Paul M. Sutter is astrofysicus aan de SUNY Stony Brook en het Flatiron Institute, presentator van Ask a Spaceman en Space Radio, en auteur van How to Die in Space.

Er is een reden – eigenlijk meerdere – waarom Sir Isaac Newton vaak wordt beschouwd als de nummer één wetenschapper aller tijden. En terwijl we allemaal gedwongen zijn om te leren over zijn wetten van de beweging en concepten van de zwaartekracht op de middelbare school, krijgen we zelden een glimp van waarom zijn baanbrekende werk, “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” (of, in het Engels, “Mathematical Principles of Natural Philosophy”), is zo dang belangrijk. Laten we dus een beetje graven in de geest van een genie:

Blijf zitten

Filosofen hebben door de tijden heen gezocht naar fundamentele wetten, eenvoudige regels van het universum die de grote en wilde verscheidenheid van verschijnselen die we in de wereld om ons heen zien, konden verklaren. Ze waren al een paar millennia bezig met die taak, en grotendeels mislukt, totdat Newton aan het eind van de jaren 1600 verscheen en hen liet zien hoe het moest.

In “Principia,” legde Newton drie eenvoudige regels van het universum vast. Op het eerste gezicht, meer dan driehonderd jaar later, lijken ze eenvoudig, intuïtief en voor de hand liggend, maar dat is alleen omdat we meer dan driehonderd jaar de tijd hebben gehad om ze te laten bezinken. In die tijd waren het totale revoluties in het denken.

Video: Newtons drie bewegingswetten uitgelegd
Gerelateerd: De vier fundamentele krachten van de natuur

Zijn eerste wet stelde dat voorwerpen in rust de neiging hebben in rust te blijven, en voorwerpen in beweging de neiging hebben in beweging te blijven. Met andere woorden, er is zoiets als ’traagheid’, wat een maat is voor de weerstand van een voorwerp tegen beweging.

Dit idee was … nieuw. Voorheen dachten de meeste denkers dat individuele objecten een natuurlijke neiging hadden om te bewegen of niet te bewegen (bijvoorbeeld, om te verklaren waarom de wind de neiging had om te waaien, maar stenen liever bleven liggen). Evenzo gaven sommige voorwerpen er de voorkeur aan te zweven (zoals wolken) terwijl andere dat niet deden (zoals mensen). Maar Newton draaide dit om: alle voorwerpen hadden een aangeboren weerstand tegen nieuwe beweging, en er was een kracht voor nodig om ze te laten veranderen.

Een duwtje

Over krachten gesproken, dat was Newtons tweede wet: krachten die op een voorwerp worden uitgeoefend, geven het een versnelling, waarbij de mate van versnelling afhangt van de massa van het voorwerp. Ook dit ging in tegen de heersende wijsheid, die dacht dat krachten uitgeoefend op een voorwerp deze snelheid gaven. Dit is gedeeltelijk waar, want versnelling is een verandering van snelheid, maar het gaat voorbij aan het grotere plaatje dat Newton voor ogen had. Eenmaal versneld tot een bepaalde snelheid, zal een voorwerp die snelheid behouden, tenzij en totdat een nieuwe kracht wordt uitgeoefend om het te versnellen of te vertragen.

Gerelateerd: Watch an astronaut test newton’s second law of motion in space

Newton’s second law is eigenlijk de wet van behoud van momentum op een andere manier geschreven. Objecten behouden hun momentum tot er een kracht op wordt uitgeoefend, en die kracht zal hun momentum veranderen. Alle interacties tussen voorwerpen (b.v. botsingen, stoten, klappen, smakken enzovoort) zullen de totale hoeveelheid momentum tussen hen behouden.

Als je nog nooit met behoud van momentum in aanraking bent gekomen, moet je weten dat dit concept een hoeksteen is van elke tak van de natuurkunde. Serieus, alles: algemene en speciale relativiteit, kwantummechanica, thermodynamica, deeltjesfysica enzovoort. Ze berusten allemaal op behoud van momentum om hen te leiden. De hele moderne natuurkunde komt, op het diepste niveau, neer op het uitdrukken van behoud van momentum in verschillende scenario’s.

Van elektronen in een atoom tot de uitdijing van het heelal, het is allemaal verbonden met hetzelfde concept, dat zijn wortels heeft in de tweede wet van Newton.

Gelijk en tegengesteld

De laatste wet van Newton, dat elke kracht een gelijke en tegengestelde kracht heeft, lijkt een kleine toevoeging. Maar ook dit was een grote omwenteling in het denken.

Als je ergens tegenaan duwt, oefen je er een kracht op uit en laat je het versnellen. Makkelijk, toch? Maar wist je dat het object tegelijkertijd op jou terugduwt?

Hoe kan dat, als jij niet beweegt en het voorwerp wel?

Het belangrijkste is dat de krachten gelijk zijn, maar de versnellingen niet. Als jij massiever bent dan een voetbal, dan is je versnelling klein als je hem schopt, terwijl de voetbal vliegt. Maar die kracht die op je terugkomt, geeft je het gevoel van weerstand. Een ander voorbeeld: als je op een stoel zit, oefen je er een kracht op uit, maar de stoel oefent ook een kracht op jou uit – dat voel je op je drukken.

Dit laatste inzicht is hoe Newton de hele kosmos ontsloot. Toen hij een appel van een boom zag vallen, realiseerde hij zich dat, aangezien de aarde een kracht op de appel uitoefent, de appel ook een kracht op de aarde moet uitoefenen. Maar we zien de Aarde niet bewegen omdat ze zo massief is.

Video: Universele zwaartekracht verklaart eigenlijk alles

Met deze redenering kon Newton aanvoeren dat de zwaartekracht niet alleen iets was wat je voelde aan het oppervlak van de aarde, maar dat die werkelijk universeel was: alle voorwerpen in de kosmos waren door onzichtbare ketens van zwaartekracht met alle andere voorwerpen verbonden. Gewapend met dat inzicht en zijn nieuw ontdekte wetten, was Newton in staat om alles te verklaren, van de banen van de planeten tot de cycli van de getijden.

Dat is de kracht die je krijgt door de fundamentele wetten van de natuur correct te begrijpen, wetten die meer dan 200 jaar lang (tot de ontwikkelingen van de relativiteit en de kwantummechanica) het enige paradigma waren, en die nog steeds een centrale rol spelen in ons dagelijks leven.

Lees meer door te luisteren naar de aflevering “What was Newton’s big deal?” op de Ask A Spaceman podcast, beschikbaar op iTunes en op het web op http://www.askaspaceman.com. Met dank aan Chris C. voor de vragen die tot dit stuk hebben geleid! Stel je eigen vraag op Twitter met #AskASpaceman of door Paul te volgen @PaulMattSutter en facebook.com/PaulMattSutter.