Idei geniale care au schimbat omenirea – Legile mişcării

0
18

„Adevărul poate fi găsit în simplitate“, se pare că ar fi scris Newton în Reguli pentru sistematizarea Apocalipsei, „şi nu în diversitatea şi în confuzia lucrurilor.“

Şi, cu ajutorul celor trei legi fundamentale ale mişcării formulate de el, împreună cu legea gravitaţiei, acesta a redus întreaga istorie, prezentul şi viitorul universului, la câteva premise simple şi la o serie de ecuaţii matematice simple.

Deşi sunt necesare câteva ajustări minore la extremele scării – pentru relativitatea lui Einstein, la o scară uriaşă, şi pentru teoria cuantică despre particulele subatomice – „Sistemul lumii“ al lui Newton oferă un instrument simplu şi impresionant pentru studierea şi anticiparea fiecărei mişcări din univers.

Folosind legile lui Newton, oamenii de ştiinţă pot dezlega orice problemă, de la modul în care o motocicletă va lua o curbă până la traiectoria unei nave spaţiale din jurul planetei Jupiter, de la forţa aripilor unui fluture până la mişcarea mareelor din oceane.

Este o idee uimitoare şi a susţinut multe realizări importante din domeniul ştiinţei şi tehnologiei din ultimele trei secole. Pentru a vedea cât de elegante şi de cuprinzătoare sunt legile lui Newton şi ce rol esenţial continuă să îl aibă în ştiinţa de ultimă oră, trebuie să urmărim două descoperiri recente fundamentale din astronomie: materia neagră şi planetele din afara sistemului solar.

Universul este ca un ceas minunat alcătuit din obiecte în mişcare, cu sateliţi naturali care orbitează planete, care orbitează stele, cu stele ce orbitează galaxii şi galaxii ce se rotesc unele în jurul celorlalte.

Legile gravitaţiei şi ale mişcării ale lui Newton demonstrează destul de simplu că, cu cât se deplasează mai departe un obiect în cerc, cu atât mai încet trebuie să meargă pentru a-i da impulsul să menţină un curs constant. Aşadar, astronomii au fost foarte surprinşi să descopere în anii 1970 că stelele de la marginea galaxiei orbitează la fel de rapid ca stelele din apropierea centrului.

Singura explicaţie valabilă a fost faptul că stelele nu sunt la marginea galaxiei, aşa cum par. Acestea sunt ţinute, de fapt, într-un disc de materie mult mai mare, pe care pur şi simplu nu îl putem vedea. Astronomii îl numesc acum materie invizibilă, materie neagră.

Folosind doar legile lui Newton, astronomii au putut calcula că toate stelele din fiecare galaxie sunt încorporate în halouri uriaşe de materie neagră, care se întind dincolo de discul vizibil al galaxiei, în toate direcţiile.

În realitate, discul de stele are aspectul unui piper împrăştiat între jumătăţile unei chifle gigantice invizibile de materie neagră. Nu putem vedea deloc această chiflă; ştim doar că se află acolo datorită efectelor puternice ale gravitaţiei sale.

În mod similar, în 1995, astronomii au confirmat că au detectat pentru prima dată o planetă nouă mult dincolo de sistemul solar, orbitând o stea îndepărtată asemănătoare cu Soarele, numită 51 Pegasi. De atunci au fost descoperite multe alte planete extrasolare orbitând stele îndepărtate, iar totalul, în iulie 2010, a fost de 466 de planete.

Aceste planete sunt atât de îndepărtate şi de întunecate comparativ cu steaua lor mamă, încât este aproape imposibil să le vedem direct, chiar şi cu cele mai puternice telescoape din spaţiu. Într-adevăr, doar zece au fost fotografiate, de fapt, direct.

Aproape toate aceste planete îndepărtate uimitoare sunt descoperite utilizând legile lui Newton. Astronomii caută tremuratul uşor din mişcarea stelei mamă cauzat de gravitaţia planetei – şi legile lui Newton le permit să calculeze dimensiunea planetei şi distanţa sa faţă de stea.

Nu există o mărturie mai puternică legată de puterea legilor decât aceasta, aplicată la unele dintre cele mai îndepărtate extremități ale spaţiului despre care avem cunoștină.

În 1726, în timp ce lua masa de prânz cu William Stukeley, Newton a declarat că inspiraia pentru ideea gravitaţiei i-a venit într-o zi de vară târzie, cu șaizeci de ani mai devreme, când medita în grădina de la Woolsthrpe şi a văzut un măr căzând dintr-un copac. Nu se ştie suficient de bine la ce s-a gândit văzând cum cade mărul, însă intenţia adevărată a lui Newton a fost aceea de a înţelege pur şi simplu cum a căzut.

În jumătatea de secol de dinainte, Kepler demonstrase că planetele au orbite eliptice (ovale) şi Galileo demonstrase că obiectele care cad pe pământ cu o mișcare uniform accelerată. Totuşi, nimeni nu se gândise să facă legătura între aceste două evenimente, cu atât mai puțin să demonstreze că ele au aceeaşi cauză universală.

Newton a realizat că mărul nu doar cădea, ci era atras de o forţă invizibilă – şi, mai târziu, s-a întrebat dacă nu cumva aceeaşi forţă menţine planetele pe orbită. Așa cum gravitaţia atrage mărul spre pământ, la fel, aceasta menţine Luna pe orbita sa în jurul Pământului, şi planetele în jurul Soarelui.

De la această idee simplă, dar genială, Newton şi-a dezvoltat teoria gravitaţiei, despre atracţia universală care încearcă să țină la un loc întreaga materie. Cu ajutorul dovezilor sale matematice extraordinare, el a demonstrat că forţa gravitaţiei trebuie să fie aceeaşi peste tot şi că atracţia dintre două corpuri depinde de masă (cantitatea de materie din ele) şi de pătratul distanţei dintre ele.

În următorii douăzeci de ani, Newton şi-a elaborat ideea gravitaţiei, transformând într-un sistem cuprinzător ce includea trei mari legi ale mişcării.

Prima lege a fost aceea a inerţiei sau a impulsului. Practic, aceasta arată că lucrurile rămân nemişcate sau continuă să se mişte cu aceeaşi viteză în linie dreaptă, dacă nu le împinge sau nu le atrage ceva, adică o forţă. El a aplicat această lege pentru Lună – demonstrând că Luna încearcă să urmeze o linie dreaptă, însă gravitaţia o împinge într-o orbită.

A doua idee este aceea că gradul şi direcţia oricărei schimbări – acceleraţia unui obiect – depind în întregime de forţă şi de cât de greu este obiectul afectat. Dacă Luna ar fi mai aproape de Pământ, forţa gravitaţională dintre acestea ar fi atât de mare, încât Luna ar fi trasă în jos şi s-ar prăbuşi pe Pământ. Dacă ar fi mai departe, forța gravitaţională ar fi atât de slabă, încât Luna ar zbura în spaţiu.

A treia lege a arătat că fiecare acţiune şi reacţiune este egală şi opusă – aşadar, atunci când două corpuri se ciocnesc, acestea ricoșează cu o forţă egală. Cheia succesului lui Newton a fost, poate, faptul că el nu a încercat să explice gravitaţia; pur şi simplu a prezentat o descriere matematică, scriind: „Nu am reuşit să descopăr cauza acestor proprietăţi ale gravitaţiei observând fenomenele, şi nu prezint nici o ipoteză… este suficient că gravitaţia chiar există şi se comportă potrivit legilor pe care le-am explicat şi serveşte din plin la desluşirea tuturor mişcărilor corpurilor celeste şi a celor din mare.“

În acea vreme a fost criticat pentru lipsa explicaţiilor, însă treptat s-a dovedit că aceasta a fost cea mai mare intuiţie a sa – aceea de a descrie pur şi simplu cu o precizie matematică mai degrabă decât să încerce să desluşească misterul şi, aşa cum a spus şi el, să încerce să citească gândurile lui Dumnezeu.

Astăzi, nu mai punem la îndoială teoriile lui Newton despre cum se mişcă lucrurile, astfel încât este greu să ne imaginăm cât de mare a fost descoperirea lor.

Înainte de Newton, nu existase ideea că mişcarea peştilor din mare sau a hârtiei bătute de vânt ar fi avut ceva în comun cu mişcarea astrelor, ca să nu mai vorbim şi că ar fi previzibile cumva. Cel mult au fost considerate ca fiind controlate de factori unici, locali; în cel mai rău caz, de capriciile zeilor.

În esenţă, universul era un loc misterios, capricios. Prin legea gravitaţiei şi prin cele trei legi ale mişcării, Newton a demonstrat că fiecare mişcare, mare sau mică, pe Pământ sau în cele mai îndepărtate zone din spaţiu, se comportă după aceleaşi legi simple, universale.

În cartea sa Philosophiae naturalis principia mathematica (Principiile matematice ale filosofiei naturale) sau, mai simplu, Principia, poate cea mai mare carte de ştiinţă scrisă vreodată, acesta a desluşit misterul haotic al universului şi a demonstrat că totul se comportă peste tot într-o manieră ordonată, complet inteligibilă.

A fost de parcă întregul univers fusese dezvăluit în sfârşit ca o mare maşinărie precisă, incredibil de complexă, iar legile lui Newton au constituit cheia cu care putea fi pusă în funcțiune.

În mod incredibil, a demonstrat că legile pe care le aplicăm aici, pe Pământ, în experimente de laborator, pot fi aplicate în tot universul. Şi mai semnificativ, a demonstrat că fiecare mişcare din univers poate fi analizată matematic, iar Newton a oferit instrumentele matematice pentru a proceda astfel, cu ajutorul celor două ramuri complet noi ale matematicii pe care le-a creat – calculul diferenţial şi cel integral.

Înarmaţi cu legile şi cu instrumentele matematicii lui Newton, a devenit posibil, în teorie, să prezicem mişcarea a tot ce se află în univers, de la cea mai mare stea până la cea mai mică moleculă, pentru totdeauna în viitor. Nu este de mirare atunci că, pe măsură ce ideile lui Newton au început să fie consolidate, acesta a ajuns să fie privit cu mare admiraţie în secolul al XVIII-lea.

Revelaţia sa că universul se comportă potrivit unor legi universale previzibile a inaugurat o epocă total nouă şi optimistă, epoca Iluminismului, când oamenii credeau că noi, specia umană, doar prin eforturile noastre, putem învăţa să înţelegem şi să îmbunătăţim lumea.

Aşa cum a spus şi poetul Alexander Pope, în faimoasa sa poezie satirică, „Natura şi legile ei stau ascunse în noapte;/ Dumnezeu a zis, «Să fie Newton!», şi s-a făcut lumină.“

Dacă acest optimism pare obscur astăzi, cauza este doar îndoiala că nu vom face ceea ce este corect – nu că lucrurile sunt în cele din urmă dincolo de înţelegerea noastră, aşa cum a crezut Newton.

Şi dacă teoriile lui Einstein au demonstrat o concepţie mai subtilă, mai adâncă legată de modul în care funcţionează legile universale duse la extrem, legile lui Newton stau la baza modului esenţial în care înţelegem cum funcţionează totul la o scară aplicabilă zi cu zi.

50 de idei geniale care au schimbat omenirea – John Farndon. Traducere Grall Soft. Editura Litera, 2012