Štyri základné sily riadia všetky interakcie vo vesmíre. Sú to slabé jadrové sily, silné jadrové sily, elektromagnetizmus a gravitácia. Z týchto je gravitácia pravdepodobne najzáhadnejšia. Aj keď už nejaký čas bolo pochopené, ako tento fyzikálny zákon funguje na makroúrovni - riadi našu slnečnú sústavu, galaxie a superklastre - ako to interaguje s tromi ďalšími základnými silami, zostáva záhadou.
Ľudské bytosti prirodzene chápali túto silu od nepamäti. A pokiaľ ide o naše moderné chápanie gravitácie, vďačnosť patrí jednému človeku, ktorý rozlúštil jeho vlastnosti a ako riadi všetko veľké a malé - sir Isaac Newton. Vďaka tomuto anglickému fyzikovi a matematikovi zo 17. storočia by sa naše porozumenie vesmíru a zákonov, ktorými sa riadi, navždy zmenilo.
Aj keď všetci poznáme ikonický obraz muža, ktorý sedí pod stromom a má jeden pád na hlavu, Newtonove teórie gravitácie tiež predstavovali vyvrcholenie rokov výskumu, ktorý sa opieral o storočia nahromadených poznatkov. Tieto teórie predstavil vo svojom Magnum opus, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica („Matematické princípy prírodnej filozofie“), ktorá bola prvýkrát uverejnená v roku 1687.
V tomto zväzku Newton uviedol, čo by sa stalo známym ako jeho tri zákony pohybu, ktoré boli odvodené z zákonov planetárneho pohybu Johna Keplera a jeho vlastného matematického opisu gravitácie. Tieto zákony by položili základy klasickej mechaniky a zostali by celé storočia nezmenené - až do 20. storočia a do vzniku Einsteinovej teórie relativity.
Fyzika do 17. storočia:
17. storočie bolo pre vedy veľmi priaznivým obdobím, keď došlo k veľkým prielomom v oblasti matematiky, fyziky, astronómie, biológie a chémie. Medzi najväčšie udalosti v tomto období patrí vývoj heliocentrického modelu Slnečnej sústavy od Nicolausa Copernicusa, priekopnícka práca s ďalekohľadmi a observačná astronómia od Galilea Galilei a rozvoj modernej optiky.
To bolo tiež počas tohto obdobia, kedy Johannes Kepler rozvinul svoje zákony planetárneho pohybu. Tieto zákony, formulované medzi rokmi 1609 a 1619, opisujú pohyb vtedy známych planét (Merkúr, Venuša, Zem, Mars, Jupiter a Saturn) okolo Slnka. Uviedli, že:
- Planéty sa pohybujú okolo Slnka v elipsách, so Slnkom na jednom ohnisku
- Čiara spájajúca Slnko s planétou zametá rovnaké oblasti v rovnakom čase.
- Štvorec orbitálnej periódy planéty je úmerný kocke (3. mocnosť) priemernej vzdialenosti od Slnka v (alebo inými slovami - „semi-hlavnej osi“ elipsy, polovica súčtu najmenších a najväčšia vzdialenosť od Slnka).
Tieto zákony vyriešili zostávajúce matematické problémy nastolené heliocentrickým modelom Copernicusa, čím sa odstránili všetky pochybnosti o tom, že to bol správny model vesmíru. Na základe týchto skutočností začal Sir Isaac Newton zvažovať gravitáciu a jej vplyv na obežné dráhy planét.
Newtonove tri zákony:
V roku 1678 Newton utrpel úplné nervové zrútenie v dôsledku prepracovania a sporov s kolegom astronómom Robertom Hooke. V nasledujúcich rokoch sa vzdal korešpondencie s inými vedcami, s výnimkou prípadu, keď to iniciovali, a obnovil jeho záujem o mechaniku a astronómiu. V zime 1680-81 obnovil jeho záujem o astronómiu aj vzhľad kométy, ktorej korešpondoval s Johnom Flamsteedom (anglickým astronómom Royal).
Po preskúmaní Keplerových zákonov, Newton vyvinul matematický dôkaz, že eliptická forma planétových obežných dráh by bola výsledkom centripetálnej sily nepriamo úmernej štvorcu vektora polomeru. Newton oznámil tieto výsledky Edmondovi Halleymu (objaviteľovi „Haleyho kométy“) a Kráľovskej spoločnosti v jeho De motu corporum in gyrum.
Tento trakt, uverejnený v roku 1684, obsahoval semeno toho, čo by sa Newton rozšíril, aby vytvoril jeho magnum opus Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, Toto pojednanie, ktoré bolo uverejnené v júli 1687, obsahovalo tri Newtonove zákony o pohybe, v ktorých sa uvádza:
- Pri pohľade v inerciálnom referenčnom rámci objekt zostáva buď v pokoji alebo sa pohybuje konštantnou rýchlosťou, pokiaľ naň nepôsobí vonkajšia sila.
- Súčet vektorov vonkajších síl (F) na objekte sa rovná hmotnosti (m) tohto objektu vynásobené akceleračným vektorom (a) objektu. V matematickej podobe je to vyjadrené ako:m
- Keď jedno telo pôsobí silou na druhé telo, druhé telo súčasne vyvíja silu rovnajúcu sa veľkosti a opačnému smeru na prvé telo.
Tieto zákony spoločne popisovali vzťah medzi akýmkoľvek objektom, silami, ktoré naň pôsobia, a výsledným pohybom, čím položili základy klasickej mechaniky. Zákony tiež umožnili Newtonovi vypočítať hmotnosť každej planéty, sploštenie Zeme na póloch a vydutie na rovníku a spôsob, akým gravitačné pôsobenie Slnka a Mesiaca vytvára prílivy Zeme.
V tej istej práci predstavil Newton výpočtovú metódu geometrickej analýzy s použitím „prvého a posledného pomeru“, vypracoval rýchlosť zvuku vo vzduchu (na základe Boyleovho zákona), zodpovedal za proces rovnodenností (čo ukázal, že boli výsledok gravitačnej príťažlivosti Mesiaca na Zemi), inicioval gravitačné štúdium nepravidelností v pohybe Mesiaca, poskytol teóriu na určenie obežných dráh komét a ešte oveľa viac.
Newton a „Apple Incident“:
Príbeh Newtona, ktorý prichádza s jeho teóriou univerzálnej gravitácie v dôsledku toho, že na hlavu padá jablko, sa stal základom populárnej kultúry. A hoci sa často tvrdilo, že príbeh je apokryfný a Newton nevytvoril svoju teóriu v žiadnom okamihu, sám Newton tento príbeh mnohokrát povedal a tvrdil, že incident ho inšpiroval.
Okrem toho tento príbeh potvrdil spis Williama Stukeleyho - anglického duchovného, antikvariátu a člena Kráľovskej spoločnosti. Stukeley však namiesto komického znázornenia jabĺka Newtona na hlave opísal vo svojom Spomienky života Sira Isaaca Newtona (1752) rozhovor, v ktorom Newton opísal uvažovanie o povahe gravitácie pri sledovaní pádu jablka.
"... išli sme do záhrady a pili sme tiene v tieni niektorých appletre; iba on a moje ja. uprostred iného diskurzu mi povedal, že sa nachádzal v rovnakej situácii, ako keď sa mu predtým objavila myšlienka gravitácie. „Prečo by malo toto jablko zostupovať vždy kolmo k zemi,“ pomyslel si sám pre seba; príležitostne pádom jablka ... “
John Conduitt, Newtonov asistent v Kráľovskej mincovni (ktorý sa nakoniec oženil so svojou neterou), tiež opísal príbeh v jeho vlastnej správe o Newtonovom živote. Podľa Conduitta k incidentu došlo v roku 1666, keď Newton cestoval, aby sa stretol so svojou matkou v Lincolnshire. Počas meandrovania v záhrade uvažoval o tom, ako gravitačný vplyv siaha ďaleko za Zem, čo je zodpovedné za pád jabĺk a obežnú dráhu Mesiaca.
Podobne Voltaire napísal n Esej o epickej poézii (1727), že Newton prvýkrát premýšľal o systéme gravitácie pri chôdzi po svojej záhrade a sledovaní jabĺk padajúceho zo stromu. Toto je v súlade s Newtonovými poznámkami zo šesťdesiatych rokov, ktoré ukazujú, že sa potýkal s myšlienkou, ako sa zemská gravitácia rozširuje v pomere štvorcových na Mesiac.
Trvalo by mu však ďalšie dve desaťročia, kým plne rozvinul svoje teórie do tej miery, že dokázal ponúknuť matematické dôkazy, ako to dokazuje Principia, Keď to bolo dokončené, usúdil, že rovnaká sila, ktorá spôsobí, že predmet spadne na zem, je zodpovedná za iné orbitálne pohyby. Preto to nazval „univerzálna gravitácia“.
Rôzne stromy sú vyhlásené za „jablone“, ktoré popisuje Newton. Kráľovská škola Grantham tvrdí, že ich škola kúpila pôvodný strom, vykorenila ho a o niekoľko rokov ho dopravila na záhradu riaditeľa. Avšak National Trust, ktorý drží Woolsthorpe Manor (Newton vyrastal) v dôvere, tvrdí, že strom stále býva v ich záhrade. Potomok pôvodného stromu je viditeľný ako rastie mimo hlavnej brány Trinity College v Cambridge, pod miestnosťou, v ktorej Newton žil, keď tam študoval.
Newtonova práca by mala hlboký vplyv na vedu, jej princípy by zostali kánonom nasledujúcich 200 rokov. Informovala tiež o koncepte univerzálnej gravitácie, ktorá sa stala oporou modernej astronómie a ktorá by sa nemusela revidovať až v 20. storočí - objavom kvantovej mechaniky a Einsteinovou teóriou všeobecnej relativity.
Tu sme napísali veľa zaujímavých článkov o gravitácii tu v časopise Space Magazine. Tu je Kto bol Sir Isaac Newton ?, Kto bol Galileo Galilei ?, Čo je sila gravitácie? A čo je gravitačný konštant?
Astronomy Cast má na túto tému niekoľko dobrých epizód. Tu je epizóda 37: gravitačná šošovka a epizóda 102: gravitácia,
zdroj:
- NASA - Newtonove zákony zákona
- The Physics Classroom - Newtonov zákon univerzálnej gravitácie
- BBC iWonder - Isaac Newton
- Wikipedia - Isaac Newton
