בשנת 1600, מדענים רבים היו מופתעים מהשיטה שבה מדענים מודרניים נגשים לפתרון בעיה. קפלר הסיק כי מסלולים אליפטיים הם תיאור הטוב ביותר, או מודל המתאר את תנועתם של כוכבי הלכת. הוא גם מצא תבניות החוזרות על עצמן בתנועות ובמרווחים של כוכבי הלכת. ממצאיו תמכו בהשערתן של קופרניקוס ביחס למבנה מערכת השמש. אסטרונומים נזקקו כעת לתיאוריה פיזיקלית שלמה יותר כדי להסביר ולחזות את התופעות האסטרונומיות שבהן צפו. כדי להצליח, היה על התיאוריה להתחיל עם כמה עקרונות אוניברסליים ולהראות כי מסלולים אליפטי של קפלר נובעים מעקרונות אלה. אם תיאוריה כזו יכולה להתפתח, המדענים האמינו שהם יוכלו להבין גם תופעות אחרות בטבע.
באדיבות וויקיפדיה
האיש שפיתח את התיאוריה שהסבירה את תנועת הפלנטות – אדם שנחשב בדרך כלל לפיסיקאי הגדול והיצירתי ביותר שחי אי פעם – היה אייזק ניוטון. ניוטון חולל מהפכה בתחומי הפיזיקה והאסטרונומיה. הוא נולד בדרום אנגליה בשנת 1642, מיד לאחר מותו של גלילאו. הוא היה ילד בודד ומודאג, שקוע במחשבותיו. בין הגילאים 23 ל- 25, בעת שלמד בקיימברידג ', הוא פיתח את החשבון האינסופי, גילה את כוח הכבידה ותכונות מסוימות של אור, ושיפר את עיצוב הטלסקופ. ניוטון אמר פעם שהוא מפתח את התגליות שלו "על ידי כך שחושב עליהן ללא הפסקה", תכונה שתרמה ללא ספק למוניטין שלו כהוגה השקוע בשרעפיו.
ניוטון חשב עמוקות על האופן שבו חפצים זזים והסיק שלושה חוקי תנועה המתארים את המכניקה של חפצים בעולם היומיום. הראשון מבניהם מקורו ברעיונותיו של גליליאו בנוגע להתמדה: גוף הנמצא מנוחה יישאר במנוחה או שינוע במהירות קבועה בקו ישר, אלא אם כן פועל עליו שקול כוחות שונה מאפס. יש כאן כמה רעיונות חשובים. הראשונה היא כי תנועה במהירות אחידה היא טבעית כמו חוסר תנועה, המהווה את נטישת אחד העיקריים של הפיזיקה היוונית. החוק השני הוא שגוף משנה את מהירותו כאשר פועל עליו כוח – כך אנו מגדירים את מושג הכוח. לדוגמה, אתה יודע כי כדור מתגלגל תמיד נעצר. ניוטון הבין שהוא מאט משום שכוח החיכוך פועל. במצב של חיכוך נמוך, כמו דסקית הוקי המחליקה על פני הקרח, התנועה תהיה כמעט אחידה. מה פירוש "כוח בלתי מאוזן?" כאשר אתה יושב על כיסא אתה לא זז כי הכיסא דוחף אותך כלפי מעלה באותו כוח המשיכה מושך אותך לעבר מרכז הארץ. אם זה לא כך היה, הכיסא היה נשבר או שמצבך הנייח היה משתנה לפתע!
החוק השני של ניוטון מתייחס באופן מתמטי לכוח לשינוי במהירות. כל גוף שפועל עליו כוח נע בתנועה מואצת. התאוצה נמצאת ביחס ישר לגודל וכיוון הכוח. גודל התאוצה נמצא ביחס הפוך למסה של הגוף. במילים אחרות, כוח שווה למסה כפול התאוצה. מושג המסה קשור למידת ההתמדה או התנגדות של הגוף לשינוי במהירותו. אם אתה דוחף במאמץ עגלת קניות נוצרת התנגדות קטנה לכוח שאתה מפעיל, כך שתוכל לשנות את המהירות או להאיץ אותה. דחיפה של מכונית (בזמן שהבלם משוחרר) היה יוצר שינוי קטן במהירות שלה. עבור כל גוף, ככל שהכוח הפועל עליו גדול יותר כך תווצר תאוצה גדולה יותר.
החוק השלישי של ניוטון נקרא לפעמים עקרון הפעולה והתגובה. הוא קובע כי עבור כל כוח (לפעמים נקרא פעולה) שמפעיל גוף א' על גוף ב', יש כוח שווה בגודלו ומנוגד בכיוונו (נקרא תגובה) שמפעיל גוף ב' על גוף א'. אין בטבע כוחות בודדים. תמיד מופיע כוח תגובה. קחו למשל את הנעה של רקטות. דלק רקטות יוצר כוח המאיץ את הרקטה קדימה, אך כוח שווה לכוח המאיץ גורם לסילון גזי הפליטה לנוע במהירות גבוהה מאוד לאחור. אם אתה מכה באגרופך בקיר, הכוח שאתה מפעיל על הקיר הוא שווה לכוח שהקיר מפעיל על היד שלך ויגרום לכאב רב. אותו עיקרון מתרחש ביריית אקדח. דוגמה נוספת כאשר אתה יורד מסירה קטנה אל המזח, הכוח שמניע אותך אל המזח מנוגד לכוח הדוחף את הסירה מן המזח. לפעמים "מסתתר" כוח התגובה הפועל על שני הגופים. לדוגמה, כאשר אתה קופץ כלפי מעלה, אתה מפעיל כוח כלפי מטה על כדור הארץ כולו, אבל המסה והתמדה של כדור הארץ הם כל כך גדולים, כך שאינך יכול לשנות באופן משמעותי את תנועתו בדרך זו.
ההבנה שגילה ניוטון ביחס לדרך שבה פועלים הכוחות ביקום הייתה כה רחבה, עד שקבוצת החוקים העוסקת בכוחות נקראת על שמו – חוקי ניוטון. כמו ברוב המושגים הפיזקליים האחרים, ניתן לתאר את הכוח במונחים של שלוש היחידות הבסיסיות: מסה, אורך וזמן. ניתן לצמצם משתנים פיזיקליים מורכבים רבים לשילוב של שלוש יחידות אלה. חוקי התנועה של ניוטון הם הבסיס של המכניקה; תחום העוסק במחקר הדרכים בהן חפצים נעים. ניתן לסכמם כך:
1. גוף נשאר במנוחה או בתנועה מתמדת, אלא אם כן פועל עליו כוח בלתי מאוזן.
2. גוף מגיב לכוח הפועל עליו על ידי תנועה מואצת הנמצאת ביחס ישר לכוח ולכיוון הכוח, וביחס הפוך למסה.
3. לכל כוח הפועל על גוף, קיים כוח תגובה השווה בגודלו והפוך בכיוונו.
לחוקי התנועה של ניוטון יש השלכה עמוקה על החשיבה המדעית. המדע תלוי בהנחה של סיבתיות – שלכל תוצאה קיימת סיבה הניתנת לזיהוי. אריסטו נאלץ להסביר את התנועות השונות של נוצה המרחפת באוויר וסלע נופל במונחים הקשורים ל"טבע" הגופים השונים. ניוטון הסיר את כל המסתורין הבלתי מוסבר הזה, באמצעות זיהוי הסיבות לתנועות מכל הסוגים. כדור מתגלגל מפסיק לנוע כי כוח החיכוך פועל. הציפור ממשיכה לטוס משום שכנפיה המכות באוויר גורמו לאוויר להפעיל עליה כוח כלפי מעלה. מכאן, שהטבע אינו קפריזי. גופים נופלים אינם מתאימים עצמם באופן ספונטני לסביבה. חוקי ניוטון קובעים כי היקום הוא מקום רציונלי שבו קיימות סיבות לכל האירועים.
לעבודתו של ניוטון הייתה תוצאה מעשית גדולה. הבנה שיטתית של תנועות וכוחות הגורמים להן הובילה את הממציאים החכמים לנסות ולרתום את הכוחות האלה למכונות מועילות. מנוע הקיטור היה אחת הדוגמאות הראשונות ברצף של חדשנות, שישנה את הסביבה הכלכלית של אנגליה ובסופו של דבר את העולם, לבלי הכר. בתוך מאה שנים מאז עבודתו של ניוטון החלה המהפכה התעשייתית.