Paul M. Sutter er astrofysiker ved SUNY Stony Brook og Flatiron Institute, vært på Ask a Spaceman og Space Radio og forfatter til How to Die in Space.

Der er en grund – faktisk flere – til, at Sir Isaac Newton ofte betragtes som den førende videnskabsmand gennem tiderne. Og selv om vi alle er tvunget til at lære om hans bevægelseslove og begreber om tyngdekraften i gymnasiet, får vi sjældent et indblik i, hvorfor hans grundlæggende værk, “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” (eller på engelsk “Mathematical Principles of Natural Philosophy”), er så forbandet vigtigt. Så lad os grave lidt ned i et geni’s hjerne:

Stay put

Filosoffer har gennem tiderne søgt efter fundamentale love, enkle regler for universet, der kunne forklare den store og vilde variation af fænomener, som vi ser i verden omkring os. De havde arbejdet, og stort set fejlet, på denne opgave i et par årtusinder, indtil Newton dukkede op i slutningen af 1600-tallet og viste dem, hvordan de skulle gøre det.

I “Principia” opstillede Newton tre enkle regler for universet. Ved første øjekast, over tre hundrede år senere, virker de enkle, intuitive og indlysende, men det er kun fordi vi har haft over tre hundrede år til at lade dem synke ind. På det tidspunkt var de totale revolutioner i tankegangen.

Video: Newton’s tre bevægelseslove forklaret
Relateret: De fire fundamentale naturkræfter

Hans første lov fastslog, at objekter i hvile har tendens til at forblive i hvile, og objekter i bevægelse har tendens til at forblive i bevægelse. Med andre ord er der en ting, der hedder “inerti”, som er et mål for en genstandes modstand mod bevægelse.

Denne idé var … ny. Tidligere mente de fleste tænkere, at de enkelte objekter havde en naturlig tilbøjelighed til enten at bevæge sig eller ikke bevæge sig (f.eks. for at forklare, hvorfor vinden havde en tendens til at blæse, men sten foretrak at blive liggende). På samme måde foretrak nogle genstande at svæve (som skyer), mens andre ikke gjorde det (som mennesker). Men Newton vendte dette på hovedet: alle objekter havde en medfødt modstand mod ny bevægelse, og der skulle en kraft til for at få dem til at ændre sig.

Et lille skub

Som vi taler om kræfter, var det Newtons anden lov: Kræfter, der påføres et objekt, giver det en acceleration, hvor accelerationens størrelse afhænger af objektets masse. Dette var også i modstrid med den fremherskende visdom, som mente, at kræfter, der påføres en genstand, giver den hastighed. Dette er til dels rigtigt, fordi acceleration er en ændring af hastigheden, men det går glip af det større billede, som Newton gik efter. Når et objekt først er accelereret til en bestemt hastighed, vil det bevare denne hastighed, medmindre og indtil der påføres en ny kraft for at sætte fart på det eller bremse det.

Relateret: Se en astronaut afprøve Newton’s anden lov om bevægelse i rummet

Newton’s anden lov er i virkeligheden loven om bevarelse af bevægelsesmængde skrevet på en anden måde. Genstande vil bevare deres impuls, indtil der påføres en kraft, og denne kraft vil ændre deres impuls. Alle interaktioner mellem objekter (f.eks. kollisioner, stød, slag, slag, smadringer osv.) vil bevare den samlede mængde af impuls mellem dem.

Hvis du aldrig har mødt impulsbevarelse før, bør du vide, at dette begreb er en hjørnesten i hver eneste gren af fysikken. Seriøst, det hele: generel og speciel relativitetsteori, kvantemekanik, termodynamik, partikelfysik og så videre. De hviler alle på og er alle afhængige af bevarelse af impuls til at styre dem. Hele den moderne fysik koger på de allerdybeste niveauer ned til at udtrykke bevarelse af impuls i forskellige scenarier.

Fra elektroner i et atom til universets udvidelse er det hele bundet til det samme begreb, som kan spore sine rødder til Newtons anden lov.

Lige og modsatte

Newtons sidste lov, at hver kraft har en lige stor og modsatrettet kraft, virker som en mindre tilføjelse. Men også den var en stor revolution i tankegangen.

Når man skubber på noget, påfører man det en kraft og får det til at accelerere. Let som en leg, ikke? Men vidste du, at genstanden samtidig skubber tilbage på dig?

Hvordan kan det være, hvis du ikke bevæger dig, og objektet gør det?

Nøglen er, at mens kræfterne er lige store, er accelerationerne det ikke. Hvis du er mere massiv end en fodbold, så vil din acceleration være lille, når du sparker til den, mens fodbolden vil flyve. Men denne kraft tilbage på dig er det, der giver dig følelsen af modstand. Et andet eksempel: Når du sidder på en stol, udøver du en kraft på den, men stolen udøver også en kraft på dig – det er det, du føler, at den skubber sig opad på dig.

Denne sidste indsigt er den måde, hvorpå Newton har låst op for hele kosmos. Da han så et æble falde ned fra et træ, indså han, at eftersom Jorden udøver en kraft på æblet, så må æblet også udøve en kraft på Jorden. Men vi kan ikke se, at Jorden bevæger sig, fordi den er så massiv.

Video: Universel gravitation forklarer stort set alt

Med dette ræsonnement kunne Newton argumentere for, at tyngdekraften ikke kun var noget, der kunne mærkes nær jordens overflade, men at den virkelig var universel: Alle objekter i kosmos var bundet til alle andre objekter gennem usynlige tyngdekædenetværk. Bevæbnet med denne indsigt og sine nyfundne love var Newton i stand til at forklare alt fra planeternes baner til tidevandets cyklusser.

Det er den kraft, man får ved at forstå de grundlæggende naturlove korrekt, love, der var det eneste paradigme i over 200 år (indtil udviklingen af relativitetsteorien og kvantemekanikken), og som fortsat spiller en central rolle i vores hverdagsliv.

Læs mere ved at lytte til afsnittet “What was Newton’s big deal?” i podcasten Ask A Spaceman, der er tilgængelig på iTunes og på nettet på http://www.askaspaceman.com. Tak til Chris C. for de spørgsmål, der førte til dette afsnit! Stil dit eget spørgsmål på Twitter ved at bruge #AskASpaceman eller ved at følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter.