Fire grundlæggende kræfter styrer alle interaktioner inden for universet. De er svage kernekræfter, stærke atomkrafter, elektromagnetisme og tyngdekraft. Af disse er tyngdekraften måske den mest mystiske. Selvom det er blevet forstået i nogen tid, hvordan denne fysiklov fungerer på makroskalaen - som styrer vores solsystem, galakser og superklynger - forbliver det, hvordan det interagerer med de tre andre grundlæggende kræfter, et mysterium.
Naturligvis har mennesker haft en grundlæggende forståelse af denne styrke siden umindelig tid. Og når det kommer til vores moderne forståelse af tyngdekraften skyldes en mand en mand, der dechiffrer dens egenskaber, og hvordan den styrer alle ting store og små - Sir Isaac Newton. Takket være denne engelske fysiker og matematiker fra det 17. århundrede, ville vores forståelse af universet og de love, der styrer det for evigt blive ændret.
Mens vi alle kender det ikoniske billede af en mand, der sad under et æbletræ og havde et fald på hovedet, repræsenterede Newtons teorier om tyngdekraften også en kulmination på årets værdi af forskning, som igen var baseret på århundreder af akkumuleret viden. Han ville præsentere disse teorier i sin magnum opus, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (”Matematiske principper for naturfilosofi”), som først blev offentliggjort i 1687.
I dette bind udlagde Newton, hvad der ville blive kendt som hans Three Laws of Motion, som var afledt af Johannes Keplers Laws of Planetetary Motion og hans egen matematiske beskrivelse af tyngdekraften. Disse love ville lægge grundlaget for klassisk mekanik og ville forblive ubestridt i århundreder - indtil det 20. århundrede og opståen af Einsteins relativitetsteori.
Fysik ved det 17. århundrede:
1600-tallet var en meget lykkelig tid for videnskaberne, med store gennembrud, der forekom inden for matematik, fysik, astronomi, biologi og kemi. Nogle af de største udviklinger i perioden inkluderer udviklingen af den heliocentriske model af solsystemet af Nicolaus Copernicus, det banebrydende arbejde med teleskoper og observationsastronomi fra Galileo Galilei og udviklingen af moderne optik.
Det var også i denne periode, at Johannes Kepler udviklede sine love for planetary motion. Disse love blev formuleret mellem 1609 og 1619 og beskrev bevægelsen af de daværende kendte planeter (Merkur, Venus, Jorden, Mars, Jupiter og Saturn) omkring solen. De sagde, at:
- Planeter bevæger sig rundt om solen i ellipser, med solen på et fokus
- Linjen, der forbinder solen med en planet fejer lige store områder på lige tidspunkter.
- Kvadratet af en planetens orbitalperiode er proportional med terningen (3. magt) af middelafstanden fra Solen i (eller med andre ord – af ellipsens ”halvhovedakse”, halve summen af den mindste og største afstand fra solen).
Disse love løste de resterende matematiske problemer rejst af Copernicus 'heliocentriske model og fjernede således enhver tvivl om, at det var den rigtige model for universet. Sir Isaac Newton arbejdede ud fra disse og overvejede gravitation og dens virkning på planets baner.
Newtons tre love:
I 1678 led Newton en fuldstændig nervøs sammenbrud på grund af overarbejde og en fej med kollega-astronom Robert Hooke. I de næste par år trak han sig tilbage fra korrespondance med andre forskere, undtagen hvor de indledte det, og fornyede hans interesse for mekanik og astronomi. Om vinteren 1680-81 fornyede også udseendet af en komet, som han korresponderede med John Flamsteed (Englands astronomer Royal) sin interesse for astronomi.
Efter at have gennemgået Keplers lov om bevægelse udviklede Newton et matematisk bevis på, at den elliptiske form af planetariske kredsløb ville være resultatet af en centripetal kraft, der er omvendt proportional med kvadratet på radiusvektoren. Newton formidlede disse resultater til Edmond Halley (opdager af "Haleys komet") og til Royal Society i hans De motu corporum in gyrum.
Denne kanal, der blev offentliggjort i 1684, indeholdt frøet til hvad Newton ville udvide til at danne hans magnum opus, the Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Denne afhandling, der blev offentliggjort i juli 1687, indeholdt Newtons tre bevægelseslove, hvori det hedder:
- Når det ses i en inertial referenceramme, forbliver et objekt enten i hvile eller fortsætter med at bevæge sig med en konstant hastighed, medmindre den udføres af en ekstern kraft.
- Vektorsummen af de eksterne kræfter (F) på et objekt er lig med massen (m) af dette objekt ganget med accelerationsvektoren (a) af objektet. I matematisk form udtrykkes dette som: F =m-en
- Når det ene legeme udøver en kraft på et andet legeme, udøver det andet legeme samtidig en styrke, der er lig med i størrelse og modsat retning i retning af det første legeme.
Tilsammen beskrev disse love forholdet mellem ethvert objekt, kræfterne, der virker på det og den resulterende bevægelse, og lagde grundlaget for klassisk mekanik. Lovene gjorde det også muligt for Newton at beregne massen af hver planet, udjævningen af Jorden ved polerne og udbulingen ved ækvator, og hvordan tyngdekraften fra Solen og Månen skaber Jordens tidevand.
I det samme arbejde præsenterede Newton en beregningslignende metode til geometrisk analyse ved hjælp af 'første og sidste forhold', udarbejdede lydhastigheden i luft (baseret på Boyle's Law), der redegjorde for processionen af jævndøgningerne (som han viste var et resultat af Månens gravitationsattraktion til Jorden), indledt gravitationsundersøgelsen af uregelmæssighederne i månens bevægelse, tilvejebragte en teori til bestemmelse af kometerbaner og meget mere.
Newton og "Apple-hændelsen":
Historien om Newton, der kommer med sin teori om universel tyngdekraft som et resultat af, at et æble falder på hans hoved er blevet et grundlæggende element i populærkulturen. Og selvom det ofte er blevet argumenteret for, at historien er apokryf, og Newton ikke udtænkte hans teori på et øjeblik, fortalte Newton selv historien mange gange og hævdede, at hændelsen havde inspireret ham.
Derudover har skrifterne til William Stukeley - en engelsk præst, antikvarisk og medmedlem i Royal Society - bekræftet historien. Men snarere end den komiske repræsentation af æblet, der slår Newton på hovedet, beskrev Stukeley i sin Erindringer om Sir Isaac Newtons liv (1752) en samtale, hvor Newton beskrev overvejende tyngdekraften, mens han så et æble falde.
”… Vi gik ind i haven og drak thea i skyggen af nogle små æbler. kun han og mig selv. midt i en anden diskurs, fortalte han mig, var han lige i den samme situation, som når tidligere, gravitationen kom ind i hans sind. ”Hvorfor skulle det æble altid falde vinkelret på jorden,” tænkte han til sig selv; lejligheden efter et æble fald ... ”
John Conduitt, Newtons assistent ved Royal Mint (som til sidst giftede sig med hans niece), beskrev også at høre historien i hans egen beretning om Newtons liv. Ifølge Conduitt fandt hændelsen sted i 1666, da Newton rejste for at møde sin mor i Lincolnshire. Mens han svingede i haven, overvejede han, hvordan tyngdekraftens indflydelse strækkede sig langt ud over Jorden, ansvarlig for faldet af æble såvel som Månens bane.
Tilsvarende skrev Voltaire n hans Essay on Epic Poetry (1727) at Newton først havde tænkt på gravitationssystemet, mens han gik i sin have og så et æble falde fra et træ. Dette stemmer overens med Newtons noter fra 1660'erne, som viser, at han kæmpede med tanken om, hvordan jordbunden tyngdekraft strækker sig i en omvendt kvadratisk andel til Månen.
Det tog ham dog to årtier mere at udvikle sine teorier til det punkt, at han var i stand til at tilbyde matematiske bevis, som demonstreret i Principia. Når dette var afsluttet, udledte han, at den samme kraft, der får en genstand til at falde til jorden, var ansvarlig for andre orbitalbevægelser. Derfor kaldte han det "universal gravitation".
Forskellige træer hævdes at være ”det” æbletræ, som Newton beskriver. King's School, Grantham, hævder, at deres skole købte det originale træ, oprørte det og transporterede det til rektorens have nogle år senere. National Trust, der holder Woolsthorpe Manor (hvor Newton voksede op) i tillid, hævder imidlertid, at træet stadig befinder sig i deres have. En efterkommer af det originale træ kan ses vokse uden for hovedporten til Trinity College, Cambridge, under det rum, hvor Newton boede, da han studerede der.
Newtons arbejde ville have en dyb indvirkning på videnskaberne, hvor dens principper forbliver kanon i de følgende 200 år. Den informerede også om konceptet om universel tyngdekraft, der blev grundpidsen i moderne astronomi, og ikke ville blive revideret før i det 20. århundrede - med opdagelsen af kvantemekanik og Einsteins teori om generel relativitet.
Vi har skrevet mange interessante artikler om tyngdekraft her på Space Magazine. Her er Hvem var Sir Isaac Newton ?, Hvem var Galileo Galilei ?, Hvad er tyngdekraften? Og hvad er gravitationskonstanten?
Astronomy Cast har nogle to gode episoder om emnet. Her er afsnit 37: Tyngdekraftlinsering og afsnit 102: Tyngdekraft,
Kilder:
- NASA - Newtons bevægelseslove
- Fysiksklassen - Newtons lov om universel gravitation
- BBC iWonder - Isaac Newton
- Wikipedia - Isaac Newton
