Isaac Newton
Tieteellinen ura > Mekaniikka ja painovoima

Newton julkaisi 5. heinäkuuta 1687 pääteoksensa Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Teoksessa Newton käsittelee yleistä dynamiikkaa ja gravitaatioteoriaa sekä niiden sovellutuksia taivaankappaleisiin. Principiassa esitetyt kolme aksioomaa tunnetaan nykyään mekaniikan peruslakeina. Newton tunsi jo vuonna 1666 Keplerin lait ja päätteli, että Keplerin kolmannesta laista seuraa, että Aurinko vetää planeettoja puoleensa voimalla, jonka suuruus on kääntäen verrannollinen planeettojen etäisyyksien neliöön. Monien muiden tiedemiesten, muun muassa Giovanni Alfonso Borellin, Christopher Wrenin, Edmund Halleyn ja Robert Hooken, havainnot olivat sopusoinnussa tämän kanssa.
Newtonin ensimmäisen lain eli jatkuvuuden lain mukaan kappale, johon ei vaikuta ulkoinen voima tai vaikuttavien voimien summa on nolla, pysyy levossa tai jatkaa liikettään suoraviivaisesti muuttumattomalla nopeudella. Ajatus oli ajastaan poikkeava, sillä vallalla ollut ajatus oli, että liikkeeseen tarvitaan aina voimaa. Galilei tiesi jo ennen Newtonia, että voimaa tarvittiin ainoastaan liiketilan muuttamiseen, mutta Newton tarkensi tätä ensimmäisessä ja toisessa laissaan. Newtonin toinen laki eli dynamiikan peruslaki on totuttu näkemään skalaarisessa muodossa: F=ma. Newton esitti lain kuitenkin sanallisesti, ja täsmällisesti se voidaan ilmoittaa moderneilla matemaattisilla merkinnöillä: {\vec {F}}={\mathrm {d} (m{\vec {v}}) \over \mathrm {d} t}.
Newton esitti siis kappaleeseen vaikuttavan voiman liikemäärän ja ajanmuutoksen avulla. Newtonin toinen laki sisältää myös ensimmäisen lain. Mikäli kappaleeseen vaikuttavien voimien summa on nolla, myös kiihtyvyys on nolla. Koska kiihtyvyys tarkoittaa nopeuden muutosta, nopeus ei muutu kiihtyvyyden ollessa nolla. Kolmannessa laissa Newton määrittelee, etteivät voimat ole koskaan yksin, vaan ne ilmenevät pareittain. Tämä tarkoittaa sitä, että jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen B tietyllä voimalla, kappale B vaikuttaa kappaleeseen A yhtä suurella mutta vastakkaismerkkisellä voimalla. Lakia kutsutaan usein voiman ja vastavoiman laiksi. Nykyään tätä kutsutaan vuorovaikutukseksi.
Itse asiassa koko painovoimateorian idea oli peräisin Hookelta. Hooke ja Newton olivat kirjeenvaihdossa, ja eräässä kirjeessä Hooke esittelee hypoteesin, jonka mukaan Aurinko vetää planeettoja puoleensa voimalla, joka on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Hooken mielestä tämä aiheutti planeettojen elliptisen radan. Newton mainitsee vastauksessaan, ettei ole koskaan kuullutkaan moisesta ajatuksesta. Pian hän kuitenkin alkoi työskennellä ongelman parissa, ja vähän ajan kuluttua hän pystyikin todistamaan, että elliptinen rata voi johtua Auringon vetovoimasta. Hän alkoi pitää Hookea kilpailijanaan muttei uskonut Hooken matemaattisten taitojen olevan kyllin hyvät, jotta hän pystyisi todistamaan hypoteesinsa. Newton ei halunnut kertoa löytämästään todistuksesta kenellekään, varsinkaan Hookelle.
Samoihin aikoihin brittiläinen astronomi Edmond Halley aloitti vanhojen komeettoja koskevien merkintöjen tutkimisen, ja vuonna 1682 hän havaitsi kirkkaan komeetan. Halley kokosi keräämänsä tiedot, ja kun Newton kuuli niistä, hän pyysi niistä kopioita. Muutama vuosi myöhemmin Hooke väitti Halleylle, että hänellä oli todisteita hypoteesinsa tueksi. (Nykyään uskotaan, ettei hänellä todella ollut niitä.) Halley piti tätä haasteena. Pian hän kuitenkin ymmärsi, että tarvitsisi Newtonin apua, ja alkoi vierailla säännöllisesti Newtonin luona. Vierailujen aikana Newton esitteli todistuksensa sekä muita tutkimuksia. Halley ymmärsi todistuksen olevan todellinen kultakaivos ja vaati Newtonia julkaisemaan tulokset. Newton oli haluton, mutta Halley ei antanut periksi, ja lopulta Newton julkaisi ajatuksensa Principiassa. Ennen Principia-teosta Newton julkaisi pääteoksensa esiteoksen nimeltä De motu, joka valmistui vuonna 1684.
Newtonin perusidea oli, että kaikki kappaleet vetävät toisiaan puoleensa ja taivaankappaleiden liike tapahtuu tämän voiman alaisena mekaniikan peruslakien mukaisesti. Newton myös ymmärsi, että Maassa tapahtuvat ilmiöt johtuvat samasta ilmiöstä kuin Kuun liike Maan ympärillä. Newtonilaiselle mekaniikalle on ominaista käsitys absoluuttisesta ajasta ja avaruudesta.