Paul M. Sutter a SUNY Stony Brook és a Flatiron Institute asztrofizikusa, a Ask a Spaceman és a Space Radio műsorvezetője, valamint a How to Die in Space című könyv szerzője.

Miért tartják Sir Isaac Newtont minden idők első számú tudósának, annak oka van – valójában több is -, hogy miért tartják gyakran Sir Isaac Newtont. És bár a középiskolában mindannyian kénytelenek vagyunk megtanulni a mozgástörvényeit és a gravitációról alkotott elképzeléseit, ritkán kapunk bepillantást abba, hogy miért olyan átkozottul fontos a “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” (vagy magyarul: “A természetfilozófia matematikai alapelvei”) című korszakalkotó műve. Ássunk tehát egy kicsit bele egy zseni elméjébe:

Maradjunk

A filozófusok az idők során mindig is alapvető törvényeket kerestek, a világegyetem egyszerű szabályait, amelyek megmagyarázhatják a körülöttünk lévő világban tapasztalható jelenségek széles és vad változatosságát. Néhány évezreden át dolgoztak ezen a feladaton, és többnyire sikertelenül, amíg Newton fel nem bukkant az 1600-as évek végén, és meg nem mutatta nekik, hogyan kell ezt megtenni.

A “Principia”-ban Newton a világegyetem három egyszerű szabályát fektette le. Első pillantásra, több mint háromszáz évvel később, ezek egyszerűnek, intuitívnak és nyilvánvalónak tűnnek, de ez csak azért van így, mert több mint háromszáz évünk volt arra, hogy beleéljük magunkat. Akkoriban ezek teljes forradalmat jelentettek a gondolkodásban.

Videó: Newton három mozgástörvényének magyarázata
Kapcsolódó: Newton három mozgástörvénye: A természet négy alapvető ereje

Az első törvénye kimondta, hogy a nyugalomban lévő tárgyak hajlamosak nyugalomban maradni, a mozgásban lévő tárgyak pedig hajlamosak mozgásban maradni. Más szóval, van ez a “tehetetlenségnek” nevezett dolog, ami egy tárgy mozgással szembeni ellenállásának mértékegysége.

Ez az elképzelés … új volt. Korábban a legtöbb gondolkodó úgy gondolta, hogy az egyes tárgyaknak természetes hajlamuk van arra, hogy vagy mozogjanak, vagy ne mozogjanak (például, hogy megmagyarázzák, miért hajlamos a szél fújni, de a kövek inkább helyben maradnak). Hasonlóképpen, egyes tárgyak szívesebben lebegnek (mint a felhők), míg mások nem (mint az emberek). Newton azonban ezt a feje tetejére állította: minden tárgynak veleszületett ellenállása volt az új mozgással szemben, és erőre volt szükség ahhoz, hogy megváltozzanak.

Egy kis lökés

Apropó erő, ez volt Newton második törvénye: egy tárgyra ható erő gyorsulást ad, a gyorsulás mértéke pedig a tárgy tömegétől függ. Ez is ellentétben állt az uralkodó bölcsességgel, amely úgy gondolta, hogy a tárgyra ható erők sebességet adnak neki. Ez részben igaz, mert a gyorsulás a sebesség változása, de nem érti azt a nagyobb képet, amelyre Newton törekedett. Ha egy tárgyat egyszer felgyorsítottak egy bizonyos sebességre, akkor az megtartja ezt a sebességet, hacsak és amíg egy új erő nem hat rá, amely felgyorsítja vagy lelassítja.

Kapcsolódó: Nézd meg, hogyan teszteli egy űrhajós Newton második mozgástörvényét az űrben

Newton második törvénye valójában a lendületmegmaradás törvénye másképp leírva. A tárgyak mindaddig megőrzik lendületüket, amíg egy erő nem hat rájuk, és ez az erő megváltoztatja a lendületüket. A tárgyak közötti minden kölcsönhatás (pl. ütközés, ütközés, ütközés, ütközés stb.) megőrzi a köztük lévő teljes impulzusmennyiséget.

Ha még sosem találkoztál az impulzusmegőrzéssel, tudnod kell, hogy ez a fogalom a fizika minden egyes ágának sarokköve. Komolyan, az egésznek: általános és speciális relativitáselmélet, kvantummechanika, termodinamika, részecskefizika és így tovább. Ezek mind a lendületmegőrzésen nyugszanak, és arra támaszkodnak. Az egész modern fizika a legmélyebb szinteken az impulzusmegmaradás különböző forgatókönyvekben való kifejezésére fut ki.

Az atomban lévő elektronoktól az univerzum tágulásáig minden ugyanahhoz a fogalomhoz kötődik, amely Newton második törvényéig vezethető vissza.

Egyenlő és ellentétes

Newton utolsó törvénye, miszerint minden erőnek van egy egyenlő és ellentétes ereje, apró kiegészítésnek tűnik. Pedig ez is nagy forradalmat jelentett a gondolkodásban.

Amikor valamire nyomást gyakorolunk, akkor erőt fejtünk ki rá, és ezzel gyorsulásra késztetjük. Egyszerű, ugye? De tudtad, hogy a tárgy ezzel egyidejűleg visszatolódik rád?

Hogyan lehet ez, ha te nem mozogsz, a tárgy viszont igen?

A kulcs az, hogy míg az erők egyenlőek, a gyorsulások nem. Ha te nagyobb tömegű vagy, mint egy focilabda, akkor amikor belerúgsz, akkor a te gyorsulásod kicsi lesz, míg a focilabda repülni fog. De ez a rád visszaható erő az, ami az ellenállás érzetét adja. Egy másik példa: amikor egy székre ülsz, erőt fejtesz ki rá, de a szék is erőt fejt ki rád – ez az, amit úgy érzed, hogy feléd nyomódik.”

Ez utóbbi felismerés az, ahogy Newton feloldotta az egész kozmoszt. Ahogy figyelte, ahogy egy alma leesik a fáról, rájött, hogy mivel a Föld erőt gyakorol az almára, akkor az almának is erőt kell gyakorolnia a Földre. De mi nem látjuk, hogy a Föld mozog, mert annyira masszív.

Videó: Az egyetemes gravitáció gyakorlatilag mindent megmagyaráz

Ezzel az érveléssel Newton képes volt azt állítani, hogy a gravitációs erő nem csak a Föld felszíne közelében érezhető, hanem valóban egyetemes: a kozmoszban minden tárgyat láthatatlan gravitációs láncok kötnek össze minden más tárggyal. Ezzel a felismeréssel és újonnan felfedezett törvényeivel felfegyverkezve Newton képes volt megmagyarázni mindent a bolygók pályájától az árapályok ciklusaiig.

Ez az erő, amit a természet alapvető törvényeinek helyes megértése jelent, olyan törvények, amelyek több mint 200 évig (a relativitáselmélet és a kvantummechanika fejlődéséig) az egyetlen paradigma voltak, és továbbra is központi szerepet játszanak mindennapi életünkben.

Tudjon meg többet az Ask A Spaceman podcast “Mi volt Newton nagy ügye?” című epizódjának meghallgatásával, amely elérhető az iTunes-on és az interneten a http://www.askaspaceman.com címen. Köszönet Chris C.-nek a kérdésekért, amelyek ehhez a cikkhez vezettek! Tegye fel saját kérdését a Twitteren a #AskASpaceman használatával, vagy kövesse Pault @PaulMattSutter és facebook.com/PaulMattSutter.