עיקרון ההתמדה אומר שגוף נע כלשהו ימשיך בתנועתו כל עוד אין פועלים עליו כוחות חיצוניים. זה ההבדל היסודי בין תורת התנועה של גלילאו לזו של אריסטו: אצל אריסטו תנועה תמיד זקוקה לסיבה, כלומר לכוח מניע. לעומתו טוען גלילאו שתנועה, או לפחות המשך התנועה, אינה זקוקה לסיבה – התנועה נמשכת מאליה כל עוד לא מתערבים בה מבחוץ. מה שזקוק לסיבה הוא שינוי התנועה. הגוף הנזרק מספינה נעה נע יחד איתה לפני זריקתו. לפיכך, נוסף על תנועתו מעלה ומטה בעקבות הזריקה ובהשפעת הכובד, הוא גם ימשיך לנוע קדימה במהירות זהה למהירות הספינה. בסופו של דבר ישוב הגוף וייפול בנקודת הזריקה על הסיפון, ממש כפי שהיה עושה בספינה נחה, ומכאן שאין תוצאות הניסוי יכולות ללמדנו אם הספינה "באמת" נעה או נחה.
באופן דומה אפשר לטעון שגם תוצאות ניסויים של זריקת גופים על פני כדור הארץ אינם מושפעים מתנועתו. לפי אריסטו שינוי זקוק תמיד לסיבה, וההבדל בין תורת התנועה שלו לזו של גלילאו וניוטון הוא בשאלה מהו שינוי. אצל גלילאו וניוטון אין הבדל עקרוני בין מנוחה לבין תנועה בקו ישר ובמהירות קבועה, ולפיכך אפשר לראות מנוחה כתנועה במהירות אפס. אצל אריסטו, לעומת זאת, מנוחה ותנועה הן שתי תופעות פיזיקליות שונות לחלוטין, ולפיכך אי אפשר לראות באחת מהן מקרה פרטי של השנייה. במסגרת תורת התנועה החדשה של גלילאו, אפשר, אפוא, לקבל את השערת קופרניקוס האומרת שהארץ נעה במהירות עצומה, אף על פי שבניסויים שאנו עורכים איננו חשים בתוצאותיה של תנועה זו.
בשנת 1862 החל אסטרונום אנגלי בשם אדמונד היילי (1656–1742), שהיה ידוע בעיקר בזכות גילוי של כוכב השביט הנושא את שמו, להתעניין בחוקי קפלר. הוא ניסה לראות האם ניתן להשתמש ברעיונות של גלילאו על דינמיקה בשביל להסביר את תנועת הכוכבים ואת חוקי קפלר. כאשר הוא נכשל הוא נסע לבקר את ניוטון על מנת לשכנע אותו לחפש הסבר תאורטי לחוקים הללו. לתדהמתו, גילה היילי שניוטון כבר פתר את הבעיה אך לא פרסם את תוצאותיו. היילי מיהר לשכנע את ניוטון לפרסם את עבודותיו ואף מימן את פרסום הספר "עקרונות מתמטיים של פילוסופיית הטבע".
המכניקה הניוטונית.
בשנה שבה מת גלילאו נולד מי שנחשב ליורשו וגם לאחד הפיזיקאים והמתמטיקאים החשובים ביותר בכל הזמנים: אייזק ניוטון (1643–1727). ניוטון הניח את היסודות לדינמיקה עם שלושת חוקיו הידועים: החוק הראשון טוען שאם על גוף לא פועלים כוחות, הוא ינוע במהירות קבועה הן בגודלה והן בכיוונה (מקרה פרטי הוא מהירות קבועה השווה לאפס, כלומר הגוף נמצא במנוחה מוחלטת); החוק השני קושר את השינוי בתנועה של גוף לכוחות שפועלים עליו (formula_1); החוק השלישי קובע כי כוח שגוף אחד מפעיל על השני, יגרור כוח תגובה של הגוף השני השווה בגודלו ומנוגד בכיוונו. ניוטון שיער שכל הגופים מושכים אחד את השני והכוח גדל ככל שהמרחק ביניהם קטן, הידוע כיום ככוח הכבידה (גרביטציה).
בעזרת שלושת חוקיו וחוק הכבידה, הסביר ניוטון את כל התופעות הניסיוניות אותן גילו גלילאו וקפלר וכן מגוון עצום של תופעות. אבן הכותרת של הישגיו הייתה הפתרון של הבעיה הדו-גופית: ניוטון הצליח להראות שמסלול של כוכב סביב השמש צריך להיות אליפטי, ולהוכיח באופן תאורטי את שלושת החוקים של קפלר. את העבודות האלו הוא פרסם בספר "היסודות המתמטיים של פילוסופיית הטבע".
מתוך חוקי ניוטון נובעים כמה מהמושגים המרכזיים בפיזיקה: שימור התנע, שימור התנע הזוויתי ושימור אנרגיה. מתוך חוקי ניוטון עולה השקפת עולם דטרמיניסטית, שאומנם נוסחה לראשונה רק במאה ה-18, והיא שמתוך ידיעה של המיקומים ושל המהירויות של כל הגופים ברגע נתון, אזי ניתן לנבא את תנועתם החל מרגע זה והלאה, וכמו כן ניתן לחשב מה הייתה תנועתם בעבר.
חוקי ניוטון הפכו לאבן הבסיס של הפיזיקה ב-300 השנים שלאחר מכן, עד היווצרותן של תורת היחסות ומכניקת הקוונטים.
המצאת הטלסקופ.
במאה ה-16 הומצא בהולנד הטלסקופ על ידי מדען ששמו אבד עם השנים (לאחר מכן ביקשו לעצמם מדענים ויצרני עדשות אחרים את זכות הראשונים על ההמצאה). גלילאו גליליי שמע על ההמצאה ומיהר לפתח מכשיר כזה בעצמו, ונראה שהיה המדען הראשון שהשתמש בטלסקופ על מנת להביט בכוכבים. המצאה זו הובילה לשרשרת של גילויים חדשים: גלילאו היה הראשון לראות את הירחים של צדק, הטבעות של שבתאי וכתמי השמש. השימוש במכשירים אופטיים על מנת להביט אל השמים שינה את פני האסטרונומיה.
הולדת האופטיקה המודרנית.
הניסיון לשכלל טלסקופים הביא גם למחקר על אופן פעולתם. את הבסיס לאופטיקה המודרנית נהוג לראות בספרו של קפלר: "Astronomiae Pars Optica" (החלק האופטי של אסטרונומיה). ניוטון הראה באמצעות ניסוי מפורסם עם שתי מנסרות שהאור הלבן למעשה מורכב מכל צבעי הקשת, וכאשר אור נשבר בזכוכית, זווית השבירה שונה לכל צבע. בעקבות כך הוא פיתח טלסקופ המבוסס על החזרה של אור, באמצעות מראות כדוריות (ולא על עדשות השוברות אור).
מהות האור.
כריסטיאן הויגנס הגה תורה על פיה האור הוא גל, והסביר את השבירה של האור בתנועה של חזית הגל כאשר היא עוברת בין חומרים (תווכים) שונים. לעומתו, ניוטון קידם תורה על פיה האור מורכב מחלקיקים. בעזרת תיאור זה קל יותר להבין את תופעת ההחזרה של האור על ידי מראות (אך קשה יותר להבין את תופעת השבירה). תורתו של ניוטון הפכה למקובלת, עד שב-1801 הוכיח תומאס יאנג בניסוי שני הסדקים שהאור הוא גל. בתחילת המאה ה-20, עם עבודותיו של אלברט איינשטיין והולדת מכניקת הקוונטים, הסתבר שהאור הוא למעשה שילוב של השניים - גל וחלקיק.
צעדים ראשונים בחשמל.
תופעות אלקטרוסטטיות היו ידועות ליוונים הקדמונים, והם נקראים על שם המילה היוונית לענבר, שכן כאשר משפשפים חומרים בענבר מבחינים בתופעות חשמליות. תופעת המגנטיות מוזכרת כבר בכתבים סיניים המתוארכים למאה ה-4 לפנה"ס, ובעת העתיקה נעשה בתופעה שימוש לצורך בניית מצפנים. המחקרים של ויליאם גילברט מהמאה ה-17, על חשמל ומגנטיות נחשבים למחקרים המעמיקים הראשונים בתופעות אלו. גילברט פרסם את מחקריו בספר: "המגנט ועיניים מגנטיות ועל המגנט העצום כדור הארץ" (De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure) ובו תיאר ניסיונות על מודל של כדור הארץ לו קרא "'טרלה". בין השאר, הוא טען שכדור הארץ מתנהג כמו מגנט ענק וזו הסיבה שמצפנים מצביעים תמיד אל הצפון. הוא גם חקר רבות את תופעת החשמל הסטטי, שאותו ייצר בעזרת אבני ענבר. גילברט טען נחרצות שחשמל ומגנטיות אינם פנים שונות של אותה תופעה, אולם טענה זו הופרכה שנים רבות מאוחר יותר במחקריהם של מייקל פאראדיי וג'יימס קלרק מקסוול על אלקטרומגנטיות.
הידרוסטטיקה.
רוברט בויל (1627–1691) היה פיזיקאי ואלכימאי אירי הידוע בעיקר בזכות גילוי חוק בויל הקושר את הנפח של גז עם הטמפרטורה והלחץ שלו. חקר גם את תפקידו של האוויר בהתפשטות קול, את ההתרחבות של המים בעת קפיאתם וכן מחקרים על גבישים וחשמל.
בלז פסקל (1623–1662) היה מתמטיקאי ופיזיקאי צרפתי, אשר בנוסף על עבודותיו בתורת ההסתברות, חקר רבות התנהגות של נוזלים ועבודותיו למעשה ייסדו את ענף ההידרודינמיקה. המציא את המנוף ההידראולי והמשאבה ההידראולית. כיום יחידת מידה ללחץ קרויה על שמו. המציא גם את אחת ממכונות החישוב הראשונות.
תגליות חשובות נוספות.
משאבת הוואקום הומצאה בשנת 1650 על ידי אוטו פון גריקה (1602–1686). הוא גם הראשון שהשתמש בברומטר כדי לבצע מדידות מטאורולוגיות. ניסויים בוואקום עתידים לשחק תפקיד משמעותי בהתפתחות הפיזיקה, ולאפשר את גילויים של האלקטרון, של מבנה הגרעין ושל החלקיקים האלמנטריים. הוואקום עתיד גם לאפשר המצאות טכנולוגיות כגון הנורה החשמלית, הדיודות הראשונות (שהיו מבוססות על שפופרות קתודיות) ואת מסכי הטלוויזיה הראשונים (CRT).
אלסטיות היא תופעה שנחקרה לראשונה לעומק על ידי רוברט הוק (1635–1703). הוא גילה את החוק הנושא את שמו, הקושר את הכוח שמפעיל קפיץ עם אורכו. המציא ושיכלל מכשירים רבים כגון מאזני קפיץ מיקרוסקופיים וכן מכשירים לחיזוי מזג אוויר. ידוע גם בזכות מחקריו בביולוגיה הכוללים את גילוי התאים.
התפתחויות בתחומים סמוכים.
מתמטיקה.
במאה ה-17 חלו מספר פריצות דרך משמעותיות במתמטיקה, שלהן הייתה השפעה חשובה גם על התפתחות הפיזיקה.
רנה דקארט (1596–1650) היה אחד הפילוסופים והמתמטיקאים החשובים בכל הזמנים, שהצליח למעשה לאחד את הגאומטריה עם האלגברה בעזרת המצאת מה שנקרא כיום מערכת צירים קרטזית. בכך ייסד את הגאומטריה האנליטית. כהוקרה על עבודתו, מערכת הצירים הסטנדרטיות נקראת על שמו השיטה הקרטזית. הגאומטריה האנליטית בתורה אפשרה את המצאת החשבון האינפיניטסימלי.
כיום מגדירים מהירות כנגזרת של המיקום, ותאוצה מוגדרת כנגזרת של המהירות, כלומר הנגזרת השנייה של המיקום. חוקיו של ניוטון נותנים למעשה את משוואות התנועה של גופים, הקושרות את מיקום הגופים אל הנגזרת השנייה של המיקום, הנקראות משוואות דיפרנציאליות. אולם, המונח "נגזרת" לא היה קיים באותם זמנים, ולא הכלים המתמטיים להתמודד איתו; לכן נוצר צורך לפתח ענף חדש במתמטיקה שיעסוק במונחים אלו: החשבון האינפיניטסימלי. ענף זה אכן פותח על ידי ניוטון, ובמקביל, וככל הנראה באופן בלתי תלוי גם על ידי הגרמני גוטפריד וילהלם לייבניץ (1646 – 1716). במהלך השנים הבאות התפתח ויכוח מר וארסי בין השניים (שהיו חלוקים בנושאים רבים בתחומי המדע, הפילוסופיה והתאולוגיה) לגבי זכות הראשונים על פיתוח התורה, דבר שייצר קרע גדול בין המדענים האנגלים והאירופים במהלך עשרות השנים הבאות, ולמעשה לפגיעה בהתקדמותו של המדע האנגלי.