Isaac Newton – englantilainen fyysikko, matemaatikko ja gravitaation isä
Isaac Newtonin elämä ja tieteelliset läpimurrot: gravitaatio, liikelait, optiikka ja laskenta — syvällinen mutta selkeä kuvaus englantilaisen fysiikan ja matematiikan isästä.
Sir Isaac Newton FRS PRS (25. joulukuuta 1643 - 20. maaliskuuta 1726/27) oli englantilainen fyysikko, matemaatikko ja tähtitieteilijä. Hänet tunnetaan hyvin työstään liikkeen lakien, optiikan, painovoiman ja laskennan parissa. Newton julkaisi vuonna 1687 kirjan nimeltä Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, jossa hän esittelee teoriansa yleismaailmallisesta gravitaatiosta ja kolme liikkeen lakia.
Newton rakensi ensimmäisen käytännöllisen peilikaukoputken vuonna 1668. Hän kehitti myös valoteorian, joka perustui havaintoon, jonka mukaan prisma hajottaa valkoisen valon sateenkaaren väreiksi. Newton jakoi myös kunnian Gottfried Leibnizin kanssa laskennan kehittämisestä.
Newtonin ajatukset valosta, liikkeestä ja painovoimasta hallitsivat fysiikkaa seuraavat kolme vuosisataa, kunnes Albert Einsteinin suhteellisuusteoria muutti niitä.
Kun hänet lyötiin ritariksi vuonna 1705, koska hän oli kuninkaallisen rahapajan päällikkö, hänestä tuli "Sir" Isaac Newton.
Elämä ja koulutus
Newton syntyi Englannissa ja kasvoi maalaisympäristössä. Hän opiskeli Trinity Collegessa Cambridgen yliopistossa, jossa hänet myöhemmin nimitettiin Lucasian professoriksi. Plague-epidemian vuoksi hän vietti useita vuosia kotonaan 1660-luvulla, minkä aikana hän teki monia keskeisiä läpimurtojaan liikkeen, optiikan ja matematiikan alalla.
Tieteelliset saavutukset
Liikkeen lait ja gravitaatio. Newton esitti kolme liikkeen lakia, jotka selittävät, miten kappaleet liikkuvat ja miten voimat vaikuttavat niihin. Yksinkertaistaen ne ovat:
- Inertia: kappale pysyy levossa tai jatkaa tasaista liikettä, ellei siihen vaikuta ulkoinen voima.
- Voima ja kiihtyvyys: kappaleen kiihtyvyys on verrannollinen siihen vaikuttavaan voimaan ja kääntäen verrannollinen massaan.
- Toiminta ja reaktio: jokaiselle vaikutukselle on yhtä suuri ja vastakkainen reaktio.
Lisäksi Newton muotoili yleismaailmallisen gravitaation lain, jonka mukaan kaikki massalliset kappaleet vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka on verrannollinen massojen tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön.
Laskenta (fluxions). Newton kehitti differentiaali- ja integraalilaskelmaa koskevia menetelmiä, joita hän kutsui fluxioneiksi. Samanaikaisesti ja itsenäisesti Leibniz kehitti oman laskennan merkintänsä; tästä seurasi pitkä tieteellinen kiista siitä, kumpi oli "ensin". Nykyään kummankin panosta pidetään tärkeänä laskennan kehitykselle.
Optiikka ja valo. Newton tutki valon luonnetta ja osoitti prismakokein, että valkoinen valo koostuu eri väreistä. Hän esitti, että värit ovat valon ominaisuus eivätkä prismojen aiheuttama muutos. Newton rakensi myös heijastavan kaukoputken (peilikaukoputken), jossa käytetään peiliä linssin sijasta, mikä vähentää väripoikkeamaa.
Hän työskenteli myös matemaattisten menetelmien parissa: binomikaavan yleistäminen, Newtonin menetelmä numeeriseen juurten löytämiseen ja sarjakehitelmät kuuluivat hänen tuotantoonsa.
Muut tehtävät ja kiinnostuksen kohteet
Newton toimi myöhemmin kuninkaallisen rahapajan (Royal Mint) johtotehtävissä ja toimi myös Royal Societyn presidenttinä. Hän kiinnostui laajasti myös teologiasta ja alkemian tutkimuksesta; nämä kiinnostuksenkohteet olivat hänelle henkilökohtaisia ja osin salaisia, mutta ne kuuluivat hänen koko elämänsä tutkielmiin.
Knights ja kuolema
Vuonna 1705 Newton sai ritarin arvonimen. Hän kuoli vuonna 1726/27 ja haudattiin Westminster Abbeyhin — hänen hautansa on siellä merkittävä muisto yhteiskunnallisesta ja tieteellisestä asemastaan.
Perintö
Newtonin teoriat muovasivat modernin tieteen perustaa: hänen matemaattinen lähestymistapansa, kokeelliset menetelmänsä ja laajamittaiset lainalaisuuksien kuvauksensa vaikuttivat fysiikan, tähtitieteen ja tekniikan kehitykseen. Vaikka myöhemmät teoriat, kuten Einsteinin suhteellisuusteoria, korjasivat tai laajensivat Newtonin käsityksiä erityistapauksissa (esimerkiksi hyvin suurilla nopeuksilla tai voimakkaissa gravitaatiokentissä), Newtonin lait säilyvät erinomaisina approksimaatioina arkipäiväisessä mittakaavassa ja ovat yhä keskeisiä monissa sovelluksissa.
Newton on yksi tieteen historian merkittävimmistä hahmoista: hänen työnsä esittää mallin siitä, miten havainnot, matemaattinen analyysi ja kokeet yhdessä voivat tuottaa pysyviä ja laajasti sovellettavia luonnontieteellisiä periaatteita.
Life
Varhainen elämä
Isaac Newton syntyi (tuolloin Englannissa käytössä olleen juliaanisen kalenterin mukaan) joulupäivänä 25. joulukuuta 1642 (N.S. 4. tammikuuta 1643) "tunti tai kaksi puolenyön jälkeen" Woolsthorpen kartanossa Woolsthorpe-by-Colsterworthissa, joka on Lincolnshiren kreivikunnassa Englannissa sijaitseva kylä. Hänen isänsä, jonka nimi oli myös Isaac Newton, kuoli kolme kuukautta ennen hänen syntymäänsä. Newtonin ollessa kolmevuotias hänen äitinsä Hannah Ayscough avioitui uudelleen pastori Barnabas Smithin kanssa. Nuori Newton jäi äitinsä isoäidin, Margery Ayscough'n, luokse.
Vuosina 1655-1659 Newton opiskeli The King's Schoolissa Granthamissa. Kun hän oli seitsemäntoista, hänet erotettiin koulusta. Hänen äitinsä yritti tehdä hänestä maanviljelijän, mutta hän ei pitänyt siitä. Henry Stokes, The King's Schoolin opettaja, pyysi hänen äitiään lähettämään hänet takaisin kouluun.
Kesäkuussa 1661 hänet lähetettiin Cambridgen yliopistoon opiskelemaan.
Löydöt
Vuonna 1666 Isaac Newton kokeili valoa ja havaitsi, että eri värit taittuvat eri tavoin. Hän alkoi luennoida tästä aiheesta vuonna 1670.
Newton selitti maailmankaikkeuden toiminnan matematiikan avulla. Hän kuvasi liikkeen ja painovoiman lait. Nämä lait ovat matemaattisia kaavoja, jotka selittävät, miten kappaleet liikkuvat, kun niihin kohdistuu voima. Newton julkaisi kuuluisimman kirjansa Principia vuonna 1687 ollessaan matematiikan professorina Cambridgen Trinity Collegessa. Principia-kirjassaan Newton selitti kolme peruslakia, jotka säätelevät esineiden liikkumista. Sen jälkeen hän kuvasi ajatuksensa eli teoriansa painovoimasta. Painovoima on voima, joka saa esineet putoamaan alas. Jos kynä putoaa pöydältä, se putoaa lattialle eikä kattoon. Kirjassaan Newton käytti lakejaan myös osoittaakseen, että planeetat kiertävät aurinkoa soikeilla eikä pyöreillä kiertoradoilla. Newton löysi myös diffraktion. Tämä johti hänet fysiikan alalle, jossa hän menestyi.
Newtonin kolme liikkeen lakia
Seuraavassa on kolme liikkeen lakia.
- Ensimmäinen laki (inertialaki)
Newtonin ensimmäisen liikelain mukaan kappale, jota jokin voima ei työnnä tai vedä, pysyy paikallaan tai liikkuu suorassa linjassa tasaisella nopeudella. On helppo ymmärtää, että raketti ei liiku, ellei jokin työnnä tai vedä sitä. On vaikeampi ymmärtää, että esine jatkaa liikkumistaan ilman apua. Ajattele rakettia uudelleen. Jos joku lentää rakettia ja hyppää pois ennen kuin raketti pysähtyy, mitä tapahtuu? Raketti jatkaa matkaansa, kunnes se lentää avaruuteen. Esineen taipumusta pysyä paikallaan tai jatkaa liikkumistaan suorassa linjassa tasaisella nopeudella kutsutaan inertiaksi.
- Toinen laki (kiihtyvyyslaki)
Toinen laki selittää, miten voima vaikuttaa kappaleeseen. Kappale kiihtyy voiman liikuttamaan suuntaan. Jos joku nousee polkupyörän selkään ja painaa polkimia eteenpäin, polkupyörä alkaa liikkua. Jos joku työntää polkupyörää takaapäin, polkupyörä kiihtyy. Jos pyöräilijä työntää polkimia taaksepäin, polkupyörä hidastuu. Jos kuljettaja kääntää ohjaustankoa, polkupyörä vaihtaa suuntaa. Tätä lakia kuvaava kaava on F=m*a eli kappaleeseen vaikuttava voima on yhtä suuri kuin massa kertaa kiihtyvyys.
- Kolmas laki (vastavuoroisten toimien laki)
Kolmannen lain mukaan, jos esinettä työnnetään tai vedetään, se työntää tai vetää yhtä paljon vastakkaiseen suuntaan. Jos joku nostaa painavaa laatikkoa, hän käyttää voimaa työntääkseen sitä ylöspäin. Laatikko on painava, koska se tuottaa nostajan käsivarsiin yhtä suuren voiman alaspäin. Paino siirtyy nostajan jalkojen kautta lattiaan. Lattia painaa ylöspäin yhtä suurella voimalla. Jos lattia painaisi takaisin pienemmällä voimalla, laatikkoa nostava henkilö putoaisi lattian läpi. Jos se työntäisi taaksepäin suuremmalla voimalla, nostaja lentäisi ilmaan.
Yksi ehdotettu "nollalaki" on se, että kappale reagoi joka hetki siihen kohdistuviin voimiin. Samoin ajatusta siitä, että voimat summautuvat kuin vektorit (tai toisin sanoen noudattavat superpositioperiaatetta), ja ajatusta siitä, että voimat muuttavat kappaleen energiaa, on ehdotettu "neljänneksi laiksi".
Gravitaatiolain löytäminen
Kun useimmat ihmiset ajattelevat Isaac Newtonia, he näkevät hänet istumassa omenapuun alla katselemassa omenan putoamista. Jotkut uskovat, että omena putosi hänen päähänsä. Newton ymmärsi, että omenan kaltaiset asiat putoavat maahan tietynlaisen voiman ansiosta - voiman, jota kutsumme painovoimaksi. Newton ajatteli, että painovoima on kahden kappaleen, kuten omenan ja maan, välinen vetovoima. Hän ajatteli myös, että esine, jossa on enemmän ainetta, kohdistaa pienempiin esineisiin saman voiman kuin ne kohdistavat siihen. Tämä tarkoitti sitä, että maapallon suuri massa veti esineitä sitä kohti. Siksi omena putosi alaspäin eikä ylöspäin, ja siksi ihmiset eivät leiju ilmassa.
Isaac Newton jatkoi painovoiman pohtimista. Ennen Newtonia ihmiset ajattelivat, että vain lähellä maata olevat esineet putoavat alas. Newton kuitenkin ajatteli, että painovoiman ei pitäisi rajoittua vain maahan ja sen päällä oleviin esineisiin. Entä jos painovoima ulottuisi kuuhun ja sen ulkopuolelle?
Newton keksi kaavan kahden kappaleen välisen vetovoiman laskemiseksi. Hän käytti sitä laskeakseen voiman, joka tarvitaan kuun pitämiseen liikkeessä maan ympärillä. Sitten hän vertasi sitä voimaan, joka sai omenan putoamaan alaspäin. Kun hän oli ottanut huomioon, että kuu on paljon kauempana maasta ja että sillä on paljon suurempi massa, hän huomasi, että voimat olivat samat. Maan vetovoima pitää kuun kiertoradalla maan ympärillä.
Newtonin keksimää kaavaa kutsutaan gravitaatiolaiksi.
Vaikutus
Sir Isaac Newtonin laskelmat muuttivat tapaa, jolla ihmiset ymmärsivät maailmankaikkeutta. Kukaan ei ollut pystynyt selittämään, miksi planeetat pysyivät kiertoradoillaan. Mikä piti niitä pystyssä? Alle 50 vuotta ennen Isaac Newtonin syntymää ajateltiin, että planeettoja piti paikallaan näkymätön kilpi. Iisak todisti, että auringon painovoima piti niitä paikallaan. Hän osoitti myös, että etäisyys ja massa vaikuttavat painovoimaan. Hän ei ollut ensimmäinen, joka ymmärsi, että planeetan kiertorata ei ollut ympyränmuotoinen vaan pikemminkin pitkänomainen, soikea. Hän selitti, miten se toimi.
Isaac Newton löysi ensimmäisenä painovoiman ja liikkeen lait. Hän perusti myös uuden matematiikan alan, joka tunnetaan nimellä laskutoimitus, vaikka saksalainen Gottfried Leibniz oli kehittänyt ideat samaan aikaan. Hänen työnsä vaikutti suuresti luonnontieteiden ja matematiikan aloihin, mikä teki hänestä yhden ihmiskunnan historian vaikutusvaltaisimmista tiedemiehistä ja yhden kaikkien aikojen suurimmista matemaatikoista.
Suuri fyysikko Albert Einstein oli sitä mieltä, että Newtonin käsitys painovoimasta ei ollut täysin tarkka. Hän korjasi monia Newtonin tekemiä asioita.
Kuolema
Isaac Newton kuoli 31. maaliskuuta 1728 [O.S. 20. maaliskuuta 1728] Lontoossa, Englannissa.
Hänet on haudattu Westminster Abbeyyn. Hän loi pohjan monille tuleville kuuluisille fyysikoille, kuten Albert Einsteinille, James Chadwickille ja Stephen Hawkingille.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Kuka oli Sir Isaac Newton?
A: Sir Isaac Newton oli englantilainen fyysikko, matemaatikko ja tähtitieteilijä.
K: Mistä hänet tunnetaan hyvin?
V: Hänet tunnetaan hyvin työstään liikkeen lakien, optiikan, painovoiman ja laskennan parissa.
K: Minkä kirjan hän julkaisi vuonna 1687?
V: Newton julkaisi vuonna 1687 kirjan nimeltä Philosophiو Naturalis Principia Mathematica, jossa hän esittelee teoriansa yleismaailmallisesta gravitaatiosta ja kolme liikkeen lakia.
K: Mitä hän keksi vuonna 1668?
V: Vuonna 1668 Newton rakensi ensimmäisen käytännöllisen heijastavan kaukoputken.
K: Miten Newton selitti valon?
V: Newton kehitti valoteorian, joka perustui havaintoon, jonka mukaan prisma hajottaa valkoisen valon sateenkaaren väreiksi.
K: Kuka muu jakoi hänen kanssaan kunnian laskennan kehittämisestä?
V: Newton jakoi kunnian laskennan kehittämisestä Gottfried Leibnizin kanssa.
K: Kuinka kauan hänen ajatuksensa hallitsivat fysiikkaa, kunnes Albert Einsteinin suhteellisuusteoria muutti niitä?
V: Newtonin ajatukset valosta, liikkeestä ja painovoimasta hallitsivat fysiikkaa seuraavat kolme vuosisataa, kunnes Albert Einsteinin suhteellisuusteoria muutti niitä.
Etsiä