrisa y le dijo: “La he calculado”.

Hasta que Newton encontró su famosa fórmula de la gravedad, los astrónomos observaban y anotaban cada noche, durante centenares de noches, las posiciones de un planeta. El cálculo matemático marcó la diferencia fundamental entre Newton y todos sus predecesores.

Se dice que la teoría de la relatividad de Einstein vino a mejorar y reemplazar a la teoría de la gravedad de Newton.  Es verdad. Pero, en el cálculo y seguimiento de las trayectorias de planetas, cometas, asteroides, satélites y naves espaciales, lo que se utiliza son las fórmulas de Newton.

Últimos años en la vida de Newton

En 1703, tras la muerte de Hooke, Newton fue elegido Presidente de la Royal Society, cargo que conservó hasta su muerte.

En 1705,  Ana Estuardo, Reina de Gran Bretaña e Irlanda, le otorgó el título de Sir.

En los primeros días de marzo de 1727, un cálculo en la vejiga marcó el comienzo de su agonía: la vida de Newton se extinguió en la madrugada del 20 de marzo de 1727.

Fue enterrado en la Abadía de Westminster, rodeado de los grandes hombres de Inglaterra.

La Universidad de Cambridge ofrece ahora el acceso por Internet, a más de 4.000 de manuscritos de Isaac Newton. Es una demostración espectacular de la posibilidad de acceso que se tiene actualmente a las mejores fuentes de información para que vaya en aumento el número de personas que se interesan por la ciencia.