Paul M. Sutter è un astrofisico del SUNY Stony Brook e del Flatiron Institute, conduttore di Ask a Spaceman e Space Radio, e autore di How to Die in Space.

C’è una ragione, anzi diverse, per cui Sir Isaac Newton è spesso considerato lo scienziato numero 1 di tutti i tempi. E mentre al liceo siamo tutti costretti a conoscere le sue leggi del moto e i concetti di gravità, raramente riusciamo a capire perché la sua opera fondamentale, “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” (o, in inglese, “Principi matematici di filosofia naturale”), sia così importante. Quindi scaviamo un po’ nella mente di un genio:

Stai fermo

I filosofi nel corso del tempo sono stati alla ricerca di leggi fondamentali, semplici regole dell’universo che potessero spiegare l’ampia e selvaggia varietà di fenomeni che vediamo nel mondo intorno a noi. Hanno lavorato, e in gran parte fallito, in questo compito per alcuni millenni fino a quando Newton è apparso alla fine del 1600 e ha mostrato loro come fare.

Nei “Principia”, Newton ha stabilito tre semplici regole dell’universo. A prima vista, più di trecento anni dopo, sembrano semplici, intuitive e ovvie, ma solo perché abbiamo avuto più di trecento anni per farle assimilare. All’epoca, erano delle rivoluzioni totali del pensiero.

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La sua prima legge affermava che gli oggetti a riposo tendono a rimanere a riposo, e gli oggetti in movimento tendono a rimanere in movimento. In altre parole, c’è questa cosa chiamata “inerzia”, che è una misura della resistenza di un oggetto al movimento.

Questa idea era… nuova. In precedenza, la maggior parte dei pensatori pensava che i singoli oggetti avessero un’inclinazione naturale a muoversi o a non muoversi (ad esempio, per spiegare perché il vento tende a soffiare ma le rocce preferiscono stare ferme). Allo stesso modo, alcuni oggetti preferivano galleggiare (come le nuvole) mentre altri no (come le persone). Ma Newton capovolse tutto questo: tutti gli oggetti avevano una resistenza innata al nuovo moto, e ci voleva una forza per farli cambiare.

Una piccola spinta

Parlando di forze, questa era la seconda legge di Newton: le forze applicate a un oggetto danno un’accelerazione, con la quantità di accelerazione dipendente dalla massa dell’oggetto. Anche questo andava contro la saggezza prevalente, che pensava che le forze applicate ad un oggetto dessero la velocità. Questo è in parte vero, perché l’accelerazione è un cambiamento di velocità, ma manca il quadro più grande che Newton voleva ottenere. Una volta accelerato a una certa velocità, un oggetto manterrà quella velocità a meno che e fino a che non venga applicata una nuova forza per accelerarlo o rallentarlo.

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La seconda legge di Newton è in realtà la legge della conservazione della quantità di moto scritta in un altro modo. Gli oggetti mantengono la loro quantità di moto finché non viene applicata una forza, e questa forza cambia la loro quantità di moto. Tutte le interazioni tra gli oggetti (ad esempio, collisioni, urti, colpi, scontri e così via) conserveranno la quantità totale di quantità di moto tra di loro.

Se non avete mai incontrato la conservazione della quantità di moto prima d’ora, dovete sapere che questo concetto è una pietra miliare di ogni singolo ramo della fisica. Seriamente, tutta: relatività generale e speciale, meccanica quantistica, termodinamica, fisica delle particelle e così via. Tutti riposano e si basano sulla conservazione della quantità di moto per guidarli. Tutta la fisica moderna si riduce, ai livelli più profondi, ad esprimere la conservazione della quantità di moto in diversi scenari.

Dagli elettroni in un atomo all’espansione dell’universo, è tutto legato allo stesso concetto, che può rintracciare le sue radici nella seconda legge di Newton.

Uguali e contrari

L’ultima legge di Newton, che ogni forza ha una forza uguale e contraria, sembra un’aggiunta minore. Ma anch’essa è stata una grande rivoluzione del pensiero.

Quando spingi su qualcosa, stai applicando una forza ad essa e la stai facendo accelerare. Facile facile, vero? Ma lo sapevate che l’oggetto sta contemporaneamente spingendo su di voi?

Come può essere, se tu non ti stai muovendo e l’oggetto sì?

La chiave è che mentre le forze sono uguali, le accelerazioni non lo sono. Se tu sei più massiccio di un pallone da calcio, allora quando lo calci la tua accelerazione sarà piccola, mentre il pallone volerà. Ma quella forza indietro su di te è ciò che ti dà la sensazione di resistenza. Un altro esempio: quando ti siedi su una sedia, stai applicando una forza ad essa, ma anche la sedia sta applicando una forza a te – è ciò che senti spingere su di te.

Questa ultima intuizione è come Newton ha sbloccato l’intero cosmo. Mentre guardava una mela cadere dall’albero, si rese conto che poiché la Terra sta applicando una forza alla mela, allora anche la mela deve applicare una forza alla Terra. Ma noi non vediamo la Terra muoversi perché è così massiccia.

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Con questa linea di ragionamento, Newton fu in grado di sostenere che la forza gravitazionale non era solo qualcosa di sentito vicino alla superficie della Terra, ma che era veramente universale: tutti gli oggetti nel cosmo erano legati a tutti gli altri oggetti attraverso invisibili catene di gravità. Armato di questa intuizione e delle sue nuove leggi, Newton fu in grado di spiegare tutto, dalle orbite dei pianeti ai cicli delle maree.

Questo è il potere che si ottiene dalla corretta comprensione delle leggi fondamentali della natura, leggi che sono state l’unico paradigma per oltre 200 anni (fino agli sviluppi della relatività e della meccanica quantistica), e continuano a giocare un ruolo centrale nella nostra vita quotidiana.

Per saperne di più ascolta l’episodio “Qual era il grande affare di Newton?” sul podcast Ask A Spaceman, disponibile su iTunes e sul web all’indirizzo http://www.askaspaceman.com. Grazie a Chris C. per le domande che hanno portato a questo pezzo! Fai la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter.