Cztery podstawowe siły rządzą wszystkimi interakcjami we Wszechświecie. Są to słabe siły jądrowe, silne siły jądrowe, elektromagnetyzm i grawitacja. Spośród nich grawitacja jest chyba najbardziej tajemnicza. Chociaż od pewnego czasu wiadomo, w jaki sposób to prawo fizyki działa w skali makro - rządzącej naszym Układem Słonecznym, galaktykami i supergromadami - to jak wchodzi w interakcje z trzema innymi podstawowymi siłami, pozostaje tajemnicą.
Oczywiście istoty ludzkie rozumiały tę siłę od niepamiętnych czasów. A jeśli chodzi o nasze współczesne rozumienie grawitacji, to zasługa jednego człowieka, który rozszyfrował jej właściwości i sposób rządzenia wszystkimi rzeczami wielkimi i małymi - Sir Isaac Newton. Dzięki temu XVII-wiecznemu angielskiemu fizykowi i matematykowi nasze zrozumienie Wszechświata i rządzących nim praw na zawsze ulegnie zmianie.
Chociaż wszyscy znamy ikoniczny obraz mężczyzny siedzącego pod jabłonią i jednego upadku na głowę, teorie grawitacji Newtona stanowiły także kulminację wieloletnich badań, które z kolei oparte były na wiekach zgromadzonej wiedzy. Przedstawił te teorie w swoim magnum opus, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica („Mathematical Principles of Natural Philosophy”), opublikowane po raz pierwszy w 1687 r.
W tym tomie Newton przedstawił tak zwane Trzy Prawa Ruchu, które wywodzą się z Prawa Ruchu Planetarnego Johannesa Keplera i własnego matematycznego opisu grawitacji. Prawa te będą stanowić podstawę mechaniki klasycznej i pozostaną niekwestionowane przez stulecia - aż do XX wieku i pojawienia się teorii względności Einsteina.
Fizyka według XVII wieku:
Wiek XVII był bardzo pomyślny dla nauki, a przełom nastąpił w dziedzinie matematyki, fizyki, astronomii, biologii i chemii. Niektóre z największych osiągnięć w tym okresie obejmują opracowanie heliocentrycznego modelu Układu Słonecznego przez Mikołaja Kopernika, pionierską pracę z teleskopami i astronomię obserwacyjną przez Galileusza Galilei, a także rozwój nowoczesnej optyki.
Również w tym okresie Johannes Kepler opracował swoje zasady ruchu planetarnego. Sformułowane w latach 1609–1619 prawa te opisywały ruch znanych wówczas planet (Merkury, Wenus, Ziemia, Mars, Jowisz i Saturn) wokół Słońca. Stwierdzili, że:
- Planety poruszają się wokół Słońca w elipsach, ze Słońcem w jednym ognisku
- Linia łącząca Słońce z planetą zamiata równe obszary w równych czasach.
- Kwadrat okresu orbitalnego planety jest proporcjonalny do sześcianu (3. mocy) średniej odległości od Słońca w (lub innymi słowy - „pół-dużej osi” elipsy, w połowie sumy najmniejszej i największa odległość od Słońca).
Prawa te rozwiązały pozostałe problemy matematyczne podniesione przez heliocentryczny model Kopernika, usuwając wszelkie wątpliwości, że był to właściwy model Wszechświata. Na ich podstawie Sir Isaac Newton zaczął rozważać grawitację i jej wpływ na orbity planet.
Trzy prawa Newtona:
W 1678 r. Newton doznał całkowitego załamania nerwowego z powodu przepracowania i konfliktu z innym astronomem Robertem Hooke. Na kilka następnych lat wycofywał się z korespondencji z innymi naukowcami, z wyjątkiem przypadków, w których ją zainicjowali, i ponownie zainteresował się mechaniką i astronomią. Zimą 1680–81 pojawienie się komety, o której korespondował z Johnem Flamsteedem (Astronomem Królewskim w Anglii), również odnowiło jego zainteresowanie astronomią.
Po przejrzeniu praw ruchu Keplera, Newton opracował matematyczny dowód, że eliptyczna forma orbit planetarnych wynikałaby z siły dośrodkowej odwrotnie proporcjonalnej do kwadratu wektora promienia. Newton przekazał te wyniki Edmondowi Halleyowi (odkrywcy „Komety Haley”) i Royal Society w swoim De motu corporum in gyrum.
Ten traktat, opublikowany w 1684 r., Zawierał ziarno tego, co Newton rozszerzyłby, tworząc jego magnum opus, The Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Traktat ten, opublikowany w lipcu 1687 r., Zawierał trzy prawa ruchu Newtona, które stanowiły, że:
- Patrząc w bezwładnej ramce odniesienia, obiekt pozostaje w spoczynku lub nadal porusza się ze stałą prędkością, chyba że działa na niego siła zewnętrzna.
- Suma wektorowa sił zewnętrznych (F) na obiekcie jest równa masie (m) tego obiektu pomnożonego przez wektor przyspieszenia (a) obiektu. W postaci matematycznej wyraża się to jako: F =mza
- Kiedy jedno ciało wywiera siłę na drugie ciało, drugie ciało jednocześnie wywiera siłę równą wielkości i przeciwną w kierunku na pierwsze ciało.
Razem te prawa opisały związek między dowolnym przedmiotem, działającymi na niego siłami i wynikającym z niego ruchem, kładąc podwaliny pod mechanikę klasyczną. Prawa pozwoliły również Newtonowi obliczyć masę każdej planety, spłaszczenie Ziemi na biegunach i wybrzuszenie na równiku oraz sposób, w jaki grawitacyjne przyciąganie Słońca i Księżyca tworzy przypływy Ziemi.
W tej samej pracy Newton przedstawił metodę analizy geometrycznej podobną do rachunku różniczkowego przy użyciu „pierwszego i ostatniego stosunku”, opracował prędkość dźwięku w powietrzu (na podstawie prawa Boyle'a), uwzględnił procesję równonocy (które pokazał wynik przyciągania grawitacyjnego Księżyca na Ziemię), zapoczątkował badanie grawitacyjne nieregularności w ruchu Księżyca, dostarczył teorię do określania orbit komet i wiele więcej.
Newton i „incydent Apple”:
Historia Newtona, który wymyślił swoją teorię powszechnej grawitacji w wyniku upadku jabłka na głowę, stała się podstawą kultury popularnej. I chociaż często argumentowano, że historia jest apokryficzna, a Newton w żadnym momencie nie opracował swojej teorii, sam Newton wiele razy opowiadał tę historię i twierdził, że incydent zainspirował go.
Ponadto tekst Williama Stukeleya - angielskiego duchownego, antykwariusza i członka Royal Society - potwierdził tę historię. Ale zamiast komicznej reprezentacji jabłka uderzającego Newtona w głowę, opisał Stukeley w swoim Wspomnienia z życia Sir Isaaca Newtona (1752) rozmowa, w której Newton opisał rozważanie natury grawitacji podczas oglądania spadającego jabłka.
„… Poszliśmy do ogrodu i piliśmy thea w cieniu niektórych jabłek; tylko on i ja. powiedział mi, że pośród innych dyskursów znajduje się w takiej samej sytuacji, jak wtedy, gdy przyszło mu do głowy pojęcie grawitacji. „Dlaczego to jabłko zawsze powinno opadać prostopadle na ziemię” - pomyślał do siebie; przy okazji jabłka… ”
John Conduitt, asystent Newtona w Royal Mint (który ostatecznie ożenił się ze swoją siostrzenicą), również opisał usłyszenie tej historii we własnym opisie życia Newtona. Według Conduitta incydent miał miejsce w 1666 roku, kiedy Newton jechał na spotkanie ze swoją matką w Lincolnshire. Wędrując po ogrodzie, zastanawiał się, jak wpływ grawitacji rozciąga się daleko poza Ziemię, odpowiadając za upadek jabłka, a także na orbitę Księżyca.
Podobnie Voltaire napisał n jego Esej o epickiej poezji (1727), że Newton po raz pierwszy pomyślał o systemie grawitacji, chodząc po ogrodzie i obserwując, jak jabłko spada z drzewa. Jest to zgodne z notatkami Newtona z lat 60. XVI wieku, które pokazują, że zmagał się on z ideą tego, jak ziemska grawitacja rozciąga się, w odwrotnych proporcjach kwadratowych, na Księżyc.
Jednak zajęłoby mu jeszcze dwie dekady, aby w pełni rozwinąć swoje teorie do tego stopnia, że był w stanie przedstawić matematyczne dowody, jak pokazano w Principia. Po zakończeniu wywnioskował, że ta sama siła, która powoduje, że przedmiot spada na ziemię, była odpowiedzialna za inne ruchy orbitalne. Dlatego nazwał to „powszechną grawitacją”.
Uważa się, że różne drzewa są „jabłonią”, którą opisuje Newton. King's School, Grantham, twierdzi, że ich szkoła zakupiła oryginalne drzewo, wyrwała je z korzeniami i przetransportowała do ogrodu dyrektora kilka lat później. Jednak National Trust, który utrzymuje zaufanie do Woolsthorpe Manor (gdzie dorastał Newton), twierdzi, że drzewo nadal mieszka w ich ogrodzie. Potomka pierwotnego drzewa można zobaczyć rosnącego przed główną bramą Trinity College w Cambridge, poniżej pokoju, w którym mieszkał Newton, gdy tam studiował.
Prace Newtona wywarłyby głęboki wpływ na nauki, a ich zasady pozostały kanonem przez następne 200 lat. Poinformował także o koncepcji powszechnej grawitacji, która stała się podstawą współczesnej astronomii i nie zostanie zmieniona aż do XX wieku - wraz z odkryciem mechaniki kwantowej i teorii ogólnej teorii względności Einsteina.
W Space Magazine napisaliśmy wiele interesujących artykułów na temat grawitacji. Oto kim był Sir Isaac Newton ?, kim był Galileusz Galilei ?, czym jest siła grawitacji? I czym jest stała grawitacyjna?
Astronomy Obsada ma kilka dobrych odcinków na ten temat. Oto odcinek 37: Lens grawitacyjny i odcinek 102: Grawitacja,
Źródła:
- NASA - prawa ruchu Newtona
- Sala fizyki - prawo powszechnej grawitacji Newtona
- BBC iWonder - Isaac Newton
- Wikipedia - Isaac Newton
