WIE HEEFT DE ZWAARTEKRACHT ONTDEKT?

Send

Vier fundamentele krachten beheersen alle interacties binnen het heelal. Het zijn zwakke kernkrachten, sterke kernkrachten, elektromagnetisme en zwaartekracht. Hiervan is de zwaartekracht misschien wel de meest mysterieuze. Hoewel het al enige tijd duidelijk is hoe deze natuurkundige wet werkt op macroschaal - die ons zonnestelsel, sterrenstelsels en superclusters bestuurt - blijft hoe een wisselwerking met de drie andere fundamentele krachten een mysterie blijft.

Uiteraard hebben mensen sinds mensenheugenis een basiskennis van deze kracht. En als het gaat om ons moderne begrip van zwaartekracht, is krediet verschuldigd aan één man die de eigenschappen ervan heeft ontcijferd en hoe het alle grote en kleine dingen regeert - Sir Isaac Newton. Dankzij deze Engelse fysicus en wiskundige uit de 17e eeuw zou ons begrip van het heelal en de wetten die het beheersen voor altijd worden veranderd.

Hoewel we allemaal bekend zijn met het iconische beeld van een man die onder een appelboom zit en een val op zijn hoofd heeft, vertegenwoordigden de theorieën van Newton over de zwaartekracht ook een hoogtepunt van jarenlang onderzoek, dat op zijn beurt was gebaseerd op eeuwen opgebouwde kennis. Hij zou deze theorieën presenteren in zijn magnum opus, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ("Mathematical Principles of Natural Philosophy"), die voor het eerst werd gepubliceerd in 1687.

In dit boek schetste Newton wat later bekend zou worden als zijn Three Laws of Motion, die waren afgeleid van Johannes Kepler's Laws of Planetary Motion en zijn eigen wiskundige beschrijving van de zwaartekracht. Deze wetten zouden de basis leggen van de klassieke mechanica en zouden eeuwenlang onbetwist blijven - tot de 20e eeuw en de opkomst van Einsteins relativiteitstheorie.

Fysica door 17e eeuw:

De 17e eeuw was een zeer veelbelovende tijd voor de wetenschappen, met grote doorbraken op het gebied van wiskunde, natuurkunde, astronomie, biologie en scheikunde. Enkele van de grootste ontwikkelingen in de periode zijn de ontwikkeling van het heliocentrische model van het zonnestelsel door Nicolaus Copernicus, het baanbrekende werk met telescopen en observationele astronomie door Galileo Galilei, en de ontwikkeling van moderne optica.

Het was ook in deze periode dat Johannes Kepler zijn Laws of Planetary Motion ontwikkelde. Deze wetten, die tussen 1609 en 1619 zijn geformuleerd, beschrijven de beweging van de toen bekende planeten (Mercurius, Venus, Aarde, Mars, Jupiter en Saturnus) rond de zon. Ze verklaarden dat:

Planeten bewegen rond de zon in ellipsen, met de zon in één focus
De lijn die de zon met een planeet verbindt, beweegt gelijke delen in gelijke tijden.
Het kwadraat van de omlooptijd van een planeet is evenredig met de kubus (3e macht) van de gemiddelde afstand tot de zon in (of met andere woorden – van de "halve grote as" van de ellips, de helft van de som van de kleinste en grootste afstand van de zon).

Deze wetten hebben de resterende wiskundige problemen die door het heliocentrische model van Copernicus naar voren zijn gebracht, opgelost, waardoor alle twijfel is weggenomen dat het het juiste model van het heelal was. Sir Isaac Newton werkte hieraan en begon de zwaartekracht en het effect ervan op de banen van planeten te bekijken.

Drie wetten van Newton:

In 1678 kreeg Newton een complete zenuwinzinking als gevolg van overwerk en een vete met collega-astronoom Robert Hooke. De komende jaren trok hij zich terug uit de correspondentie met andere wetenschappers, behalve waar zij deze initieerden, en hernieuwde hij zijn interesse in mechanica en astronomie. In de winter van 1680-81 hernieuwde de verschijning van een komeet, waarover hij correspondeerde met John Flamsteed (de Engelse Astronomer Royal), ook zijn interesse in astronomie.

Na de bewegingswetten van Kepler te hebben bekeken, ontwikkelde Newton een wiskundig bewijs dat de elliptische vorm van planetaire banen het gevolg zou zijn van een centripetale kracht die omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de straalvector. Newton deelde deze resultaten mee aan Edmond Halley (ontdekker van "Haley’s Comet") en aan de Royal Society in zijn De motu corporum in de gyrum.

Dit traktaat, gepubliceerd in 1684, bevatte het zaad van wat Newton zou uitbreiden om zijn magnum opus te vormen, de Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Deze verhandeling, die in juli 1687 werd gepubliceerd, bevatte de drie bewegingswetten van Newton, waarin stond dat:

Wanneer bekeken in een traagheidsreferentieframe, blijft een object in rust of blijft het met een constante snelheid bewegen, tenzij er op wordt ingegrepen door een externe kracht.
De vectorsom van de externe krachten (F) op een object is gelijk aan de massa (m) van dat object vermenigvuldigd met de versnellingsvector (a) van het object. In wiskundige vorm wordt dit uitgedrukt als: F =meen
Wanneer een lichaam een kracht op een tweede lichaam uitoefent, oefent het tweede lichaam tegelijkertijd een kracht uit van gelijke grootte en tegengesteld in richting op het eerste lichaam.

Samen beschreven deze wetten de relatie tussen elk object, de krachten die erop inwerken en de resulterende beweging, waarmee de basis werd gelegd voor de klassieke mechanica. De wetten stelden Newton ook in staat om de massa van elke planeet te berekenen, de afplatting van de aarde aan de polen en de uitstulping aan de evenaar, en hoe de zwaartekracht van de zon en de maan de getijden van de aarde creëert.

In hetzelfde werk presenteerde Newton een calculusachtige methode van geometrische analyse met behulp van 'eerste en laatste verhoudingen', berekende de geluidssnelheid in de lucht (gebaseerd op de wet van Boyle), verantwoordelijk voor de processie van de equinoxen (waarvan hij aantoonde dat ze een resultaat van de aantrekkingskracht van de maan op de aarde), initieerde de gravitatiestudie van de onregelmatigheden in de beweging van de maan, leverde een theorie voor de bepaling van de banen van kometen en nog veel meer.

Newton en het "Apple-incident":

Het verhaal van Newton die zijn theorie van universele zwaartekracht bedacht als gevolg van een appel die op zijn hoofd viel, is een hoofdbestanddeel van de populaire cultuur geworden. En hoewel vaak werd beweerd dat het verhaal apocrief is en Newton zijn theorie op geen enkel moment bedacht, vertelde Newton zelf het verhaal vaak en beweerde hij dat het incident hem had geïnspireerd.

Bovendien hebben de geschriften van William Stukeley - een Engelse predikant, antiquair en collega van de Royal Society - het verhaal bevestigd. Maar in plaats van de komische voorstelling van de appel die Newton op het hoofd slaat, beschreef Stukeley in de zijne Memoires van het leven van Sir Isaac Newton (1752) een gesprek waarin Newton beschreef over het nadenken over de aard van de zwaartekracht terwijl hij naar een appel keek die viel.

“… We gingen de tuin in, & dronken die in de schaduw van enkele appelbomen; alleen hij, en mijn zelf. te midden van een ander discours, vertelde hij me, bevond hij zich in dezelfde situatie als toen hij vroeger het idee van zwaartekracht in zijn gedachten kreeg. 'Waarom zou die appel altijd loodrecht op de grond vallen', dacht hij bij zichzelf; veroorzaakt door de val van een appel ... "

John Conduitt, assistent van Newton bij de Royal Mint (die uiteindelijk met zijn nicht trouwde), beschreef ook hoe hij het verhaal hoorde in zijn eigen verslag van het leven van Newton. Volgens Conduitt vond het incident plaats in 1666 toen Newton op reis was om zijn moeder in Lincolnshire te ontmoeten. Terwijl hij in de tuin kronkelde, overwoog hij hoe de invloed van de zwaartekracht tot ver buiten de aarde reikte, verantwoordelijk voor het vallen van de appel en de baan van de maan.

Evenzo schreef Voltaire n zijn Essay over epische poëzie (1727) dat Newton voor het eerst aan het systeem van zwaartekracht had gedacht toen hij in zijn tuin liep en een appel uit een boom zag vallen. Dit komt overeen met de aantekeningen van Newton uit de jaren 1660, die aantonen dat hij worstelde met het idee van hoe de zwaartekracht op aarde zich in een invers-kwadraat verhouding tot de maan uitstrekt.

Het zou hem echter nog twee decennia kosten om zijn theorieën volledig te ontwikkelen tot het punt dat hij in staat was wiskundige bewijzen te leveren, zoals aangetoond in de Principia. Toen dat eenmaal was voltooid, leidde hij af dat dezelfde kracht die een voorwerp op de grond laat vallen, verantwoordelijk was voor andere orbitale bewegingen. Daarom noemde hij het "universele zwaartekracht".

Van verschillende bomen wordt beweerd dat ze "de" appelboom zijn die Newton beschrijft. De King's School, Grantham, beweert dat hun school de originele boom heeft gekocht, deze heeft ontworteld en enkele jaren later naar de tuin van de schooldirecteur heeft vervoerd. De National Trust, die het Woolsthorpe Manor (waar Newton opgroeide) in vertrouwen houdt, beweert echter dat de boom nog steeds in hun tuin staat. Een afstammeling van de oorspronkelijke boom is te zien groeien buiten de hoofdingang van Trinity College, Cambridge, onder de kamer waarin Newton woonde toen hij daar studeerde.

Het werk van Newton zou een diepgaande invloed hebben op de wetenschappen, met als uitgangspunt de canon voor de volgende 200 jaar. Het informeerde ook het concept van universele zwaartekracht, dat de steunpilaar van de moderne astronomie werd en pas in de 20e eeuw zou worden herzien - met de ontdekking van de kwantummechanica en Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie.

We hebben hier bij Space Magazine veel interessante artikelen over zwaartekracht geschreven. Hier is Wie was Sir Isaac Newton ?, Wie was Galileo Galilei? Wat is de zwaartekracht? En wat is de zwaartekrachtconstante?

Astronomy Cast heeft ongeveer twee goede afleveringen over dit onderwerp. Hier is aflevering 37: Zwaartekrachtlensing en aflevering 102: Zwaartekracht,

Bronnen: