ニュートンの運動の法則とは何ですか？

ポール・M・サッター氏は、SUNY Stony Brook と Flatiron Institute の宇宙物理学者で、Ask a Spaceman と Space Radio のホスト、そして How to Die in Space の著者です。

アイザック・ニュートン卿がしばしば史上最高の科学者とみなされるには理由があります（実際にはいくつかあります）。私たちは高校で彼の運動法則や重力の概念について学ばされますが、彼の代表的な著作である「プリンキピア・マティカ」（英語では「自然哲学の数学的原理」）がなぜそれほど重要なのかを垣間見ることはほとんどありません。

そのまま

昔から哲学者たちは、基本法則、つまり、私たちの周りの世界で見られる多種多様な現象を説明できる宇宙の単純な法則を探してきました。 1600年代後半にニュートンが現れ、その方法を示すまで、彼らは数千年にわたりその課題に取り組み、そしてほとんど失敗していたのです。 300年以上経った今、一見すると単純で直感的で当たり前のことのように思えますが、それは300年以上の時間があったからこそ、身に染みてわかるのです。当時、これらは思想の大転換でした。

動画ニュートンの運動の3法則の説明
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彼の最初の法則は、静止している物体は静止している傾向があり、動いている物体は動いている傾向があることを述べています。言い換えれば、物体の運動に対する抵抗力を示す「慣性」と呼ばれるものがあるのです。以前は、ほとんどの思想家が、個々の物体は動くか動かないかの自然な傾向を持っていると考えていた（たとえば、なぜ風は吹きやすいが岩は動きたがらないかを説明するために）。また、雲のように浮くことを好むものもあれば、人間のように浮かないものもあった。

A little push

力といえば、これがニュートンの第二法則である：物体に加えられた力は、物体の質量に依存した加速度を与える。これも、物体に力を加えると速度が得られると考える一般的な常識に反したものであった。加速度は速度の変化であるから、これは正しいのだが、ニュートンが目指した大きな方向性を見失っている。いったんある速度まで加速されると、新たな力が加わって速度が上がったり下がったりしない限り、物体はその速度を維持するのです。宇宙飛行士が宇宙でニュートンの第二法則を試す

ニュートンの第二法則は、実際には別の方法で書かれた運動量保存の法則である。物体は力が加わるまでその運動量を維持し、その力はその運動量を変化させます。物体間のすべての相互作用（例えば、衝突、ぶつかり合い、たたき合い、ぶつかり合いなど）は、それらの間の運動量の総量を維持する。

運動量保存に出会ったことがない人は、この概念が物理学のあらゆる分野の基礎であることを知っておく必要があります。一般相対性理論、特殊相対性理論、量子力学、熱力学、素粒子物理学など、マジで全部です。これらはすべて、運動量の保存に依存している。

原子の中の電子から宇宙の膨張まで、すべては同じ概念に結びついており、そのルーツはニュートンの第2法則にある。しかし、これも思想の大革命でした。

何かを押すとき、それに力を加えて加速させることになります。簡単なことでしょう？しかし、その物体は同時にあなたを押し返していることをご存知ですか？

自分が動かず、物体が動いているのに、どうしてそうなるのでしょうか。

重要なのは、力は等しいが、加速度は等しくないということです。あなたがサッカーボールより重い場合、あなたがサッカーボールを蹴ると、あなたの加速度は小さくなり、サッカーボールは飛んでいきます。しかし、その力が自分に返ってくることで、抵抗の感覚を得ることができるのです。

この最後の洞察が、ニュートンが宇宙全体を解き明かした方法なのです。リンゴが木から落ちるのを見て、地球がリンゴに力を加えているのだから、リンゴも地球に力を加えているに違いないと気づいたのである。しかし、地球はあまりにも巨大なため、私たちは地球が動くのを見ることができません。この推論により、ニュートンは、重力は地球の表面付近で感じられるものではなく、宇宙のすべての物体が目に見えない重力の連鎖によって他のすべての物体と結びついている、まさに万有引力であると主張することができたのです。この洞察と新たに発見した法則を武器に、ニュートンは惑星の軌道から潮の満ち引きまで、すべてを説明することができました。

これが、自然の基本法則を正しく理解することで得られる力です。

詳しくは、iTunesとウェブhttp://www.askaspaceman.comで配信しているポッドキャスト「Ask A Spaceman」のエピソード「ニュートンの偉業とは何か」をお聞きください。この作品のきっかけとなる質問を提供してくれたChris C.に感謝しますご自分の質問をTwitterで#AskASpacemanを使って、またはPaul @PaulMattSutter と facebook.com/PaulMattSutter.