Ця стаття приділить увагу історії відкриття закону всесвітнього тяжіння. Тут ми ознайомимося з біографічними відомостями з життя вченого, який відкрив цю фізичну догму, розглянемо її основні положення, взаємозв'язок з квантової гравітації, хід розвитку і багато іншого.
Геній
Сер Ісаак Ньютон – вчений родом з Англії. У свій час багато уваги і сил приділив таким науками, як фізика і математика, а також привніс чимало нового в механіку й астрономії. По праву вважається одним з перших основоположників фізики в її класичній моделі. Є автором фундаментальної праці «Математичні начала натуральної філософії», де виклав інформацію про трьох законах механіки і законі всесвітнього тяжіння. Ісаак Ньютон заклав цими роботами основи класичної механіки. Ним було розроблено обчислення диференціального та інтегрального типу, світлова теорія. Він також вніс великий внесок у фізичну оптику і розробив безліч інших теорій в області фізики і математики.
Закон
Закон всесвітнього тяжіння та історія його відкриття йдуть своїм початком у далекий 1666 рік. Його класична форма – це закон, за допомогою якого описується взаємодія гравітаційного типу, не виходить за межі рамок механіки. Його суть полягала в тому, що показник сили F гравітаційної тяги, що виникає між 2 тілами або точками матерії m1 і m2 відокремленими один від одного певним відстанню r, дотримується пропорційність по відношенню до обох показниками маси і має зворотну пропорційність квадрату відстані між тілами:
F = G, де G ми позначаємо постійну гравітації, рівну 667408(31)•10 -11 м 3 /кгс 2 .
Тяжіння Ньютона
Перш ніж розглянути історію відкриття закону всесвітнього тяжіння, більш детально ознайомимося з його загальною характеристикою. В теорії, створеної Ньютоном, всі тіла з великою масою повинні породжувати навколо себе особливе поле, яке притягує інші об'єкти до себе. Його називають гравітаційним полем, і воно має потенціал. Тіло, що має сферичної симетрією, утворює за межею самого себе поле, аналогічне тому, яке створює матеріальна точка тієї ж маси, розташована в центрі тіла. Напрямок траєкторії такої точки в полі гравітації, створеним тілом з набагато більш великою масою, підкоряється закону Кеплера. Об'єкти всесвіту, такі як, наприклад, планета або комета, також підпорядковуються йому, рухаючись по еліпса або гіперболи. Облік спотворення, яке створюють інші масивні тіла, враховується з допомогою положень теорії збурення.
Аналізуючи точність
Після того, як Ньютон відкрив закон всесвітнього тяжіння, його необхідно було перевірити і довести безліч разів. Для цього здійснювалися ряди розрахунків і спостережень. Прийшовши до згоди з його положеннями та виходячи з точності його показника, експериментальна форма оцінювання служить яскравим підтвердженням ЗТВ. Вимірювання квадрупольних взаємодій тіла, що обертається, але антени його залишаються нерухомими, показують, що процес нарощування ? залежить від потенціалу r -(1+?) на відстані в кілька метрів і знаходиться в межі (21±62)•10 -3 . Ряд інших практичних підтверджень дозволили цим законом утвердитися і прийняти єдину форму, без наявності модифікацій. У 2007 р. цю догму перевірили на відстані, меншій сантиметра (55 мкм-959 мм). Враховуючи похибки експерименту вчені досліджували діапазон відстані і не виявили явних відхилень в цьому законі.
Спостереження за орбітою Місяця по відношенню до Землі також підтвердило його спроможність.
Евклідова простору
Класична теорія тяжіння Ньютона пов'язана з евклідовим простором. Фактичне рівність з досить великою точністю (10 -9 ) показників міри відстані в знаменнику рівності, розглянутого вище, показує нам эвклидову основу простору Ньютонівської механіки, з тривимірною фізичною формою. В такій точці матерії площа сферичної поверхні має точну пропорційність по відношенню до величини квадрату її радіуса.
Дані з історії
Розглянемо короткий зміст історії відкриття закону всесвітнього тяжіння. Ідеї висувалися і іншими ученими, які жили перед Ньютоном. Роздуми про неї відвідували Епікура, Кеплера, Декарта, Роберваля, Гассенді, Гюйгенса й інших. Кеплер висував припущення про те, що сила тяжіння має зворотну пропорцію відстані від зірки, Сонця і поширення має лише в эклиптических площинах; на думку Декарта, вона була наслідком діяльності вихорів в товщі ефіру. Існував ряд припущень, який містив у собі відображення правильних здогадів про залежності від відстані. Лист від Ньютона Галлею містило інформацію про те, що попередниками самого сера Ісаака були Гук, Рен і Буйо Ісмаель. Однак до нього нікому не вдалося чітко, за допомогою математичних методів, зв'язати закон тяжіння і планетарне рух. Історія відкриття закону всесвітнього тяжіння тісно пов'язана з працею «Математичні начала натуральної філософії» (1687). У цій роботі Ньютон зміг вивести закон, що розглядається, завдяки емпіричному закону Кеплера, вже колишньому до того часу відомим. Він нам показує, що:
форма руху будь видимої планети свідчить про наличичи центральної сили; сила тяжіння центрального типу утворює еліптичні або гіперболічні орбіти. Про теорії Ньютона
Огляд короткої історії відкриття закону всесвітнього тяжіння також може вказати нам на низку відмінностей, які виділяло її на тлі попередніх гіпотез. Ньютон займався не тільки публікацією пропонованої формули розглянутого явища, але й пропонував модель математичного типу в цілісному вигляді:
положення про закон тяжіння; положення про закон руху; систематика математичних методів досліджень. Дана тріада могла досить точною мірою дослідити навіть найскладніші руху небесних об'єктів, таким чином створюючи основу для небесної механіки. Аж до початку діяльності Ейнштейна в даній моделі наявність принципового набору поправок не було потрібно. Лише математичні апарати довелося значно поліпшити.
Об'єкт для обговорень
Виявлений і доведений закон протягом усього вісімнадцятого століття став відомим предметом активних суперечок і скрупульозних перевірок. Однак століття завершився спільною згодою з його постулатами та твердженнями. Користуючись розрахунками закону, можна було точно визначити шляхи руху тіл на небесах. Пряма перевірка була здійснена Генрі Кавендішем в 1798 році. Він зробив це, використовуючи ваги крутильного типу з великою чутливістю. В історії відкриття закону всесвітнього тяжіння необхідно виділити особливе місце тлумачень, введеним Пуассоном. Він розробив поняття потенціалу гравітації і Пуассоново рівняння, за допомогою якого можна було обчислювати цей потенціал. Такий тип моделі дозволяв займатися дослідженням гравітаційного поля в умовах наявності довільного розподілу матерії. У теорії Ньютона було чимало труднощів. Головною з них можна було вважати необъяснимость дальнодії. Не можна було точно відповісти на питання про те, як сили тяжіння пересилаються крізь вакуумний простір з нескінченною швидкістю.
«Еволюція» закону
Наступні двісті років, і навіть більше, безліччю вчених-фізиків були зроблені спроби запропонувати різноманітні способи щодо вдосконалення теорії Ньютона. Ці зусилля закінчилися тріумфом, досконалим в 1915 році, а саме створенням Загальної теорії відносності, яку створив Ейнштейн. Він зміг подолати весь набір труднощів. Згідно з принципом відповідності теорія Ньютона виявилася наближенням до початку роботи над теорією в більш загальному вигляді, яке можна застосовувати при наявності певних умов:
Потенціал гравітаційної природи не може бути занадто великим у досліджуваних системах. Сонячна система є прикладом дотримання усіх правил руху небесного типу тел. Релятивістський явище знаходить себе в помітному прояві зміщення перигелію. Показник швидкості руху в даній групі систем є незначним у порівнянні зі світловою швидкістю. Доказом того, що в слабкому стаціонарному полі гравітації розрахунки ОТО приймають форму ньютонових, служить наявність скалярного потенціалу гравітації в стаціонарному полі зі слабко вираженими характеристиками сил, який здатний задовольнити умови рівняння Пуассона.
Масштаб квантів
Однак в історії ні наукове відкриття закону всесвітнього тяжіння, ні Загальна теорія відносності не могли служити остаточної гравітаційної теорією, оскільки обидві недостатньо задовільно описують процеси гравітаційного типу в масштабах квантів. Спроба створення квантово-гравітаційної теорії є однією з найголовніших задач фізики сучасності.
З точки зору квантової гравітації взаємодія між об'єктами створюється за допомогою взаємного обміну віртуальними гравітонами. У відповідності з принципом невизначеності, енергетичний потенціал віртуальних гравітонів має зворотну пропорційність проміжку часу, в якому він існував, від точки випромінювання одним об'єктом до моменту часу, в якому його поглинула інша точка. Через це виходить, що в малому масштабі відстаней взаємодія тіл тягне за собою і обмін гравітонами віртуального типу. Завдяки даним міркувань можна укласти положення про законі потенціалу Ньютона і його залежності відповідно зворотного показником пропорційності по відношенню до відстані. Наявність аналогії між законами Кулона і Ньютона пояснюється тим, що вага гравітонів дорівнює нулю. Це ж значення має і вага фотонів.
Оману
У шкільній програмі відповіддю на питання з історії, як Ньютон відкрив закон всесвітнього тяжіння, служить історія про падаючому плоді яблука. Згідно з цією легендою, воно звалилося на голову вченому. Однак це - масово поширена помилка, і насправді все змогло обійтися без подібного випадку можливої травми голови. Сам Ньютон іноді підтверджував цей міф, але насправді закон не був спонтанним відкриттям і не прийшов в пориві миттєвого осяяння. Як було написано вище, він розроблявся тривалий час і був представлений вперше в працях про «Математичних засадах», що вийшли на огляд публіці в 1687 році.
