Isaac Newton - Natuurkunde van het menselijk lichaam

Isaac Newton
Isaac Newton was de leidende figuur
in de wetenschappelijke revolutie
van de 17e eeuw. Hij werd geboren
op 25 december 1642 in een
herenhuis in het dorpje Woolstorpe.
Dat ligt vlak bij Grantham in het
graafschap Lincolnshire in Engeland.
Hij was beslist geen prettig mens om
mee om te gaan. Desondanks is
Newton wellicht wel het grootste
wetenschappelijk genie dat ooit
geleefd heeft. Hij heeft zeer
wezenlijke bijdragen geleverd op tal
van belangrijke gebieden.
Zijn interesse ging al vroeg uit naar
boeken en wiskundige vraagstukken.
Zijn familie besloot hem een univer
sitaire opleiding te laten volgen. In
juni 1661 liet hij zich inschrijven in
het Trinity College van de universiteit
Isaac Newton
van Cambridge.
In de eerste fase viel Newtons bijzondere intelligentie nog niet op. Die kwam
pas aan het licht toen de universiteit in de zomer van 1665 vanwege een
pestepidemie gesloten werd en hij terug moest keren naar zijn geboorte plaats.
In de jaren die volgden begonnen zijn revolutionaire ontwikkelingen in wiskunde,
optica, natuurkunde en sterrenkunde.
Als 20-jarige jongeman kocht hij in 1663 op de jaarmarkt in Stourbridge een
boek over astrologie, te zien wat erin stond tekening die hij niet begreep omdat
hij op school geen wiskunde had geleerd. Daarom kocht hij een boek over
trigonometrie, maar merkte al snel dat hij niet in staat was de meetkundige
redeneringen te volgen. Hij kwam in het bezit van het boek wiskundige Euclides
(ca. 300 v. Chr.) en begon te lezen.
Tijdens zijn - door de pestepidemie - noodgedwongen verblijf in zijn
geboortedorp Woolsthorp legde hij niet alleen de grondslagen voor differentiaalen integraalrekenen, maar begon hij ook inzichten te ontwikkelen over de
theorie van de universele zwaartekracht en deed hij diepgaande ontdek kingen
over de aard van het licht.
Als student was Newton geboeid door het verschijnsel licht en gefascineerd
door de zon. Door een gaatje in een van zijn vensterluiken te maken, liet
Newton een smalle bundel licht op de witte muur van zijn werkkamer vallen.
Toen hij een glazen prisma in de lichtbundel plaatste, maakte de witte plek op
de muur plaats voor een heldere regenboog van kleuren.
Het «witte» licht van de zon bleek door het prisma tot alle kleuren van de
regenboog uiteengerafeld te worden. Newton noemde de kleurenband op zijn
muur spectrum, een woord uit het Latijn dat «(geestes)verschijning» betekent.
Ook toonde hij aan dat met een tweede prisma de kleuren van de regenboog
weer tot wit licht samengevoegd kunnen worden.
De spreiding van de verschillende kleuren van wit licht bij breking door een
prisma noemen we dispersie of kleurschifting.
Ook verklaarde hij de dubbele breking en de polarisatie van licht.
In 1667 ging Newton weer terug naar de universiteit van Cambridge om zijn
studie af te maken. te lijn en met dezelfde snelheid zal blijven voortbewegen,
tenzij er een kracht van buitenaf op werkt.
Zijn eerste colleges gingen over optica, met name over zijn opmerkelijke
ontdekkingen die hij tijdens de pestepidemie had verricht.
De kern van Newton's werk is de idee dat elk voorwerp zich in één rechte lijn
voortbeweegt. Als een voorwerp in rust is, komt dat doordat een bepaalde
kracht het daartoe dwingt. Zo zorgt de weerstand van de lucht ervoor dat een
rollende bal tot stilstand komt. Dit noemen we wrijving. En als iets zich met een
hogere of lagere snelheid beweegt, of van richting verandert, komt dat omdat
een bepaalde kracht die verandering heeft veroorzaakt.
Newton gebruikte de wiskunde om aan te tonen dat veranderingen in snelheid
en richting altijd evenredig zijn met de massa van het voorwerp en de
betreffende kracht.
De massa van een voorwerp is een eigenschap die afhankelijk is van zijn
afmeting en gewicht. Anders gezegd: de massa van een voorwerp is af te leiden
uit de inspanning of de hoe veelheid kracht die nodig is om het in beweging te
brengen of, als het voorwerp al beweegt, de snelheid van die beweging te
verhogen. Deze bewegingswetten, die nog altijd worden onderwezen als de
basis van de natuurkunde, maakten het mogelijk de zwaartekracht te verklaren.
Newton beweerde dat elk lichaam of voorwerp een ander lichaam of voorwerp
aantrekt met een kracht die de zwaartekracht wordt genoemd.
Een lichaam met een zeer grote massa zal een merkbare zwaartekracht
uitoefenen op een lichaam met een veel kleinere massa. Op die manier trekt de
aarde een appel naar haar oppervlak. De appel trekt de aarde ook aan. Maar
omdat de appel zo'n kleine massa heeft in vergelijking met de aarde, trekt hij de
aarde slechts met een onwaarneembare zwakke kracht aan. Omdat de appel
naar de aarde valt, lijkt het alsof de zwaartekracht eenzijdig is. In feite is de
zwaartekracht zo'n geringe kracht, dat ook twee objecten met een gelijke massa
elkaar nauwelijks waarneembaar aan trekken. Daarom zullen twee appels met
een gelijke massa op een schaal niet naar elkaar toe worden getrokken, ook al
trekken ze elkaar wel een beetje aan. En hoe groter de afstand tussen twee
voorwerpen is, des te geringer is hun zwaartekracht.
Newton realiseerde zich, dat als andere grote objecten, zoals de zon, de maan
en de planeten, de aarde schenen te vergezellen, de onderlinge zwaartekracht
buitengewoon groot moest zijn. Zelfs over een grote afstand. Als er geen kracht
was om hen tegen te houden, zouden al deze hememlichamen zich in de een of
andere richting door de ruimte moeten bewegen. Normaal zou deze beweging
in een rechte lijn ver lopen, tenzij een hemellichaam zo dichtbij kwam dat hij de
andere ging aantrekken. De kracht zou misschien niet groot genoeg zijn om die
twee hemellichamen helemaal naar elkaar toe te trekken, maar hij zou beslist
sterk genoeg kunnen zijn om de baan van één van hen om te buigen. De kracht
zou zelfs het object met de minste massa in een baan rond het grootste object
kunnen trekken, als het juiste evenwicht werd gevonden tussen de massa van
de objecten, de bewegingsrichting en hun onderlinge afstand.
Newton werkte een wiskundige vergelijking uit om hun verband te kunnen
omschrijven en besloot te onderzoeken in hoeverre die op de leden van het
zonnestelsel van toepassing is. In zijn berekeningen nam hij ook de onderlinge
verstoringen van de planeten mee om te zien of de waargenomen en
voorspelde posities in goede overeenstemming waren. Zoals bij al zijn
onderzoekingen verwachtte Newton dat zijn theorieën door experimenten of
waarnemingen bevestigd konden worden. Hij verwierp veronderstellingen
waarvan hij geloofde dat ze niet door experimenten of waarnemingen te
kontroleren zouden zijn.
De omloopbanen van de planeten Mars, Jupiter en Saturnus kwamen precies
overeen met de waargenomen posities. Later werd ontdekt dat in de baan van
Mercurius een kleine af wijking zat. Dit werd onmiddellijk toegeschreven aan de
onnauwkeurigheid van de waarnemingen, aangezien de verge lijkingen van
Newton alle andere banen zo perfect hadden beschreven.
Newton had aangetoond dat dezelfde kracht die een appel naar de aarde doet
vallen, de maan in haar baan houdt, de planeten in een elliptische baan om de
zon houdt en ook verantwoordelijk is voor het rondlopen van de door Galileo
Galilei ontdekte vier grote manen van Jupiter rondom die reuzenplaneet. Het is
een wet van het omgekeerde kwadraat.
De kracht neemt af, evenredig met het kwadraat van de afstand. Als de afstand
tussen twee voorwerpen twee keer zo groot wordt, is de onderlinge
aantrekkingskracht die ze naar elkaar toe trekt, nog maar een vierde van de oor
spronkelijke aantrekkingskracht. Als de afstand tien keer zo groot wordt, is de
aantrekkingskracht 10ý = 10 x 10 = 100 keer kleiner.
Het was duidelijk dat de kracht in zekere zin omgekeerd werkte. Daarmee wordt
bedoeld afnemend bij toenemende af stand. Dat is de reden waarom een
komeet of planeet op grote afstand van de zon langzamer beweegt en sneller
als zij de zon nadert. De zwaartekracht is immers des te zwakker naarmate zij
zich verder van de zon bevindt.
Alhoewel Newton al in 1666 de grondslag legde voor zijn theorie van de
universele zwaartekracht, duurde de publicatie hiervan tot 1687. Toen
verscheen zijn beroemde werk beginselen der Natuurkunde). Dit belangrijke
werk wordt meestal kortweg Principia. Het behandelt waargenomen
eigenschappen van lichamen en hun bewegingen. Hieruit kon hij enkele
algemene wetten af leiden die gerelateerd waren aan natuurkrachten, algemene
wetten die andere natuurverschijnselen konden voorspellen. De «Principia» was
verdeeld in drie delen. De eerste twee delen behandelden de algemene
principes van bewegingen en krachten.
In het derde deel beschreef Newton de wederzijdse gravitatie krachten tussen
de planeten en de zon. Uit deze krachten leidde hij hun bewegingen af. De wet
die hieruit volgde luidt: de kracht tussen twee lichamen is gericht langs hun
verbindings lijn en is recht evenredig aan het product van hun massa's en
omgekeerd evenredig met het kradraat van hun afstand. De sterrenkunde, de
oudste wetenschap, en de dynamica werden door deze wet verenigd.
Newton was geen gemakkelijk mens. Hij werd door zijn bediende beschreven
als iemand die nooit aan ontspanning deed, nooit uit ging rijden om een luchtje
te scheppen, nooit wandelde, kegelde, of wat dan ook, omdat hij meende dat
alle uren die hij niet aan zijn studie besteedde, verloren uren waren.
Hij hield zich daar zo nauw aan, dat hij zelden uit zijn kamer kwam, behalve om
les te geven. Maar zijn studenten waren gering in aantal terwijl slechts een
enkeling hem begreep. Zodoende stond hij vaak, bij wijze van spreken, tegen
de muren te praten.
Newton's studie van de planetenbeweging voerde hem nog verder.
Hij bewees dat ieder symmetrisch bolvormig voorwerp, zoals een planeet, zich
gedraagt alsof alle massa is geconcentreerd in het middelpunt. Verder merkte
hij op dat de draaiing van de aarde een uitstulping moest veroorzaken om de
evenaar.
Newton ontwikkelde in 1671 ook een verbeterde versie van de
spiegeltelescoop. Dit stelde hem in staat met een kortere buis een scherper
beeld te krijgen. Het beeld dat op een parabolische spiegel valt, wordt
teruggekaatst en nabij het brandpunt van die spiegel met behulp van een hulp
spiegeltje buiten de kijkerbuis gebracht. Zijn telescoop werd het basismodel
voor de gigantische telescopen die tegenwoordig gebruikt worden.
Na een zenuwinzinking gehad te hebben verruilde hij in 1693 het
wetenschappelijk onderzoek voor een overheidsfunctie in Londen. In 1696 werd
hij opzichter van de Koninklijke munt en in 1699 directeur ervan, een
buitengewoon voordelige positie. Hij hield toezicht op de grote Engelse
geldvoorziening van de laatste jaren van de 17e eeuw en was genadeloos
tegenover valsemunters.
In 1703 werd Newton voorgedragen als president van de Royal Society. Tot zijn
dood in 1727 zou hij deze functie blijven bekleden. In 1708 werd hij door
koningin Anne geridderd.
Vlak voor zijn dood in 1727 schreef Newton: «Ik weet niet welk beeld de wereld
van mij zal hebben, maar in mijn eigen ogen ben ik alleen een jongetje geweest
dat speelt op het strand en nu en dan het plezier heeft dat hij een nóg gladder
steentje of een nóg mooiere schelp ontdekt, ter wijl de grote oceaan der
waarheid nog onontdekt voor hem ligt. Isaac Newton vertegenwoordigde een
belangrijk keerpunt in de menselijke geschiedenis. De ontdekking dat tamelijk
eenvoudige natuurwetten de gehele natuur beheersen, dat dezelfde regels
gelden op zowel de aarde als aan de hemel en dat de manier waarop de wereld
is opgebouwd haar weerklank vindt in onze manier van denken. Onze
hedendaagse beschaving, onze kijk op de wereld en onze huidige verkenning
van het universum zijn intens veel verschuldigd zijn inzichten.
Sir Isaac Newton overleed op 31 maart 1727 in Londen. Hij is 84 jaar geworden.