Isaac Newton: El Gigante de la Física y las Matemáticas

Introducción a Isaac Newton: El Padre de la Física Moderna

Si se habla del segundo científico más importante de la historia, hay una dura competencia por el puesto: Einstein, Bohr, Tesla, etc. Pero sobre el científico más importante de todos los tiempos no hay duda: Isaac Newton. Hizo contribuciones fundamentales a todas las ramas de la física y las matemáticas, como por ejemplo, la dinámica de fluidos, la óptica, la cinemática (física) y el álgebra (matemáticas).

Poco después de su fallecimiento, Alexander Pope le dedicó los siguientes versos:

Nature's and nature's laws lay hid in night;
God said: "Let Newton be!" and all was light.

La naturaleza y sus leyes yacían ocultas en la noche;
Dios dijo: "¡Sea Newton!" y todo fue luz.

Versos en los que Pope parafrasea al libro del Génesis, que empieza con el "Hágase la luz para separar la luz de la oscuridad".

Además de eso, el trabajo de Newton, reconocido por él mismo, se basó en la paciencia (la paciencia es la madre de las ciencias), lo que significa que los logros se consiguen con perseverancia. Los descubrimientos de Newton abrieron nuevas preguntas y nuevas investigaciones. Newton comparaba sus descubrimientos con haber entrado en la orilla de un océano desconocido, un océano de ignorancia, y él había descubierto la orilla. Finalmente, la ciencia se basa siempre en el trabajo científico precedente.

Newton nació el día de Navidad de 1642 y falleció el 20 de marzo. Sin embargo, también se registra su nacimiento el 8 de enero de 1643 y su fallecimiento el 30 de marzo de 1727. Esto se debe a que, cuando nació en Gran Bretaña, se usaba el calendario juliano, mientras que en España y gran parte de Europa (la Europa católica) se empleaba el calendario gregoriano. La primera fecha es juliana y la segunda gregoriana. Un ejemplo similar es que Cervantes falleció un 23 de abril (juliano) y Shakespeare un 23 de abril (gregoriano).

El Calendario Gregoriano: Un Contexto Histórico

Se llama calendario gregoriano porque impulsó su implantación el papa Gregorio XIII, de nombre Ugo Buoncompagni. Los papas cambian sus nombres, y él adquirió el de Gregorio. Ugo nació en Bolonia, Italia, en enero de 1502 (7/1/1502) y murió en Roma el 10 de octubre de 1585 (10/X/1585).

Inicialmente, no se dedicó al sacerdocio, sino a la abogacía, y estudió derecho en su ciudad natal, licenciándose en 1530. Después se mudó a Roma, donde estudió teología y se ordenó sacerdote en 1542. Como teólogo, participó por encargo de Carlos I (V de Alemania) en el Concilio de Trento, que intentaba poner freno a la Reforma Protestante y conseguir la unidad del cristianismo en Europa. Su carrera eclesiástica terminó cuando fue nombrado papa en 1572.

Su política exterior se basó en la guerra contra el protestantismo, en la que cabe destacar dos acciones importantes:

1. La primera fue la guerra contra los hugonotes, así llamados los protestantes franceses, en la que tuvo completo éxito, erradicando el protestantismo en Francia y en la que cabe destacar la Noche de San Bartolomé, en la que las tropas francesas asesinaron a la mayoría de los protestantes franceses.
2. La segunda gran acción fue la lucha contra Isabel I de Inglaterra, que había vuelto al anglicanismo de su padre Enrique VIII, y en la que, como es notorio, fracasó.

Dentro de la Iglesia, se apoyó en los jesuitas, la orden fundada por San Ignacio de Loyola, que se fundamenta en el conocimiento, de forma que, además de religiosos, los jesuitas deben ser doctos para poder enfrentarse a los teólogos protestantes. Lo que nos interesa es que impulsó el calendario gregoriano.

El problema era que había un desfase en el equinoccio de casi 10 días. El calendario juliano, aunque bueno, se retrasaba cada año 10-11 minutos; en 1500 años se habían acumulado 11 días. El papa implantó el calendario gregoriano para corregir el desfase; se adelantaron 11 días.

Diferencias entre el calendario Juliano y Gregoriano:

• En el calendario juliano, todos los años divisibles por 4 son bisiestos, incluyendo los años seculares (100, 200, 300, etc.).
• En el calendario gregoriano, un año es bisiesto si es divisible por 4, excepto si es divisible por 100 pero no por 400. Esto significa que, a diferencia del juliano, los años seculares (1700, 1800, 1900) no son bisiestos a menos que sean divisibles por 400 (como el 2000).

Principales Trabajos y Descubrimientos de Newton

Óptica

En su obra Opticks, Newton expone las leyes de la óptica geométrica (ley de reflexión, ley de refracción y ley de la difracción).

• Ley de la Reflexión: Establece que cuando la luz incide sobre una superficie, se refleja de tal manera que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Si la superficie es perfectamente plana, los rayos paralelos permanecen paralelos tras la reflexión; si la superficie no es plana, los rayos paralelos se reflejan en diferentes direcciones.
• Ley de la Refracción: Indica que cuando la luz pasa de un medio a otro, cambia de dirección (se acerca o se aleja de la normal) dependiendo de la velocidad de la luz en cada medio. Si la luz se mueve más deprisa en el segundo medio, se aleja de la normal; si se mueve más despacio, se acerca.
• Ley de la Difracción: Se produce cuando una onda de luz pasa por una abertura o rodea un obstáculo, desviándose de su trayectoria rectilínea. Si la abertura es suficientemente pequeña, esta se convierte en un nuevo foco de luz. Cuando dos aberturas pequeñas están juntas, se producen fenómenos de interferencia.

Newton descubrió la descomposición de la luz blanca en colores (espectro), y, además, observó que tanto por debajo del rojo como por encima del violeta, si se colocaba un termómetro, este se calentaba, lo que sugería la existencia de radiación invisible (precursora del descubrimiento de la radiación infrarroja y ultravioleta).

Con las leyes de la óptica, explicó la iridiscencia, que es el fenómeno que produce figuras de colores cuando la luz atraviesa una fina capa de material transparente. También abordó la aberración cromática de los telescopios de refracción, proponiendo la creación de telescopios de reflexión que carecen de este defecto y que, en su honor, se llaman telescopios de Newton.

Propuso una teoría corpuscular sobre la naturaleza de la luz. Para Newton, la luz estaba formada por pequeños corpúsculos de diferentes tamaños según el color, y estos se comportaban como pequeñas bolas de billar. Aunque esta teoría fue posteriormente superada por la teoría ondulatoria de la luz, fue fundamental en su momento. Además, explicó cómo se forma el arcoíris y por qué los objetos tienen diferentes colores.

Mecánica Clásica y Gravitación Universal

La mecánica es la parte de la física que estudia el movimiento de los objetos y sus causas. Newton, en el que es considerado el libro más importante de la ciencia jamás escrito, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Principios Matemáticos de Filosofía Natural), publicado en 1687, enunció las tres leyes de la dinámica:

1. Ley de la Inercia (Primera Ley de Newton): Cuando sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza neta o todas las fuerzas que actúan sobre él se anulan, el cuerpo permanece en reposo o se mueve con un movimiento rectilíneo y uniforme. Esta ley contradecía la física aristotélica, según la cual para que se produjera un movimiento era necesario aplicar una fuerza, mientras que para Newton, un cuerpo podía mantener su movimiento sin fuerza externa, siempre que su velocidad no cambiara.
2. Principio Fundamental de la Dinámica (Segunda Ley de Newton): Establece que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es directamente proporcional a la aceleración que este adquiere, y la constante de proporcionalidad es su masa inercial (F=ma). Esta ley proporciona una expresión matemática para la fuerza. Cuando un cuerpo cambia de velocidad, hay una fuerza neta actuando sobre él. Es importante destacar que la ingravidez que experimentan los astronautas en órbita no significa que no tengan peso, sino que están en caída libre constante junto con su nave espacial, lo que les hace aparentar flotar.
3. Principio de Acción y Reacción (Tercera Ley de Newton): Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro (acción), este segundo cuerpo ejerce sobre el primero una fuerza de igual magnitud y dirección, pero en sentido opuesto (reacción). Es decir, las fuerzas siempre aparecen en pares de acción y reacción; sin embargo, aunque son iguales y de sentido contrario, no se anulan porque actúan sobre cuerpos diferentes.

En el mismo libro, Newton enunció la Ley de la Gravitación Universal, que establece que la fuerza de atracción entre dos cuerpos es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Empleando las leyes de la mecánica y la ley de la gravitación universal, Newton pudo explicar las leyes de Kepler del movimiento planetario.

Además, unificó el movimiento de los astros con el movimiento en la Tierra, explicó el origen de las mareas y, finalmente, el estudio de las desviaciones en la órbita de Saturno respecto a las predichas por la ley de la gravitación universal permitió el descubrimiento de Urano por William Herschel. Es decir, la ley de la gravitación universal predecía que Saturno debía moverse de una determinada forma, y las observaciones de Herschel revelaron una discrepancia que llevó al descubrimiento de un nuevo planeta.

Hidrostática y Dinámica de Fluidos

Newton estudió el comportamiento de los fluidos, definió la viscosidad y enunció cómo se mueve un fluido cuando no hay turbulencias. Estudiando la hidrostática, también determinó el poder de penetración de los objetos en el seno de un fluido y la resistencia de los fluidos al movimiento en su interior, lo que se conoce como resistencia viscosa y que resulta proporcional a la velocidad. Esto ayudó a definir la velocidad límite y, posteriormente, fue relevante para el desarrollo del paracaídas.

Aportaciones de Newton a las Matemáticas

Desarrollo del Binomio

La primera aportación es el Desarrollo del Binomio, también conocido como Binomio de Newton, que consiste en la expresión de las potencias de un binomio. Los coeficientes de este desarrollo se obtienen por combinatoria o a partir del Triángulo de Pascal (o de Tartaglia/Newton). Cada número del Triángulo de Pascal se corresponde con un número combinatorio y son los coeficientes del desarrollo del binomio.

Teoría de las Fluxiones (Cálculo Diferencial e Integral)

La segunda gran aportación es la Teoría de las Fluxiones. Esta teoría la desarrolló Newton para resolver problemas de movimiento de los cuerpos sometidos a la fuerza gravitatoria y se corresponde con lo que actualmente se conoce como cálculo diferencial e integral. Matemáticamente, las derivadas permiten calcular la pendiente de la recta tangente a una curva, y las integrales, el área encerrada bajo ella; son procesos inversos. El cálculo integral y diferencial se aplica en todos los ámbitos científicos porque puede extrapolarse a dos o más dimensiones. Al mismo tiempo que Newton desarrollaba el cálculo de fluxiones, Leibniz hacía lo mismo en Alemania, de forma independiente.

Otros Trabajos e Intereses de Newton

Alquimia

La alquimia es la precursora de la química y buscaba la obtención de la piedra filosofal, creyendo que esta transformaba los materiales en oro y proporcionaba una panacea, basándose en la teoría de los elementos de Aristóteles. Durante siglos, la alquimia estuvo prohibida, y durante la época de Newton, seguía estándolo, lo que no impidió que él la practicara. Newton describió algunos álcalis y ácidos, y propuso una teoría de la neutralización, pero, evidentemente, falló en su intento de conseguir la transmutación.

Teología

Newton era unitarista, por lo que sus escritos teológicos, considerados heréticos en su época, no los publicó en vida. Además, creía que mediante operaciones matemáticas se podía predecir el futuro a partir de textos de la Torá. Newton realizó cálculos cabalísticos y llegó a predecir el fin del mundo para comienzos del siglo XXI.

Vida Política

Newton fue miembro del Parlamento británico a propuesta de la reina, quien también lo nombró Sir. Según la leyenda, solo intervino una vez en los debates parlamentarios para pedir que se cerrara una ventana. Fue nombrado secretario del Tesoro, encargado de la acuñación de monedas. Como tal, realizó una reforma del sistema monetario inglés, empleando el patrón oro como base. Además, combatió a los falsificadores de monedas con gran rigor, condenándolos a muerte.

Royal Society

Newton ingresó muy joven en la Royal Society, una sociedad que engloba a los científicos más importantes del mundo. En la Royal Society, Newton ocupó diversos cargos hasta que fue nombrado presidente. Aprovechando su puesto, hizo todo lo posible para desprestigiar a sus oponentes científicos, entre los que cabe destacar a Leibniz y a Robert Hooke, con quien mantenía una disputa sobre el descubrimiento de la ley del inverso del cuadrado. Debido a esta disputa, las obras de Hooke fueron ocultadas y no fue hasta finales del siglo XIX cuando volvieron a redescubrirse, fundamentalmente la Ley de Hooke (relacionada con la elasticidad) y sus contribuciones a la microscopía, incluyendo el descubrimiento de las células.

Biografía de Isaac Newton

Isaac Newton (25 de diciembre de 1642 - 20 de marzo de 1727) fue un físico, filósofo, teólogo, inventor, alquimista y matemático inglés, autor de los Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, más conocidos como los Principia, donde describió la ley de la gravitación universal y estableció las bases de la mecánica clásica mediante las leyes que llevan su nombre. Entre sus otros descubrimientos científicos destacan los trabajos sobre la naturaleza de la luz y la óptica (que se presentan principalmente en su obra Opticks) y el desarrollo del cálculo matemático.

Newton comparte con Leibniz el crédito por el desarrollo del cálculo integral y diferencial, que utilizó para formular sus leyes de la física. También contribuyó en otras áreas de la matemática, desarrollando el teorema del binomio y las fórmulas de Newton-Cotes.

Entre sus hallazgos científicos se encuentran el descubrimiento de que el espectro de color que se observa cuando la luz blanca pasa por un prisma es inherente a esa luz, en lugar de provenir del prisma (como había sido postulado por Roger Bacon en el siglo XIII); su argumentación sobre la posibilidad de que la luz estuviera compuesta por partículas; su desarrollo de una ley de enfriamiento térmico (Ley de Enfriamiento de Newton), que describe la tasa de enfriamiento de los objetos expuestos al aire; sus estudios sobre la velocidad del sonido en el aire; y su propuesta de una teoría sobre el origen de las estrellas. Fue también un pionero de la mecánica de fluidos, estableciendo una ley sobre la viscosidad.

Newton fue el primero en demostrar que las leyes naturales que gobiernan el movimiento en la Tierra y las que gobiernan el movimiento de los cuerpos celestes son las mismas. Es, a menudo, calificado como el científico más grande de todos los tiempos, y su obra como la culminación de la revolución científica. El matemático y físico Joseph-Louis Lagrange (1736-1813) afirmó: "Newton fue el más grande genio que ha existido y también el más afortunado, dado que solo se puede encontrar una vez un sistema que rija el mundo."