Ten artykuł skupi się na historii odkrycia prawa powszechnego ciążenia. Tutaj zapoznamy się z informacjami biograficznymi z życia naukowca, który odkrył ten fizyczny dogmat, rozważymy jego główne założenia, związek z grawitacją kwantową, przebieg rozwoju i wiele więcej.
Geniusz
Sir Isaac Newton jest naukowcem z Anglii. Kiedyś poświęcał wiele uwagi i wysiłku takim naukom, jak fizyka i matematyka, a także wniósł wiele nowych rzeczy do mechaniki i astronomii. Jest słusznie uważany za jednego z pierwszych twórców fizyki w jej klasycznym modelu. Jest autorem fundamentalnej pracy „Matematyczne zasady filozofii naturalnej”, w której przedstawił informacje o trzech prawach mechaniki i prawie powszechnego ciążenia. Isaac Newton położył podwaliny pod mechanikę klasyczną tymi pracami. Opracował rachunek różniczkowy i całkowy, teorię światła. Wniósł także duży wkład w optykę fizyczną.i rozwinął wiele innych teorii w fizyce i matematyce.
Prawo
Prawo powszechnego ciążenia i historia jego odkrycia sięgają 1666 roku. Jego klasyczną formą jest prawo opisujące oddziaływanie typu grawitacyjnego, które nie wykracza poza ramy mechaniki.
Jego istotą było to, że wskaźnik siły F przyciągania grawitacyjnego powstającego między 2 ciałami lub punktami materii m1 i m2, oddzielonymi od siebie pewną odległością r, jest proporcjonalny do obu wskaźników masy i ma odwrotna proporcjonalność do kwadratowej odległości między ciałami:
F=G, gdzie G oznacza stałą grawitacyjną równą 6, 67408(31)•10-11 m3 / kgf2.
Grawitacja Newtona
Zanim przejdziemy do historii odkrycia prawa powszechnego ciążenia, przyjrzyjmy się bliżej jego ogólnej charakterystyce.
W teorii stworzonej przez Newtona, wszystkie ciała o dużej masie muszą generować wokół siebie specjalne pole, które przyciąga do siebie inne obiekty. Nazywa się to polem grawitacyjnym i ma potencjał.
Ciało o sferycznej symetrii tworzy pole na zewnątrz siebie, podobne do tego, które tworzy punkt materialny o tej samej masie, znajdujący się w środku ciała.
Kierunek trajektorii takiego punktu w polu grawitacyjnym, wytworzonym przez ciało o znacznie większej masie, jest zgodny z prawem Keplera. Obiekty wszechświata, takie jak np.planeta lub kometa, również mu posłuszny, poruszając się po elipsie lub hiperboli. Uwzględnienie zniekształceń, które tworzą inne masywne ciała, jest brane pod uwagę przy użyciu zapisów teorii perturbacji.
Dokładność analizy
Po tym, jak Newton odkrył prawo powszechnego ciążenia, musiało być wielokrotnie testowane i udowadniane. W tym celu dokonano szeregu obliczeń i obserwacji. Eksperymentalna forma estymacji, po zgodzeniu się z jej zapisami i wynikająca z dokładności jej wskaźnika, stanowi jednoznaczne potwierdzenie GR. Pomiary oddziaływań kwadrupolowych ciała, które się obraca, ale jego anteny pozostają nieruchome, pokazują, że proces narastania δ zależy od potencjału r -(1+δ), w odległości kilka metrów i znajduje się w limicie (2, 1±6, 2)•10-3. Szereg innych praktycznych potwierdzeń pozwoliło na ustanowienie tego prawa i przybranie jednolitej formy, bez żadnych modyfikacji. W 2007 roku ten dogmat został ponownie sprawdzony z odległości mniejszej niż centymetr (55 mikronów-9,59 mm). Biorąc pod uwagę błędy doświadczalne, naukowcy zbadali zakres odległości i nie znaleźli żadnych oczywistych odchyleń w tym prawie.
Obserwacja orbity Księżyca w stosunku do Ziemi również potwierdziła jego ważność.
Przestrzeń euklidesowa
Klasyczna teoria grawitacji Newtona jest powiązana z przestrzenią euklidesową. Rzeczywista równość z wystarczająco dużą dokładnością (10-9) miar odległości w mianowniku omówionej powyżej równości pokazuje nam euklidesową bazę przestrzeni mechaniki Newtona, z trzema -wymiarowa forma fizyczna. Wdo takiego punktu materii pole powierzchni kuli jest dokładnie proporcjonalne do wartości kwadratu jej promienia.
Dane z historii
Rozważmy krótkie podsumowanie historii odkrycia prawa powszechnego ciążenia.
Pomysły zostały wysunięte przez innych naukowców, którzy żyli przed Newtonem. Epikur, Kepler, Kartezjusz, Roberval, Gassendi, Huygens i inni odwiedzili refleksje na ten temat. Kepler zasugerował, że siła grawitacyjna jest odwrotnie proporcjonalna do odległości od gwiazdy Słońca i ma rozkład tylko w płaszczyznach ekliptyki; według Kartezjusza była to konsekwencja działania wirów w grubości eteru. Była seria domysłów, które zawierały odzwierciedlenie poprawnych domysłów dotyczących zależności od odległości.
List Newtona do Halleya zawierał informację, że poprzednikami samego Sir Isaaca byli Hooke, Wren i Buyo Ismael. Jednak nikomu przed nim nie udało się jednoznacznie, za pomocą metod matematycznych, połączyć prawa grawitacji i ruchu planet.
Historia odkrycia prawa powszechnego ciążenia jest ściśle związana z pracą "Matematyczne zasady filozofii naturalnej" (1687). W pracy tej Newton mógł wyprowadzić omawiane prawo dzięki znanemu już wówczas prawu empirycznemu Keplera. Pokazuje nam, że:
- forma ruchu każdej widocznej planety wskazuje na obecność siły centralnej;
- Siła przyciągania typu centralnego tworzy orbity eliptyczne lub hiperboliczne.
O teorii Newtona
Przegląd krótkiej historii odkrycia prawa powszechnego ciążenia może również wskazać nam szereg różnic, które odróżniają je od wcześniejszych hipotez. Newton zaangażował się nie tylko w publikację proponowanej formuły rozpatrywanego zjawiska, ale także zaproponował model typu matematycznego w formie holistycznej:
- przepis dotyczący prawa grawitacji;
- ustawa o prawie ruchu;
- systematyka metod badań matematycznych.
Ta triada była w stanie dość dokładnie zbadać nawet najbardziej złożone ruchy ciał niebieskich, tworząc w ten sposób podstawę mechaniki nieba. Aż do początku działalności Einsteina w tym modelu obecność podstawowego zestawu poprawek nie była wymagana. Jedynie aparat matematyczny musiał zostać znacznie ulepszony.
Przedmiot do dyskusji
Odkryte i sprawdzone prawo przez cały XVIII wiek stało się znanym obiektem aktywnych sporów i skrupulatnych kontroli. Jednak stulecie zakończyło się ogólną zgodą na jego postulaty i wypowiedzi. Korzystając z obliczeń prawa, można było dokładnie określić drogi ruchu ciał w niebie. Bezpośredniego sprawdzenia dokonał Henry Cavendish w 1798 roku. Zrobił to za pomocą wagi skrętnej z dużą czułością. W historii odkrycia uniwersalnego prawa grawitacji szczególne miejsce należy poświęcić interpretacjom wprowadzonym przez Poissona. Opracował koncepcję potencjału grawitacyjnego i równania Poissona, za pomocą którego można było to obliczyćpotencjał. Ten typ modelu umożliwił badanie pola grawitacyjnego w obecności dowolnego rozkładu materii.
W teorii Newtona było wiele trudności. Główną można uznać za niewytłumaczalność działania dalekiego zasięgu. Nie można było dokładnie odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób siły przyciągania są przesyłane przez próżnię z nieskończoną prędkością.
„Ewolucja” prawa
Przez następne dwieście lat, a nawet więcej, wielu fizyków próbowało zaproponować różne sposoby ulepszenia teorii Newtona. Wysiłki te zakończyły się triumfem w 1915 roku, a mianowicie stworzeniem Ogólnej Teorii Względności, którą stworzył Einstein. Był w stanie przezwyciężyć cały zestaw trudności. Zgodnie z zasadą korespondencji teoria Newtona okazała się przybliżeniem do początków prac nad teorią w postaci bardziej ogólnej, którą można zastosować pod pewnymi warunkami:
- Potencjał natury grawitacyjnej nie może być zbyt duży w badanych systemach. Układ słoneczny jest przykładem przestrzegania wszystkich zasad ruchu ciał niebieskich. Zjawisko relatywistyczne znajduje się w zauważalnej manifestacji przesunięcia peryhelium.
- Szybkość ruchu w tej grupie systemów jest znikoma w porównaniu z prędkością światła.
Dowodem, że w słabym stacjonarnym polu grawitacyjnym, obliczenia GR przyjmują formę newtonowskich, jest obecność skalarnego potencjału grawitacji w stacjonarnym polu zsłabo wyrażona charakterystyka sił, która jest w stanie spełnić warunki równania Poissona.
Skala kwantowa
Jednak w historii ani naukowe odkrycie prawa powszechnego ciążenia, ani Ogólna teoria względności nie mogły służyć jako ostateczna teoria grawitacji, ponieważ oba nie opisują adekwatnie procesów typu grawitacyjnego na skala. Próba stworzenia kwantowej teorii grawitacji to jedno z najważniejszych zadań współczesnej fizyki.
Z punktu widzenia grawitacji kwantowej, interakcja między obiektami jest tworzona przez wymianę wirtualnych grawitonów. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności, potencjał energetyczny wirtualnych grawitonów jest odwrotnie proporcjonalny do przedziału czasu, w którym istniał, od momentu emisji jednego obiektu do momentu, w którym został pochłonięty przez inny punkt.
W związku z tym okazuje się, że w małej skali odległości oddziaływanie ciał pociąga za sobą wymianę grawitonów typu wirtualnego. Dzięki tym rozważaniom możliwe jest zawarcie przepisu o prawie potencjału Newtona i jego zależności zgodnie z zasadą proporcjonalności względem odległości. Analogię między prawami Coulomba i Newtona wyjaśnia fakt, że ciężar grawitonów jest równy zeru. Waga fotonów ma takie samo znaczenie.
Oszustwo
W szkolnym programie nauczania odpowiedź na pytanie z historii, jakNewton odkrył prawo powszechnego ciążenia, to historia spadającego owocu jabłka. Według tej legendy spadł na głowę naukowca. Jest to jednak powszechne nieporozumienie i w rzeczywistości wszystko było w stanie obejść się bez podobnego przypadku możliwego urazu głowy. Sam Newton czasami potwierdzał ten mit, ale w rzeczywistości prawo nie było spontanicznym odkryciem i nie pojawiło się w przypływie chwilowego wglądu. Jak napisano powyżej, była rozwijana przez długi czas i po raz pierwszy została zaprezentowana w pracach nad „Zasadami matematyki”, które pojawiły się na publicznej wystawie w 1687 roku.
