Четири основни сили управляват всички взаимодействия във Вселената. Те са слаби ядрени сили, силни ядрени сили, електромагнетизъм и гравитация. От тях гравитацията е може би най-загадъчната. Макар че от известно време се разбира как действа този закон на физиката в макромащаба - управляващ нашата Слънчева система, галактики и суперкластери - как тя взаимодейства с трите основни сили остава загадка.
Естествено, хората са имали основно разбиране за тази сила от незапомнени времена. А що се отнася до съвременното ни разбиране за гравитацията, кредитът се дължи на един човек, който дешифрира свойствата му и как той управлява всичко голямо и малко - сър Айзък Нютон. Благодарение на този английски физик и математик от 17 век, нашето разбиране за Вселената и законите, които я управляват, завинаги ще бъде променено.
Докато всички сме запознати с емблематичния образ на човек, който седи под ябълково дърво и има едно падане върху главата си, теориите на Нютон за гравитацията също представляват кулминация на дългогодишни изследвания, които от своя страна се основават на векове натрупани знания. Той ще представи тези теории в своя magnum opus, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica („Математически принципи на естествената философия“), която за първи път е публикувана през 1687 г.
В този том Нютон изложи това, което ще стане известно като неговите три закона на движение, които са получени от Законите на Йоханес Кеплер за планетарното движение и собственото му математическо описание на гравитацията. Тези закони биха поставили основата на класическата механика и ще останат неоспорени в продължение на векове - до 20 век и появата на Теорията на относителността на Айнщайн.
Физика от 17 век:
17 век беше много благоприятен период за науките, като големи пробиви се случиха в областта на математиката, физиката, астрономията, биологията и химията. Някои от най-големите развития в периода включват разработването на хелиоцентричния модел на Слънчевата система от Николай Коперник, пионерската работа с телескопи и наблюдателна астрономия от Галилео Галилей и развитието на съвременна оптика.
През този период Йоханес Кеплер разработва своите закони за планетарно движение. Формулирани между 1609 и 1619 г., тези закони описват движението на известните тогава планети (Меркурий, Венера, Земя, Марс, Юпитер и Сатурн) около Слънцето. Те заявиха, че:
- Планетите се движат около Слънцето в елипси, като Слънцето е в един фокус
- Линията, свързваща Слънцето с планета, помества равни зони в равни времена.
- Квадратът на орбиталния период на планетата е пропорционален на куба (3-та сила) на средното разстояние от Слънцето (или с други думи - на „полу-голямата ос“ на елипсата, половината от най-малката и най-голямо разстояние от Слънцето).
Тези закони разрешиха останалите математически проблеми, повдигнати от хелиоцентричния модел на Коперник, като по този начин премахнаха всички съмнения, че това е правилният модел на Вселената. Работейки от тях, сър Айзък Нютон започва да обмисля гравитацията и нейния ефект върху орбитите на планетите.
Трите закона на Нютон:
През 1678 г. Нютон претърпя пълен нервен срив поради преумора и вражда с колегата си астроном Робърт Хук. През следващите няколко години той се оттегли от кореспонденцията с други учени, с изключение на мястото, където те са го инициирали, и поднови интереса си към механиката и астрономията. През зимата на 1680-81 г. появата на комета, за която той си кореспондира с Джон Фламстед (англ. Astronomer Royal), също поднови интереса си към астрономията.
След като прегледа законите на движението на Кеплер, Нютон разработи математическо доказателство, че елиптичната форма на планетарни орбити се получава от центробелна сила, обратно пропорционална на квадрата на радиусния вектор. Нютон съобщава тези резултати на Едмънд Халей (откривател на „Кометата на Хейли“) и на Кралското общество в De motu corporum в gyrum.
Този тракт, публикуван през 1684 г., съдържа семето на онова, което Нютон ще разшири, за да образува своя магнум опус, The Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, Този трактат, публикуван през юли 1687 г., съдържа трите закона на Нютон, които гласиха, че:
- Когато се гледа в инерциална референтна рамка, обект или остава в покой, или продължава да се движи с постоянна скорост, освен ако не е действан от външна сила.
- Векторната сума на външните сили (F) върху даден обект е равна на масата (т) на този обект, умножен по вектора на ускорение (а) на обекта. В математическа форма това се изразява като: F =mа
- Когато едно тяло упражнява сила върху второ тяло, второто тяло едновременно упражнява сила, равна по величина и противоположна по посока на първото тяло.
Заедно тези закони описваха връзката между всеки обект, силите, действащи върху него, и произтичащото от него движение, поставяйки основата на класическата механика. Законите също така позволиха на Нютон да изчисли масата на всяка планета, изравняването на Земята при полюсите и издутината на екватора и как гравитационното дърпане на Слънцето и Луната създава приливите на Земята.
В същата работа Нютон представи метод на геометричен анализ, подобен на смятане, използвайки „първо и последно съотношение“, разработи скоростта на звука във въздуха (въз основа на закона на Бойл), отчете процесите на равноденствията (които той показа, че са резултат от гравитационното привличане на Луната към Земята), започна гравитационното изследване на нередностите в движението на Луната, предостави теория за определяне на орбитите на кометите и много други.
Нютон и „Apple инцидент“:
Историята на Нютон, измисляща теорията си за универсалното гравитация в резултат на ябълка, падаща върху главата му, се е превърнала в основна популярна култура. И макар че често се спори, че историята е апокрифна и Нютон не е измислил теорията си нито един момент, самият Нютон разказва историята много пъти и твърди, че инцидентът го е вдъхновил.
В допълнение, писанията на Уилям Стъкли - английски духовник, антиквар и член на Кралското общество - потвърдиха историята. Но вместо комичното представяне на ябълката, поразила Нютон по главата, Стюкли описа в своето Спомени от живота на сър Исак Нютон (1752 г.) разговор, в който Нютон описва размишляването върху природата на гравитацията, докато наблюдава как пада ябълка.
„… Влязохме в градината и пихме теа под сянката на някои ябълкови дървета; само той, & аз. на фона на друг дискурс, каза ми той, той просто беше в същата ситуация, както когато преди това, в съзнанието му влизаше понятието гравитация. „Защо тази ябълка винаги да се спуска перпендикулярно на земята“ - помисли си той на себе си; повод от падането на ябълка ... ”
Джон Кондуит, помощник на Нютон в Кралския монетен двор (който в крайна сметка се ожени за племенницата му), също описа слух на историята в собствения си разказ за живота на Нютон. Според Конюит инцидентът е станал през 1666 г., когато Нютон пътувал да се срещне с майка си в Линкълншър. Докато се носи в градината, той обмисля как влиянието на гравитацията се простира далеч отвъд Земята, което е отговорно за падането на ябълката, както и за орбитата на Луната.
По подобен начин Волтер написал своето Есе на епическата поезия (1727 г.), че Нютон първо е мислил за системата на гравитация, докато се разхождал в градината си и гледал как ябълка пада от дърво. Това е в съответствие с бележките на Нютон от 1660-те, които показват, че той се бори с идеята как земната гравитация се простира, в пропорционална квадратна пропорция, до Луната.
Въпреки това ще са му необходими още две десетилетия, за да развие напълно своите теории до степен, че той е в състояние да предложи математически доказателства, както е показано в Principia, След като това приключи, той заключи, че същата сила, която кара един предмет да падне на земята, е отговорна за други орбитални движения. Следователно той го нарече „универсална гравитация“.
За различни дървета се твърди, че са "ябълковото дърво", което Нютън описва. Кралското училище, Грантъм, твърди, че училището им е закупило оригиналното дърво, изкоренило го и го транспортирало в градината на директора няколко години по-късно. Националният тръст обаче, който държи имението Вулсторп (където Нютон е израснал) в доверие, твърди, че дървото все още пребивава в градината им. Потомък на оригиналното дърво може да се види, растящ пред главната порта на Тринити Колидж, Кеймбридж, под стаята, в която е живял Нютон, когато е учил там.
Работата на Нютон би имала дълбок ефект върху науките, като принципите му остават канон за следващите 200 години. Той също така информира концепцията за универсална гравитация, която стана основата на съвременната астрономия и няма да бъде ревизирана чак през 20 век - с откриването на квантовата механика и теорията на Айнщайн за обща относителност.
Тук сме писали много интересни статии за гравитацията в Space Magazine. Ето кой беше сър Исак Нютон? Кой беше Галилео Галилей? Какво е силата на гравитацията ?, и какво е гравитационната константа?
Astronomy Cast има няколко добри епизода по темата. Ето епизод 37: Гравитационно обективиране и епизод 102: Гравитация,
Източници:
- НАСА - Законите за движение на Нютон
- Класът по физика - Законът на Нютон за универсалното гравитация
- BBC iWonder - Айзък Нютон
- Уикипедия - Исак Нютон
