Principia (Isaac Newton): konusu, bilimi ve okuma rehberi

Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ("Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri"), kısaca Principia, ilk kez 1687'de Latince yayımlandı. Üç kitaptan oluşan bu eser, cisimlerin hareketini yöneten yasaları ve Güneş Sistemi'ni bir arada tutan kütleçekimini matematikle ortaya koyar. Isaac Newton'ın kaleme aldığı kitap, gökyüzündeki hareketlerle yeryüzündeki hareketlerin aynı yasalara bağlı olduğunu gösterdi; fizik tarihinde "ilk büyük birleştirme" sayılmasının nedeni budur.

• Yazar: Isaac Newton
• İlk yayın: 1687, Latince, üç kitap
• Tür: Bilim kitabı (matematiksel fizik incelemesi)
• Sonraki baskılar: 1713 (ikinci), 1726 (üçüncü)
• Konu: hareket yasaları, evrensel kütleçekimi, gezegenlerin, Ay'ın, gelgitin ve kuyruklu yıldızların hareketi

Principia ne anlatıyor?

Kitap bir popüler bilim kitabı değil, geometrik ispatlarla örülü yoğun bir incelemedir. Newton'ın amacı basit görünür: cisimler nasıl hareket eder ve gezegenler neden gözlemlendiği gibi dolanır? Cevap iki parçadan kurulur. Birincisi, kuvvetle hareket arasındaki ilişkiyi veren üç hareket yasasıdır. İkincisi, her kütlenin birbirini çektiğini ve bu çekimin uzaklığın karesiyle azaldığını söyleyen evrensel çekim yasasıdır. Bu ikisi birleşince Kepler'in gezegen yasaları bir sonuç olarak ortaya çıkar; yani eskiden gözleme dayanan kurallar artık bir nedene bağlanmıştır.

Eser, uzay ve astronomi okuru için özellikle değerlidir; çünkü Ay'ın hareketinden gelgitlere, kuyruklu yıldızlardan Dünya'nın biçimine kadar pek çok gök olayını aynı kuramla ele alır. Bugün bir uzay aracının yörüngesini hesaplarken kullanılan fikirlerin tarihsel kökü bu kitaptadır.

Kitabın özeti

Bu bölüm kitabın sonunu da anlatır. Principia bölüm bölüm ana fikirlerle şöyle özetlenebilir.

Tanımlar ve hareket yasaları. Newton işe temel kavramları tanımlayarak başlar: madde miktarı (bugünkü adıyla kütle), hareket miktarı ve kuvvet. Ardından üç hareket yasasını koyar: üzerine kuvvet etki etmeyen cisim durumunu korur, kuvvet hareketin değişimini belirler, her etkiye eşit ve zıt bir karşı etki vardır. Kitabın geri kalanı bu temelin üzerine inşa edilir.

Birinci Kitap. Sürtünmesiz bir ortamda, bir merkeze doğru çekilen cisimlerin hareketi incelenir. Girişte, sonsuz küçük büyüklüklerle çalışmayı geometrik biçimde yapan "ilk ve son oranlar" yöntemi anlatılır. Merkezi bir kuvvet uzaklığın karesiyle azalıyorsa cismin yörüngesinin bir konik kesit, yani elips, parabol ya da hiperbol olacağı gösterilir. Böylece Kepler'in gezegen yasaları, gözlemden çıkarılmış kurallar olmaktan çıkıp kuvvetin doğal sonucu haline gelir.

İkinci Kitap. Direnç gösteren ortamlarda, örneğin havada ya da sıvıda hareket ele alınır. Bu bölüm akışkanlar mekaniğinin öncü çalışmalarını içerir ve kitabın en teknik kısımlarından biridir; çoğu okur için ana akıştan bir sapma gibi durur.

Üçüncü Kitap. "Dünya düzeni" üzerine olan son kitapta kuram gökyüzüne uygulanır. Aynı çekim kuvveti gezegenleri, onların uydularını ve Ay'ı yönetir. Ay hareketinin düzensizlikleri, gelgitler, kuyruklu yıldızların hareketi kuramı sınar; ekinoksların kayması (presesyon) ilk kez bir kuramla açıklanır ve Dünya'nın kutuplardan basık bir biçimde olması gerektiği bulunur. Yani kitap, yerdeki düşen cisimden gezegenlerin dolanışına uzanan tek bir yasa ailesi kurar.

Kapanış. Sonraki baskılarda eklenen "Genel Not" bölümünde Newton, çekimin nedenini bilmediğini, ama olguların onun varlığını yeterince gösterdiğini söyler ve bu konuda varsayım üretmeyeceğini belirtir. Kitap, işleyişi kusursuza yakın tarif eden ama "neden çeker?" sorusunu açık bırakan bir noktada biter; bu soruya yanıt, yüzyıllar sonra genel görelilikle gelecektir.

Yazar ve yazıldığı dönem

Newton 1643'te Lincolnshire'da doğdu, 1727'de öldü. 1669'da yirmi altı yaşında Cambridge'de ikinci Lucasian matematik profesörü oldu; sonraki yıllarda Darphane'de görev yaptı ve 1703'ten ölümüne kadar Royal Society'nin başkanlığını sürdürdü.

Principia'nın yazılış hikâyesi 1684'e gider. O yıl Edmond Halley, Christopher Wren ve Robert Hooke gezegen hareketini tartışıyordu; Hooke ters kare yasasını da, gezegen hareketinin tüm yasalarını da türettiğini ileri sürdü. Halley ağustosta Newton'ı ziyaret ettiğinde Newton bu türetmeyi daha önce yaptığını, ama kâğıtlarını bulamadığını söyledi. Kasım 1684'te Halley'e dokuz sayfalık De motu corporum in gyrum ("Yörüngedeki cisimlerin hareketi üzerine") adlı bir yazı gönderdi; bu metin Kepler'in üç yasasını türetiyordu. Halley konunun önemini görüp yayımlanması için Newton'ı ikna etti ve Newton bu taslağı bugünkü Principia'ya genişletti.

Royal Society'nin başkanı Samuel Pepys 5 Temmuz 1686'da yayın iznini verdi. Ancak Society o sırada kitap bütçesini başka bir esere harcamıştı; basım masrafını Halley kendi cebinden karşıladı. Yaklaşık 500 kopya basıldığı belirtilir. Hooke ise sonradan ters kare fikrinin kendisinden alındığını öne sürdü; Newton bu varsayımın birçok kişi tarafından dile getirildiğini, kendisinin asıl katkısının matematiksel ispatlar olduğunu savundu. Halley'in aktardığına göre Hooke, eğrilerin gösteriminin tamamen Newton'a ait olduğunu kabul etti.

Kitabın ikinci baskısı 1713'te (750 kopya, Roger Cotes'un editörlüğüyle), üçüncü baskısı 1726'da (1250 kopya) çıktı; Newton üçüncü baskıyı yaşlılığında kendisi gözden geçirdi.

Kitaptaki bilim: Newton'dan bugüne

Newton'ın çekim fikri bir anda doğmadı. Çalışmaları 1666 dolaylarında Ay'ın hareketini Dünya'nın çekimiyle karşılaştırmasına dayanır; ilk hesabı bilinen değerin yüzde 16 içinde kaldı, 1680'e gelindiğinde daha iyi Dünya ölçümleriyle sapma yüzde 1,6'ya indi. Kuvvetin ters kare olduğu, elips yörüngenin de bunun sonucu olduğu Birinci Kitap'ta ispatlandı.

Kuramın sınavı kuyruklu yıldızlarla verildi. Halley, Newton'ın çekim yasasını kullanarak 1456, 1531, 1607 ve 1682 gözlemlerinin aynı cisme ait olduğunu, cismin 1758'de geri döneceğini 1705'te yazdı. Halley 1742'de öldü; kuyruklu yıldız öngörüldüğü gibi geri geldi ve onun adıyla anıldı (ayrıntısı Halley kuyruklu yıldızı sayfasında).

Elbette Newton fiziği son söz değildir. Merkür'ün yörüngesinin Güneş'e en yakın noktasının yüzyılda yaklaşık 43 yay saniyesi kadar fazla kaymasını Newton hesabı açıklayamadı; bu farkı Albert Einstein 1915'te genel görelilik ile, kütleçekimini bir kuvvet yerine uzay-zamanın eğriliği olarak ele alarak giderdi. Newton'ın kendisi de bir cismin boşluktan uzak bir cisme çekim uygulamasını "büyük bir saçmalık" olarak nitelemiş, çekimin nedeninin olgulardan çıkarılamadığını yazmıştı. Yerçekimi sabitini laboratuvarda ilk ölçen Henry Cavendish oldu (1798). Bugün de galaksilerin dönüşündeki uyumsuzluğu ya karanlık madde ya da değiştirilmiş Newton dinamiği ile açıklama çabaları sürüyor; bu tartışma Newton mekaniğinin hâlâ canlı bir sınama alanı olduğunu gösteriyor.

Etkisi ve tartışmaları

Principia, klasik mekaniğin temeli oldu ve yüzyıllar boyunca fizik düşüncesine yön verdi. Newton'ın üçüncü baskıda eklediği dört "akıl yürütme kuralı", doğal olayları açıklarken gereksiz neden eklememeyi, benzer olayları aynı nedenlere bağlamayı, her cisimde görülen nitelikleri evrensel saymayı ve olgulardan tümevarımla çıkan önermeleri yeni olgular çürütene dek doğru kabul etmeyi öğütler. Bu kurallar modern bilimsel yöntemin temel taşlarından sayılır.

Kıta Avrupası'nda karşılama ılık değildi. Newton'ın boşlukta uzaktan etki eden bir kuvvet kabul etmesi Descartes'çı bakış açısından kusurlu görüldü; Huygens ve Leibniz yasanın eter fikriyle bağdaşmadığını belirtti. Newton'ın savunması, kuramın matematiksel biçiminin verileri açıklaması nedeniyle doğru olması gerektiğiydi ve bu savunma zamanla kazandı. Émilie du Châtelet, Principia'nın üç kitabını Fransızcaya çevirip kendi yorumlarıyla sadeleştirdi ve onun çevirisi bugün de standart Fransızca çeviri sayılır. İngilizcede Andrew Motte'un 1729 tarihli çevirisi uzun süre kullanıldı; günümüzde I. Bernard Cohen ile Anne Whitman'ın 1999 tarihli çevirisi güvenilir başvuru sayılıyor.

Bu eserin etkisi ödüllerle değil, üzerine kurulan fizikle ölçülür: bugün de yörünge hesaplarının dayandığı temel çerçevedir. Newton çağının bilim merakını edebiyatta görmek isteyenler için Micromégas iyi bir tamamlayıcıdır.

Kimlere uygun, nereden başlanır?

Principia'yı baştan sona okumak ciddi matematik bilgisi ister; çoğu okur için ideal yol seçerek okumaktır. Önce tanımları ve hareket yasalarını, ardından Üçüncü Kitap'ın giriş bölümlerini okuyup Newton'ın gök olaylarına nasıl vardığını izleyebilirsiniz. Birinci Kitap'ın ayrıntılı geometrisi ikinci okuma için bırakılabilir. Subrahmanyan Chandrasekhar'ın sıradan okur için yazdığı Newton's Principia for the Common Reader (1995) adlı kitabı bu yolda başvurulabilecek bir rehberdir.

Kitabın Latince aslı da, Motte'un İngilizce çevirisi de kamu malıdır; çevirinin Vikikaynak'taki metni ücretsiz okunabilir. Türkçede eserin adı "Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri" olarak anılır. Bu kitabın öncüllerini merak edenler için gezegen sistemini yeniden kuran Copernicus ve gezegenlerin elips çizdiğini bulan Kepler iyi bir başlangıç noktasıdır.

Kısacası Principia, bilimin en etkili kitaplarından biridir: hem uzayın nasıl işlediğini hem de bir kuramın nasıl sınanması gerektiğini gösterir. Her cümlesini anlamak gerekmez; kitabın fikrini kavramak bile gökyüzüne bakışı değiştirir.