Τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις διέπουν όλες τις αλληλεπιδράσεις μέσα στο Σύμπαν. Είναι αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις, ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις, ηλεκτρομαγνητισμός και βαρύτητα. Από αυτά, η βαρύτητα είναι ίσως η πιο μυστηριώδης. Ενώ έχει γίνει κατανοητό εδώ και αρκετό καιρό πώς αυτός ο νόμος της φυσικής λειτουργεί στη μακρο-κλίμακα - που διέπει το Ηλιακό μας Σύστημα, τους γαλαξίες και τα υπερσμήνη - πώς αλληλεπιδρά με τις άλλες τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις παραμένει ένα μυστήριο.
Φυσικά, τα ανθρώπινα όντα είχαν μια βασική κατανόηση αυτής της δύναμης από αμνημονεύτων χρόνων. Και όταν πρόκειται για τη σύγχρονη κατανόηση της βαρύτητας, οφείλουμε εύσημα σε έναν άνθρωπο που αποκρυπτογραφεί τις ιδιότητές της και πώς διέπει όλα τα μεγάλα και τα μικρά πράγματα – Σερ Ισαάκ Νεύτων . Χάρη σε αυτόν τον Άγγλο φυσικό και μαθηματικό του 17ου αιώνα, η κατανόησή μας για το Σύμπαν και τους νόμους που το διέπουν θα άλλαζαν για πάντα.
Ενώ όλοι είμαστε εξοικειωμένοι με την εμβληματική εικόνα ενός ανθρώπου που κάθεται κάτω από μια μηλιά και πέφτει στο κεφάλι του, οι θεωρίες του Νεύτωνα για τη βαρύτητα αντιπροσώπευαν επίσης μια κορύφωση πολλών ετών έρευνας, η οποία με τη σειρά της βασίστηκε σε αιώνες συσσωρευμένης γνώσης. Θα παρουσίαζε αυτές τις θεωρίες στο magnum opus του, Μαθηματικές Αρχές Φυσικής Φιλοσοφίας ('Mathematical Principles of Natural Philosophy'), που δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά το 1687.
Σε αυτόν τον τόμο, ο Νεύτων παρουσίασε αυτό που θα γινόταν γνωστό ως δικό του Τρεις Νόμοι της Κίνησης , τα οποία προήλθαν από Γιοχάνες Κέπλερ 'μικρό Νόμοι της Πλανητικής Κίνησης και τη δική του μαθηματική περιγραφή της βαρύτητας. Αυτοί οι νόμοι θα έθεταν τα θεμέλια της κλασικής μηχανικής και θα παρέμεναν αναμφισβήτητοι για αιώνες – μέχρι τον 20ο αιώνα και την εμφάνιση του Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν .
Το αντίγραφο του ίδιου του Νεύτωνα των Principia του, με χειρόγραφες διορθώσεις για τη δεύτερη έκδοση. Πίστωση: Trinity Cambridge/Andrew Dunn
Φυσική κατά τον 17ο αιώνα:
Ο 17ος αιώνας ήταν μια πολύ ευοίωνη εποχή για τις επιστήμες, με σημαντικές ανακαλύψεις να σημειώνονται στους τομείς των μαθηματικών, της φυσικής, της αστρονομίας, της βιολογίας και της χημείας. Μερικές από τις μεγαλύτερες εξελίξεις της περιόδου περιλαμβάνουν την ανάπτυξη του ηλιοκεντρικό μοντέλο του Ηλιακού Συστήματος από Νικόλαος Κοπέρνικος , το πρωτοποριακό έργο με τα τηλεσκόπια και την παρατηρητική αστρονομία από Galileo Galilei , και την ανάπτυξη της σύγχρονης οπτικής.
Ήταν επίσης κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου που ο Johannes Kepler ανέπτυξε τους νόμους του για την πλανητική κίνηση. Διατυπωμένοι μεταξύ 1609 και 1619, αυτοί οι νόμοι περιέγραψαν την κίνηση των τότε γνωστών πλανητών ( Ερμής , Αφροδίτη , Γη , Μάρτιος , Ζεύς , και Κρόνος ) γύρω από τον Ήλιο. Δήλωσαν ότι:
- Οι πλανήτες κινούνται γύρω από τον Ήλιο σε ελλείψεις, με τον Ήλιο σε μία εστία
- Η γραμμή που συνδέει τον Ήλιο με έναν πλανήτη σαρώνει ίσες περιοχές σε ίσους χρόνους.
- Το τετράγωνο της τροχιακής περιόδου ενός πλανήτη είναι ανάλογο με τον κύβο (3η δύναμη) της μέσης απόστασης από τον Ήλιο μέσα (ή με άλλα λόγια–του «ημι-κυρίως άξονα» της έλλειψης, το μισό άθροισμα του μικρότερου και μεγαλύτερη απόσταση από τον Ήλιο).
Αυτοί οι νόμοι έλυσαν τα υπόλοιπα μαθηματικά ζητήματα που έθεσε το ηλιοκεντρικό μοντέλο του Κοπέρνικου, αφαιρώντας έτσι κάθε αμφιβολία ότι ήταν το σωστό μοντέλο του Σύμπαντος. Δουλεύοντας από αυτά, ο Sir Isaac Newton άρχισε να εξετάζει τη βαρύτητα και την επίδρασή της στις τροχιές των πλανητών.
Σύγκριση των γεωκεντρικών και ηλιοκεντρικών μοντέλων του σύμπαντος. Πίστωση: history.ucsb.edu
Οι τρεις νόμοι του Νεύτωνα:
Το 1678, ο Νεύτων υπέστη πλήρη νευρικό κλονισμό λόγω υπερκόπωσης και διαμάχης με τον συνάδελφο αστρονόμο Ρόμπερτ Χουκ. Για τα επόμενα χρόνια, αποσύρθηκε από την αλληλογραφία με άλλους επιστήμονες, εκτός από εκεί που την ξεκίνησαν, και ανανέωσε το ενδιαφέρον του για τη μηχανική και την αστρονομία. Τον χειμώνα του 1680-81, η εμφάνιση ενός κομήτη, για τον οποίο αλληλογραφούσε με τον John Flamsteed (England’s Astronomer Royal) ανανέωσε επίσης το ενδιαφέρον του για την αστρονομία.
Αφού εξέτασε τους Νόμους Κίνησης του Κέπλερ, ο Νεύτων ανέπτυξε μια μαθηματική απόδειξη ότι η ελλειπτική μορφή των πλανητικών τροχιών θα προέκυπτε από μια κεντρομόλο δύναμη αντιστρόφως ανάλογη προς το τετράγωνο του διανύσματος ακτίνας. Ο Νεύτωνας κοινοποίησε αυτά τα αποτελέσματα στον Έντμοντ Χάλεϋ (ανακαλυφτή του «Κομήτη του Χάλεϊ») και στη Βασιλική ΕταιρείαΣχετικά με την κίνηση των σωμάτων σε κύκλο.
Αυτό το φυλλάδιο, που δημοσιεύτηκε το 1684, περιείχε τον σπόρο του τι θα επεκτείνει ο Νεύτωνας για να σχηματίσει το μεγάλο έργο του, τοΜαθηματικές Αρχές Φυσικής Φιλοσοφίας. Αυτή η πραγματεία, η οποία δημοσιεύτηκε τον Ιούλιο του 1687, περιείχε τους τρεις νόμους της κίνησης του Νεύτωνα, οι οποίοι έλεγαν ότι:
- Όταν το βλέπουμε σε ένα αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς, ένα αντικείμενο είτε παραμένει σε ηρεμία είτε συνεχίζει να κινείται με σταθερή ταχύτητα, εκτός και αν ασκηθεί από εξωτερική δύναμη.
- Το διανυσματικό άθροισμα των εξωτερικών δυνάμεων (F) σε ένα αντικείμενο είναι ίσο με τη μάζα (Μ)του αντικειμένου αυτού πολλαπλασιαζόμενο με το διάνυσμα επιτάχυνσης (α) του αντικειμένου. Σε μαθηματική μορφή, αυτό εκφράζεται ως: F=Μπρος το
- Όταν ένα σώμα ασκεί δύναμη σε ένα δεύτερο σώμα, το δεύτερο σώμα ασκεί ταυτόχρονα δύναμη ίση σε μέγεθος και αντίθετη φορά στο πρώτο σώμα.
Μαζί, αυτοί οι νόμοι περιέγραψαν τη σχέση μεταξύ οποιουδήποτε αντικειμένου, των δυνάμεων που ασκούν πάνω του και της προκύπτουσας κίνησης, θέτοντας τα θεμέλια για την κλασική μηχανική. Οι νόμοι επέτρεψαν επίσης στον Νεύτωνα να υπολογίσει τη μάζα κάθε πλανήτη, την ισοπέδωση της Γης στους πόλους και το εξόγκωμα στον ισημερινό και πώς η βαρυτική έλξη του Ήλιου και της Σελήνης δημιουργεί τις παλίρροιες της Γης.
Στην ίδια εργασία, ο Newton παρουσίασε μια μέθοδο γεωμετρικής ανάλυσης παρόμοια με τον λογισμό χρησιμοποιώντας «πρώτους και τελευταίους λόγους», υπολόγισε την ταχύτητα του ήχου στον αέρα (με βάση Νόμος του Μπόιλ ), αντιπροσώπευσε την πορεία των ισημεριών (που έδειξε ότι ήταν αποτέλεσμα της βαρυτικής έλξης της Σελήνης προς τη Γη), ξεκίνησε τη βαρυτική μελέτη των ανωμαλιών στην κίνηση της Σελήνης, παρείχε μια θεωρία για τον προσδιορισμό των τροχιών του κομήτες και πολλά άλλα.
Ο Νεύτωνας και το «Συμβάν της Apple»:
Η ιστορία του Νεύτωνα που ανακάλυψε τη θεωρία του για την παγκόσμια βαρύτητα ως αποτέλεσμα της πτώσης ενός μήλου στο κεφάλι του έχει γίνει βασικό στοιχείο της λαϊκής κουλτούρας. Και ενώ έχει υποστηριχθεί συχνά ότι η ιστορία είναι απόκρυφη και ο Νεύτωνας δεν επινόησε τη θεωρία του σε καμία στιγμή, ο ίδιος ο Νεύτων είπε πολλές φορές την ιστορία και ισχυρίστηκε ότι το περιστατικό τον ενέπνευσε.
Επιπλέον, τα γραπτά του William Stukeley – ενός Άγγλου κληρικού, αρχαιοκάπηλου και συναδέλφου της Βασιλικής Εταιρείας – επιβεβαίωσαν την ιστορία. Αλλά αντί για την κωμική αναπαράσταση του μήλου που χτυπά τον Νεύτωνα στο κεφάλι, ο Stukeley περιέγραψε στοΑναμνήσεις της ζωής του Sir Isaac Newton(1752) μια συνομιλία στην οποία ο Νεύτων περιέγραψε να συλλογίζεται τη φύση της βαρύτητας ενώ παρακολουθούσε ένα μήλο να πέφτει.
«…πήγαμε στον κήπο και ήπιαμε θεά κάτω από τη σκιά κάποιων μηλιών. μόνο αυτός και ο εαυτός μου. Εν μέσω άλλων συζητήσεων, μου είπε, ήταν απλώς στην ίδια κατάσταση, όπως όταν προηγουμένως, ήρθε στο μυαλό του η έννοια της βαρύτητας. «Γιατί αυτό το μήλο να κατεβαίνει πάντα κάθετα στο έδαφος», σκέφτηκε μέσα του. με αφορμή την πτώση ενός μήλου…»
Ο John Conduitt, βοηθός του Newton στο Royal Mint (ο οποίος τελικά παντρεύτηκε την ανιψιά του), περιέγραψε επίσης ότι άκουσε την ιστορία στη δική του αφήγηση για τη ζωή του Newton. Σύμφωνα με τον Conduitt, το περιστατικό έλαβε χώρα το 1666 όταν ο Newton ταξίδευε για να συναντήσει τη μητέρα του στο Lincolnshire. Ενώ ελίσσονταν στον κήπο, συλλογίστηκε πώς η επιρροή της βαρύτητας εκτεινόταν πολύ πέρα από τη Γη, υπεύθυνη για την πτώση του μήλου καθώς και για την τροχιά της Σελήνης.
Ομοίως, ο Βολταίρος έγραψε το δικό τουΔοκίμιο για την επική ποίηση(1727) ότι ο Νεύτων είχε σκεφτεί για πρώτη φορά το σύστημα βαρύτητας ενώ περπατούσε στον κήπο του και έβλεπε ένα μήλο να πέφτει από ένα δέντρο. Αυτό είναι σύμφωνο με τις σημειώσεις του Νεύτωνα από τη δεκαετία του 1660, οι οποίες δείχνουν ότι αντιμετώπιζε την ιδέα του πώς η γήινη βαρύτητα εκτείνεται, σε αντίστροφη αναλογία τετραγώνου, στη Σελήνη.
Δενδρύλλιο του φημισμένου αρχικού δέντρου που ενέπνευσε τον Sir Isaac Newton να εξετάσει τη βαρύτητα. Πίστωση: Wikipedia Commons/Loodog
Ωστόσο, θα του χρειαζόταν δύο ακόμη δεκαετίες για να αναπτύξει πλήρως τις θεωρίες του σε σημείο που να ήταν σε θέση να προσφέρει μαθηματικές αποδείξεις, όπως αποδεικνύεται στοΑρχές. Μόλις ολοκληρώθηκε, συμπέρανε ότι η ίδια δύναμη που κάνει ένα αντικείμενο να πέφτει στο έδαφος ήταν υπεύθυνη για άλλες τροχιακές κινήσεις. Ως εκ τούτου, το ονόμασε «καθολική βαρύτητα».
Διάφορα δέντρα υποστηρίζεται ότι είναι «η» μηλιά που περιγράφει ο Newton. The King's School, Grantham , ισχυρίζεται ότι το σχολείο τους αγόρασε το αρχικό δέντρο, το ξερίζωσε και το μετέφερε στον κήπο του διευθυντή μερικά χρόνια αργότερα. Ωστόσο, το National Trust, το οποίο κατέχει το Έπαυλη Woolsthorpe (όπου μεγάλωσε ο Newton) σε εμπιστοσύνη, ισχυρίζεται ότι το δέντρο εξακολουθεί να κατοικεί στον κήπο τους. Ένας απόγονος του αρχικού δέντρου μπορεί να δει να μεγαλώνει έξω από την κύρια πύλη του Trinity College, στο Cambridge, κάτω από το δωμάτιο στο οποίο ζούσε ο Newton όταν σπούδαζε εκεί.
Το έργο του Νεύτωνα θα είχε μια βαθιά επίδραση στις επιστήμες, με τις αρχές του να παραμένουν κανόνας για τα επόμενα 200 χρόνια. Ενημέρωσε επίσης την έννοια της παγκόσμιας βαρύτητας, η οποία έγινε ο βασικός πυλώνας της σύγχρονης αστρονομίας, και δεν θα αναθεωρηθεί μέχρι τον 20ο αιώνα – με την ανακάλυψη της κβαντικής μηχανικής και Η θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν .
Έχουμε γράψει πολλά ενδιαφέροντα άρθρα για τη βαρύτητα εδώ στο Universe Today. Εδώ είναι Ποιος ήταν ο Σερ Ισαάκ Νεύτων; , Ποιος ήταν ο Galileo Galilei; , Τι είναι η Δύναμη της Βαρύτητας; , και Τι είναι η Σταθερά Βαρύτητας;
Το Astronomy Cast έχει δύο καλά επεισόδια για το θέμα. Εδώ είναι Επεισόδιο 37: Gravitational Lensing , και Επεισόδιο 102: Gravity ,
Πηγές: