Isaac Newton: Opticks

Törmäsin blogosfäärissä lyhyeen lainaukseen Isaac Newtonin kirjasta Opticks: or, a Treatise of the Reflections, Refractions, Inflections and Colours of Light, jonka ensimmäinen painos ilmestyi vuonna 1704. Tämä innoitti minut selailemaan kirjaa pienellä mielenkiinnolla, puolittain pelkästään sangen mielenkiintoisen typografian (mm. ct-ligatuuri ja s-kirjaimen eri muodot) ja vanhan englannin kielen vuoksi. Kirja on kuitenkin yksi fysiikan merkkipaaluja, yhdessä Newtonin toisen pääteoksen Principia (ensimmäinen painos v. 1687) kanssa. Principiaan minulla oli kunnia tutustua jonkin verran opiskeluaikoinani, mutta ei siitä tällä kertaa sen enempää. Opticksin Newton kirjoitti englanniksi, toisin kuin Principian, joka julkaistiin latinaksi.

Opticksin sisältöä, kuten Principiankin, Newton hautoi vuosikymmeniä. Opticks käsittelee niin kutsuttua fysikaalista optiikkaa (valo-oppia) – ei niinkään geometristä. Kuten nimestäkin voi päätellä, Newton käsitteli teoksessaan mm. valon luonnetta, heijastumista, taittumista, dispersiota, värejä, valoilmiöitä ja diffraktiota. Diffraktiota Newton kutsui sanalla ’inflection’. Osa teoksen sisällöstä oli kirjoitettu jo vuonna 1675 joidenkin Royal Societyn jäsenten pyynnöstä, ja noin kaksitoista vuotta myöhemmin kirjan kolmesta osasta kaksi ensimmäistä olivat valmiit. Kirjan kolmannen osan Newton kokosi muista tutkimuksistaan ja pohdinnoistaan myöhemmin, eikä sen aiheita ole missään nimessä rajattu pelkkään valo-oppiin.

Seuraavat, melko sattumanvaraisesti poimitut lainaukset ovat neljännestä painoksesta, joka julkaistiin postuumisti vuonna 1730, mahdollisimman alkuperäisessä kirjoitusasussaan. Kieltä on ajoittain hieman vaikea seurata, sillä Newton käyttää joitakin sanoja hieman eri merkityksessä kuin nykyään ja jotkin lauserakenteet ovat nykykieleen verrattuna hieman kummallisia.

Newtonin aikaan tieteellinen metodi oli vasta kehittymässä, ja onkin huomattava millä sanoilla Newton aloittaa kirjansa:

My Design in this Book is not to explain the Properties of Light by Hypotheses, but to propose and prove them by Reason and Experiments: (…)

Newton kuvailee tarkemmin tieteellisen metodinsa kirjan loppusanoissa:

As in Mathematicks, so in Natural Philosophy, the Investigation of difficult Things by the Method of Analysis, ought ever to precede the Method of Composition. This Analysis consists in making Experiments and Observations, and in drawing general Conclusions from them by Induction, and admitting of no Objections against the Conclusions, but such as are taken from Experiments, or other certain Truths. For Hypotheses are not to be regarded in experimental Philosophy.

And although the arguing from Experiments and Observations by Induction be no Demonstration of general Conclusions; yet it is the best way of arguing which the Nature of Things admits of, and may be looked upon as so much the stronger, by how much the Induction is more general. And if no Exception occur from Phænomena, the Conclusion may be pronounced generally. But if at any time afterwards any Exception shall occur from Experiments, it may then begin to be pronounced with such Exceptions as occur.

By this way of Analysis we may proceed from Compounds to Ingredients, and from Motions to the Forces producing them; and in general, from Effects to their Causes, and from particular Causes to more general ones, till the Argument end in the most general. This is the Method of Analysis: And the Synthesis consists in assuming the Causes discover’d, and establish’d as Principles, and by them explaining the Phænomena.

Siinäpä on moderni tieteellinen metodi kauniisti määriteltynä yli 300 vuotta sitten. En osaisi itse paremmin selittää. Newton kauniista metodistaan huolimatta sortuu kuitenkin itse jonkin sortin metafysiikkaan ja uskontonsa ansaan, mikä käy ilmi kirjan kolmannen osan pohdiskeluista. Newtonille oli itsestään selvää, että kaikki oli alunperin Jumalan luomaa ja esimerkiksi aineen perusosaset ikuisia ja tuhoutumattomia:

(…) these primitive Particles being Solids, are incomparably harder than any porous Bodies compounded of them; even so very hard, as never to wear or break in pieces; no ordinary Power being able to divide what God himself made one in the first Creation.

Newton jatkaa selkeillä Intelligent Design -argumenteilla. Aika selvästi huomaa, kuinka ID-argumentointi ei ole edennyt mihinkään 300 vuodessa (lihavointi minun).

Now by the help of these Principles, all material Things seem to have been composed of the hard and solid Particles above-mention’d, variously associated in the first Creation by the Counsel of an intelligent Agent. For it became him who created them to set them in order. And if he did so, it’s unphilosophical to seek for any other Origin of the World, or to pretend that it might arise out of a Chaos by the mere Laws of Nature; though being once form’d, it may continue by those Laws for many Ages. For while Comets move in very excentrick Orbs in all manner of Positions, blind Fate could never make all the Planets move one and the same way in Orbs concentrick, some inconsiderable Irregularities excepted, which may have risen from the mutual Actions of Comets and Planets upon one another, and which will be apt to increase, till this System wants a Reformation. Such a wonderful Uniformity in the Planetary System must be allowed the Effect of Choice.

Onkin hieman ironista, että vasta viimeisen parinkymmenen vuoden aikana on teoreettisen fysiikan ja kosmologian parissa noussut varteenotettavia ideoita siitä, kuinka maailmankaikkeus voisi syntyä ”tyhjästä” pelkästään olemassaolevien luonnonlakien turvin. Nämä ideat eivät kuitenkaan ole valmiita teorioita, emmekä tiedä onko mikään niistä oikeassa, mutta ideat ovat yhtä lailla yhteensopivia tunnettujen luonnonlakien ja maailmankaikkeuden kanssa. Youtubesta löytyy aiheesta kahden teoreettisen fyysikon erinomaiset luennot, Lawrence Kraussin ’A Universe From Nothing’ ja Sean Carrollin ’Origin of the Universe and the Arrow of Time’.

Stephen Hawking puki niin sanotun no boundary -mallin sanoiksi 1980-luvun lopulla tunnetussa kirjassaan A Brief History of Time (suom. Ajan lyhyt historia), aivan kuin hän kommentoisi Newtonin pohdintaa:

So long as the universe had a beginning, we could suppose it had a creator. But if the universe is really completely self-contained, having no boundary or edge, it would have neither beginning nor end; it would simply be. What place then, for a creator?

Newtonilla, kuten aikalaisellaan Gottfried Leibnizillä, ei kuitenkaan ollut mitään mahdollista Jumalan ajatuksissaan luomaa multiversumia vastaan:

And since Space is divisible in infinitum, and Matter is not necessarily in all places, it may be also allow’d that God is able to create Particles of Matter of several Sizes and Figures, and in several Proportions to Space, and perhaps of different Densities and Forces, and thereby to vary the Laws of Nature, and make Worlds of several sorts in several Parts of the Universe. At least, I see nothing of Contradiction in all this.

Seuraavaksi ID-argumentiksi Newton ottaa elämän kompleksisuuden. Tietenkään Newtonin aikaan evoluutioteoriaa ei ollut olemassakaan, ja Newton ajatuksissaan lähinnä kuvaa ajan henkeä.

And so must the Uniformity in the Bodies of Animals, they having generally a right and a left side shaped alike, and on either side of their Bodies two Legs behind, and either two Arms or two Legs, or two Wings before upon their Shoulders, and between their Shoulders a Neck running down into a Back-bone, and a Head upon it; and in the Head two Ears, two Eyes, a Nose, a Mouth, and a Tongue, alike situated. Also the first Contrivance of those very artificial Parts of Animals, the Eyes, Ears, Brain, Muscles, Heart, Lungs, Midriff, Glands, Larynx, Hands, Wings, swimming Bladders, natural Spectacles, and other Organs of Sense and Motion; and the Instinct of Brutes and Insects, can be the effect of nothing else than the Wisdom and Skill of a powerful ever-living Agent, who being in all Places, is more able by his Will to move the Bodies within his boundless uniform Sensorium, and thereby to form and reform the Parts of the Universe, than we are by our Will to move the Parts of our own Bodies.

Newton kuvailee kirjassa myös mielenkiintoisen halohavaintonsa vuodelta 1664. Helmikuun 19. yönä Newton havaitsi haloilmiöitä ja muita kehiä Kuun ympärillä, joista erikoisimpana hyvin harvinainen elliptinen halorengas! Sen kuvauksesta ei voi olla erehtymättä, mutta vastaavanlaisesta ellipsihalosta on sittemmin erittäin vähän havaintoja. Newton jo kirjansa esipuheessa toteaa, että tieto Auringon ja Kuun ympärillä olevien valokehien ja haloilmiöiden luonteesta oli edelleen puutteellista, ja toivoi asian korjautuvan tulevaisuudessa. Jonkinlainen idea haloilmiöistä Newtonilla silti oli – hän aivan oikein tajusi, että haloilmiö aiheutui ilmassa tietyssä asennossa leijuvista jääkiteistä:

The like Crowns appear sometimes about the Moon; for in the beginning of the Year 1664, Febr. 19th at Night, I saw two such Crowns about her. The Diameter of the first or innermost was about three Degrees, and that of the second about five Degrees and an half. Next about the Moon was a Circle of white, and next about that the inner Crown, which was of a bluish green within next the white, and of a yellow and red without, and next about these Colours were blue and green on the inside of the outward Crown, and red on the outside of it. At the same time there appear’d a Halo about 22 Degrees 35′ distant from the center of the Moon. It was elliptical, and its long Diameter was perpendicular to the Horizon, verging below farthest from the Moon.

I am told that the Moon has sometimes three or more concentrick Crowns of Colours encompassing one another next about her Body. The more equal the globules of Water or Ice are to one another, the more Crowns of Colours will appear, and the Colours will be more lively. The Halo at the distance of 22 ½ Degrees from the Moon is of another sort. By its being oval and remoter from the Moon below than above, I conclude, that it was made by Refraction in some sort of Hail or Snow floating in the Air in an horizontal posture, the refracting Angle being about 58 or 60 degrees.

Esimerkkikuva elliptisestä haloilmiöstä Kuun ympärillä.

Opticksilla Newton päällysti tietä kokeellisille luonnontieteille, ollen lukuisine esimerkkeineen suorastaan ohjekirja kokeelliselle luonnonfilosofille siitä kuinka tehdä havaintoja ja niistä päteviä johtopäätöksiä. Opticksissa ei ole ainuttakaan matemaattista kaavaa – siinä missä Principia pysyttäytyi selityksissään tiukasti geometriassa ja matemaattisissa todistuksissa.