I følge Store Norske Leksikon kan fysikk sies å være læren om de fenomener i naturen som kan bli forstått på en fundamental måte ut fra elementære prinsipper og lover.

Denne artikkelen heter Newtons fysikk, men som en av de største vitenskapsmenn til alle tider, om ikke den aller største, ga Newton vesentlige bidrag både til matematikken, optikken, fysikken og astronomien.

Stor oppdager

Han oppdaget og formulerte den allmenne gravitasjonsloven, formulerte de tre basiske lover for bevegelser, utviklet infinitesimalregningen og binomialformelen, analyserte hvitt lys og kom med bidrag til forståelsen av lysets natur.

Bak all hans vitenskap var det en religiøs overbevisning om at Gud hadde skapt universet med en matematisk struktur, og at Gud hadde skapt menneskene med en forstand som gjorde det mulig å fatte prinsippene i denne strukturen.

Gravitasjonen i seg selv var et aktivt prinsipp Gud brukte for å skape orden i universet. I sine forsøk på å forstå Guds metoder utviklet han også mer spesifikke formler for blant annet å beregne tidevann, kometbaner og mye annet.

Da Newton ble skrevet inn på Cambridge var borgerkrigstiden i England over det verste med restaurasjonen i 1660. Det heliosentriske verdenssyn hadde slått gjennom. Kepler hadde levert matematikken som støttet teorien, og Galilei hadde kommet med støttende observasjoner. I tillegg fikk Newton sterke impulser fra blant annet Descartes og hans mekanistiske verdenssyn.

Matematikk

Newtons første nyvinninger var rent matematiske. Da han var hjemme i Woolsthorpe under pesten 1665-67 la han sitt grunnlag for differensial- og integralregning. Hans “fluksjonsregning” baserte seg på forståelsen av at det å integrere en funksjon simpelthen var den inverse operasjonen av det å differensiere den.

Han tegnet tangenter under kurver (differensiering) og beregnet arealet under kurvene (integrasjon). Ved å bruke differensieringen som basisoperasjon, klarte Newton å forene mange tidligere atskilte teknikker, som det å finne arealer, tangenter, lengden av kurver og funksjoners maksimum og minimum.

Newtons De Methodis Serierum et Fluxonium ble skrevet allerede i 1671, men Newton publiserte den aldri selv. Den kom derfor ikke i trykken før i 1736.

Mekanikk

Newton gikk så videre til mekanikken. Galileis ene bok omhandlet hvordan objekter falt til jorden. Keplers arbeid omhandlet hvordan planetene sirklet rundt solen. Newton lurte på om han kunne forene de to.

I motsetning til Descartes så Newton objekter i bevegelse som passive subjekter påvirket av ytre krefter. Sirkelbevegelser var mer komplekse, og Newton var enig med Descartes i det at et objekt i sirkulær bevegelse konstant strevde for å fjerne seg fra senteret det roterte rundt (sentripetalakselerasjon). Hadde da det roterende objekt likevel sin egen kraft?

Månens hastighet i banen rundt jorden skulle ha slynget månen vekk og ut i verdensrommet, om den ikke samtidig ble trukket til jorden av en kraft. Ville månen ha falt ned på jorden om den hadde vært i ro? Kunne den samme kraften som holdt månen fra å fly vekk fra jorden der den sirklet rundt være den samme som den som fikk ting til å falle ned mot jorden?

Dette siste høres selvfølgelig ut i dag, men det var et tankesprang den gang å anvende de samme prinsipper på himmelrommet som på hendelser på jorden. Da det berømte eplet falt 16. mai 1666 hadde Newton allerede jobbet med problemet i lengre tid, og resultatene var produktet av langvarig arbeid, ikke et øyeblikks inspirasjon.

Newton konkluderte med at det var en dragningskraft fra jorden, svekket av den store avstanden, som forhindret månen i å bli slynget ut av sin bane og vekk fra jorden. Denne kraften døpte han senere til gravitasjon, etter latinsk gravitas, som betyr tyngde eller vekt. Han forsøkte å finne et matematisk utrykk for styrken i denne gravitasjonen. Lykkeligvis viste denne gravitasjonen seg å ha et svært enkelt matematisk uttrykk: gravitasjonen er omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden mellom objektene.

Det vil si at om for eksempel en planet befinner seg tre ganger så langt unna solen som en annen planet med samme masse, så er den fjerneste planeten påvirket av en gravitasjon som er lik den andre planetens gravitasjon delt på kvadratet av tre (fordi den i dette tilfelle var tre ganger så langt unna), det vil si at den er 1/9 av kraften mellom solen og den innerste planeten.

Masse er mengden av materie i et objekt, hvor mange partikler det finnes. I motsetning til tyngde eller vekt, er massen ikke avhengig av jordens eller noe annet objekts gravitasjon. Vekten på en rakett som drar til månen, er svært mye lavere der enn her på grunn av den lave gravitasjonen, mens massen er den samme. Han formulerte sine funn i Den universelle gravitasjonslov.

Etter sine inngående studier av objekter i bevegelse, formulerte Newton også sine tre bevegelseslover, noe som fremdeles utgjør grunnlaget for dynamikken:

Newtons tre bevegelseslover:

1. lov sier at en gjenstand forblir i ro eller beveger seg med konstant hastighet i en rett linje, hvis ingen kraft virker på gjenstanden eller hvis summen av kreftene er lik null. Dette er det samme som Galilei formulerte i sin treghetslov.

2. lov sier at summen av kreftene som virker på et legeme, er lik produktet av legemets masse og dets akselerasjon, og akselerasjonen har samme retning som summen av kreftene.

3. lov sier om en gjenstand virker med en kraft på en annen gjenstand, så virker den andre gjenstanden tilbake på den første med en like stor og motsatt rettet kraft. Kraft = motkraft. Eksempler kan være månen og jorden, som trekker i hverandre (gravitasjon) med like store og motsatt rettede krefter. Og en bil, hvor bilens drivhjul dytter veien bakover og veien skyver bilen forover med samme kraft.

Optikk

Newton begynte så med optikken. Det herskende syn på farger, var at det var en blanding av lys og mørke. Hooke var en av talsmennene for denne teorien. Newton mente dette umulig kunne være riktig - et hvitt ark med svart skrift ble ikke farget om en så det fra en viss distanse. Når svart og hvitt ble blandet, så det grått ut.

Descartes, Hooke og Boyle hadde benyttet seg av prismer, og trodde at prismet på en måte farget lyset. De hadde alle nyttet en skjerm tett opp til prismet på den andre siden og sett at lyset kom ut som en blanding av farger.

Newton satte opp sin skjerm 22 fot bakenfor prismet, og fikk et vakkert spektrum som resultat. Det hvite lyset var blitt splittet i forskjellige farger som i forskjellig grad var blitt avbøyd av prismet. Han gikk videre, og laget en splitt i skjermen, så bare spekterets grønne lys slapp gjennom. Deretter lot han dette grønne lyset passere et annet prisme.

Om prismet farget lyset, skulle det grønne ha blitt farget ved å gå gjennom prismet. Men det forble rent grønt. Newton viste at hvitt lys var laget av en blanding av de andre fargene, og at prismet kun separerte disse fargene. Newton argumenterte for at lyset bestod av partikler (eller korpuskler, som han selv kalte det), på tross av at han selv så lyset som bølger i enkelte forsøk.

Korpuskelteorien ble rådende til ut på 1800-tallet da bølgeteorien ble revitalisert. En mener nå at lyset har både bølge- og partikkelnatur.

Konfliktene rundt publiseringen av resultatene førte til at Newton la optikken på hylla, og nektet å korrespondere om optikk overhodet.

Principia (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)

Så sent som i 1684 hadde Newton ikke publisert noe om de lovene han hadde formulert hjemme i Woolsthorpe under pesten. Det året fortalte han sin yngre venn Edmund Halley (han med kometen) om sine beregninger for planeters bevegelser.

Halley, som allerede var en fremstående astronom, innså umiddelbart betydningen av Newtons arbeid, og overtalte ham til å publisere sine funn. Etter først å ha problemer med å finne igjen sine notater, gikk Newton i gang med å systematisere materialet. Halley forsøkte forgjeves å få finansiell støtte til utgivelsen fra Royal Academy. Da det ikke gikk, sto Halley for alle utgifter selv. Han oppmuntret og hjalp Newton, han forhandlet med trykkeriet, redigerte teksten, skrev forord og tok seg av alle detaljer. Verden har således ikke bare Newton, men også Halley å takke for at Principia i det hele tatt kom i trykken.

I 1687 kom verket, som til vanlig bare kalles Principia, på trykk. Den er inndelt i tre “bøker”, hvor den første omhandler mekanikken og hvorfor objekter beveger seg som de gjør i vakum. Del to omhandler objekters bevegelser i omgivelser som byr på motstand, som vann eller luft. I del tre anvender han seg av de foregående delene og anvender dette på hvordan solsystemet fungerer og er organisert.

I Principia bruker han også ordet gravitasjon om denne kraften som finnes mellom objekter med masse. Han definerer hva masse er, og viser at jo større masse et objekt har, jo vanskeligere er det å bevege. Dobbelt så stor masse krever dobbelt kraft.

Newton viser at gravitasjonen kan sees som utgått fra objektenes massesentrum. Dette benytter han til å beskrive bevegelsene til Jupiter, Saturn og Jordens måner. Han beskriver prosjektilers baner, pendlers bevegelser og fritt fall nær Jorden. Han klarer også å vise hvordan en kan beregne Solen og planetenes masse ut fra jordens masse. Han forklarer flo og fjære, og Solens gravitasjonskraft på kometer.

Principia betraktes ofte som det menneskelige intellekts største triumf gjennom alle tider. Tross verkets omfang og hvor vanskelig tilgjengelig det var, ble Newton likevel umiddelbart berømt og voldsomt respektert som fysiker, matematiker og vitenskapsmann. Tross dette tok det 50 år før hans modell av solsystemet ble akseptert på skoler og universiteter.

Selve formen Principia ble skrevet på, måten Newton systematisk argumenterte og utledet sine slutninger, ble malen på hvordan vitenskapelig produksjon skulle utføres.

Dette verket forente mange av de vitenskaplige tanker som var gjeldende på den tiden. Han samlet og forklarte Galileos syn på fysikk og Keplers verdensbilde, blant annet ved utstrakt bruk av matematikk. Han etablerte regler for nye vitenskaplige metoder gjennom å kombinere teorier fra Bacon og Descartes. Newtons mekaniske fysikk var dominerende helt frem til Einstein publiserte sin spesielle relativitetsteori i 1905. Den er fremdeles gjeldende og i bruk annet enn på hastigheter som nærmer seg lyshastigheten.

Les mer

Den unge Isaac Newton

Newton som etablert vitenskapsmann