Isaac Newton

 

Sir Isaac Newton (1642-1727), figura dominante della rivoluzione scientifica del secolo XVII, nacque nei pressi di Grantham, nel Lincolnshire, in Inghilterra. Forse il più grande
genio scientifico di tutti i tempi, Newton dette contributi fondamentali a tutti ì più importanti campi del pensiero scientifico e matematico della sua generazione.
Newton proveniva da una famiglia di modesti agricoltori piccoli proprietari terrieri. Suo padre morì alcuni mesi prima che lui nascesse. Tre anni più tardi sua madre si risposò e si trasferì in un villaggio vicino, affidando Isaac alle cure della nonna materna. Alla morte del patrigno, avvenuta nel 1656, la madre di Newton lo tolse dalla scuola di grammatica di Grantham nella speranza di educarlo a gestire la sua proprietà che si era allora molto ampliata; nonostante ciò gli interessi di Newton si rivolgevano più verso i libri e i passatempi matematici. La sua famiglia decise che doveva prepararsi a entrare all'università e perciò fu mandato al Trinity College di Cambridge nel giugno 1661.
Sebbene l'insegnamento a Cambridge fosse ancora dominato dalla filosofia aristotelica, agli studenti del terzo anno erano concesse alcune libertà di studio. Newton si immerse nella nuova filosofia meccanica di Cartesio, Gassendi e Boyle, nella nuova algebra e geometria analitica di Vieta, Cartesio e Wallis e nella meccanica e astronomia copernicana di Galileo. In questo periodo Newton non dimostrò un grande talento. Il suo genio scientifico emerse improvvisamente quando, nel 1665, l'università fu chiusa per un'epidemia di peste e Newton dovette ritornare nel Lincolnshire: qui, nell'arco di 18 mesi, dette vita a progressi rivoluzionari nella matematica, nell'ottica, nella fisica e nell'astronomia.
Durante gli anni della peste Newton pose le basi del calcolo infinitesimale elementare, differenziale e integrale, alcuni anni prima che, del tutto indipendentemente, ne effettuasse la scoperta il filosofo e matematico tedesco Gottfried Leibniz. Il "metodo delle flussioni", come lui lo chiamò, era basato sulla sua cruciale intuizione secondo la quale l'integrazione di una funzione (cioè trovare l'area sotto la sua curva) è semplicemente la procedura inversa della differenziazione (cioè trovare la pendenza della curva in ogni punto). Prendendo la differenziazione come operazione fondamentale, Newton elaborò semplici metodi analitici che unificavano una quantità di tecniche disparate, sviluppate in precedenza su basi frammentarie, e usate per trattare diversi problemi come trovare l'area, le tangenti, la lunghezza delle curve e i loro massimi e minimi. Sebbene Newton non riuscisse pienamente a giustificare il suo metodo le basi rigorose e logiche per il calcolo infinitesimale non furono sviluppate fino al secolo XIX, gli è attribuito il merito di aver sviluppato un potente strumento per l'analisi e la risoluzione dei problemi nella matematica pura e nella fisica. Isaac Barrow, membro del Trinity College e professore "Lucasiano" di matematica all'università, fu talmente impressionato dai suoi risultati che, quando nel 1669 si dimise dalla cattedra per dedicarsi alla teologia, raccomandò che il ventisettenne Newton prendesse il suo posto.
Le prime lezioni di Newton trattavano argomenti di ottica, comprese le sue notevoli scoperte realizzate durante gli anni della peste. Egli era arrivato alla rivoluzionaria conclusione che la luce bianca non è un'entità semplice e omogenea come avevano creduto gli scienziati fin dai tempi di Aristotele. Facendo passare un sottile fascio di luce solare attraverso un prisma di vetro, Newton notò lo spettro oblungo e colorato rosso, giallo, verde, blu, violetto che si formava sulla parete opposta. Newton dimostrò che lo spettro era troppo lungo per essere spiegato con l'allora accettata teoria della flessione (o rifrazione) della luce da parte di mezzi densi. La vecchia teoria diceva che tutti i raggi di luce bianca che colpivano il prisma con lo stesso angolo dovevano essere rifratti allo stesso modo. Newton intuì che la luce bianca era in realtà una mescolanza di differenti tipi di raggi, che i diversi raggi venivano rifratti con angoli leggermente diversi e che ogni tipo di raggio era responsabile della produzione di un dato colore spettrale. Il cosiddetto "esperimento cruciale" confermò la teoria. Newton scelse dallo spettro una stretta banda di luce di un solo colore, la inviò attraverso un secondo prisma e osservò che non si otteneva nessun ulteriore allungamento. Tutti i raggi selezionati di uno stesso colore venivano rifratti con lo stesso angolo.isaac newton
Queste scoperte portarono Newton alla logica ma erronea conclusione che i telescopi costruiti con lenti rifrangenti non avrebbero mai potuto superare le distorsioni della dispersione cromatica. Perciò propose e costruì un telescopio riflettore, il primo di quel tipo e il prototipo dei grandissimi telescopi ottici moderni. Nel 1671 ne donò una versione perfezionata alla Royal Society di Londra, la principale società scientifica dell'epoca. In conseguenza di ciò fu eletto membro della società nel 1672. Più tardi in quell'anno Newton pubblicò il suo primo lavoro scientifico nelle Philosophical Transactions della Royal Society. Tale lavoro, dove era trattata la nuova teoria della luce e del colore, costituiva uno dei primi esempi di pubblicazione breve di ricerca scientifica.
Il lavoro di Newton fu ben accolto, ma due scienziati allora molto influenti, Robert Hooke e Christian Huygens, rifiutarono l'ingenua affermazione di Newton che la sua teoria fosse derivata con certezza semplicemente dagli esperimenti. In particolare si opposero a ciò che consideravano un tentativo di Newton di provare solo per via sperimentale che la luce è data dal moto di piccole particelle o corpuscoli, piuttosto che dalla trasmissione di onde o impulsi, come entrambi credevano. Sebbene il successivo rifiuto di Newton dell'uso di ipotesi non fosse convincente, le sue idee sul metodo scientifico si guadagnarono un'approvazione universale, così come la sua teoria corpuscolare della luce. Essa tenne campo fino ai primi anni del secolo XIX, quando fu riesumata la teoria ondulatoria.
La polemica inasprì i rapporti di Newton con Hooke. Newton si allontanò dal dibattito scientifico pubblico per circa un decennio dopo il 1675, dedicandosi a ricerche di chimica e alchimia. Rimandò la pubblicazione di un resoconto completo delle sue ricerche di ottica fino a dopo la morte di Hooke, nel 1703 il lavoro di Newton Opticks apparve l'anno seguente. Trattava della teoria della luce e del colore e delle ricerche di Newton sui colori di lamine sottili, sugli "anelli di Newton" e sui fenomeni di diffrazione della luce. Per spiegare alcune delle sue osservazioni dovette inserire elementi della teoria ondulatoria della luce nella sua teoria essenzialmente corpuscolare. Il più grande risultato di Newton fu il suo lavoro nel campo della fisica e della meccanica celeste, che culminò con la teoria della gravitazione universale. Sebbene Newton avesse iniziato anche queste ricerche negli anni della peste, la storia secondo la quale egli scoprì la gravitazione universale nel 1666 mentre osservava una mela cadere da un albero del suo giardino è soltanto un mito. Già nel 1666 Newton aveva formulato delle versioni primitive delle sue tre leggi del moto. Aveva anche scoperto la legge che stabilisce che la forza centrifuga (o forza diretta verso l'esterno) di un corpo è uniforme in un'orbita circolare. Tuttavia allora credeva ancora che la gravita terrestre e il moto dei pianeti dovessero essere causati dall'azione di gorghi, o vortici, di piccoli corpuscoli come aveva affermato Cartesio. Inoltre, sebbene conoscesse la legge della forza centrifuga, non aveva una comprensione esatta della meccanica del moto circolare. Newton pensò che il moto circolare fosse il risultato di un equilibrio tra due forze, una centrifuga e l'altra centripeta (verso il centro), piuttosto che il risultato di una sola forza, la forza centripeta, che deviasse costantemente il corpo dalla sua traiettoria inerziale in linea retta.
La grande intuizione di Newton del 1666 fu di pensare che la forza di gravita terrestre si estendesse fino alla Luna, controbilanciando la sua forza centrifuga. Partendo dalla sua legge della forza centrifuga e dalla terza legge dei moti planetari di Keplero, Newton dedusse che la forza centrifuga (e quindi la centripeta) della Luna, o di ogni pianeta, deve diminuire secondo l'inverso del quadrato della distanza dal centro del moto. Per esempio, se la distanza è doppia la forza diventa un quarto; se la distanza è tripla la forza diventa un nono. Questa teoria era in accordo all'incirca entro l'11% con i dati di cui Newton disponeva.
Newton tornò ai suoi studi di meccanica celeste nel 1679, quando il suo avversario Hooke lo coinvolse in una discussione sul problema del moto orbitale. A Hooke è attribuito il merito di aver suggerito a Newton che il moto circolare deriva dalla deviazione centripeta dei corpi in moto inerziale. Hooke inoltre suppose che, dal momento che i pianeti si muovono secondo delle ellissi con il Sole in uno dei due fuochi (I legge di Keplero), la forza centripeta che li spinge verso il Sole deve variare secondo l'inverso del quadrato della loro distanza da esso. Hooke non riuscì a provare matematicamente questa teoria, sebbene si vantasse di esserne capace. Per non essere da meno del suo rivale, Newton applicò il suo talento matematico all'ipotesi di Hooke. Dimostrò che se un corpo obbedisce alla seconda legge di Keplero (la quale stabilisce che la linea congiungente un pianeta col Sole traccia aree uguali in tempi uguali), allora il corpo è sotto l'effetto di una forza centripeta. Questa scoperta rivelò per la prima volta il significato fisico della seconda legge di Keplero. Dopo questa scoperta Newton riuscì a dimostrare che un corpo che si muove secondo un'orbita ellittica e che è attratto verso uno dei due fuochi deve necessariamente essere spinto da una forza che varia secondo l'inverso del quadrato della distanza. Newton però mise da parte questi risultati senza pubblicarli.
Nel 1684 il giovane astronomo Edmond Halley, stanco dell'infruttuoso vantarsi di Hooke, chiese a Newton se poteva provare l'ipotesi di Hooke e con sua sorpresa Newton gli rispose che aveva risolto il problema ben cinque anni prima, ma che aveva perso gli appunti, in seguito al costante incitamento di Halley, Newton rifece le dimostrazioni e le espose più estesamente in uno scritto sulle leggi del moto e sui problemi di meccanica orbitale. Alla fine Halley persuase Newton a scrivere un trattato completo sulla sua nuova fisica e sulle sue applicazioni all'astronomia. Dopo 18 mesi di intenso sforzo Newton pubblicò nel 1687 il Philosophiae naturalis principia matematica (Princìpi matematici della scienza), o Principia, come è universalmente noto.
Secondo l'opinione comune i Principia costituiscono il più grande libro scientifico che sia mai stato scritto. All'interno del sistema di riferimento di uno spazio infinito, omogeneo, tridimensionale e vuoto, e con un tempo assoluto che scorre eternamente e uniformemente, Newton analizzò completamente il moto dei corpi in mezzi resistenti e non resistenti sotto l'azione delle forze centripete. I risultati furono applicati ai corpi orbitanti, ai proiettili, ai pendoli e alla caduta libera vicino alla Terra. Dimostrò inoltre che i pianeti sono attratti verso il Sole da una forza che varia secondo l'inverso del quadrato della distanza e generalizzò il concetto affermando che tutti i corpi si attraggono reciprocamente. Attraverso un'ulteriore generalizzazione arrivò alla sua legge della gravitazione universale: ogni porzione di materia attrae qualsiasi altra porzione con una forza proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza fra di esse.
Fissata la legge della gravitazione e le leggi del moto, Newton potè esplorare una grande quantità di fenomeni fino allora considerati separati, come le orbite eccentriche delle comete, le cause delle maree e delle loro variazioni maggiori, la precessione all'asse terrestre e la perturbazione del moto della Luna da parte della gravita del Sole. La legge di natura unica e generale di Newton e il suo sistema unico di meccanica portò a riordinare la maggior parte dei problemi allora noti di astronomia e fisica terrestre. Le opere di Galileo, Copernico e Keplero furono riunite e trasformate in un'unica e coerente teoria scientifica. La nuova visione copernicana del mondo aveva finalmente una solida base fisica.
Dato che Newton usò ripetutamente il termine "attrazione" nei Principia, i filosofi meccanicisti lo attaccarono per aver reintrodotto nella scienza l'idea che la semplice materia potesse agire a distanza su altra materia. Newton replicò che aveva soltanto inteso dimostrare l'esistenza dell'attrazione gravitazionale e scoprire la sua legge matematica, e non indagarne le cause. Egli non credeva più dei suoi critici al fatto che la materia potesse esercitare azioni a distanza. Avendo rinnegato i "vortici" cartesiani, nei primi anni del 1700 ritornò all'idea che la gravita fosse causata da una qualche sorta di mezzo materiale, o etere. Ma l'etere di Newton non era più un etere di tipo cartesiano, agente soltanto per l'impatto fra le particelle. L'etere doveva essere estremamente rarefatto, così da non ostacolare i moti dei pianeti e contemporaneamente tanto elastico da poter spingere grandi masse l'una verso l'altra. Newton postulò che il nuovo etere fosse formato da particelle dotate di forze repulsive molto potenti, a corto raggio. Le sue idee inconciliabili sulle forze e sull'etere influenzarono profondamente gli scienziati del secolo XVIII quando si rivolsero allo studio dei fenomeni della fisica, dell'elettricità e del magnetismo, e della fisiologia.
Con la pubblicazione dei Principia Newton fu riconosciuto come lo scienziato più eminente della sua epoca; la sua carriera creativa era però avviata alla fine. Dopo aver sofferto di un esaurimento nervoso nel 1693 si ritirò dalla ricerca per cercare un incarico governativo a Londra. Nel 1696 divenne Warden of the Roval Mint e nel 1699 suo Master, una posizione estremamente redditizia. Negli anni intorno al 1690 fu il supervisore delle nuove grandi emissioni di monete della zecca inglese e perseguì i falsari con durezza. Nel 1703 fu eletto presidente della Royal Society e fu rieletto ogni anno fino alla sua morte. Nel 1708 fu nominato cavaliere dalla regina Anna: fu così il primo scienziato a ricevere tale onore per la sua opera.
Newton morì a Londra il 20 marzo 1727, dopo aver completato, da solo, la rivoluzione scientifica e plasmato gran parte del contenuto e della forma della scienza moderna.

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