Neljä perusvoimaa hallitsee kaikkia vuorovaikutuksia maailmankaikkeuden sisällä. Ne ovat heikkoja ydinvoimia, voimakkaita ydinvoimia, sähkömagneettisuutta ja painovoimaa. Näistä gravitaatio on ehkä salaperäisin. Vaikka on jo jonkin aikaa ymmärretty, kuinka tämä fysiikan laki toimii makrokaavioissa - hallitsee aurinkokuntamme, galaksejamme ja superklustereitamme -, miten se toimii vuorovaikutuksessa kolmen muun perusvoiman kanssa, on edelleen mysteeri.
Ihmisillä on luonnollisesti ollut ymmärrys tästä voimasta muinaisista ajoista lähtien. Ja kun kyse on nykyaikaisesta käsityksestämme painovoimasta, luotto on velkaa yhdelle miehelle, joka tulkitsi sen ominaisuudet ja kuinka se hallitsee kaikkia suuria ja pieniä asioita - Sir Isaac Newton. Tämän 1700-luvun englantilaisen fyysikon ja matemaatikon ansiosta ymmärryksemme maailmankaikkeudesta ja sitä hallitsevista laeista muuttuu ikuisesti.
Vaikka me kaikki olemme tuttuja ikoni-kuvan miehestä, joka istuu omenapuun alla ja jolla on yksi pudotus päähänsä, Newtonin teoriat painovoimasta edustivat myös vuosien mittaisen tutkimuksen huipentumaa, joka puolestaan perustui vuosisatojen kertyneeseen tietoon. Hän esittelisi nämä teoriat magnum opuksessaan, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (”Luonnofilosofian matemaattiset periaatteet”), joka julkaistiin ensimmäisen kerran vuonna 1687.
Tässä osiossa Newton kertoi, mitä kutsutaan nimellä hänen kolme liikettä koskevaa lakiaan, jotka johdettiin Johannes Keplerin planeettojen liikettä koskevista laeista ja hänen omasta matemaattisesta kuvauksestaan painovoimasta. Nämä lait loisivat klassisen mekaniikan perustan ja pysyisivät haastamattomina vuosisatojen ajan - aina 1900-luvulle saakka ja Einsteinin suhteellisuusteorian syntymiseen asti.
Fysiikka 1700-luvulta mennessä:
1500-luku oli tieteiden kannalta erittäin suotuisa aika, ja merkittäviä läpimurtoja tapahtui matematiikan, fysiikan, tähtitieteen, biologian ja kemian aloilla. Jotkut kauden suurimmista kehityksistä sisältävät Nicolaus Copernicuksen aurinkokunnan heliokeskeisen mallin kehittämisen, Galileo Galilein uraauurtavan työn teleskooppien ja havaintoastronomian avulla sekä modernin optiikan kehittämisen.
Se oli myös tänä ajanjaksona, että Johannes Kepler kehitti lakia planeetan liikkeestä. Nämä lait, jotka muotoiltiin vuosien 1609 ja 1619 välillä, kuvasivat silloin tunnettujen planeettojen (Mercury, Venus, Maa, Mars, Jupiter ja Saturnus) liikkumista Auringon ympäri. He totesivat seuraavaa:
- Planeetat liikkuvat aurinkoa ympäri ellipsinä, auringon ollessa yhdessä keskittymässä
- Linja, joka yhdistää Auringon planeettaan, pyyhkää yhtä suuret alueet yhtä aikaa.
- Maapallon kiertoratajakson neliö on verrannollinen auringon keskimääräisen etäisyyden kuutioon (kolmas voima) ellipsin (tai toisin sanoen - ”puoliajosuuntaisen akselin”) puoli pienimmän ja suurin etäisyys auringosta).
Nämä lait ratkaisivat jäljellä olevat matemaattiset kysymykset, jotka Copernicuksen heliosentrinen malli esitti, poistaen siten kaiken epäilyksen siitä, että se oli oikea maailmankaikkeuden malli. Niiden perusteella Sir Isaac Newton alkoi pohtia painovoimaa ja sen vaikutusta planeettojen kiertoradalle.
Newtonin kolme lakia:
Vuonna 1678 Newton kärsi täydellisestä hermoston hajoamisesta ylitöiden ja vihollisen kanssa tähtitieteilijä Robert Hooken kanssa. Muutaman seuraavan vuoden ajan hän luopui kirjeenvaihdosta muiden tutkijoiden kanssa, paitsi jos he aloittivat sen, ja jatkoi kiinnostustaan mekaniikkaan ja tähtitiedeeseen. Talvella 1680-81 komeetta, josta hän vastasi John Flamsteedia (Englannin tähtitieteilijä Royal), ilmestyi myös kiinnostukseen tähtitiedeeseen.
Tarkasteltuaan Keplerin liikettä sääteleviä lakeja, Newton kehitti matemaattisen todisteen siitä, että planeettojen kiertoratojen elliptinen muoto johtaisi centripetaalivoimaan, joka on käänteisesti verrannollinen sädevektorin neliöön. Newton ilmoitti nämä tulokset Edmond Halleylle (”Haleyn komeetan löytäjä”) ja kuninkaalliselle yhdistykselle hänen De motu corporum gyrumissa.
Tämä suolisto, julkaistu vuonna 1684, sisälsi siemenen, mitä Newton laajensi muodostamaan hänen magnum opuksensa, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Tämä tutkielma, joka julkaistiin heinäkuussa 1687, sisälsi Newtonin kolme liikelakia, joissa todettiin seuraavaa:
- Inertiaalisessa referenssikehyksessä katsottuna esine joko pysyy levossa tai jatkaa liikkumista vakionopeudella, ellei siihen kohdistu ulkoista voimaa.
- Kohteessa olevien ulkoisten voimien (F) vektorisumma on yhtä suuri kuin massa (m) sen objektin kerrottuna kohteen kiihtyvyysvektorilla (a). Matemaattisessa muodossa tämä ilmaistaan: F =m
- Kun yksi ruumis kohdistaa voiman toiseen vartaloon, toinen ruumis kohdistaa samanaikaisesti voiman, joka on samansuuruinen ja vastakkainen ensimmäiselle vartalolle.
Yhdessä nämä lait kuvailivat minkä tahansa esineen, siihen vaikuttavien voimien ja tuloksena olevan liikkeen välistä suhdetta, mikä perusti klassisen mekaniikan. Lait sallivat Newtonin myös laskea kunkin planeetan massa, maan tasoittuminen napojen kohdalla ja kohouma päiväntasaajan kohdalla sekä kuinka Auringon ja Kuun painovoimaveto luo maan vuorovesiä.
Newton esitti samassa työssä laskennallisen geometrisen analyysimenetelmän, joka käytti ”ensimmäistä ja viimeistä suhdetta”, laski äänen nopeuden ilmassa (perustuen Boylen lakiin), vastasi päiväkortin kulkua (jonka hän osoitti olevan Kuun vetovoiman seurauksena maahan), aloitti kuun liikkeen epäsäännöllisyyksien gravitaatiotutkimuksen, tarjosi teorian komeetojen kiertoratojen määrittämiseen ja paljon muuta.
Newton ja ”Apple-tapaus”:
Tarina siitä, että Newton tuli esiin hänen teoriansa universaalisesta painovoimasta, koska hänen päähänsä putosi omena, on tullut suositun kulttuurin peruskivi. Ja vaikka on usein väitetty, että tarina on apokryfaalinen eikä Newton ole suunnitellut teoriaansa yhdelläkään hetkellä, Newton itse kertoi tarinan monta kertaa ja väitti, että tapahtuma on inspiroinut häntä.
Lisäksi William Stukeleyn - englantilaisen papiston, antiikin ja Royal Society -jäsenen - kirjoitukset ovat vahvistaneet tarinan. Mutta pikemminkin kuin koominen esitys omenasta, joka lyö Newtonia päähän, Stukeley kuvaili hänen Muistelmat Sir Isaac Newtonin elämästä (1752) keskustelu, jossa Newton kuvaili painovoiman luonteen pohtimista katsellessaan omenan pudotusta.
”… Menimme puutarhaan, ja joimme Theaa joidenkin appletreejen varjossa; vain hän, ja minä. Hän kertoi minulle muun keskustelun keskellä, että hän oli juuri samassa tilanteessa kuin aiemmin, kun ajatus gravitaatiosta tuli hänen mielessään. "Miksi tuon omenan tulisi aina laskeutua kohtisuoraan maahan", ajatteli hän itseään; silloin kun omena putosi ... ”
John Conduitt, Newtonin avustaja kuninkaallisessa rahapajassa (joka lopulta naimisissa veljentytärään), kuvasi myös tarinan kuulemisen omalla vastuullaan Newtonin elämästä. Conduittin mukaan tapaus tapahtui vuonna 1666, kun Newton matkusti tapaamaan äitinsä Lincolnshiressä. Puutarhassa mutkittelessaan hän pohti, kuinka painovoiman vaikutus ulottui kaukana maasta, vastuussa omenan putoamisesta sekä Kuun kiertoradasta.
Samoin Voltaire kirjoitti n Essee eeppisestä runosta (1727), että Newton oli ensin ajatellut painovoimajärjestelmää kävellessään puutarhassaan ja katsellen omena putoamista puusta. Tämä on sopusoinnussa Newtonin 1660-luvun muistiinpanojen kanssa, jotka osoittavat, että hän kamppaili ajatuksen kanssa siitä, kuinka maanpäällinen painovoima ulottuu käänteis-neliömäisessä suhteessa kuuhun.
Kesti kuitenkin vielä kaksi vuosikymmentä hänen teorioidensa täydellisen kehittämisen siihen pisteeseen, että hän pystyi tarjoamaan matemaattisia todisteita, kuten Principia. Kun se oli valmis, hän päätteli, että sama voima, joka saa esineen putoamaan maahan, oli vastuussa muista kiertoradan liikkeistä. Siksi hän nimitti sen ”yleiseksi painovoimaksi”.
Eri puiden väitetään olevan ”” omenapuita, joita Newton kuvaa. Kuninkaan koulu, Grantham, väittää heidän koulunsa ostaneen alkuperäisen puun, juontaa sen ja kuljetti sen rehtorin puutarhaan muutamaa vuotta myöhemmin. National Trust, joka omistaa Woolsthorpen kartanon (jossa Newton varttui), kuitenkin väittää, että puu asuu edelleen heidän puutarhassaan. Alkuperäisen puun jälkeläisen voi nähdä kasvavan Cambridgessa sijaitsevan Trinity College -kadun pääportin ulkopuolella huoneen alapuolella, jossa Newton asui, kun hän opiskeli siellä.
Newtonin teoksella olisi syvällinen vaikutus tieteisiin, sillä sen periaatteet pysyisivät kaanonina seuraavien 200 vuoden ajan. Se kertoi myös universaalin painovoiman käsitteestä, josta tuli nykyaikaisen tähtitieteen perusta, ja jota ei tarkisteta vasta 1900-luvulla - kvantimekaniikan ja Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian teorian löytöllä.
Olemme kirjoittaneet monia mielenkiintoisia artikkeleita painovoimasta täällä Space Magazine -lehdessä. Tässä on Kuka oli Sir Isaac Newton ?, Kuka oli Galileo Galilei ?, Mikä on painovoiman voima? Ja mikä on painovoiman vakio?
Tähtitiedeosalla on noin kaksi hyvää jaksoa aiheesta. Tässä jakso 37: Painovoimaobjektiivi ja jakso 102: Painovoima,
Lähteet:
- NASA - Newtonin liiketiedot
- Fysiikan luokkahuone - Newtonin universaalisen painovoiman laki
- BBC iWonder - Isaac Newton
- Wikipedia - Isaac Newton
