Paul M. Sutter on astrofyysikko SUNY Stony Brookissa ja Flatiron-instituutissa, Kysy avaruusmieheltä ja Avaruusradion juontaja sekä How to Die in Space -kirjan kirjoittaja.

Siihen, miksi Sir Isaac Newtonia pidetään usein kaikkien aikojen ykköstiedemiehenä, on syynsä – itse asiassa useita syitä. Ja vaikka meidän kaikkien on pakko oppia hänen liikelakejaan ja painovoimakäsitteitään lukiossa, saamme harvoin vilauksen siitä, miksi hänen uraauurtava teoksensa ”Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” (tai suomeksi ”Luonnonfilosofian matemaattiset periaatteet”) on niin pirun tärkeä. Kaivetaanpa siis hieman syvemmälle neron mieleen:

Pysykää paikoillanne

Filosofit ovat kautta aikojen etsineet perustavanlaatuisia lakeja, yksinkertaisia maailmankaikkeuden sääntöjä, jotka voisivat selittää sen laajan ja villisti vaihtelevan joukon ilmiöitä, joita näemme ympäröivässä maailmassa. He olivat työskennelleet tämän tehtävän parin vuosituhannen ajan ja suurelta osin epäonnistuneet siinä, kunnes Newton ilmestyi 1600-luvun lopulla ja näytti heille, miten se onnistuu.

”Principia”-teoksessaan Newton esitti kolme yksinkertaista maailmankaikkeuden sääntöä. Ensi silmäyksellä, yli kolmesataa vuotta myöhemmin, ne vaikuttavat yksinkertaisilta, intuitiivisilta ja itsestään selviltä, mutta se johtuu vain siitä, että meillä on ollut yli kolmesataa vuotta aikaa antaa niiden painua mieleemme. Tuohon aikaan ne olivat täydellisiä mullistuksia ajattelussa.

Video: Newtonin kolme liikelakia selitettynä
Related: The four fundamental forces of nature

Newtonin ensimmäisen lain mukaan levossa olevilla kappaleilla on taipumus pysyä levossa ja liikkeessä olevilla kappaleilla on taipumus pysyä liikkeessä. Toisin sanoen on olemassa asia nimeltä ”inertia”, jolla mitataan kappaleen vastustusta liikettä kohtaan.

Tämä ajatus oli … uusi. Aikaisemmin useimmat ajattelijat ajattelivat, että yksittäisillä esineillä oli luontainen taipumus joko liikkua tai olla liikkumatta (esim. selittääkseen, miksi tuulella oli taipumus puhaltaa, mutta kivet pysyivät mieluummin paikallaan). Samoin jotkut esineet halusivat mieluummin kellua (kuten pilvet), kun taas toiset eivät (kuten ihmiset). Mutta Newton käänsi tämän päälaelleen: kaikilla esineillä oli synnynnäinen vastarinta uutta liikettä kohtaan, ja tarvittiin voima, jotta ne saatiin muuttumaan.

Pieni tönäisy

Voimista puheen ollen, tämä oli Newtonin toinen laki: esineeseen kohdistetut voimat aiheuttavat kiihtyvyyttä, ja kiihtyvyyden suuruus riippuu esineen massasta. Tämäkin oli vastoin vallitsevaa käsitystä, jonka mukaan kappaleeseen kohdistuvat voimat antavat sille nopeuden. Tämä on osittain totta, koska kiihtyvyys on nopeuden muutos, mutta se ei kerro Newtonin tavoittelemasta kokonaiskuvasta. Kun kappale on kiihdytetty tiettyyn nopeuteen, se säilyttää tämän nopeuden, ellei siihen kohdistu uutta voimaa nopeuttamaan tai hidastamaan sitä.

Related: Watch an astronaut testaa Newtonin toista liikelakia avaruudessa

Newtonin toinen laki on oikeastaan momentin säilymislaki toisella tavalla kirjoitettuna. Esineet säilyttävät liikemääränsä, kunnes niihin kohdistetaan voima, ja tämä voima muuttaa niiden liikemäärää. Kaikki kappaleiden väliset vuorovaikutukset (esim. törmäykset, törmäykset, kolhut, kolhut, iskut ja niin edelleen) säilyttävät kappaleiden välisen kokonaisimpulssin.

Jos et ole koskaan aiemmin törmännyt momentin säilymiseen, sinun tulisi tietää, että tämä käsite on jokaisen fysiikan osa-alueen kulmakivi. Oikeasti kaikki: yleinen ja erityinen suhteellisuusteoria, kvanttimekaniikka, termodynamiikka, hiukkasfysiikka ja niin edelleen. Ne kaikki lepäävät ja tukeutuvat liikemäärän säilymiseen. Koko moderni fysiikka kiteytyy syvimmillään siihen, että momentin säilymistä ilmaistaan eri skenaarioissa.

Atomin elektroneista maailmankaikkeuden laajenemiseen, kaikki on sidottu samaan käsitteeseen, jonka juuret juontavat juurensa Newtonin toiseen lakiin.

Yhtäläinen ja vastakkainen

Newtonin viimeinen laki, jonka mukaan kullakin voimalla on yhtäläinen ja vastakkainen voima, tuntuu vähäpätöiseltä lisältä. Mutta sekin oli suuri vallankumous ajattelussa.

Kun työnnät jotakin, kohdistat siihen voiman ja saat sen kiihtymään. Helppo homma, eikö? Mutta tiesitkö, että esine samalla työntää sinua takaisin?

Miten se on mahdollista, jos sinä et liiku ja esine liikkuu?

Vaikuttavaa on, että vaikka voimat ovat yhtä suuret, kiihtyvyydet eivät ole. Jos olet massiivisempi kuin jalkapallo, niin potkaistessasi sitä kiihtyvyytesi on pieni, kun taas jalkapallo lentää. Mutta tuo sinuun takaisin kohdistuva voima antaa vastuksen tunteen. Toinen esimerkki: kun istut tuolilla, kohdistat siihen voimaa, mutta myös tuoli kohdistaa sinuun voimaa – se on se, minkä tunnet työntävän sinua ylöspäin.

Tämän viimeisen oivalluksen avulla Newton avasi koko kosmoksen. Kun hän katseli omenan putoamista puusta, hän tajusi, että koska Maa kohdistaa voimaa omenaan, myös omenan täytyy kohdistaa voimaa Maahan. Emme kuitenkaan näe Maan liikkuvan, koska se on niin massiivinen.

Video: Universaalinen gravitaatio selittää periaatteessa kaiken

Tämän päättelyn avulla Newton pystyi väittämään, että gravitaatiovoima ei ollut vain jotain, joka tuntui lähellä Maan pintaa, vaan että se oli todella universaali: kaikki kohteet kosmoksessa olivat sidoksissa kaikkiin muihin kohteisiin näkymättömien painovoimaketjujen kautta. Tämän oivalluksen ja uusien lakiensa avulla Newton pystyi selittämään kaiken planeettojen kiertoradoista vuorovesien sykleihin.

Sellaista voimaa saa, kun ymmärtää oikein luonnon peruslait, lait, jotka olivat ainoa paradigma yli 200 vuoden ajan (suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan kehittymiseen saakka) ja jotka ovat edelleen keskeisessä asemassa jokapäiväisessä elämässämme.

Lue lisää kuuntelemalla jakso ”What was Newton’s big deal?” Ask A Spaceman -podcastista, joka on saatavilla iTunesissa ja verkossa osoitteessa http://www.askaspaceman.com. Kiitos Chris C:lle kysymyksistä, jotka johtivat tähän jaksoon! Kysy oma kysymyksesi Twitterissä käyttämällä #AskASpaceman tai seuraamalla Paulia @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter.