Paul M. Sutter jest astrofizykiem w SUNY Stony Brook i Flatiron Institute, gospodarzem programu Ask a Spaceman i Space Radio oraz autorem książki How to Die in Space.

Jest powód – a właściwie kilka – dla którego Sir Isaac Newton jest często uważany za naukowca nr 1 wszech czasów. I choć wszyscy jesteśmy zmuszeni uczyć się o jego prawach ruchu i koncepcjach grawitacji w szkole średniej, rzadko mamy wgląd w to, dlaczego jego przełomowe dzieło, „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” (lub, po angielsku, „Matematyczne zasady filozofii naturalnej”), jest tak cholernie ważne. Więc zagłębmy się trochę w umysł geniusza:

Stay put

Filozofowie przez cały czas szukali fundamentalnych praw, prostych zasad wszechświata, które mogłyby wyjaśnić szeroką i dziką różnorodność zjawisk, które widzimy w otaczającym nas świecie. Pracowali nad tym zadaniem przez kilka tysiącleci i w dużej mierze ponosili porażki, dopóki Newton nie pojawił się w późnych latach 1600 i nie pokazał im, jak to zrobić.

W „Principiach” Newton wyłożył trzy proste zasady wszechświata. Na pierwszy rzut oka, ponad trzysta lat później, wydają się one proste, intuicyjne i oczywiste, ale to tylko dlatego, że mieliśmy ponad trzysta lat, aby pozwolić im wsiąknąć. W tamtym czasie były one całkowitą rewolucją w myśleniu.

Video: Trzy prawa ruchu Newtona wyjaśnione
Related: Cztery podstawowe siły natury

Jego pierwsze prawo mówiło, że obiekty w spoczynku mają tendencję do pozostawania w spoczynku, a obiekty w ruchu mają tendencję do pozostawania w ruchu. Innymi słowy, istnieje coś, co nazywa się „bezwładnością”, która jest miarą oporu obiektu wobec ruchu.

Ta idea była … nowa. Wcześniej większość myślicieli uważała, że poszczególne obiekty mają naturalną skłonność do poruszania się lub nie (np. aby wyjaśnić, dlaczego wiatr ma tendencję do wichrowania, ale skały wolą pozostać w miejscu). Podobnie, niektóre obiekty wolały unosić się w powietrzu (jak chmury), a inne nie (jak ludzie). Ale Newton wywrócił to do góry nogami: wszystkie obiekty miały wrodzony opór przed nowym ruchem i trzeba było siły, aby skłonić je do zmiany.

Małe pchnięcie

Mówiąc o siłach, to było drugie prawo Newtona: siły przyłożone do obiektu dają mu przyspieszenie, przy czym wielkość przyspieszenia zależy od masy obiektu. To również było sprzeczne z panującą mądrością, która uważała, że siły przyłożone do obiektu nadają mu prędkość. Jest to po części prawda, ponieważ przyspieszenie jest zmianą prędkości, ale mija się to z szerszym obrazem, o który chodziło Newtonowi. Po przyspieszeniu do pewnej prędkości, obiekt będzie utrzymywał tę prędkość, chyba że i dopóki nowa siła nie zostanie przyłożona, aby przyspieszyć lub spowolnić go.

Powiązane: Watch an astronaut test Newton’s second law of motion in space

Drugie prawo Newtona jest tak naprawdę prawem zachowania pędu napisanym w inny sposób. Obiekty zachowają swój pęd, dopóki nie zostanie przyłożona siła, a ta siła zmieni ich pęd. Wszystkie oddziaływania między obiektami (np. zderzenia, uderzenia, potrącenia, rozbicia i tak dalej) zachowują całkowity pęd między nimi.

Jeśli nigdy wcześniej nie spotkałeś się z zachowaniem pędu, powinieneś wiedzieć, że to pojęcie jest kamieniem węgielnym każdej pojedynczej gałęzi fizyki. Poważnie, całej: ogólnej i szczególnej teorii względności, mechaniki kwantowej, termodynamiki, fizyki cząstek elementarnych i tak dalej. Wszystkie one odpoczywają i opierają się na zachowaniu pędu, aby je prowadzić. Cała współczesna fizyka sprowadza się, na najgłębszych poziomach, do wyrażania zachowania pędu w różnych scenariuszach.

Od elektronów w atomie do ekspansji wszechświata, wszystko to jest związane z tą samą koncepcją, której korzenie sięgają drugiego prawa Newtona.

Równe i przeciwne

Ostatnie prawo Newtona, mówiące, że każda siła ma równą i przeciwną siłę, wydaje się mało znaczącym dodatkiem. Ale ono również było wielką rewolucją w myśleniu.

Kiedy naciskasz na coś, przykładasz do tego siłę i powodujesz, że to przyspiesza. Proste, prawda? Ale czy wiesz, że ten obiekt jednocześnie odpycha się od ciebie?

Jak to możliwe, skoro ty się nie poruszasz, a obiekt tak?

Kluczem jest to, że podczas gdy siły są równe, przyspieszenia nie. Jeśli jesteś bardziej masywny niż piłka nożna, to kiedy ją kopniesz, twoje przyspieszenie będzie małe, podczas gdy piłka poleci. Ale ta siła zwrócona na ciebie jest tym, co daje ci odczucie oporu. Inny przykład: kiedy siedzisz na krześle, stosujesz siłę do niego, ale krzesło stosuje również siłę do ciebie – to jest to, co czujesz popychając się na ciebie.

Ten ostatni wgląd jest jak Newton odblokował cały kosmos. Obserwując spadające z drzewa jabłko, zdał sobie sprawę, że skoro Ziemia wywiera siłę na jabłko, to jabłko musi również wywierać siłę na Ziemię. Ale nie widzimy, że Ziemia się porusza, ponieważ jest tak masywna.

Wideo: Grawitacja uniwersalna wyjaśnia w zasadzie wszystko

Dzięki temu tokowi rozumowania Newton był w stanie argumentować, że siła grawitacyjna nie była tylko czymś odczuwalnym przy powierzchni Ziemi, ale że była naprawdę uniwersalna: wszystkie obiekty w kosmosie były związane ze wszystkimi innymi obiektami poprzez niewidzialne łańcuchy grawitacyjne. Uzbrojony w to spostrzeżenie i swoje nowo odkryte prawa, Newton był w stanie wyjaśnić wszystko, od orbit planet po cykle pływów morskich.

Taką moc można uzyskać dzięki właściwemu zrozumieniu podstawowych praw natury, praw, które były jedynym paradygmatem przez ponad 200 lat (do czasu rozwoju względności i mechaniki kwantowej) i nadal odgrywają główną rolę w naszym codziennym życiu.

Dowiedz się więcej, słuchając odcinka „What was Newton’s big deal?” w podcaście Ask A Spaceman, dostępnym w iTunes i w sieci pod adresem http://www.askaspaceman.com. Podziękowania dla Chrisa C. za pytania, które doprowadziły do powstania tego artykułu! Zadaj własne pytanie na Twitterze używając #AskASpaceman lub śledząc Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter.

.