Чотири основні сили керують усіма взаємодіями всесвіту. Це слабкі ядерні сили, сильні ядерні сили, електромагнетизм та гравітація. З них гравітація - чи не найбільш загадкова. Хоча вже деякий час розуміється, як цей закон фізики діє на макромасштабі - керуючи нашою Сонячною системою, галактиками та надкластерами - як вона взаємодіє з трьома іншими основними силами, залишається загадкою.
Природно, що люди спочатку розуміли цю силу. Що стосується нашого сучасного розуміння сили тяжіння, то кредит належить одній людині, яка розшифрувала його властивості та тому, як вона керує всіма великими і малими речами - серу Ісааку Ньютону. Завдяки цьому англійському фізику та математику XVII століття наше розуміння Всесвіту та законів, які керують ним, назавжди було б змінено.
Хоча ми всі знайомі із знаковим зображенням людини, яка сидить під яблунею та має одне падіння на голову, теорії тяжіння Ньютона також являли собою кульмінацію багаторічних досліджень, які, в свою чергу, грунтувалися на століттях накопиченого знання. Він представив ці теорії у своєму великому опусі, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ("Математичні засади натурфілософії"), яка вперше була опублікована в 1687 році.
У цьому томі Ньютон виклав те, що стане відомим як його три закони руху, які були отримані із Законів Йоханнеса Кеплера про планетарний рух та його власного математичного опису сили тяжіння. Ці закони лягли б у основу класичної механіки, і залишатимуться безперечними протягом століть - до 20 століття та появи Ейнштейнової теорії відносності.
Фізика до 17 століття:
17 століття було дуже сприятливим часом для наук, основні прориви відбулися в галузі математики, фізики, астрономії, біології та хімії. Деякі з найбільших розробок у цей період включають розробку геліоцентричної моделі Сонячної системи Ніколаусом Коперником, піонерську роботу з телескопами та спостережною астрономією Галілео Галілея, а також розвиток сучасної оптики.
Саме в цей період Йоганнес Кеплер розробив свої Закони про планетарний рух. Ці закони, сформульовані між 1609 і 1619 роками, описували рух відомих тоді планет (Меркурій, Венера, Земля, Марс, Юпітер та Сатурн) навколо Сонця. Вони заявили, що:
- Планети рухаються навколо Сонця в еліпсах, при цьому Сонце знаходиться в одному фокусі
- Лінія, що з'єднує Сонце з планетою, змітає рівні площі в рівний час.
- Квадрат орбітального періоду планети пропорційний кубу (3-ї потужності) середньої відстані від Сонця в (або іншими словами – від «напівмагістральної осі» еліпса, половина суми найменшої і найбільша відстань від Сонця).
Ці закони вирішили інші математичні питання, порушені геліоцентричною моделлю Коперніка, тим самим усунувши всі сумніви, що це була правильна модель Всесвіту. Працюючи над ними, сер Ісаак Ньютон почав розглядати гравітацію та її вплив на орбіти планет.
Три закони Ньютона:
У 1678 р. Ньютон зазнав повного нервового зриву через перевтому і сварку з товаришем-астрономом Робертом Гуком. Наступні кілька років він відійшов від листування з іншими вченими, за винятком випадків, коли вони його ініціювали, і відновив інтерес до механіки та астрономії. Взимку 1680-81 років поява комети, з якою він листувався з Джоном Фламстід (англ. Astronomer Royal), також відновило інтерес до астрономії.
Переглянувши закони руху Кеплера, Ньютон розробив математичний доказ того, що еліптична форма планетарних орбіт випливає із центробетальної сили, обернено пропорційної квадрату радіусного вектора. Ньютон повідомив ці результати Едмону Галлею (відкривцею "Комети Хейлі") та Королівському товариству De motu corporum in gyrum.
Цей тракт, опублікований у 1684 р., Містив насіння того, що Ньютон розшириться, щоб сформувати його магнум опус Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Цей трактат, опублікований у липні 1687 р., Містив три закони про рух Ньютона, в яких зазначалося, що:
- При огляді в інерціальній системі відліку об'єкт або залишається в спокої, або продовжує рухатися з постійною швидкістю, якщо на нього не впливає зовнішня сила.
- Векторна сума зовнішніх сил (F) на об’єкт дорівнює масі (м) цього об'єкта, помноженого на вектор прискорення (a) об'єкта. У математичній формі це виражається як: F =ма
- Коли одне тіло чинить силу на друге тіло, друге тіло одночасно чинить силу, рівну за величиною і протилежну за напрямом на перше тіло.
Ці закони спільно описували взаємозв'язок між будь-яким об'єктом, силами, що діють на нього, і виникаючим ним рухом, що заклало основу класичної механіки. Закони також дозволили Ньютону обчислити масу кожної планети, сплющування Землі на полюсах і опуклість на екваторі, а також те, як гравітаційне тягнення Сонця і Місяця створює припливи Землі.
У цій же роботі Ньютон представив метод геометричного аналізу, що нагадує обчислення, використовуючи «перше і останнє відношення», розробив швидкість звуку в повітрі (на основі закону Бойла), врахував процесію рівнодення (які він показав: результат гравітаційного тяжіння Місяця до Землі), ініціював гравітаційне дослідження нерівномірності руху Місяця, надав теорію для визначення орбіт комет та багато іншого.
Ньютон та "інцидент Apple":
Історія про Ньютона, що придумує свою теорію універсального гравітації в результаті падіння яблука на голову, стало основною популярною культурою. І хоча часто стверджується, що історія є апокрифною, і Ньютон жодної миті не придумував свою теорію, сам Ньютон розповідав історію багато разів і стверджував, що інцидент надихнув його.
Крім того, письмо Вільяма Стюклі - англійського священнослужителя, антикваря та члена Королівського товариства - підтвердили цю історію. Але замість комічного зображення яблука, що вражає Ньютона по голові, Стюклі описав у своєму Спогади про життя сера Ісаака Ньютона (1752) розмова, в якій Ньютон описав обдумування природи сили тяжіння, спостерігаючи, як яблуко падає.
"... ми пішли в сад і пили теа під тінню деяких яблунь; тільки він, і я. серед інших дискурсів, сказав він мені, він опинився просто в тій же ситуації, що і раніше, коли поняття тяжіння прийшло йому в голову. «Навіщо це яблуко завжди опускатися перпендикулярно до землі», - подумав він собі; з нагоди падіння яблука ... "
Джон Кондуїт, помічник Ньютона в Королівському монетному дворі (який врешті-решт одружився з його племінницею), також розповів, що слухав цю історію у своєму звіті про життя Ньютона. За словами Кондуїтта, інцидент стався в 1666 році, коли Ньютон їхав назустріч матері в Лінкольншир. Під час вигулу в саду він роздумував, як вплив гравітації поширюється далеко за межі Землі, що відповідає за падіння яблуні, а також орбіту Місяця.
Аналогічно Вольтер написав своє Нарис епічної поезії (1727), що Ньютон вперше подумав про систему гравітації, гуляючи по своєму саду і спостерігаючи, як яблуко падає з дерева. Це узгоджується із записками Ньютона 1660-х років, в яких видно, що він бореться з ідеєю того, як земна гравітація поширюється, у зворотно-квадратній пропорції, до Місяця.
Однак йому знадобиться ще два десятиліття, щоб повністю розвинути свої теорії до того, що він зміг запропонувати математичні докази, як це було показано в Principia. Як тільки це було завершено, він визнав, що та сама сила, яка змушує предмет впасти на землю, була відповідальною за інші орбітальні рухи. Отже, він назвав це «універсальною гравітацією».
Різні дерева вважаються яблунею, яку описує Ньютон. Королівська школа, Грантхем, стверджує, що їхня школа придбала оригінальне дерево, викорінила його і через кілька років перевезла до саду директора. Однак Національний трест, який тримає у владі садибу Вулсторп (де Ньютон виріс), стверджує, що дерево все ще мешкає у їхньому саду. Нащадка оригінального дерева можна побачити, що росте за межами головних воріт Трініті-коледжу, Кембридж, під кімнатою, в якій жив Ньютон, коли він навчався там.
Робота Ньютона матиме глибокий вплив на науки, його принципи залишатимуться каноном протягом наступних 200 років. Він також повідомив про концепцію універсальної гравітації, яка стала основою сучасної астрономії, і вона не буде переглянута до 20 століття - з відкриттям квантової механіки та теорії загальної відносності Ейнштейна.
Ми написали багато цікавих статей про гравітацію тут у Space Magazine. Ось ким був сер Ісаак Ньютон? Хто був Галілео Галілеєм? Що таке сила тяжіння ?, а що таке гравітаційна константа?
У ролях астрономії є кілька хороших епізодів на цю тему. Ось Епізод 37: Гравітаційне лінзування та Епізод 102: Гравітація,
Джерела:
- НАСА - Закони руху Ньютона
- Клас фізики - закон загального тяжіння Ньютона
- BBC iWonder - Ісаак Ньютон
- Вікіпедія - Ісаак Ньютон
