Négy alapvető erő irányítja az összes interakciót az Univerzumban. Ezek gyenge nukleáris erők, erős nukleáris erők, elektromágnesesség és gravitáció. Ezek közül a gravitáció talán a leginkább titokzatos. Noha egy ideje megértették, hogy ez a fizikai törvény hogyan működik a makroskálán - irányítva a Naprendszerünket, a galaxisokat és a szuperklasztereket -, rejtély marad, hogy miként működik együtt a másik három alapvető erővel.
Természetesen az emberek lényegében az ősidők óta megismerik ezt az erőt. És amikor a gravitáció modern megértéséről van szó, akkor hitelt érdemel egy ember, aki megfejtette tulajdonságait, és hogyan kezeli mindent nagyban és kicsiben - Sir Isaac Newton. Ennek a 17. századi angol fizikusnak és matematikusnak köszönhetően örökre megváltozik az univerzum és az azt irányító törvények megértése.
Miközben mindannyian ismerjük az almafa alatt ülő ember ikonikus képét, akinek egy a fejébe esik, Newton gravitációs elméletei évek óta tartó kutatási csúcspontját jelentették, amely viszont évszázadokon át felhalmozott tudáson alapult. Bemutatná ezeket az elméleteket magnum opus-ban, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica („A természetes filozófia matematikai alapelvei”), amelyet először 1687-ben tettek közzé.
Ebben a kötetben Newton felvázolta, hogy mi lesz az úgynevezett három mozgás törvénye, amelyeket Johannes Kepler bolygói mozgás törvényei és a saját gravitációs matematikai leírása alapján vezettek be. Ezek a törvények megalapozzák a klasszikus mechanika alapját, és évszázadok óta kihívás nélkül maradnak - egészen a 20. századig és az Einstein relativitáselméletének megjelenéséig.
Fizika a 17. századra:
A 17. század nagyon kedvező idő volt a tudomány számára, jelentős áttörések történtek a matematika, a fizika, a csillagászat, a biológia és a kémia területén. A korszak legnagyobb fejlesztései között szerepel Nicolaus Copernicus által kidolgozott Naprendszer heliocentrikus modelljének kidolgozása, a távcsövekkel és a megfigyelő csillagászatgal úttörő munkája Galileo Galilei által, valamint a modern optika fejlesztése.
Ugyanebben az időszakban fejlesztette ki Johannes Kepler a Bolygómozgás Törvényét. 1609 és 1619 között megfogalmazva, ezek a törvények leírják az akkor ismert bolygók (Higany, Vénusz, Föld, Mars, Jupiter és Szaturnusz) a Nap körüli mozgását. Azt állították, hogy:
- A bolygók ellipszisekben mozognak a Nap körül, és a Nap egy fókuszban van
- A Napot egy bolygóval összekötő vonal egyenlő területeket söpör egyenlő időben.
- A bolygó keringési periódusának négyzete arányos a Naptól mért közép távolság kockájával (3. erő) az ellipszis (vagy más szóval - az ellipszis „félig fő tengelye” között), a legkisebb és a legnagyobb távolság a Naptól).
Ezek a törvények megoldották a Kopernikusz heliocentrikus modellje által felvetett fennmaradó matematikai kérdéseket, így minden kétséget eloszlatva, hogy ez a Világegyetem helyes modellje. Ezek alapján Sir Isaac Newton elkezdett fontolóra venni a gravitációt és annak hatását a bolygók pályájára.
Newton három törvénye:
1678-ban Newton teljes idegösszeomlást szenvedett a túlmunka és a Robert Hooke csillagász társával való viszály miatt. Az elkövetkező néhány évben visszavonult más tudósokkal folytatott levelezésből, kivéve, ha kezdeményezték, és megújította érdeklődését a mechanika és a csillagászat iránt. 1680-81 télen egy üstökös megjelenése, amelyről John Flamsteed-szel (az angol csillagász Royal) levelezett, szintén megújította érdeklődését a csillagászat iránt.
A Kepler mozgási törvényének áttekintése után Newton kifejlesztette egy matematikai bizonyítékot arra, hogy a bolygógömbök elliptikus formája a sugárvektor négyzetével fordítottan arányos centripetalális erőből származik. Newton közölte ezeket az eredményeket Edmond Halley-vel (a „Haley's Comet” felfedezőjével) és a Királyi Társasággal De motu corporum a gyrumban.
Ez a traktus, amelyet 1684-ben tettek közzé, tartalmazta annak magját, amit Newton kibővít, hogy magnum opusát, a Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Ez az értekezés, amelyet 1687 júliusában tettek közzé, Newton három mozgási törvényét tartalmazta, amelyek kimondták:
- Tehetetlenségi referenciakeretben tekintve az objektum vagy nyugalmi állapotban marad, vagy állandó sebességgel tovább mozog, kivéve, ha egy külső erő befolyásolja.
- A tárgyon lévő külső erők (F) vektorösszege egyenlő a tömeggel (m) ennek a tárgynak a szorzata az objektum (a) gyorsítási vektorával. Matematikai formában ezt a következőképpen fejezzük ki: F =megy
- Amikor az egyik test erőt gyakorol a második testre, akkor a második test egyidejűleg olyan nagy erőt fejt ki, amely nagysága megegyezik és az első test irányával ellentétes.
Ezek a törvények együttesen leírják az objektum, az arra ható erők és az ebből következő mozgás közötti viszonyt, megteremtve az alapot a klasszikus mechanika számára. A törvények azt is lehetővé tették Newton számára, hogy kiszámítsa az egyes bolygók tömegét, a Föld eloszlását a pólusoknál és a dudorot az Egyenlítőn, valamint azt, hogy a Nap és a Hold gravitációs vonzása hogyan hozza létre a Föld hullámait.
Ugyanebben a munkában Newton egy kalkulus-szerű geometriai elemzési módszert mutatott be az „elsõ és utolsó arányok” felhasználásával, kidolgozta a hang sebességét a levegõben (Boyle-törvény alapján), beszámolta az egyenlõségek menetét (amit mutatott: a Holdnak a Föld felé mutató gravitációs vonzása eredményeként) megindította a hold mozgása során fellépő szabálytalanságok gravitációs vizsgálatát, elméletet nyújtott a üstökösök pályájának meghatározására és még sok minden mást.
Newton és az „Apple incidens”:
Newton története az univerzális gravitáció elméletével, amely a fejére eső alma eredményeként jött létre, a népszerű kultúra vágottjává vált. És bár gyakran vitatják, hogy a történet apokrif, és Newton egyetlen pillanatban sem állította fel az elméletét, maga Newton sokszor elmesélte a történetet, és azt állította, hogy az esemény inspirálta őt.
Ezen túlmenően William Stukeley - egy angol pap, antikérus és a Királyi Társaság többi tagja - írásai megerősítették a történetet. Ahelyett, hogy komikusan ábrázolná az almát, ami Newtonra ütközött, Stukeley írta Sir Isaac Newton életének emlékiratai (1752) egy beszélgetés, amelyben Newton leírta a gravitáció természetének fontolgatását, miközben az alma esését figyeli.
„… Bementünk a kertbe, és megittunk néhány színházi árnyék alatt; csak ő és én. Más beszélgetés közepette - mondta nekem - éppen ugyanabban a helyzetben volt, mint korábban, amikor a gravitáció fogalma eszébe jutott. „Miért kellene az almának mindig merőlegesen a földre zuhanni” - gondolta magában; alkalommal egy alma esése miatt ... ”
John Conduitt, Newton asszisztense a Királyi Pénzverdeben (aki végül feleségül vette unokahúgát) szintén leírta a történet meghallgatását Newton életének saját beszámolója alapján. Conduitt szerint az incidensre 1666-ban került sor, amikor Newton az anyjával Lincolnshire-be utazott. A kertben kanyarogva elgondolkodott azon, hogy a gravitáció befolyása messze túlterjed-e a Földön, felelős az alma eséséért, valamint a hold pályájáért.
Hasonlóképpen, Voltaire írta Esszé az epikus versről (1727) szerint Newton először a gravitációs rendszerre gondolt, miközben a kertjében sétált, és egy almát fáról nézve figyelt. Ez összhangban áll Newton 1660-as évekbeli megjegyzéseivel, amelyek azt mutatják, hogy küzdött azzal a gondolattal, hogy a földi gravitáció hogyan fordul el fordított négyzet arányban a Holdhoz.
Mégis két évtizedbe telik, amíg elméleteit teljes mértékben kifejleszti, hogy matematikai bizonyítékokat tudjon nyújtani, amint azt a Principia. Miután ez befejeződött, arra a következtetésre jutott, hogy ugyanaz az erő, amely egy tárgyat a földre esik, felelős más orbitális mozgásokért is. Ezért „univerzális gravitációnak” nevezte.
Különböző fák állítják, hogy "az" almafa, amelyet Newton ír le. A Grantham királyiskola azt állítja, hogy iskolájuk megvásárolta az eredeti fát, kirakták és néhány évvel később az igazgató kertjébe szállították. A National Trust azonban, amely bizalommal birtokolja a Woolsthorpe kastélyt (ahol Newton nőtt fel), azt állítja, hogy a fa még mindig a kertjükben él. Az eredeti fa leszármazottja látható a Cambridge-i Trinity Főiskola főkapuja előtt, a szoba alatt, ahol Newton élt, amikor ott tanulott.
Newton munkája mély hatást gyakorol a tudományokra, alapelvei kánon maradva a következő 200 évben. Tájékoztatta az egyetemes gravitáció fogalmát is, amely a modern csillagászat alapjául szolgált, és amelyet csak a 20. században lehetne módosítani - a kvantummechanika és az Einstein általános relativitáselmélet elméletének felfedezésével.
Sok érdekes cikket írtunk a gravitációról a Space Magazine-ban. Itt van Ki volt Sir Isaac Newton, ki volt Galileo Galilei? Mi az a gravitációs erő? És mi a gravitációs állandó?
A Csillagászat szereplőinek két jó epizódja van a témában. Íme a 37. epizód: Gravitációs lencse és 102. epizód: Gravitáció,
Forrás:
- NASA - Newton mozgás törvényei
- A fizika tanterem - Newton univerzális gravitációs törvénye
- BBC iWonder - Isaac Newton
- Wikipedia - Isaac Newton
