Fire grunnleggende krefter styrer alle interaksjoner i universet. De er svake atomkrefter, sterke atomkrefter, elektromagnetisme og tyngdekraft. Av disse er tyngdekraften kanskje den mest mystiske. Selv om det har vært forstått en stund hvordan denne fysikkloven fungerer i makroskala - som styrer vårt solsystem, galakser og superklynger - forblir det hvordan det samspiller med de tre andre grunnleggende kreftene.
Naturligvis har mennesker hatt en grunnleggende forståelse av denne styrken siden uminnelige tider. Og når det gjelder vår moderne forståelse av tyngdekraften, skyldes æren en mann som dechiffrerte dens egenskaper og hvordan den styrer alle store og små ting - Sir Isaac Newton. Takket være denne engelske fysikeren og matematikeren fra 1600-tallet, ville vår forståelse av universet og lovene som styrer det for alltid bli endret.
Selv om vi alle er kjent med det ikoniske bildet av en mann som sitter under et epletre og har et fall på hodet, representerte Newtons teorier om tyngdekraft også en kulminasjon på mange år med forskning, som igjen var basert på århundrer med akkumulert kunnskap. Han ville presentere disse teoriene i sin magnum opus, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ("Matematiske prinsipper for naturfilosofi"), som ble utgitt første gang i 1687.
I dette bindet la Newton ut hva som ville bli kjent som hans Three Laws of Motion, som var avledet av Johannes Keplers Laws of Planetetary Motion og hans egen matematiske beskrivelse av tyngdekraften. Disse lovene skulle legge grunnlaget for klassisk mekanikk, og ville forbli uimotsagt i århundrer - frem til 1900-tallet og fremveksten av Einsteins relativitetsteori.
Fysikk etter 1600-tallet:
1600-tallet var en veldig lykkebringende tid for vitenskapene, med store gjennombrudd som skjedde innen matematikk, fysikk, astronomi, biologi og kjemi. Noe av den største utviklingen i perioden inkluderer utviklingen av den heliosentriske modellen til solsystemet av Nicolaus Copernicus, det banebrytende arbeidet med teleskoper og observasjonsastronomi av Galileo Galilei, og utviklingen av moderne optikk.
Det var også i denne perioden at Johannes Kepler utviklet sine Laws of Planetetary Motion. Disse lovene ble formulert mellom 1609 og 1619 og beskrev bevegelsen til de da kjente planetene (Merkur, Venus, Jorden, Mars, Jupiter og Saturn) rundt sola. De uttalte at:
- Planeter beveger seg rundt sola i ellipser, med solen i ett fokus
- Linjen som forbinder solen med en planet feier like områder i like tider.
- Kvadratet av orbitalperioden til en planet er proporsjonalt med kuben (3. makt) av den gjennomsnittlige avstanden fra solen i (eller med andre ord - av ellipsens ”halvhovedakse”, halve summen av den minste og største avstand fra solen).
Disse lovene løste de gjenværende matematiske problemstillingene som ble tatt opp av Copernicus 'heliosentriske modell, og fjernet dermed all tvil om at det var den riktige modellen til universet. Arbeidet ut fra disse, begynte Sir Isaac Newton å vurdere gravitasjon og dens innvirkning på banene i planetene.
Newtons tre lover:
I 1678 fikk Newton et fullstendig nervøst sammenbrudd på grunn av overarbeid og en feide med med astronomen Robert Hooke. De neste årene trakk han seg fra korrespondanse med andre forskere, bortsett fra der de initierte den, og fornyet interessen for mekanikk og astronomi. Vinteren 1680-81 fornyet også utseendet til en komet, som han korresponderte med John Flamsteed (Englands Astronom Royal) sin interesse for astronomi.
Etter å ha gjennomgått Keplers Laws of Motion, utviklet Newton et matematisk bevis på at den elliptiske formen av planetariske baner ville være resultatet av en centripetal kraft omvendt proporsjonal med kvadratet til radiusvektoren. Newton formidlet disse resultatene til Edmond Halley (oppdager av "Haleys komet") og til Royal Society i hans De motu corporum in gyrum.
Denne kanalen, utgitt i 1684, inneholdt frøet til hva Newton ville utvide til å danne sin magnum opus, the Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Denne avhandlingen, som ble publisert i juli 1687, inneholdt Newtons tre bevegelseslover, som uttalte at:
- Når det sees i en treghetsreferanseramme, forblir et objekt enten i ro eller fortsetter å bevege seg med konstant hastighet, med mindre det utøves av en ytre kraft.
- Vektorsummen av de ytre kreftene (F) på et objekt er lik massen (m) av det objektet multiplisert med akselerasjonsvektoren (a) til objektet. I matematisk form uttrykkes dette som: F =men
- Når det ene legemet utøver en kraft på et andre legeme, utøver det andre legemet samtidig en styrke som er lik størrelse og motsatt i retning på det første legemet.
Sammen beskrev disse lovene forholdet mellom ethvert objekt, kreftene som virker på den og den resulterende bevegelsen, og la grunnlaget for klassisk mekanikk. Lovene tillot også Newton å beregne massen til hver planet, jorden utflating ved polene, og bula ved ekvator, og hvordan tyngdekraften fra Solen og Månen skaper Jordens tidevann.
I det samme arbeidet presenterte Newton en kalkuluslignende metode for geometrisk analyse ved bruk av 'første og siste forhold', og arbeidet ut lydhastigheten i luften (basert på Boyle's Law), og redegjorde for prosessen med jevnaldrende dyr (som han viste var et resultat av Månens gravitasjonsattraksjon til Jorden), startet gravitasjonsstudiet av ujevnhetene i månens bevegelse, ga en teori for bestemmelse av kometenes baner, og mye mer.
Newton og "Apple-hendelsen":
Historien om Newton som kommer med sin teori om universell gravitasjon som et resultat av at et eple falt på hodet hans har blitt et grunnleggende element i populærkulturen. Og mens det ofte har blitt hevdet at historien er apokryf, og Newton ikke utviklet teorien hans på et eneste øyeblikk, fortalte Newton selv historien mange ganger og hevdet at hendelsen hadde inspirert ham.
I tillegg har skriftene til William Stukeley - en engelsk geistlig, antikvarisk og medmedlem i Royal Society - bekreftet historien. Men heller enn den komiske framstillingen av eplet som slår Newton på hodet, beskrev Stukeley i sin Erindringer om Sir Isaac Newtons liv (1752) en samtale der Newton beskrev å gruble over tyngdekraften mens han så et eple falle.
“... vi gikk inn i hagen og drakk te i skyggen av noen appletrees; bare han og meg selv. midt i en annen diskurs, fortalte han meg, var han akkurat i samme situasjon, som da tidligere gravitasjonsbegrepet kom inn i tankene hans. "Hvorfor skulle det eplet alltid stige vinkelrett på bakken," tenkte han til seg selv; anledningen til høsten av et eple ... ”
John Conduitt, Newtons assistent ved Royal Mint (som til slutt giftet seg med niese), beskrev også å høre historien i sin egen beretning om Newtons liv. Ifølge Conduitt skjedde hendelsen i 1666 da Newton reiste for å møte sin mor i Lincolnshire. Mens han slynget seg i hagen, vurderte han hvordan tyngdekraftens innflytelse strekker seg langt utenfor Jorden, og var ansvarlig for fallet av eple så vel som Månens bane.
Tilsvarende skrev Voltaire n hans Essay on Epic Poetry (1727) at Newton først hadde tenkt på gravitasjonssystemet mens han gikk i hagen sin og så et eple falle fra et tre. Dette er i samsvar med Newtons notater fra 1660-tallet, som viser at han kjempet med ideen om hvordan bakkenes tyngdekraft strekker seg, i en omvendt kvadratisk andel, til Månen.
Det vil imidlertid ta ham to tiår til å utvikle teoriene sine fullt ut til det punktet at han var i stand til å tilby matematiske bevis, som demonstrert i Principia. Når dette var fullført, avledet han at den samme styrken som får en gjenstand til å falle til bakken, var ansvarlig for andre banebaner. Derfor kalte han det "universell gravitasjon".
Ulike trær hevdes å være ”epletreet” som Newton beskriver. King's School, Grantham, hevder at skolen deres kjøpte det originale treet, rykket ut og transporterte det til rektorhagen noen år senere. National Trust, som holder Woolsthorpe Manor (hvor Newton vokste opp) i tillit, hevder imidlertid at treet fremdeles holder seg i hagen deres. En etterkommer av det opprinnelige treet kan sees vokse utenfor hovedporten til Trinity College, Cambridge, nedenfor rommet Newton bodde i da han studerte der.
Newtons arbeid ville ha en dyp effekt på vitenskapene, med dens prinsipper som kanon i de påfølgende 200 årene. Den informerte også om begrepet universell gravitasjon, som ble bærebjelken i moderne astronomi, og ikke ville bli revidert før på 1900-tallet - med oppdagelsen av kvantemekanikk og Einsteins teori om generell relativitet.
Vi har skrevet mange interessante artikler om tyngdekraften her på Space Magazine. Her er Hvem var Sir Isaac Newton ?, Hvem var Galileo Galilei ?, Hva er tyngdekraften? Og hva er gravitasjonskonstanten?
Astronomy Cast har noen to gode episoder om emnet. Her er episode 37: Gravitational Lensing, and Episode 102: Gravity,
kilder:
- NASA - Newtons bevegelseslover
- Fysikklasserommet - Newtons lov om universell gravitasjon
- BBC iWonder - Isaac Newton
- Wikipedia - Isaac Newton
