Четыре фундаментальные силы управляют всеми взаимодействиями во Вселенной. Это слабые ядерные силы, сильные ядерные силы, электромагнетизм и гравитация. Из них гравитация, пожалуй, самая загадочная. Хотя в течение некоторого времени было понятно, как этот закон физики действует в макромасштабе - управляя нашей Солнечной системой, галактиками и сверхскоплениями - как он взаимодействует с тремя другими фундаментальными силами, остается загадкой.
Естественно, у людей было базовое понимание этой силы с незапамятных времен. И когда дело доходит до нашего современного понимания гравитации, заслуга одного человека, который расшифровал его свойства и то, как он управляет всеми вещами, великими и малыми, - сэра Исаака Ньютона. Благодаря этому английскому физику и математике 17-го века наше понимание Вселенной и законов, управляющих ею, навсегда изменится.
В то время как мы все знакомы с культовым изображением человека, сидящего под яблоней и имеющего одно падение на голову, теории гравитации Ньютона также представляют собой кульминацию многолетних исследований, которые, в свою очередь, основаны на многовековых накопленных знаниях. Он представил бы эти теории в своем великом произведении, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica («Математические основы естественной философии»), которая была впервые опубликована в 1687 году.
В этом томе Ньютон изложил то, что станет известным как его Три закона движения, которые были получены из законов движения планет Иоганна Кеплера и его собственного математического описания гравитации. Эти законы заложат основу классической механики и останутся неизменными на протяжении веков - до 20-го века и до появления теории относительности Эйнштейна.
Физика к 17 веку:
17-й век был очень благоприятным временем для наук, и крупные прорывы произошли в области математики, физики, астрономии, биологии и химии. Некоторые из величайших достижений этого периода включают разработку гелиоцентрической модели Солнечной системы Николаем Коперником, новаторскую работу с телескопами и наблюдательной астрономией Галилео Галилея, а также разработку современной оптики.
Также в этот период Йоханнес Кеплер разработал свои законы движения планет. Сформулированные между 1609 и 1619 годами, эти законы описывали движение известных тогда планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн) вокруг Солнца. Они заявили, что:
- Планеты движутся вокруг Солнца в виде эллипсов, с Солнцем в одном фокусе
- Линия, соединяющая Солнце с планетой, проходит в равные промежутки времени.
- Квадрат орбитального периода планеты пропорционален кубу (3-й степени) среднего расстояния от Солнца в (или другими словами - «большой полуоси» эллипса, равной половине суммы наименьшего и наибольшее расстояние от Солнца).
Эти законы разрешили оставшиеся математические проблемы, поднятые гелиоцентрической моделью Коперника, тем самым устраняя все сомнения в том, что это была правильная модель Вселенной. Исходя из этого, сэр Исаак Ньютон начал рассматривать гравитацию и ее влияние на орбиты планет.
Три закона Ньютона:
В 1678 году Ньютон пережил полный нервный срыв из-за переутомления и вражды с коллегой-астрономом Робертом Гуком. В течение следующих нескольких лет он отказался от переписки с другими учеными, за исключением тех мест, где они были инициированы, и возобновил свой интерес к механике и астрономии. Зимой 1680-81 годов появление кометы, о которой он переписывался с Джоном Фламстидом (английским королевским астрономом), также возобновило его интерес к астрономии.
Изучив законы движения Кеплера, Ньютон разработал математическое доказательство того, что эллиптическая форма планетарных орбит будет результатом центростремительной силы, обратно пропорциональной квадрату вектора радиуса. Ньютон сообщил об этих результатах Эдмонду Халли (первооткрывателю «Кометы Хейли») и Королевскому обществу в его De motu corporum в извилине.
Этот трактат, опубликованный в 1684 году, содержал семя того, что Ньютон расширил бы, чтобы сформировать свой опус магнума, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, Этот трактат, опубликованный в июле 1687 года, содержал три закона движения Ньютона, в которых говорилось, что:
- При просмотре в инерциальной системе отсчета объект либо остается в покое, либо продолжает двигаться с постоянной скоростью, если на него не действует внешняя сила.
- Векторная сумма внешних сил (F) на объекте равна массе (м) этого объекта, умноженного на вектор ускорения (а) объекта. В математической форме это выражается как: F =м
- Когда одно тело прилагает силу ко второму телу, второе тело одновременно прилагает силу, равную по величине и противоположную по направлению к первому телу.
Вместе эти законы описывали отношения между любым объектом, силами, действующими на него, и возникающим в результате движением, закладывая фундамент для классической механики. Законы также позволили Ньютону рассчитать массу каждой планеты, уплощение Земли на полюсах и выпуклость на экваторе, а также то, как гравитационное притяжение Солнца и Луны создает приливы Земли.
В той же работе Ньютон представил исчисляемый метод геометрического анализа с использованием «первого и последнего соотношений», определил скорость звука в воздухе (на основе закона Бойля), объяснил процессии равноденствий (которые он показал, были результат гравитационного притяжения Луны к Земле), инициировал гравитационное исследование нарушений в движении Луны, предоставил теорию для определения орбит комет и многое другое.
Ньютон и «инцидент с Apple»:
История о том, что Ньютон выдвинул свою теорию всемирного тяготения в результате падения яблока на его голову, стала основой популярной культуры. И хотя часто утверждается, что история является апокрифической, и Ньютон ни разу не разработал свою теорию, сам Ньютон много раз рассказывал эту историю и утверждал, что инцидент вдохновил его.
Кроме того, работы Уильяма Стукли - английского священника, антиквара и члена Королевского общества - подтвердили эту историю. Но вместо смешного изображения яблока, поражающего Ньютона по голове, Стукли описал в своем Воспоминания о жизни сэра Исаака Ньютона (1752) разговор, в котором Ньютон описал размышление о природе гравитации, наблюдая за падением яблока.
«… Мы пошли в сад и выпили их под сенью каких-то яблок; только он и я. он сказал мне, что среди других рассуждений он просто находился в той же ситуации, что и раньше, когда ему приходило в голову понятие гравитации. «Почему это яблоко всегда должно опускаться перпендикулярно земле», - подумал он про себя; из-за падения яблока ...
Джон Кондуитт, помощник Ньютона в Королевском монетном дворе (который в итоге женился на своей племяннице), также рассказал, что слышал эту историю в своем собственном рассказе о жизни Ньютона. По словам Кондуитта, инцидент произошел в 1666 году, когда Ньютон путешествовал, чтобы встретиться со своей матерью в Линкольншире. Блуждая в саду, он размышлял о том, как влияние гравитации простирается далеко за пределы Земли, что является причиной падения яблока, а также орбиты Луны.
Точно так же Вольтер писал Очерк эпической поэзии (1727), что Ньютон впервые подумал о системе гравитации, гуляя по своему саду и наблюдая, как яблоко падает с дерева. Это согласуется с записями Ньютона 1660-х годов, которые показывают, что он боролся с идеей о том, как земная гравитация простирается в обратной квадратной пропорции до Луны.
Однако ему понадобится еще два десятилетия, чтобы полностью развить свои теории до такой степени, что он сможет предложить математические доказательства, как показано в Principia, Как только это было завершено, он сделал вывод, что та же самая сила, которая заставляет объект упасть на землю, была ответственна за другие орбитальные движения. Следовательно, он назвал это «универсальной гравитацией».
Различные деревья считаются «яблоней», которую описывает Ньютон. Королевская школа Грэнтем утверждает, что их школа приобрела оригинальное дерево, выкорчевала его и через несколько лет доставила в сад директора школы. Тем не менее, Национальный фонд, которому принадлежит доверие усадьбы Вулстхорпа (где вырос Ньютон), утверждает, что дерево все еще находится в их саду. Видно, что потомок оригинального дерева растет у главных ворот Тринити-колледжа в Кембридже, ниже комнаты, в которой жил Ньютон, когда учился там.
Работа Ньютона окажет глубокое влияние на науку, и ее принципы будут оставаться каноническими в течение следующих 200 лет. Он также послужил основой для концепции всеобщей гравитации, которая стала основой современной астрономии и не будет пересмотрена до 20-го века - с открытием квантовой механики и теории общей теории относительности Эйнштейна.
Мы написали много интересных статей о гравитации здесь, в журнале Space. Вот кем был сэр Исаак Ньютон? Кто был Галилео Галилей? Что такое сила тяжести? И Что такое гравитационная постоянная?
У Astronomy Cast есть несколько хороших эпизодов на эту тему. Вот Эпизод 37: Гравитационное лицензирование и Эпизод 102: Гравитация,
Источники:
- НАСА - законы движения Ньютона
- Класс физики - закон всемирного тяготения Ньютона
- BBC iWonder - Исаак Ньютон
- Википедия - Исаак Ньютон
