Jamesa E. MILLERA
Szczęśliwą konsekwencją ekspansji jest ogromny wzrost liczby młodych, energicznych pracowników zajmujących się nauką badania naukowe w naszym kraju, wspierany i ceniony przez Rząd Federalny. Wyczerpany i roztrzęsiony opiekunowie naukowi ci neofici są pozostawieni swemu losowi i często pozostają bez pilota, który przeprowadziłby ich przez pułapki rządowych dotacji. Na szczęście można je zainspirować historią Sir Izaaka Newtona, który odkrył prawo uniwersalna grawitacja. Oto jak to się stało.
W 1665 roku młody Newton został profesorem matematyki na Uniwersytecie im Uniwersytet Cambridge- jego macierzysta uczelnia. Był zakochany w swojej pracy, a jego umiejętności jako nauczyciela nie budziły wątpliwości. Należy jednak zaznaczyć, że w żadnym wypadku nie była to osoba nie z tego świata czy niepraktyczny mieszkaniec wieży z kość słoniowa. Jego praca na uczelni nie ograniczała się do zajęć dydaktycznych: był aktywnym członkiem Komisji Planowej, zasiadał w zarządzie uniwersyteckiego oddziału Stowarzyszenia Młodych Chrześcijan Szlachetnego Urodzenia, działał w Dziekańskiej Komisji Pomocy, Komisji ds. Publikacji oraz inne i inne komisje niezbędne do prawidłowego zarządzania kolegium w odległym XVII wieku. Dokładne badania historyczne pokazują, że w ciągu zaledwie pięciu lat Newton zasiadał w 379 komisjach, które badały 7924 problemy życia uniwersyteckiego, z czego 31 zostało rozwiązanych.
Któregoś razu (a było to w 1680 r.), po bardzo pracowitym dniu, posiedzenie komisji zaplanowane na godzinę jedenastą wieczorem nie odbyło się przed czasem, nie zgromadziło niezbędnego kworum, gdyż jeden z najstarszych członków członek komisji zmarł nagle z wyczerpania nerwowego. Każda chwila świadome życie Newton był starannie zaplanowany, a potem nagle okazało się, że tego wieczoru nie ma nic do roboty, gdyż rozpoczęcie posiedzenia kolejnej komisji zaplanowano dopiero na północ. Postanowił więc trochę pospacerować. Ten krótki spacer zmienił historię świata.
Była jesień. W ogrodach wielu dobrzy obywatele, który mieszkał obok skromnego domu Newtona, drzewa łamały się pod ciężarem dojrzałych jabłek. Wszystko było gotowe do żniw. Newton zobaczył, jak bardzo smaczne jabłko spada na ziemię. Natychmiastową reakcją Newtona na to wydarzenie – typową dla ludzkiej strony wielkiego geniuszu – było wspięcie się na ogrodowy żywopłot i włożenie jabłka do kieszeni. Odsunąwszy się na znaczną odległość od ogrodu, z przyjemnością ugryzł kęs soczystego owocu.
Wtedy właśnie to do niego dotarło. Podczas rozmyślań, bez wstępnego logicznego rozumowania, w jego mózgu pojawiła się myśl, że upadek jabłka i ruch planet po orbitach muszą podlegać temu samemu uniwersalnemu prawu. Zanim zdążył dokończyć jabłko i wyrzucić rdzeń, sformułowanie hipotezy o prawie powszechnego ciążenia było już gotowe. Do północy pozostały trzy minuty i Newton pospieszył na posiedzenie Komisji ds. Zwalczania Palenia Opium Wśród Studentów Nieszlachetnego Pochodzenia.
W ciągu następnych tygodni myśli Newtona raz po raz wracały do tej hipotezy. Rzadkie, wolne minuty pomiędzy dwoma spotkaniami poświęcił planom sprawdzenia tego. Minęło kilka lat, podczas których, jak pokazują dokładne obliczenia, rozmyślał o tych planach 63 minuty i 28 sekund. Newton zdał sobie sprawę, że sprawdzenie swojej hipotezy wymaga więcej wolnego czasu, niż mógł liczyć. W końcu konieczne było określenie z dużą dokładnością długości jednego stopnia szerokości geograficznej na powierzchnia ziemi i wynaleźć rachunek różniczkowy.
Nie mając doświadczenia w takich sprawach, wybrał prostą procedurę i napisał krótki list 22 słów do króla Karola, w których nakreślił swoją hipotezę i wskazał, jakie ogromne możliwości niesie ona w przypadku jej potwierdzenia. Nie wiadomo, czy król widział ten list, jest całkiem możliwe, że go nie widział, ponieważ był przeciążony problemy państwowe i plany przyszłych wojen. Nie ulega jednak wątpliwości, że pismo po przejściu odpowiednimi kanałami dotarło do wszystkich kierowników wydziałów, ich zastępców oraz ich zastępców, którzy pełna szansa wyrazić swoje przemyślenia i rekomendacje.
W końcu list Newtona wraz z obszernymi plikami komentarzy, które nabył po drodze, dotarł do biura sekretarza PCEBIR/KINI/PPABI (Komisji Planowania Jego Królewskiej Mości ds. Badań i Rozwoju, Komisji Studiów nad Nowymi Ideami, Sub- Komitet Tłumienia Idei Antybrytyjskich). Sekretarz natychmiast uznał wagę sprawy i przedstawił ją Podkomisji, która głosowała za zezwoleniem Newtonowi na złożenie zeznań przed Komisją. Decyzję tę poprzedziła krótka dyskusja na temat pomysłów Newtona, mająca na celu sprawdzenie, czy w jego zamierzeniach nie ma czegoś antybrytyjskiego, jednak zapis tej dyskusji, zajmujący kilka tomów quarto, wyraźnie pokazuje, że nie padły wobec niego żadne poważne podejrzenia.
Zeznania Newtona przed PCEVIR/KINI warto przeczytać wszystkim młodym naukowcom, którzy nie wiedzą jeszcze, jak się zachować, gdy nadejdzie ich czas. Uczelnia wykazała się delikatnością, udzielając mu w czasie posiedzeń Komisji dwumiesięcznego bezpłatnego urlopu, a prodziekan ds. nauki odesłał go z żartobliwym pożegnalnym życzeniem, aby nie wracać bez „tłustego” kontraktu. Posiedzenie Komisji odbyło się o godz Otwórz drzwi, i tłoczyło się całkiem sporo ludzi, ale później okazało się, że większość obecnych pomyliła drzwi, próbując dostać się na spotkanie KEVORSPVO – Komisji Jego Królewskiej Mości ds. Ujawniania Deprawacji Wśród Przedstawicieli Wyższego Społeczeństwa.
Po złożeniu przysięgi i uroczystym oświadczeniu Newtona, że nie jest członkiem Lojalnej Opozycji Jego Królewskiej Mości, nigdy nie pisał niemoralnych książek, nigdy nie podróżował do Rosji ani nie uwodził dojarki, poproszono go o krótkie przedstawienie istoty sprawy. W błyskotliwym, prostym i krystalicznie czystym dziesięciominutowym przemówieniu, wygłoszonym zaimprowizowanym, Newton nakreślił prawa Keplera i swoją własną hipotezę zrodzoną z widoku spadającego jabłka. W tej chwili jeden z członków Komitetu, człowiek imponujący i dynamiczny, prawdziwy mężczyzna działań, chciałem wiedzieć, jakie środki Newton mógłby zaoferować, aby poprawić organizację uprawy jabłek w Anglii. Newton zaczął wyjaśniać, że jabłko nie stanowi istotnej części jego hipotezy, jednak przerwało mu kilku członków Komitetu, którzy jednomyślnie wyrazili poparcie dla projektu ulepszenia angielskich jabłek. Dyskusja trwała kilka tygodni, podczas których Newton, z charakterystycznym dla siebie spokojem i godnością, siedział i czekał, aż Komitet zechce się z nim skonsultować. Któregoś dnia spóźnił się kilka minut na rozpoczęcie spotkania i stwierdził, że drzwi są zamknięte. Zapukał ostrożnie, nie chcąc zakłócać myśli członków Komitetu. Drzwi lekko się otworzyły, a odźwierny szepcząc, że nie ma miejsca, odesłał go z powrotem. Newton, zawsze wyróżniający się logicznym myśleniem, doszedł do wniosku, że Komisja nie potrzebuje już jego rad i dlatego wrócił na swoją uczelnię, gdzie oczekiwano od niego pracy w różnych komisjach.
Kilka miesięcy później Newton był zaskoczony, gdy otrzymał nieporęczne opakowanie PCEVIR/KINI. Otwierając ją, odkrył, że zawiera ona liczne formularze rządowe, po pięć egzemplarzy każdy. Naturalna ciekawość - główna cecha każdego prawdziwego naukowca - zmusił go do dokładnego przestudiowania tych kwestionariuszy. Wydawszy na to badanie określony czas zorientował się, że został zaproszony do ubiegania się o zamówienie na przeprowadzenie badań naukowych mających na celu wyjaśnienie związku pomiędzy sposobem uprawy jabłek, ich jakością i szybkością, z jaką spadają na ziemię. Decydujący gol Uświadomił sobie, że projekt polega na opracowaniu odmiany jabłek, które nie tylko będą dobrze smakować, ale także będą miękko spadać na ziemię, nie uszkadzając skórki. Nie to oczywiście miał dokładnie na myśli Newton, pisząc list do króla. Był jednak człowiekiem praktycznym i zdawał sobie sprawę, że pracując nad zaproponowanym problemem, może jednocześnie sprawdzić swoją hipotezę. Uszanuje więc interesy króla i zrobi trochę nauki - za te same pieniądze. Podjąwszy tę decyzję, Newton bez wahania zaczął wypełniać formularze.
Pewnego dnia w 1865 roku dokładna codzienność Newtona została zakłócona. W czwartkowe popołudnie przygotowywał się do przyjęcia komisji złożonej z wiceprezesów firm wchodzących w skład konsorcjum owocowego, gdy nadeszła wiadomość, która wprawiła Newtona w przerażenie, a całą Wielką Brytanię w smutek, że cały skład komisji został zginął podczas strasznego zderzenia dyliżansów. Newton, jak to już kiedyś miało miejsce, miał wolne „okno” i postanowił wybrać się na spacer. Podczas tego spaceru przyszedł mu do głowy (nie wie jak) pomysł na nowe, całkowicie rewolucyjne podejście matematyczne, za pomocą którego można rozwiązać problem przyciągania w pobliżu gała. Newton zdał sobie sprawę, że rozwiązanie tego problemu pozwoli mu z największą dokładnością sprawdzić swoją hipotezę i natychmiast, bez uciekania się do atramentu i papieru, udowodnił w swoim umyśle, że hipoteza została potwierdzona. Łatwo sobie wyobrazić, jak bardzo był zachwycony tak genialnym odkryciem.
W ten sposób Rząd Jego Królewskiej Mości wspierał i zachęcał Newtona podczas tych intensywnych lat pracy nad teorią. Nie będziemy się rozwodzić nad próbami opublikowania przez Newtona swojego dowodu, ks. nieporozumienia z redakcją Gardeners' Journal i odrzucenie jego artykułu przez magazyny Amateur Astronomer i Physics for Housewives. Dość powiedzieć, że Newton założył własne czasopismo, aby móc bez skrótów i zniekształceń wydrukować wiadomość o swoim odkryciu.
Opublikowano w The American Scientist, 39, nr 1 (1951).
JE Miller jest kierownikiem Wydziału Meteorologii i Oceanografii na Uniwersytecie Nowojorskim.
/krótka perspektywa historyczna/
Wielkość prawdziwego naukowca nie polega na tytułach i nagrodach, którymi jest wyróżniany lub nagradzany przez społeczność światową, ani nawet na uznaniu jego zasług dla ludzkości, ale na odkryciach i teoriach, które pozostawił światu. Unikalne odkrycia dokonane podczas naszego jasne życie, słynny naukowiec Izaak Newtona trudno przecenić lub niedoceniać.
Teorie i odkrycia
Izaak Newton sformułował podstawę prawa Mechanika klasyczna , było otwarte prawo powszechnego ciążenia, rozwinęła się teoria ruchy ciał niebieskich, Utworzony podstawy mechaniki nieba.
Izaaka Newtona(niezależnie od Gottfrieda Leibniza) stworzył teoria różniczkowa i rachunek całkowy , otwarty rozproszenie światła, aberracja chromatyczna, badana interferencja i dyfrakcja, rozwinięty teoria korpuskularna Swieta, dał hipotezę, która łączyła korpuskularny I reprezentacje fal, zbudowany teleskop lustrzany.
Przestrzeń i czas Newton uważany za absolutny.
Historyczne sformułowania praw mechaniki Newtona
Pierwsze prawo Newtona
Każde ciało jest nadal utrzymywane w stanie spoczynku lub umundurowania ruch prostoliniowy, dopóki i tak długo, jak przyłożone siły nie wymuszą zmiany tego stanu.
Drugie prawo Newtona
W układ inercyjny przyspieszenie odniesienia, które otrzymuje punkt materialny, wprost proporcjonalna do wypadkowej wszystkich sił przyłożonych do niego i odwrotnie proporcjonalna do jego masy.
Zmiana pędu jest proporcjonalna do przyłożonego pędu siła napędowa i następuje w kierunku prostej, wzdłuż której działa ta siła.
Trzecie prawo Newtona
Akcja zawsze wywołuje równą i przeciwną reakcję, w przeciwnym razie oddziaływania dwóch ciał na siebie są równe i skierowane w przeciwne strony.
Uważali go niektórzy współcześni Newtonowi alchemik. Był dyrektorem Mennica, założona moneta w Anglii, stała na czele stowarzyszenia Przed-Syjon, studiował chronologię starożytnych królestw. Kilka dzieł teologicznych ( przez większą część niepublikowane) poświęcone interpretacji proroctw biblijnych.
Prace Newtona
– « Nowa teoriaświatło i kwiaty”, 1672 (przesłanie Towarzystwo Królewskie)
– „Ruch ciał na orbicie” (łac. De Motu Corporum w Gyrum), 1684
– „Matematyczne zasady filozofii przyrody” (łac. Philosophiae Naturalis Principia Mathematica), 1687
- „Optyka, czyli traktat o odbiciach, załamaniach, załamaniach i barwach światła” (ang. Optyka Lub A rozprawa naukowa z the odbicia, załamania, przegięcia I zabarwienie z światło), 1704
– „O kwadraturze krzywych” (łac. Tractatus de quadratura curvarum), dodatek do „Optyki”
– „Wyliczenie linii trzeciego rzędu” (łac. Enumeratio linearum tertii ordinis), dodatek do „Optyki”
– „Arytmetyka uniwersalna” (łac. Arytmetyka uniwersalna), 1707
– „Analiza za pomocą równań z nieskończona liczba członkowie” (łac. De analysi per aequationes numero terminorum infinitas), 1711
– „Metoda różnic”, 1711
Według naukowców na całym świecie dzieło Newtona znacznie wyprzedziło generała poziom naukowy swoich czasów i były mało rozumiane przez współczesnych. Jednak sam Newton powiedział o sobie: „ Nie wiem, jak świat mnie postrzega, ale dla siebie wydaję się być tylko bawiącym się chłopcem pobrzeże który bawi się od czasu do czasu znajdując kamyk bardziej kolorowy od innych lub piękną muszlę, podczas gdy przede mną leży niezbadany ocean prawdy. »
Ale zgodnie z przekonaniem nie mniej wielkiego naukowca, A. Einsteina „ Newton był pierwszym, który próbował to sformułować prawa elementarne, które określają przebieg w czasie szerokiej klasy procesów w przyrodzie wysoki stopień kompletność i dokładność” oraz „...swoimi dziełami ukazał głębię i silny wpływ do całego światopoglądu jako całości. »
Na grobie Newtona widnieje następujący napis:
„Tu leży Sir Izaak Newton, szlachcic, który o niemal boskim umyśle jako pierwszy udowodnił za pomocą pochodni matematyki ruch planet, ścieżki komet i pływy oceanów. Badał różnice w świetle promienie i pojawiające się w ten sposób różne właściwości kolorów, których nikt wcześniej nie podejrzewał. Pracowity, mądry i wierny interpretator przyrody, starożytności i Pisma Świętego, swoją filozofią potwierdzał wielkość Boga Wszechmogącego, a swoim usposobieniem wyrażał ewangeliczną prostotę. Niech śmiertelnicy radują się, że istniała taka ozdoba rodzaju ludzkiego. »
Przygotowany Model Łazarza.
I.Newton ()
Powszechnie znana historia głosi, że odkrycie powszechnego ciążenia przez Newtona było spowodowane nieoczekiwanym upadkiem jabłka z drzewa w Woolsthorpe. Ta historia jest najwyraźniej wiarygodna i nie jest legendą. Stekeley przytacza następującą scenę związaną ze starością Newtona: „Popołudnie (w Londynie, u Newtona) było upalne; poszliśmy do ogrodu i piliśmy herbatę w cieniu kilku jabłoni; byliśmy tylko my dwoje. Nawiasem mówiąc, Sir Isaac powiedział mi, że był w dokładnie tej samej sytuacji, kiedy po raz pierwszy przyszedł mu do głowy pomysł grawitacji. Było to spowodowane upadkiem jabłka, gdy siedział głęboko zamyślony. Dlaczego jabłko zawsze spada pionowo, pomyślał, dlaczego nie w bok, ale zawsze w środek Ziemi. W materii skupionej w centrum Ziemi musi istnieć siła przyciągania. Jeśli materia przyciąga w ten sposób inną materię, to musi istnieć proporcjonalność do jej ilości. Dlatego jabłko przyciąga Ziemię, tak jak Ziemia przyciąga jabłko. Musi zatem istnieć siła podobna do tej, którą nazywamy grawitacją, rozciągająca się po całym wszechświecie. Z jakiegoś powodu historia Stekelei pozostała mało znana, ale podobna opowieść o Wolterze ze słów siostrzenicy Newtona rozeszła się po całym świecie. Podobała mi się ta historia, zaczęto pokazywać jabłoń, która rzekomo była powodem pojawienia się „Zasad”, poeci i filozofowie używali wdzięcznej metafory, porównując jabłko Newtona z jabłkiem, które zabiło Adama, lub z jabłkiem Paryż; podobało się to ludziom dalekim od nauki prosta mechanika pojawienie się kompleksu pomysł naukowy. Wciąż sporo osób wie o Newtonie tylko to, co wiąże się z historią o jabłku. Nie ma powodu wątpić, że Newton pracował nad grawitacją w 1666 roku. To było po prostu kolejne zadanie i w tamtym czasie interesowało się nim wiele osób. W liście do Halleya z 1686 r. Newton pisze całkiem twierdząco, że już w 1665 lub 1666 r. wywnioskował z praw Keplera, że siła ciężkości musi zmniejszać się odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości pomiędzy przyciągającymi się ciałami. W innym liście do Halleya z tego samego roku Newton pisze, co następuje: „W artykułach napisanych ponad 15 lat temu (dokładnej daty nie mogę podać, ale w każdym razie było to przed rozpoczęciem mojej korespondencji z Oldenburgiem) wyraziłem odwrotna proporcjonalność kwadratowa przyciąganie grawitacyjne planet w stronę Słońca w zależności od odległości i obliczone właściwa postawa grawitacja Ziemi i conatus recedendi (dążenie) Księżyca do środka Ziemi, choć nie do końca dokładnie.” W pracach Newtona znajduje się ponadto następujący bardziej szczegółowy zapis: „W tym samym roku (1666) zacząłem zastanawiać się nad grawitacją rozciągającą się na orbitę Księżyca i odkryłem, jak oszacować siłę, z jaką obracająca się wewnątrz kula kula naciska na powierzchnię tej kuli. Z reguły Keplera mówiącej, że okresy planet są proporcjonalne do odległości od środków ich orbit, wywnioskowałem, że siły utrzymujące planety na orbitach muszą być równe odwrotnie kwadraty ich odległości od środków, wokół których się obracają. Stąd porównałem siłę potrzebną do utrzymania Lupy na orbicie z siłą grawitacji na powierzchni Ziemi i stwierdziłem, że są one prawie identyczne. Wszystko to wydarzyło się w ciągu dwóch lat zarazy, 1665 i 1666, gdyż w tym czasie byłem u szczytu moich zdolności wynalazczych i od tamtej pory częściej niż kiedykolwiek myślałem o matematyce i filozofii. W każdym razie, gdyby w 1666 roku Newton mógł wyprowadzić prawo ciążenia z praw Keplera, powinien był znać wyrażenie siły odśrodkowej i, że tak powiem, „Zasady” były już pisane przez ucznia Newtona. Jak to często bywało z Newtonem, bez wyraźnego powodu, kwestia grawitacji i innych problemów mechanicznych została na długi czas odłożona na bok i skupił się całkowicie na zagadnieniach optycznych. Newton najwyraźniej powrócił do mechaniki dopiero około 1679 roku, czyli prawie 15 lat później. Pomimo niewątpliwego związku zauważonego powyżej między badaniami optycznymi i mechanicznymi Newtona a innymi fizykami, jemu współczesnymi, przejście dla Newtona było dość gwałtowne. Nie chodziło tylko o zmianę obszaru badań, ale także o nową metodę. Z doświadczenia Newton przeniósł się na boisko fizyka matematyczna. W 1675 roku Collins napisał do Gregory’ego, że „spekulacja matematyczna wydaje się teraz Barrowowi i Newtonowi mimo wszystko sucha i jałowa”. Przeciwnie, w latach osiemdziesiątych, w epoce publikacji Principiów, Newton lubił nazywać siebie matematykiem i nadał tytuł samej książce - „Matematyczne zasady filozofii naturalnej”. Newton łączył w sobie cechy genialnego eksperymentatora, teoretyka i matematyka, jednak w latach osiemdziesiątych trzeba zauważyć wyraźną zmianę jego skłonności do eksperymentowania na skłonność do eksperymentowania. problemy matematyczne. Newton mówił dalej praca chemiczna, ale dokładnie doświadczenie fizyczne w każdym razie wracał bardzo rzadko.
Zatem ruch planet, np. Księżyca wokół Ziemi czy Ziemi wokół Słońca, to ten sam spadek, ale tylko spadek, który trwa w nieskończoność (w każdym razie, jeśli pominiemy przejście energii w „niemechaniczne „formularze”).
Przypuszczenie o jedności przyczyn rządzących ruchem planet i upadkiem ciał ziemskich zostało wyrażone przez naukowców na długo przed Newtonem. Podobno pierwszym, który jasno wyraził tę myśl, był grecki filozof Anaksagoras, pochodzący z Azji Mniejszej, który prawie dwa tysiące lat temu mieszkał w Atenach. Powiedział, że Księżyc, jeśli się nie poruszy, spadnie na Ziemię.
Jednak genialne przypuszczenie Anaksagorasa najwyraźniej nie miało żadnego praktycznego wpływu na rozwój nauki. Miała zostać źle zrozumiana przez współczesnych i zapomniana przez potomków. Myśliciele starożytni i średniowieczni, których uwagę przykuwał ruch planet, byli bardzo dalecy od prawidłowej (a najczęściej żadnej) interpretacji przyczyn tego ruchu. Przecież nawet wielki Kepler, któremu kosztem ogromnej pracy udało się sformułować dokładne matematyczne prawa ruchu planet, uważał, że przyczyną tego ruchu jest obrót Słońca.
Według pomysłów Keplera obracające się Słońce stale wprawia planety w ruch obrotowy. To prawda, że \u200b\u200bnie było jasne, dlaczego czas obrotu planet wokół Słońca różni się od okresu obrotu Słońca wokół Słońca własną oś. Kepler pisał o tym: „gdyby planety nie miały naturalnego oporu, nie byłoby możliwe podanie powodów, dla których nie miałyby dokładnie podążać za obrotem Słońca. Ale chociaż w rzeczywistości wszystkie planety poruszają się w tym samym kierunku, w którym następuje obrót Słońca, prędkość ich ruchu nie jest taka sama. Faktem jest, że mieszają w pewnych proporcjach bezwładność własnej masy z prędkością swego ruchu.
Kepler nie zrozumiał, że zbieżność kierunków ruchu planet wokół Słońca z kierunkiem obrotu Słońca wokół własnej osi nie jest związana z prawami ruchu planet, ale z pochodzeniem naszego Układu Słonecznego. Sztuczną planetę można wystrzelić zarówno w kierunku obrotu Słońca, jak i przeciwnie do tego obrotu.
Robert Hooke był znacznie bliższy od Keplera odkrycia prawa przyciągania ciał. Oto jego aktualne słowa z opublikowanej w 1674 roku pracy pt. Próba badania ruchu Ziemi: „Opracuję teorię, która będzie pod każdym względem zgodna z ogólnie przyjętymi zasadami mechaniki. Teoria ta opiera się na trzech założeniach: po pierwsze, że wszystkie ciała niebieskie bez wyjątku mają grawitację skierowaną w stronę swojego środka, dzięki czemu przyciągają nie tylko swoje własne części, ale także wszystkie ciała niebieskie znajdujące się w swojej strefie działania. Zgodnie z drugim założeniem wszystkie ciała poruszające się prostoliniowo i równomiernie będą poruszać się po linii prostej, dopóki nie zostaną odchylone przez jakąś siłę i nie zaczną opisywać trajektorii po okręgu, elipsie lub innej mniej prostej krzywej. Zgodnie z trzecim założeniem siły przyciągania działają tym silniej, im bliżej nich znajdują się ciała, na które działają. Nie udało mi się jeszcze ustalić na podstawie doświadczenia, co różne stopnie atrakcja. Jeśli jednak rozwiniemy tę myśl dalej, astronomowie będą w stanie określić prawo, według którego poruszają się wszystkie ciała niebieskie.”
Doprawdy można się tylko dziwić, że sam Hooke nie chciał angażować się w rozwój tych pomysłów, powołując się na zajęcie się inną pracą. Ale pojawił się naukowiec, który dokonał przełomu w tej dziedzinie
Historia odkrycia przez Newtona prawa powszechnego ciążenia jest dość dobrze znana. Po raz pierwszy pomysł, że natura sił powodujących upadek kamienia i determinujących ruch ciał niebieskich jest jedna i ta sama, zrodziła się u ucznia Newtona, że pierwsze obliczenia nie dały prawidłowych wyników, ponieważ dane dostępne wówczas informacje na temat odległości Ziemi od Księżyca były nieścisłe, by 16 lat później pojawiły się nowe, skorygowane informacje o tej odległości. Aby wyjaśnić prawa ruchu planet, Newton zastosował stworzone przez siebie prawa dynamiki i ustanowione przez siebie prawo powszechnego ciążenia.
Zasadę bezwładności Galileusza nazwał pierwszą zasadą dynamiki, włączając ją do systemu podstawowych praw-postulatów swojej teorii.
Jednocześnie Newton musiał wyeliminować błąd Galileusza, który w to wierzył ruch jednolity w okręgu - jest to ruch bezwładności. Newton zauważył (i jest to druga zasada dynamiki), że jedyny sposób Zmiana ruchu ciała – wartości lub kierunku prędkości – oznacza oddziaływanie na nie pewną siłą. W tym przypadku przyspieszenie, z jakim porusza się ciało pod wpływem siły, jest odwrotnie proporcjonalne do masy ciała.
Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona „na każde działanie zawsze przypada równa i przeciwna reakcja”.
Konsekwentnie stosując zasady – prawa dynamiki, najpierw obliczył przyspieszenie dośrodkowe Księżyca poruszającego się po orbicie okołoziemskiej, a następnie potrafił wykazać, że stosunek tego przyspieszenia do przyspieszenia swobodny spadek ciał w pobliżu powierzchni Ziemi jest równy stosunkowi kwadratów promieni Ziemi i orbita księżycowa. Na tej podstawie Newton wywnioskował, że natura grawitacji i siła utrzymująca Księżyc na orbicie są takie same. Innymi słowy, zgodnie z jego wnioskami, Ziemia i Księżyc przyciągają się z siłą odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między ich środkami Fg ≈ 1∕r2.
Newton był w stanie to wykazać jedyne wyjaśnienie Niezależność przyspieszenia swobodnego spadania ciał od ich masy to proporcjonalność siły ciężkości do masy.
Podsumowując ustalenia, Newton napisał: „nie ma wątpliwości, że natura grawitacji na innych planetach jest taka sama jak na Ziemi. A właściwie wyobraźmy sobie, że ciała Ziemi zostają wzniesione na orbitę Księżyca i wysłane wraz z Księżycem, również pozbawionym jakiegokolwiek ruchu, aby opadły na Ziemię. Na podstawie tego, co zostało już udowodnione (czyli eksperymentów Galileusza), nie ma wątpliwości, że w tym samym czasie będą przechodzić przez te same przestrzenie co Księżyc, gdyż ich masy są w ten sam sposób powiązane z masą Księżyca jak ich ciężary mają się do jego ciężaru.” W ten sposób Newton odkrył, a następnie sformułował prawo powszechnego ciążenia, które słusznie jest własnością nauki.
2. Właściwości sił grawitacyjnych.
Jeden z najbardziej niezwykłe właściwości siły powszechnego ciążenia, czyli jak się je często nazywa, siły grawitacyjne, znajdują już odzwierciedlenie w samej nazwie nadanej przez Newtona: uniwersalny. Siły te, że tak powiem, są „najbardziej uniwersalne” spośród wszystkich sił natury. Wszystko, co ma masę – a masa jest nieodłączną częścią każdej formy i każdego rodzaju materii – musi podlegać wpływom grawitacyjnym. Nawet światło nie jest wyjątkiem. Jeśli wizualizujesz siły grawitacyjne za pomocą nici rozciągających się od jednego ciała do drugiego, niezliczona liczba takich nici musiałaby wszędzie przeniknąć przestrzeń. Jednocześnie warto zauważyć, że nie da się zerwać takiej nici i uchronić się przed siłami grawitacji. Nie ma barier dla powszechnej grawitacji; promień ich działania jest nieograniczony (r = ∞). Siły grawitacyjne są siłami dalekiego zasięgu. To jest " oficjalne imię„tych sił w fizyce. Dzięki działaniu dalekiego zasięgu grawitacja łączy wszystkie ciała Wszechświata.
Względna powolność zmniejszania się sił wraz z odległością na każdym kroku objawia się w naszych ziemskich warunkach: wszak wszystkie ciała nie zmieniają swojego ciężaru przy przenoszeniu z jednej wysokości na drugą (a ściślej zmieniają się, ale niezwykle nieznacznie), właśnie dlatego, że przy stosunkowo niewielkiej zmianie odległości – w w tym przypadku od środka Ziemi - siły grawitacyjne praktycznie się nie zmieniają.
Nawiasem mówiąc, z tego powodu prawo pomiaru sił grawitacyjnych wraz z odległością zostało odkryte „na niebie”. Wszystkie niezbędne dane zostały zaczerpnięte z astronomii. Nie należy jednak sądzić, że w warunkach ziemskich nie da się wykryć spadku grawitacji wraz z wysokością. Na przykład, zegar wahadłowy przy okresie oscylacji wynoszącym jedną sekundę, będą opóźnione o prawie trzy sekundy dziennie, jeśli zostaną podniesione z piwnicy na najwyższe piętro Uniwersytetu Moskiewskiego (200 metrów) - i to tylko ze względu na spadek grawitacji.
Wysokości, na których się poruszają sztuczne satelity, są już porównywalne z promieniem Ziemi, więc obliczając ich trajektorię, należy uwzględnić zmianę siły powaga z dystansem jest absolutnie konieczne.
Siły grawitacyjne mają jeszcze jedną bardzo interesującą i niezwykłą właściwość, która zostanie teraz omówiona.
Przez wiele stuleci nauka średniowieczna przyjmowała za niewzruszony dogmat twierdzenie Arystotelesa, że ciało spada tym szybciej, im większy jest jego ciężar. Nawet codzienne doświadczenie to potwierdza: wiadomo, że kawałek puchu spada wolniej niż kamień. Jednakże, jak Galileusz był w stanie wykazać po raz pierwszy, cała rzecz w tym, że wchodzący w grę opór powietrza radykalnie zniekształca obraz, jaki byłby, gdyby na wszystkie ciała działała tylko ziemska grawitacja. Istnieje niezwykły eksperyment z tzw. rurką Newtona, który pozwala bardzo łatwo ocenić rolę oporu powietrza. Tutaj krótki opis to doświadczenie. Wyobraź sobie zwykłą szklaną rurkę (aby zobaczyć, co dzieje się w środku), w której różne przedmioty: pellet, kawałki korka, pióra lub puch itp. Jeśli odwrócisz rurkę tak, aby to wszystko spadło, wówczas pellet szybko się rozbłyśnie, po nim kawałki korka, a na koniec puch gładko opadnie. Spróbujmy jednak monitorować upadek tych samych obiektów, gdy powietrze jest wypompowywane z rurki. Puch, utraciwszy swą dawną powolność, pędzi dalej, dotrzymując kroku pelletowi i korkowi. Oznacza to, że jego ruch był opóźniony przez opór powietrza, co w mniejszym stopniu wpływało na ruch czopa, a jeszcze mniej na ruch śrutu. W konsekwencji, gdyby nie opór powietrza, gdyby na ciała działały siły powszechnej grawitacji – w konkretnym przypadku grawitacja – wówczas wszystkie ciała spadałyby dokładnie w ten sam sposób, przyśpieszając w tym samym tempie.
Ale „nie ma nic nowego pod słońcem”. Dwa tysiące lat temu Lukrecjusz Carus w swoim słynny wiersz„O naturze rzeczy” napisał:
wszystko, co spada w rzadkim powietrzu,
Powinien spadać szybciej, zgodnie z własnym ciężarem
Tylko dlatego, że woda lub powietrze jest subtelną esencją
Nie potrafię stawiać przeszkód na drodze rzeczy, które są takie same,
Ale jest bardziej prawdopodobne, że ustąpi tym, którzy mają większą surowość.
Wręcz przeciwnie, nigdy i nigdzie nie jestem do niczego zdolny
Rzecz podtrzymuje pustkę i jawi się jako swego rodzaju podpora,
Z natury ciągle poddaje się wszystkiemu.
Dlatego wszystko, pędząc przez pustkę bez przeszkód,
Mają tę samą prędkość pomimo różnicy masy.
Oczywiście te cudowne słowa były świetnym domysłem. Aby zamienić to przypuszczenie w wiarygodne ustalone prawo, wymagało wielu eksperymentów, począwszy od słynne eksperymenty Galileusz, który badał upadek kulek tej samej wielkości, ale wykonanych z różne materiały(marmur, drewno, ołów itp.), a kończąc na najbardziej skomplikowanych współczesnych pomiarach wpływu grawitacji na światło. Cała ta różnorodność danych eksperymentalnych stale utwierdza nas w przekonaniu, że siły grawitacyjne nadają wszystkim ciałom jednakowe przyspieszenie; w szczególności przyspieszenie swobodnego spadania spowodowane grawitacją jest takie samo dla wszystkich ciał i nie zależy od składu, budowy czy masy samych ciał.
To pozornie proste prawo wyraża być może najbardziej niezwykłą cechę sił grawitacyjnych. Nie ma dosłownie żadnych innych sił, które równomiernie przyspieszałyby wszystkie ciała, niezależnie od ich masy.
Zatem tę właściwość sił powszechnej grawitacji można streścić w jednym krótkim stwierdzeniu: siła grawitacji jest proporcjonalna do masy ciał. Podkreślmy to tutaj mówimy o o samej masie, która jest miarą bezwładności w prawach Newtona. Nazywa się ją nawet masą obojętną.
Cztery słowa „siła grawitacji jest proporcjonalna do masy” zawierają zaskakującą informację głębokie znaczenie. Ciała duże i małe, gorące i zimne, wszelkiego rodzaju skład chemiczny, dowolna konstrukcja - wszystkie doświadczają tego samego oddziaływania grawitacyjnego, jeśli ich masy są równe.
A może to prawo jest naprawdę proste? Przecież na przykład Galileusz uważał to za niemal oczywiste. Oto jego uzasadnienie. Niech spadną dwa ciała o różnych masach. Według Arystotelesa ciężkie ciało powinno spadać szybciej nawet w próżni. Teraz połączmy ciała. Wtedy z jednej strony ciała powinny spadać szybciej, ponieważ całkowita waga wzrosła. Ale z drugiej strony dodanie do ciężkiego ciała części, która spada wolniej, powinno spowolnić to ciało. Istnieje sprzeczność, którą można wyeliminować tylko wtedy, gdy założymy, że wszystkie ciała pod wpływem samego grawitacji spadają z tym samym przyspieszeniem. Jakby wszystko było spójne! Zastanówmy się jednak jeszcze raz nad powyższym rozumowaniem. Opiera się ona na powszechnej metodzie dowodu „przez sprzeczność”: zakładając, że ciało cięższe spada szybciej niż lżejsze, dochodzimy do sprzeczności. I od samego początku zakładano, że o przyspieszeniu swobodnego spadania decyduje ciężar i tylko ciężar. (Ściśle mówiąc, nie wagowo, ale masowo.)
Ale nie jest to wcale oczywiste z góry (tj. Przed eksperymentem). A co by było, gdyby to przyspieszenie zostało określone przez objętość ciał? Albo temperatura? Wyobraźmy sobie, że istnieje ładunek grawitacyjny, podobny do ładunku elektrycznego i podobnie jak ten drugi, zupełnie niezwiązany bezpośrednio z masą. Porównanie z ładunek elektryczny bardzo pomocne. Oto dwie drobinki kurzu pomiędzy naładowanymi płytkami kondensatora. Niech te drobinki kurzu równe opłaty, a masy są powiązane w stosunku 1 do 2. Następnie przyspieszenia muszą różnić się dwukrotnie: siły określone przez ładunki są równe i gdy równe siły ciało podwoiło się większa masa przyspiesza z połową prędkości. Jeśli połączysz cząstki kurzu, to oczywiście przyspieszenie będzie miało nową, pośrednią wartość. Bez podejścia spekulacyjnego nie ma badania eksperymentalne siły elektryczne nie mogą tu nic zapewnić. Obraz byłby dokładnie taki sam, gdyby ładunek grawitacyjny nie był powiązany z masą. Ale tylko doświadczenie może odpowiedzieć na pytanie, czy taki związek istnieje. Teraz rozumiemy, że to eksperymenty, które wykazały identyczne przyspieszenie grawitacyjne dla wszystkich ciał, zasadniczo pokazały, że ładunek grawitacyjny (masa grawitacyjna lub ciężka) jest równy masie bezwładności.
Doświadczenie i tylko doświadczenie może służyć jako podstawa prawa fizyczne oraz kryterium ich słuszności. Przypomnijmy przynajmniej rekordowe eksperymenty precyzyjne przeprowadzone pod kierunkiem V.B. Bragińskiego na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym. Doświadczenia te, w których uzyskano dokładność około 10-12, po raz kolejny potwierdziły równość masy ciężkiej i bezwładnej.
To właśnie na doświadczeniu, na szerokich testach natury – od skromnej skali małego laboratorium naukowca po imponującą skalę kosmiczną – opiera się prawo powszechnego ciążenia, które (podsumowując wszystko, co powiedziano powyżej) mówi:
Siła wzajemnego przyciągania dowolnych dwóch ciał, których wymiary są znacznie mniejsze niż odległość między nimi, jest proporcjonalna do iloczynu mas tych ciał i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między tymi ciałami.
Współczynnik proporcjonalności nazywany jest stałą grawitacji. Jeśli długość mierzymy w metrach, czas w sekundach, a masę w kilogramach, siła grawitacji zawsze będzie wynosić 6,673*10-11, a jej wymiar będzie odpowiednio m3/kg*s2 lub N*m2/kg2.
G=6,673*10-11 N*m2/kg2
3. Fale grawitacyjne.
W prawie powszechnego ciążenia Newtona na czas transmisji oddziaływanie grawitacyjne nic nie jest powiedziane. Zakłada się implicytnie, że następuje to natychmiastowo, bez względu na to, jak duże są odległości pomiędzy oddziałującymi ciałami. Pogląd ten jest na ogół typowy dla zwolenników działań na odległość. Ale z " specjalna teoria względności” Einsteina wynika, że grawitacja jest przenoszona z jednego ciała na drugie z tą samą prędkością, co sygnał świetlny. Jeśli jakieś ciało poruszy się ze swojego miejsca, to wywołane przez nie zakrzywienie przestrzeni i czasu nie zmienia się natychmiast. To będzie miało pierwszy wpływ bliskość od ciała, wówczas zmiana obejmie coraz bardziej odległe obszary, aż w końcu w przestrzeni ustali się nowy rozkład krzywizny, odpowiadający zmienionej pozycji ciała.
I tu dochodzimy do problemu, który spowodował i nadal powoduje największa liczba Spory i nieporozumienia - problem promieniowania grawitacyjnego.
Czy grawitacja może istnieć, jeśli nie tworzy jej masa? Według Prawo Newtona- absolutnie nie. Nawet nie ma sensu zadawać tam takiego pytania. Jednak gdy tylko zgodziliśmy się, że sygnały grawitacyjne przesyłane są, choć z bardzo dużą, ale wciąż nieskończoną prędkością, wszystko zmienia się radykalnie. Rzeczywiście, wyobraźmy sobie, że początkowo masa powodująca grawitację, na przykład piłka, znajdowała się w spoczynku. Na wszystkie ciała wokół kuli działają zwykłe siły Newtona. Teraz usuńmy piłkę z pierwotnego miejsca z dużą prędkością. Na początku otaczające ciała nie będą tego odczuwać. W końcu siły grawitacyjne nie zmieniają się natychmiast. Aby zmiany krzywizny przestrzeni rozprzestrzeniły się we wszystkich kierunkach, potrzeba czasu. Oznacza to, że otaczające ciała będą przez jakiś czas odczuwać ten sam wpływ piłki, kiedy samej piłki już nie będzie (przynajmniej w tym samym miejscu).
Okazuje się, że krzywizny przestrzeni uzyskują pewną niezależność, że możliwe jest wyrwanie ciała z obszaru przestrzeni, w którym ono spowodowało krzywizny, i to w taki sposób, że same krzywizny, przynajmniej na duże odległości, pozostać i rozwijać się na swój sposób prawa wewnętrzne. Oto grawitacja bez grawitującej masy! Możemy pójść dalej. Jeśli wprawisz piłkę w oscylację, to – jak wynika z teorii Einsteina – dalej obraz Newtona grawitacji, nakłada się rodzaj zmarszczki - fale grawitacyjne. Aby lepiej wyobrazić sobie te fale, musisz użyć modelu - gumowej folii. Jeśli nie tylko przyciśniesz palcem po tym filmie, ale jednocześnie go zrobisz ruchy oscylacyjne, wówczas wibracje te zaczną być przenoszone wzdłuż rozciągniętej folii we wszystkich kierunkach. Jest to analogia fal grawitacyjnych. Im dalej od źródła, tym słabsze są takie fale.
A teraz w pewnym momencie przestaniemy wywierać presję na film. Fale nie odejdą. Będą istnieć niezależnie, rozpraszając się coraz dalej w poprzek filmu, powodując po drodze zakrzywianie geometrii.
Dokładnie w ten sam sposób fale krzywizny przestrzeni - fale grawitacyjne - mogą istnieć niezależnie. Wielu badaczy wyciąga taki wniosek z teorii Einsteina.
Oczywiście wszystkie te efekty są bardzo słabe. Przykładowo energia uwolniona podczas spalania jednej zapałki jest wielokrotnie większa od energii fal grawitacyjnych emitowanych przez całą naszą planetę. Układ Słoneczny w tym samym czasie. Ważna jest tu jednak nie ilość, ale strona pryncypialna.
Zwolennicy fal grawitacyjnych – a wydaje się, że jest ich obecnie większość – przewidują jeszcze jedną rzecz. niesamowite zjawisko; przemiana grawitacji w cząstki takie jak elektrony i pozytony (muszą rodzić się parami), protony, antytrony itp. (Ivanenko, Wheeler itp.).
Powinno to wyglądać mniej więcej tak. Fala grawitacji dotarła do pewnego obszaru przestrzeni. W pewnym momencie ta grawitacja gwałtownie, gwałtownie maleje i jednocześnie pojawia się tam, powiedzmy, para elektron-pozyton. To samo można opisać jako nagłe zmniejszenie krzywizny przestrzeni przy jednoczesnym narodzinach pary.
Istnieje wiele prób przełożenia tego na język mechaniki kwantowej. Pod uwagę wzięto cząstki - grawitony, które porównano z obrazem niekwantowym fala grawitacyjna. W literaturze fizycznej krąży termin „transmutacja grawitonów w inne cząstki”, a te transmutacje – wzajemne przekształcenia – są możliwe pomiędzy grawitonami i w zasadzie dowolnymi innymi cząstkami. W końcu nie ma cząstek niewrażliwych na grawitację.
Nawet jeśli takie przekształcenia są mało prawdopodobne, to znaczy zdarzają się niezwykle rzadko, skala kosmiczna mogą okazać się fundamentalne.
4. Zakrzywienie czasoprzestrzeni pod wpływem grawitacji,
„Przypowieść Eddingtona”
Przypowieść Fizyk angielski Eddington z książki „Przestrzeń, czas i grawitacja” (opowiadanie):
„W oceanie, który ma tylko dwa wymiary, żyła kiedyś rasa płastug. Zaobserwowano, że ryby na ogół pływały po liniach prostych, o ile nie napotykały na swojej drodze oczywistych przeszkód. To zachowanie wydawało się całkiem naturalne. Ale w oceanie był tajemniczy obszar; kiedy ryby do niego wpadły, wydawały się oczarowane; niektórzy przepłynęli przez ten obszar, ale zmienili kierunek swojego ruchu, inni bez końca krążyli wokół tego obszaru. Jedna ryba (prawie Kartezjusz) zaproponowała teorię wirów; powiedziała, że w tej okolicy występują wiry, które wprawiają w ruch wszystko, co do nich dociera. Z biegiem czasu zaproponowano znacznie bardziej zaawansowaną teorię (teorię Newtona); powiedzieli, że wszystkie ryby przyciąga bardzo duża ryba – słonecznik, uśpiony w środku regionu – i to wyjaśnia zboczenie ich ścieżek. Na początku teoria ta wydawała się być może trochę dziwna; ale ona jest z niesamowita dokładność potwierdzone wieloma różnymi obserwacjami. Stwierdzono, że wszystkie ryby mają tę atrakcyjną właściwość, proporcjonalną do ich wielkości; prawo przyciągania (analogiczne do prawa powszechnego ciążenia) było niezwykle proste, a mimo to wyjaśniało wszelkie ruchy z taką precyzją, jakiej nigdy wcześniej nie osiągnięto w badaniach naukowych. To prawda, że niektóre ryby, narzekając, oświadczyły, że nie rozumieją, jak takie działanie na odległość było możliwe; ale wszyscy byli zgodni, że tego działania dokonuje ocean i że łatwiej będzie to zrozumieć, gdy lepiej zbada się naturę wody. Dlatego prawie każda ryba, która chciała wyjaśnić grawitację, zaczynała od zasugerowania jakiegoś mechanizmu, dzięki któremu rozprzestrzenia się ona w wodzie.
Ale była ryba, która patrzyła na wszystko inaczej. Zauważyła, że duże i małe ryby zawsze poruszają się tymi samymi torami, chociaż mogłoby się wydawać, że potrzeba dużej siły, aby sprowadzić dużą rybę z drogi. (Łosoś nadawał wszystkim ciałom równe przyspieszenia.) Dlatego zamiast próbować, zaczęła szczegółowo badać ścieżki poruszania się ryb i w ten sposób znalazła zdumiewające rozwiązanie problemu. Było na świecie wysokie miejsce, gdzie leżał słonecznik. Ryby nie mogły tego bezpośrednio zauważyć, ponieważ były dwuwymiarowe; lecz kiedy ryba w swym ruchu spadła na zbocze tego wzniesienia, wówczas choć próbowała płynąć po linii prostej, mimowolnie skręciła nieco w bok. To był sekret tajemniczego przyciągania lub zakrzywienia ścieżek, które miały miejsce w tajemniczym obszarze. »
Ta przypowieść pokazuje, jak krzywizna świata, w którym żyjemy, może wywołać iluzję grawitacji, i widzimy, że efekt taki jak grawitacja jest jedynym sposobem, w jaki taka krzywizna może się ujawnić.
W skrócie można to sformułować w następujący sposób. Ponieważ grawitacja zagina tory wszystkich ciał w ten sam sposób, możemy myśleć o grawitacji jako o zakrzywieniu czasoprzestrzeni.
5. Grawitacja na Ziemi.
Jeśli pomyślisz o roli, jaką siły grawitacyjne odgrywają w życiu naszej planety, otwierają się całe oceany. I to nie tylko oceany zjawisk, ale także oceany w dosłownym tego słowa znaczeniu. Oceany wody. ocean powietrzny. Bez grawitacji nie istniałyby.
Fala w morzu, ruch każdej kropli wody w rzekach zasilających to morze, wszystkie prądy, wszystkie wiatry, chmury, cały klimat planety są zdeterminowane grą dwóch głównych czynników: aktywności słonecznej i grawitacji.
Grawitacja nie tylko utrzymuje ludzi, zwierzęta, wodę i powietrze na Ziemi, ale także je ściska. Ta kompresja na powierzchni Ziemi nie jest tak duża, ale jej rola jest ważna.
Statek płynie po morzu. To, co powstrzymuje go przed utonięciem, jest znane wszystkim. To słynna siła wyporu Archimedesa. Ale pojawia się tylko dlatego, że woda jest ściskana przez grawitację z siłą, która rośnie wraz ze wzrostem głębokości. Wewnątrz statek kosmiczny w locie nie ma siły wyporu, tak jak nie ma ciężaru. Sama kula jest ściskana przez siły grawitacyjne do kolosalnych ciśnień. W centrum Ziemi ciśnienie wydaje się przekraczać 3 miliony atmosfer.
Pod wpływem przez długi czas siły aktywne pod ciśnieniem w tych warunkach wszystkie substancje, które zwykliśmy uważać za stałe, zachowują się jak smoła lub żywica. Ciężkie materiały opadają na dno (jeśli można tak nazwać środek Ziemi), a lekkie unoszą się na powierzchnię. Proces ten trwa od miliardów lat. Jak wynika z teorii Schmidta, nie zakończyła się ona nawet teraz. Stężenie ciężkich pierwiastków w rejonie centrum Ziemi powoli wzrasta.
A jak objawia się przyciąganie Słońca i najbliższych nam osób na Ziemi? ciało niebieskie Księżyc? Oglądaj tę atrakcję bez specjalne urządzenia Mogą to zrobić tylko mieszkańcy wybrzeży oceanów.
Słońce działa prawie w ten sam sposób na wszystko na Ziemi i wewnątrz niej. Siła, z jaką Słońce przyciąga człowieka w południe, kiedy jest on najbliżej Słońca, jest prawie taka sama, jak siła działająca na niego o północy. Przecież odległość Ziemi od Słońca jest dziesięć tysięcy razy większa niż średnica Ziemi, a zwiększenie odległości o jedną dziesięciotysięczną, gdy Ziemia obraca się o pół obrotu wokół własnej osi, praktycznie nie zmienia siły grawitacji . Dlatego Słońce nadaje niemal identyczne przyspieszenia wszystkim częściom glob i wszystkie ciała na jego powierzchni. Prawie, ale to wciąż nie to samo. Z powodu tej różnicy następuje przypływ i odpływ oceanu.
Na części powierzchni Ziemi zwróconej w stronę Słońca siła grawitacji jest nieco większa niż siła konieczna do ruchu tej części po orbicie eliptycznej, a na Przeciwna strona Ziemia jest nieco mniejsza. W rezultacie, zgodnie z prawami mechaniki Newtona, woda w oceanie wybrzusza się nieznacznie w kierunku skierowanym w stronę Słońca, a po przeciwnej stronie oddala się od powierzchni Ziemi. Jak mówią, powstają siły pływowe, rozciągające glob i nadające, z grubsza mówiąc, powierzchni oceanów kształt elipsoidy.
Im mniejsze odległości między oddziałującymi ciałami, tym większe siły pływowe. Dlatego Księżyc ma większy wpływ na kształt oceanów świata niż Słońce. Dokładniej, wpływ pływów określa się jako stosunek masy ciała do sześcianu jego odległości od Ziemi; ten stosunek dla Księżyca jest w przybliżeniu dwukrotnie większy niż dla Słońca.
Gdyby nie było spójności między częściami globu, siły pływowe rozerwałyby go na kawałki.
Być może przydarzyło się to jednemu z satelitów Saturna, gdy zbliżył się do tego wielka planeta. Fragmentaryczny pierścień, który sprawia, że Saturn jest tak niezwykłą planetą, może pochodzić z pozostałości satelity.
Zatem powierzchnia oceanów na świecie przypomina elipsoidę, której główna oś jest zwrócona w stronę Księżyca. Ziemia obraca się wokół własnej osi. Dlatego porusza się wzdłuż powierzchni oceanu w kierunku obrotu Ziemi fala pływowa. Kiedy zbliża się do brzegu, zaczyna się przypływ. W niektórych miejscach poziom wody podnosi się do 18 metrów. Następnie fala przypływowa odchodzi i zaczyna odpływ. Poziom wody w oceanie zmienia się średnio co 12 godzin. 25 minut (pół dnia księżycowego).
Ten prosty obraz jest znacznie zniekształcony przez jednoczesne działanie pływowe Słońca, tarcie wody, opór kontynentalny oraz złożoność konfiguracji brzegów i dna oceanu w obszary przybrzeżne i kilka innych prywatnych efektów.
Ważne jest, aby fala pływowa spowalniała obrót Ziemi.
To prawda, że efekt jest bardzo mały. W ciągu 100 lat dzień wydłuża się o tysięczną część sekundy. Ale działając przez miliardy lat, siły hamowania doprowadzą do tego, że Ziemia będzie cały czas zwrócona w stronę Księżyca jedną stroną, a dni Ziemi staną się równe miesiąc księżycowy. To już przydarzyło się Lunie. Księżyc jest tak spowolniony, że zawsze jest zwrócony w stronę Ziemi jedną stroną. Patrzeć na Odwrotna strona Moon, musieliśmy wysłać wokół niego statek kosmiczny.
Życie Newtona i historia jego odkryć stały się przedmiotem szczególnej uwagi naukowców i historyków. Jednak w biografiach Newtona jest wiele sprzeczności; Wynika to prawdopodobnie z faktu, że sam Newton był bardzo skryta osoba a nawet podejrzane i niezbyt częste były w jego życiu momenty, kiedy lekko otwierał swoje prawdziwa twarz, Twój sposób myślenia, Twoje pasje. Naukowcy wciąż próbują odtworzyć jego życie i, co najważniejsze, jego twórczość na podstawie zachowanych dokumentów, listów i wspomnień, ale – jak zauważył jeden z angielskich badaczy twórczości Newtona – „jest to w dużej mierze dzieło detektywa”.Być może tajemnica Newtona i jego niechęć do wpuszczania osób z zewnątrz do swojej kreatywne laboratorium i dał impuls do powstania legendy o spadającym jabłku. W każdym razie istnieją wspomnienia przyjaciela Newtona, Stukeleya, w których on rzekomo na podstawie słów samego Newtona twierdzi, że koncepcja naukowca na temat prawa powszechnego ciążenia dojrzała w momencie, gdy zobaczył jabłko spadające z jabłka drzewo na ziemię. Legenda ta jest tak mocno zakorzeniona w historii, że drzewo w ogrodzie Newtona, z którego spadło to słynne jabłko, przez wiele lat było eksponatem muzealnym, aż do chwili, gdy złamała je burza, czyli prawie sto lat. Każdy, kto miał szczęście odwiedzić rodzinną posiadłość rodziny Newtonów w Woolsthorpe, niedaleko Cambridge, z pewnością chciał ją obejrzeć. W tym samym czasie inny przyjaciel Newtona, Pemberton, bardzo wątpił w możliwość takiego zdarzenia. Podobnego zdania był słynny Voltaire, który otrzymał informacje od siostrzenicy Newtona. Nieco później Carl Gauss, wybitny niemiecki matematyk a astronom napisał o cieszącym się złą sławą jabłku: „Nie rozumiem, w jaki sposób ten incydent mógłby przyspieszyć lub opóźnić to odkrycie”. Gauss uważał, że Newton celowo wymyślił anegdotyczną historię, aby pozbyć się „irytującego, głupiego i bezczelnego przesłuchującego”. Nie jest jasne, kogo miał na myśli – czy był to Stukelei?
Prawdopodobnie, prawdziwa historia odkryć nie da się przywrócić; można jedynie próbować ocenić wiarygodność pewnych faktów i ich interpretacji.
Co było pewne? Że po ukończeniu college'u i uzyskaniu tytułu licencjata Newton opuścił Cambridge jesienią 1665 roku i udał się do swojego domu w Woolsthorpe. Przyczyna? Epidemia dżumy, która ogarnęła Anglię – we wsi wciąż istnieje mniejsze ryzyko zarażenia. Trudno obecnie ocenić, jak konieczne było to działanie punkt medyczny wizja; w każdym razie nie była zbędna. Chociaż Newton najwyraźniej tak doskonałe zdrowie- na starość zachował gęste włosy, nie nosił okularów i stracił tylko jeden ząb - ale kto wie, jak potoczyłaby się historia fizyki, gdyby Newton pozostał w mieście.
Co jeszcze się wydarzyło? Przy domu niewątpliwie był też ogród, a w ogrodzie rosła jabłoń, była jesień i o tej porze roku jabłka, jak wiadomo, często samoistnie spadają na ziemię. Newton miał też zwyczaj spacerować po ogrodzie i rozmyślać o problemach, które go w tej chwili niepokoiły; on sam tego nie ukrywał: „Ciągle mam w głowie przedmiot swoich badań i cierpliwie czekam, aż pierwsze spojrzenie stopniowo się rozwinie. w pełne i jasne światło.” To prawda, jeśli założymy, że właśnie wtedy olśnił go przebłysk nowego prawa (a teraz możemy tak przyjąć: w 1965 roku ukazały się listy Newtona, w jednym z których bezpośrednio o tym mówi), to oczekiwanie „pełne, jasne światło”. Zajęło to dość dużo czasu – dwadzieścia lat. Ponieważ prawo powszechnego ciążenia zostało opublikowane dopiero w 1687 roku. Co więcej, ciekawe, że publikacja ta nie powstała z inicjatywy Newtona; został on dosłownie zmuszony do wyrażenia swoich poglądów przez swojego kolegę z Royal Society, Edmunda Halleya, jednego z najmłodszych i najzdolniejszych „wirtuozów” – takimi właśnie byli ludzie. Nazywano wówczas „wyrafinowanymi w naukach”. Pod jego naciskiem Newton zaczął pisać swoje słynne „Matematyczne zasady filozofii naturalnej”. Najpierw wysłał Halleyowi stosunkowo niewielki traktat „O ruchu”.
Halley, natychmiast doceniając pełne znaczenie idei Newtona, udał się do niego, aby przekonać go do przedstawienia ich bardziej szczegółowo. Jednocześnie wziął na siebie wszystkie koszty finansowe i kłopoty wydawnicze. Tym razem nie musiał zbytnio przekonywać Newtona: być może nadszedł ten rzadki moment, kiedy naukowiec poczuł potrzebę publicznego wyrażenia swoich poglądów. W ciągu półtora roku napisał wszystkie trzy księgi swoich „Zasad”, które zostały w całości opublikowane latem 1687 roku. I wtedy cały świat, a nie tylko członkowie Towarzystwa Królewskiego, mógłby dowiedzieć się, że dwie cząstki przyciągają się do siebie z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi.
Dokładnie to się stało. Jak widać, w całym łańcuchu tych wydarzeń nie ma zbyt wiele miejsca na przypadek, z wyjątkiem być może epidemii dżumy. Gdyby nie ona, Newton nie pojechałby do Woolsthorpe, a kto wie, czy w Cambridge miałby okazję obserwować upadek jabłka i to w tym momencie, gdy wyobraźnia naukowca czeka tylko na impuls, by ruszyć dalej zupełnie nową, nieznaną drogą. Ale gdyby sam Newton uznał historię jabłka za szczęśliwy przypadek, do którego nieoczekiwanie go doprowadził wybitne odkrycie czy gdyby tak się czuł, czekałby dwadzieścia lat, żeby opowiedzieć światu o tym odkryciu?
Nie spieszył się jednak z powiadomieniem świata przypadkowe odkrycie. Dlatego dopiero w 1673 roku, osiem lat później, w bardzo niejasnej formie dał do zrozumienia w jednym ze swoich listów do holenderskiego naukowca Christiaana Huygensa, że wie coś, co pozwoliło obliczyć wielkość wzajemnego przyciągania Ziemi z Księżyc i Słońce. Ale wskazówka była tak tajemnicza, że pozostała niezrozumiała. Być może Newton rzeczywiście miał zamiar powiedzieć więcej, ale albo dlatego, że w korespondencji „wirtuozów” miał być tajemniczy, albo po prostu podejrzliwość lub tajemnica krępowała jego dobre intencje, ale pozostały one niespełnione. Choć wiele lat później Newton zapewnił, że jego odkrycia można było od dawna domyślić się z listu do Huygensa.
20 czerwca 1886 roku w liście do Halleya dotyczącym pierwszej księgi Principiów Newton podpowiada – znowu podpowiedź! - że dopiero w zeszłym roku, czyli w 1865 r., udało mu się uzyskać dowód, że prawo odwrotne kwadraty obowiązują nie tylko w kosmosie, ale także na powierzchni Ziemi. Minęło dwadzieścia lat, zanim pierwsza myśl o tożsamości siły przyciągania rządzącej ruchem planet z siłą grawitacji na Ziemi urzeczywistniła się w prawo ilościowe. Najwyraźniej Newton nie uznał za wygodne opublikowanie nagiego pomysłu, który nie był poparty obliczeniami, i początkowo obliczenia nie zadziałały. Po drodze powstała nawet inna legenda, że obliczenia nie były zbieżne, ponieważ Newton podał błędną wartość promienia Ziemi, a prawidłową wartość uzyskano wiele lat później, więc musiał poczekać.
Ogólnie rzecz biorąc, jeśli przyjrzymy się uważnie, kiedy prawo powszechnego ciążenia mogło zostać odkryte – już w samym środku ogólna perspektywa przynajmniej - okazuje się, że można było go odkryć co najmniej już w III wieku p.n.e Nowa era, kiedy po raz pierwszy zasugerowano, że na przypływy i odpływy na Ziemi wpływają Słońce i Księżyc. A w każdym razie to prawo powinno było się pojawić – gdyby tylko spadające jabłko nie wystarczyło – w 1596 roku, kiedy Johannes Kepler opublikował dzieło „Sekret Wszechświata”, w którym odważnie stwierdził, że Księżyc porusza się pod wpływem grawitacji.
Niemniej jednak prawo jest najsurowsze wyrażenie matematyczne nigdy się nie pojawił, chociaż naukowcy w tamtym czasie mieli już pojęcie o prawie odwrotności kwadratów.
Wiedział o tym także Robert Hooke, gdy w 1666 r. donosił Towarzystwu Królewskiemu o eksperymentach udowadniających zależność masy ciała od wzrostu i gdy w 1674 r. publikował opracowanie „O ruchu Ziemi”, w którym wprost stwierdzał, że „nie tylko Słońce i Księżyc wpływają na kształt i ruch Ziemi, a to z kolei wpływa na ich ruch, ale Merkury, Wenus, Mars, Jowisz i Saturn również wpływają na ruch Ziemi poprzez swoje przyciąganie...” Jednak początkowo Hooke, podobnie jak Newton, nie odważył się, a raczej nie domyślał się rozszerzenia działania prawa odwrotnych kwadratów na rozważane modele i uważał, że siła działania rośnie po prostu odwrotnie proporcjonalnie do odległości; Dopiero w 1680 roku zdecydował się na wprowadzenie kwadratu odległości, o czym poinformował w liście do Newtona, było jednak już za późno: sam Newton już tego dokonał.
Jednym słowem jabłko, nawet jeśli spadło i nawet jeśli skłoniło Newtona do założenia, nie odegrało takiej roli. duża rola w narodzinach nowego prawa, jak przypisuje mu legenda: trzeba przyznać, że za dwadzieścia lat pomysł może urzeczywistnić się w umyśle naukowca bez jego wizualnej pomocy.
Ale nawet jeśli założymy, że szansa została wykorzystana słynna rola w pojawieniu się pomysłu, to kolejne dwadzieścia lat oczekiwania, aż zostanie ono zawarte w formule, nie daje powodów do mówienia o łatwości takiego przypadkowego odkrycia.