I 1672 udgav Newton sit første videnskabelige arbejde, som netop omhandlede lyset, og hvori han viste, at det hvide sollys er sammensat af seks forskellige slags farvet lys. Da farver er egenskaber, som må tilskrives en genstand, rejser spørgsmålet sig, hvad lys egentlig er for noget. Hertil svarede Newton, at han udelukkende beskæftigede sig med at opstille love for optiske fænomener, og at han ikke ville blande usikre gisninger om lysets natur sammen med sikre resultater af fysiske eksperimenter. Implicit skelnede han mellem på den ene side love og teorier, der opstilles ud fra eksperimenter og iagttagelser, og som i matematisk form udtrykker de regler, som fænomenverdenen er underkastet, og på den anden side forklaringer af de iagttagede fænomener ud fra deres antagne årsager. Kun det første, tilkendegav han, var hans anliggende.
Newtons påvisning af lysets sammensatte natur gav anledning til en omfattende polemik, som igennem en lang årrække fik ham til at afholde sig fra at publicere. Således blev hans matematiske opdagelse først kendt i begyndelsen af det 18. århundrede. En af grundene til polemikken var, at det forsøg, som for Newton havde været afgørende, fandt samtiden det så godt som umuligt at gentage. Dette var imidlertid ikke usædvanligt. Fx havde Robert Boyle i en række forsøg påvist, at det var muligt at frembringe et tomrum, hvilket gendrev både Aristoteles’ og Descartes’ påstand om, at et tomrum er en umulighed. Man talte ligefrem om naturens horror vacui, dens frygt for det tomme. Boyle havde konstrueret en luftpumpe, som stort set kunne tømme en beholder for luft; men den var så vanskelig at håndtere, at det mislykkedes for langt de fleste, der forsøgte på det, at gentage hans eksperimenter. Ofte har man ment, at hvor den naturfilosofiske spekulation tidligere havde været netop spekulation, så gav erfaringen det 17. århundredes naturforskere fast grund under fødderne, fordi de iagttagelser, de indsamlede, og de eksperimenter, de foretog, var gentagelige. Det var de også – i princippet, men langtfra altid i virkeligheden. Videnskabens etik tilsagde, at man fremlagde sit erfaringsmateriale uden at forvanske det, og man derfor måtte tros på sit ord. Det var ikke så meget gentageligheden som den enkelte naturforskers sanddruhed, der var afgørende.
Det var selvfølgelig velkendt, at en stråle hvidt sollys, som passerer et prisme, vil resultere i lys af forskellig farve. Den gængse opfattelse i samtiden var, at det ene og alene var prismet, der ændrede sollysets karakter. Men Newton anede en anden mulighed, nemlig at sollyset var sammensat. Der var således to forklaringer eller teorier at vælge imellem. Newton planlagde og gennemførte et eksperiment, ud fra hvis resultat der entydigt kunne vælges mellem de to forklaringer. Igennem et hul i en skærm blev en lysstråle sendt gennem et prisme, således at et spektrum blev kastet op på en skærm placeret bag ved prismet. Der, hvor fx den violette farve befandt sig på skærmen, blev boret et hul, således at den violette stråle kunne passere. Det violette lys blev sendt gennem endnu et prisme og blev derefter opfanget af endnu en skærm. Hvis prismer ændrer lysets karakter, vil resultatet være, at der på den sidste skærm aftegnes en anden farve eller andre farver end violet. Det skete ikke. Det er ikke prismet, der ændrer lysets karakter, men derimod er det hvide dagslys sammensat af forskellige farver lys, som – når det sendes gennem et prisme – bliver afbøjet forskelligt. Hermed havde Newton fået bekræftet sin egen opfattelse og gendrevet alternativet. Problemet var blot, at det nærmest var umuligt at gentage forsøget, da det krævede en for tiden næsten uopnåelig akkuratesse.
Eksperimentet kaldes ofte for Newtons experimentum crucis, korsets eller korsvejens eksperiment. Selve betegnelsen for et eksperiment af denne type går tilbage til Francis Bacon. Hvis vi har to hinanden modstridende teorier om et og samme fænomen, kan et sådant eksperiment anvendes til at vælge mellem dem, idet resultatet af eksperimentet entydigt viser, hvilken teori der ikke kan opretholdes. Eksperimentet, som Newton gennemførte det, viser, at det ikke er prismet, der ændrer lysets karakter. Følgelig må den anden teori, nemlig at det hvide dagslys er sammensat af forskellige farver lys, fastholdes som stemmende overens med iagttagelsen. Newton gik et skridt videre og hævdede, at eksperimentet beviste det hvide dagslys’ sammensatte karakter, idet den var udledt af det studerede fænomen.
I forbindelse med polemikken om teorien om lysets sammensatte natur understregede Newton flere gange, at han ikke fremsatte hypoteser om, hvad lys egentlig er, men holdt sig til, hvad han kunne sige ud fra erfaringen. Til en af modstanderne skrev han således, at den rette videnskabelige metode var at “udlede” tingenes egenskaber fra eksperimenter, og fortsatte:
Den teori, som jeg har foreslået, blev ikke afsløret for mig ved et “således”, fordi det ikke er anderledes, dvs. teorien blev ikke udledt ved at gendrive kontrære antagelser, men ved at aflede den fra eksperimenter, som tillod en positiv og direkte konklusion.
Vendingen “at udlede love eller teorier fra eksperimenter eller iagttagelser” blev senere en fast bestanddel af det newtonske vokabularium. Det anførte experimentum crucis viser dog, at Newtons fremgangsmåde ikke var helt så entydig, som han selv beskrev den.
Hans opfattelse hindrede ham imidlertid ikke i at fremsætte årsagsforklaringer eller, som han kaldte dem, hypoteser. Allerede i sine studenteroptegnelser havde han udtænkt den teori, at de fysiske legemers tyngde er forårsaget af en usynlig, subtil materie, en æther, hvis nedadgående bevægelse tvinger alle legemer mod jordoverfladen. Han overvejede også her muligheden af at opfange denne ætherbevægelse, således at der kunne konstrueres en evighedsmaskine. I forbindelse hermed stillede han spørgsmålet:
Kan tyngdestråler [dvs. ætherstrømmen] stoppes ved at spejle eller bryde dem? Hvis dette er tilfældet, kan en evigt varende bevægelse måske frembringes på én af disse to måder.
Selve ætherpartiklernes nedadgående bevægelse søgte han ingen forklaring på. Han var her inspireret af den klassiske atomistik, som havde antaget, at atomerne bevægede sig nedad i en evig bevægelse, dvs. ætherpartiklernes nedadgående bevægelse var naturlig og krævede ingen forklaring.
I 1675 holdt Newton et foredrag, hvori han fremlagde en række hypoteser til forklaring af optiske fænomener. Især forsøgte han at give årsagsforklaringer ud fra antagelsen af en elastisk æther, der udfylder hele universet. Denne hypotese opgav han senere, fordi han fandt det umuligt at give en matematisk beskrivelse af ætheren. Også siden – men ikke i Principia – forsøgte han at udtænke årsagen til de fænomener, han beskæftigede sig med, og især af massetiltrækningen, men uden held. Jeg skal i kapitel 3 vende tilbage til den videnskabelige metode, som Newton skitserede i sit hovedværk.
Efter diskussionerne omkring teorien om lyset var Newton tavs i mange år. Han beskæftigede sig intensivt med historiske, teologiske og alkymistiske studier, men publicerede intet. Men i 1684 skete der noget, der bragte Newton tilbage på den matematiske og naturvidenskabelige bane.
PHILOSOPHIA NATURALIS PRINCIPIA MATHEMATICA
I august måned besøgte astronomen Edmund Halley Newton i Cambridge og stillede ham spørgsmålet om, hvilken kurve en planet vil beskrive, hvis Solen påvirker den med en kraft, der er omvendt proportional med kvadratet på afstanden mellem Sol og planet. Newton svarede umiddelbart, at han havde beregnet kurven til at være en ellipse. Samme år udarbejdede han en mindre afhandling, hvori han netop påviste, at en elliptisk bane forudsætter en kraft, der er omvendt proportional med kvadratet på afstanden mellem planeten og det centrallegeme, den kredser om, og at det for hastigheder under en vis grænse gælder, at en kraft, som er omvendt proportional med kvadratet på afstanden, tvinger planeten ind i en ellipseformet bane. Hermed var udarbejdelsen af Principia indledt. Opgaven for Newton var at generalisere den tiltrækningskraft, der forklarer de keplerske love, til hele universet. Det var denne opgave, som han forsøgte at løse i Principia.
Principia er opdelt i tre bøger. I første bog behandles materielle legemers bevægelse i det tomme rum og i anden bog deres bevægelse i et medium, der yder modstand. Her findes Newtons endelige