Paul M. Sutter är astrofysiker vid SUNY Stony Brook och Flatiron Institute, programledare för Ask a Spaceman och Space Radio samt författare till How to Die in Space.

Det finns en anledning – faktiskt flera – till att Sir Isaac Newton ofta betraktas som tidernas främsta vetenskapsman. Och även om vi alla tvingas lära oss om hans rörelselagar och begrepp om gravitation i gymnasiet, får vi sällan en inblick i varför hans banbrytande verk ”Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” (eller, på engelska, ”Mathematical Principles of Natural Philosophy”) är så jäkla viktigt. Så låt oss gräva lite i ett genis hjärna:

Stay put

Filosofer har i alla tider sökt efter grundläggande lagar, enkla regler för universum som skulle kunna förklara den breda och vilda variation av fenomen som vi ser i vår omvärld. De hade arbetat, och i stort sett misslyckats, med den uppgiften i några årtusenden tills Newton dök upp i slutet av 1600-talet och visade dem hur de skulle göra.

I ”Principia” fastställde Newton tre enkla regler för universum. Vid en första anblick, över trehundra år senare, verkar de enkla, intuitiva och uppenbara, men det beror bara på att vi har haft över trehundra år på oss att låta dem sjunka in. På den tiden var de totala revolutioner i tänkandet.

Video: Förklaring av Newtons tre rörelselagar
Relaterat: Den första lagen säger att objekt i vila tenderar att förbli i vila och objekt i rörelse tenderar att förbli i rörelse. Med andra ord finns det något som kallas ”tröghet”, vilket är ett mått på ett föremåls motstånd mot rörelse.

Denna idé var … ny. Tidigare trodde de flesta tänkare att enskilda objekt hade en naturlig benägenhet att antingen röra sig eller inte röra sig (t.ex. för att förklara varför vinden tenderade att blåsa men stenar föredrog att stanna kvar). På samma sätt föredrog vissa objekt att flyta (som moln) medan andra inte gjorde det (som människor). Men Newton vände på detta: alla föremål hade ett medfött motstånd mot nya rörelser, och det krävdes en kraft för att få dem att förändras.

En liten knuff

När vi talar om krafter var det Newtons andra lag: krafter som appliceras på ett föremål ger det en acceleration, där accelerationens storlek är beroende av föremålets massa. Även detta gick emot den rådande visdomen, som trodde att krafter som appliceras på ett föremål ger dem hastighet. Detta är delvis sant, eftersom acceleration är en förändring av hastigheten, men det missar den större bilden som Newton var ute efter. När ett föremål väl har accelererats till en viss hastighet kommer det att bibehålla den hastigheten om och tills en ny kraft appliceras för att öka eller minska hastigheten.

Relaterat: Se en astronaut testa Newtons andra rörelselag i rymden

Newtons andra lag är egentligen lagen om bevarande av rörelsemängd skriven på ett annat sätt. Föremål behåller sitt momentum tills en kraft läggs på dem, och den kraften ändrar deras momentum. Alla interaktioner mellan objekt (t.ex. kollisioner, stötar, slag, smällar, smashes och så vidare) kommer att bevara den totala mängden rörelsekraft mellan dem.

Om du aldrig har mött momentumbevarande tidigare bör du veta att detta begrepp är en hörnsten i varje enskild gren av fysiken. Allvarligt talat, alla: allmän och speciell relativitetsteori, kvantmekanik, termodynamik, partikelfysik och så vidare. De vilar alla på och förlitar sig på bevarandet av rörelsemängd för att vägleda dem. Hela den moderna fysiken kokar ner, på de allra djupaste nivåerna, till att uttrycka bevarande av rörelsemängd i olika scenarier.

Från elektroner i en atom till universums expansion, allt är knutet till samma begrepp, som kan spåra sina rötter till Newtons andra lag.

Lika och motsatt

Newtons sista lag, att varje kraft har en lika stor och motsatt kraft, verkar vara ett mindre tillägg. Men även den var en stor revolution i tänkandet.

När du trycker på något, lägger du en kraft på det och får det att accelerera. Lätt som en plätt, eller hur? Men visste du att föremålet samtidigt trycker tillbaka på dig?

Hur kan det vara möjligt, om du inte rör dig och föremålet gör det?

Nyckeln är att även om krafterna är lika stora så är accelerationerna det inte. Om du är mer massiv än en fotboll kommer din acceleration att vara liten när du sparkar den, medan fotbollen kommer att flyga. Men den kraften tillbaka på dig är det som ger dig känslan av motstånd. Ett annat exempel: När du sitter på en stol tillämpar du en kraft på den, men stolen tillämpar också en kraft på dig – det är det som du känner att den trycker upp dig.

Denna sista insikt är hur Newton låste upp hela kosmos. När han såg ett äpple falla från ett träd insåg han att eftersom jorden utövar en kraft på äpplet måste äpplet också utöva en kraft på jorden. Men vi ser inte jorden röra sig eftersom den är så massiv.

Video: Med detta resonemang kunde Newton hävda att gravitationskraften inte bara var något som kändes nära jordytan, utan att den verkligen var universell: alla föremål i kosmos var knutna till alla andra föremål genom osynliga gravitationskedjor. Beväpnad med denna insikt och sina nyfunna lagar kunde Newton förklara allt från planeternas banor till tidvattnets cykler.

Det är den kraft man får genom att korrekt förstå de grundläggande naturlagarna, lagar som var det enda paradigmet i över 200 år (fram till utvecklingen av relativitetsteorin och kvantmekaniken), och som fortsätter att spela en central roll i vårt dagliga liv.

Lär dig mer genom att lyssna på avsnittet ”What was Newton’s big deal?” i podcasten Ask A Spaceman, som finns på iTunes och på webben på http://www.askaspaceman.com. Tack till Chris C. för frågorna som ledde till det här avsnittet! Ställ din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa Paul @PaulMattSutter och facebook.com/PaulMattSutter.