Isaac Newton

Ismo Elo
Isaac Newton on ehkä fysiikan historian merkittävin henkilö, koska hänen ansiaotaan fysiikka sai selvän rakenteen,
joka monilta tieteiltä puuttuu vieläkin. Samalla fysiikasta tuli selvästi matemaattinen tiede.

Tarkoituksena on tässä käsitellä Newtonin merkitystä nykyfysiikan kannalta.

Newtonin mekaniikasta

Koulufysiikasta tunnemme Newtonin lait ja gravitaatiolan. Niitä on muotoiltu nykyaikaiseen muotoon ja helppotajuisemmiksi, mutta periaate on sama kuin Newtonilla.

Jo Galilei tajusi, että kappaleen liikkeeseen ei tarvita voimaa vaan sitä tarvitaan ainoastaan kappaleen liikkeen muuttamiseen. Newton muotoili ja tarkensi tämän asian kahdessa ensimmäisessä laissaan.

Newtonin I laki kertoo, että kappalen liike pysyy muuttumattomana ja se muuttuu vain, jos siihen vaikuttaa jokin ulkopuolinen voima. Tämä koskee myös liikkeen suuntaa. Suunnan muuttamiseenkin tarvitaan voimaa. Luistelijan on helppo ymmärtää tämä laki. Ei liike suinkaan pysähdy, kun potkiminen loppuu. Liike loppuu jarruttamalla. Liikkeen aikaansaamiseksi on käytteetävä voimaa. Ei myöskään suunta muutu ellei paina luistimen terällä jäätä, toisin sanoen saa voimaa liikkeen suunnan muuttamiseen.

Newtonin II laki antaa täsmällisen arvon voimalle, joka tarvitaan liikkeen muuttamiseen. Voima on verrannollinen kappaleen massaan ja kappaleen kiihtyvyyteen. Kaavana

F = ma
m on kappaleen massa. a on sen kiihtyvyys eli nopeuden muutosnopeus. F:n ja a:n päällä käytetään usein nuolta osoittamaan, että kiihtyvyys on vektori eli myös suunta on huomioitava. Toisin sanoen myös suunnan muutokseen tarvitaan voimaa. F on voima ja se on myös vektori eli voiman suunta vaikuttaa muutokseen. Yhtälöstä käytetään nimitystä liikeyhtälö, koska sen avulla voidaan ennustaa kappaleen liiketila, jos tunnetaan kappaleeseen vaikuttavat voimat ja  sekä liiketila alussa.

Newtonin 2. laki sisältää myös 1. lain. Koska massa (m) ei ole nolla, on kiihtyvyys nolla, kun voima (F) on nolla ja päinvastoin. Toisin sanoen nopeus ei muutu, kun voima on nolla.

Newtonin III laki määrittelee voiman luonteen siten, ettei voima ole koskaan yksinään vaan aina, kun jokin kappale vaikuttaa toiseen kappaleeseen, vaikuttaa jälkimmäinen kappale takaisin yhtä suurella, mutta vastakkaissuuntaisella voimalla. Nykyisin voimista käytetään nimitystä vuorovaikutus, koska kyseessä on vuorovaikutus kahden kappaleen välillä.
Kappale voi olla jättiläistähti tai pieni hiukkanen kuten molekyyli tai elektroni.

Gravitaatiolaki
Tarina kertoo, että Newton keksi gravitaation, kun omena putosi päähän. Tarinan todenperäisyydestä ei ole tietoa, mutta ehkä hän sai idean omenain putoillessa. Hän sai ajatuksen joka tapauksesa sukunsa maatilalla ollessaan siellä ruttoepidemian takia. Tähän asti oli vain ajateltu, etä kappaleilla on taipumus kulkea alaspäin. Newtonin ajatus oli, että kappaleet vetävät toisiaan puoleensa taisin sanoen maa vetää omenaa ja omena maata. Samalla tavalla taivaankappaleet vetävät toisiaa.

Voima voidaan esittää yhtälöllä F = G(m1. m2)/r2 missä m1 ja m2 ovat hiukkasten massat,
r niiden välinen etäisyys ja G on gravitaatiovakio. G = (6,673 84)·10 - 11 Nm2 kg2



Valoteoriaa ja valoa koskevia tutkimuksia Newtonin valoa koskevista tutkimuksista on ehkä merkittävin, kun hän hajoitti prismalla valkoisen valon väreihin ja kokosi värit takaisin valkoiseksi valoksi toisen prisman avulla. Toinen tärkeä keksintö oli peilikaukoputken keksiminen ja rakentaminen.

Jo antiikin ajoilta oli tunnettua valon suoraviivainen kulkeminen. Kun Newtonin mekaniikka osoitti, että hiukkasetkin pyrkivät kulkemaan suoraviivaisesti, oli luonnollista olettaa valon koostuvan hiukkasista (korpuskeleista). Valon heijastuminen on helppo selittää hiukkasteorialla ja vajon koostumisen väreistä Newton selitti eri värisillä valohiukkasilla. Valon taittuminen kahden erilaisen väliaineen rajapinnassa on vaikeamoi selittää hiukkasilla ja tässä Newton menikin harhaan, kun hän oletti valon kulkevan nopeammin tiheämmässä aineessa, kun se on juuri päin vastoin.
Puhdas hiukkasteoria ei selittänyt myöskään valon kahtaistaittumista ja polarisaatiota, mutta Newton oletti hiukkasten olevan jonkinlaisessa värähdysliikkeessä. Näitä ilmiöitä ei myöskään kilpaileva aaltoteoria pystynyt selittämään. Christian Huygens kehitteli alkuaan Robert Hooken ideaa aaltoteoriasta eli undulaatioteoriasta. Se selitti hyvin kaikki valon aalto-ominaisuudet, mutta lähinnä kompastui valon polarisaatioon. Huygens oletti valon olevan pitkittäistä aaltoliikettä, eikä sillä voi olla polarisaatiota.
Lopulta Newtonin arvovalta voitti ja Newtonin hiukkasteoriasta tuli yleisesti hyväksytty valon teoria pitkäksi aikaa.

Lisäämällä valohiukkasiin värätelyn Newton pääsi hyvin lähelle nykyaikaista käsitystä valon dualistista luonnetta ts. valolla on hiukkasluonne ja aaltoluonne.


Newtonin ajan ja avaruuden käsitystä
Newton oletti avaruuden absoluuttiseksi eli kaikella tarkka on paikka avaruudessa. Tällöin myös ajalla on tarkka järjestys, ensin on tapahtuman syy ja sitten sen seuraus. Aika kulkee tasaisesti vain yhteen suuntaan eikä siihen vaikuta mikään ulkopuolinen tekijä.

Newtonin matematiikkaa
Matematiikka oli fysiikan ohella tärkeä tekijä tieteelliselle vallankumoukselle. Newton tutustui Antiikin matemaatikkojen kuten Eukliden teoksiin ja hänen omana aikana oli matematiikkan kehitys voimakasta. Erikoisesti Descartes antoi paljon Newtonille. Monet fysiikan obngelmat antoivat Newtonille ideoita matematiikkaan ja samalla hän ratkaisi Fysiikan ongelmia. Newtonin flusioteoria oli itse asiassa sama kuin mitä me nykyisin kutsumme diffrentiaali- ja integraalilaskennaksi. Newton ei kuitenkaan julkaissut matematiikkaa koskevia keksintöjään ajoissa, mistä johtuen Leibnits keksi hänestä riippumatta samoja asioita toista tietä. Syntyi kiistaa differentiaali- ja integraalilaskennan keksijän oikeuksista. Newton kehitteli myös sarjoja likiarvomenetelmille.

Newtonin tähtitiedettä
Keppler yritti selittää keksimiensä planeettojen liikkeiden syitä, mutta hän ei tuntenut inertiaa eli kappaleen liikkeen jatkuvuutta, kuten se määritellään Newtonin 1. laissa.
Halley löydettyään nimeään kantavan pyrstötähden kääntyi Newtonin puoleen sen radan laskemiseksi. Newton sai lasketuksi sen radan ja ennusti pyrstötähden seuraavan ilmestymisen. Tästä syntyi innostus laskea myös muiden taivaankappaleiden ratoja. Kepplerin ja Newtonin työt yhdessä mullistivat tähtitieteen. Nyt oli käytettävissä kaukoputket ja matematiikka ja ennen kaikkea newtonin lait tähtien liikkeiden ennustamiseen. Syntyi optimismi ja ajateltiin, että kaikki asiat voidaan ennustaa fysiikan avulla.
Tämä optimismi ehkä oli ainakin osasyynä tieteen valtavaan kehitykseen sen jälkeen.

Tämä optimismi johti materialismin syntyyn, uskottiin, että kaikki voidaan selittäää tieteen keinoin. Tätä Newton ei itse olisi halunnut, sillä hän oli uskovainen.

Newtonin merkitys nykyiselle tähtitieteelle ja avaruustekniikalle.

Newtonia voitaisiin hyvällä syyllä sanoa avaruusteknologian isäksi.
Newton ajatteli, että kun ammutaan tykillä aina kovempaa ja kovempaa,
niin kuula lentää lopulta Maan ympäri.

Newtoninrata (136K)

Sivuutan tässä Newtonin oman elämäkerran, josta on paljon tietoa saatavilla.
Paras suomenkielinen kirja Newtonista on Ursan kustantama, Raimo Lehden, Tapio Markkasen ja Jan Rydmanin toimittama "Isaac Newton - jättiläisen hartioilla.


Alkuun
Uranus