Tento článok sa zameria na históriu objavu zákona univerzálnej gravitácie. Tu sa zoznámime s biografickými informáciami zo života vedca, ktorý túto fyzikálnu dogmu objavil, zvážime jej hlavné ustanovenia, vzťah s kvantovou gravitáciou, priebeh vývoja a mnoho ďalšieho.
Genius
Sir Isaac Newton je vedec z Anglicka. Svojho času venoval veľkú pozornosť a úsilie takým vedám ako fyzika a matematika a veľa nového priniesol aj do mechaniky a astronómie. Je právom považovaný za jedného z prvých zakladateľov fyziky v jej klasickom modeli. Je autorom zásadného diela „Matematické princípy prírodnej filozofie“, kde prezentoval informácie o troch zákonoch mechaniky a zákone univerzálnej gravitácie. Isaac Newton týmito dielami položil základy klasickej mechaniky. Rozvinul počet diferenciálneho a integrálneho typu, teóriu svetla. Významne prispel aj k fyzickej optike.a vyvinul mnoho ďalších teórií vo fyzike a matematike.
Zákon
Zákon univerzálnej gravitácie a história jeho objavu siahajú až do roku 1666. Jeho klasickou formou je zákon, ktorý popisuje interakciu gravitačného typu, ktorá nepresahuje rámec mechaniky.
Jeho podstatou bolo, že indikátor sily F gravitačnej sily vznikajúcej medzi 2 telesami alebo bodmi hmoty m1 a m2, oddelenými od seba určitou vzdialenosťou r, je úmerný obom indikátorom hmotnosti a má nepriama úmernosť k štvorcovým vzdialenostiam medzi telesami:
F=G, kde G označuje gravitačnú konštantu rovnajúcu sa 6, 67408(31)•10-11 m3 / kgf2.
Newtonova gravitácia
Skôr ako sa budeme zaoberať históriou objavu zákona univerzálnej gravitácie, pozrime sa bližšie na jeho všeobecnú charakteristiku.
V teórii, ktorú vytvoril Newton, všetky telesá s veľkou hmotnosťou musia okolo seba generovať špeciálne pole, ktoré k sebe priťahuje iné objekty. Nazýva sa to gravitačné pole a má potenciál.
Teleso so sférickou symetriou vytvára mimo seba pole podobné tomu, ktoré vytvára hmotný bod rovnakej hmotnosti umiestnený v strede telesa.
Smer trajektórie takéhoto bodu v gravitačnom poli, vytvorenom telesom s oveľa väčšou hmotnosťou, sa riadi Keplerovmu zákonu. Objekty vesmíru, ako napr.planéta alebo kométa, tiež ho poslúchať, pohybujúc sa po elipse alebo hyperbole. Zohľadnenie skreslenia, ktoré vytvárajú iné masívne telesá, sa berie do úvahy pomocou ustanovení teórie porúch.
Analýza presnosti
Po tom, čo Newton objavil zákon univerzálnej gravitácie, musel byť mnohokrát testovaný a dokázaný. Na tento účel sa vykonalo množstvo výpočtov a pozorovaní. Po súhlase s jeho ustanoveniami a vychádzajúc z presnosti jeho ukazovateľa slúži experimentálna forma odhadu ako jasné potvrdenie GR. Meranie kvadrupólových interakcií telesa, ktoré sa otáča, ale jeho antény zostávajú nehybné, nám ukazuje, že proces zvyšovania δ závisí od potenciálu r -(1+δ), vo vzdialenosti niekoľko metrov a nachádza sa v limite (2, 1±6, 2)•10-3. Množstvo ďalších praktických potvrdení umožnilo tento zákon ustanoviť a nadobudnúť jednotnú formu bez akýchkoľvek úprav. V roku 2007 bola táto dogma prekontrolovaná vo vzdialenosti menšej ako centimeter (55 mikrónov – 9,59 mm). Berúc do úvahy experimentálne chyby, vedci preskúmali rozsah vzdialenosti a nenašli žiadne zjavné odchýlky v tomto zákone.
Pozorovanie obežnej dráhy Mesiaca vo vzťahu k Zemi tiež potvrdilo svoju platnosť.
Euklidovský priestor
Newtonova klasická teória gravitácie je spojená s euklidovským priestorom. Skutočná rovnosť s dostatočne vysokou presnosťou (10-9) rozmerov vzdialeností v menovateli rovnosti diskutovanej vyššie nám ukazuje euklidovský základ priestoru newtonovskej mechaniky s tromi -rozmerná fyzická forma. ATk takémuto hmotnému bodu je plocha guľového povrchu presne úmerná hodnote druhej mocniny jeho polomeru.
Údaje z histórie
Uvažujme o krátkom zhrnutí histórie objavu zákona univerzálnej gravitácie.
Nápady predložili iní vedci, ktorí žili pred Newtonom. Úvahy o nej navštívili Epicurus, Kepler, Descartes, Roberval, Gassendi, Huygens a ďalší. Kepler navrhol, že gravitačná sila je nepriamo úmerná vzdialenosti od hviezdy Slnka a má rozloženie len v rovinách ekliptiky; podľa Descarta to bol dôsledok činnosti vírov v hrúbke éteru. Bola tam séria odhadov, ktoré obsahovali odraz správnych odhadov o závislosti od vzdialenosti.
List od Newtona Halleymu obsahoval informáciu, že predchodcami samotného Sira Isaaca boli Hooke, Wren a Buyo Ismael. Nikomu pred ním sa však pomocou matematických metód nepodarilo jednoznačne spojiť gravitačný zákon a pohyb planét.
História objavu zákona univerzálnej gravitácie je úzko spätá s dielom „Matematické princípy prírodnej filozofie“(1687). V tejto práci bol Newton schopný odvodiť príslušný zákon vďaka Keplerovmu empirickému zákonu, ktorý bol už v tom čase známy. Ukazuje nám, že:
- forma pohybu akejkoľvek viditeľnej planéty naznačuje prítomnosť centrálnej sily;
- Príťažlivá sila centrálneho typu vytvára eliptické alebo hyperbolické dráhy.
O Newtonovej teórii
Prehľad stručnej histórie objavu zákona univerzálnej gravitácie nás môže tiež upozorniť na množstvo rozdielov, ktoré ho odlišujú od predchádzajúcich hypotéz. Newton sa podieľal nielen na zverejnení navrhovaného vzorca uvažovaného javu, ale navrhol aj model matematického typu v holistickej forme:
- ustanovenie o zákone gravitácie;
- zákon o zákone pohybu;
- systematika metód matematického výskumu.
Táto triáda dokázala celkom presne preskúmať aj tie najzložitejšie pohyby nebeských objektov, čím vytvorila základ pre nebeskú mechaniku. Až do začiatku Einsteinovej aktivity v tomto modeli nebola potrebná prítomnosť základného súboru opráv. Len matematický aparát sa musel výrazne zlepšiť.
Predmet na diskusiu
Objavené a osvedčené právo v priebehu osemnásteho storočia sa stalo známym predmetom aktívnych sporov a dôsledných kontrol. Storočie sa však skončilo všeobecným súhlasom s jeho postulátmi a výrokmi. Pomocou výpočtov zákona bolo možné presne určiť dráhy pohybu telies v nebi. Priamu kontrolu vykonal Henry Cavendish v roku 1798. Robil to pomocou torznej váhy s veľkou citlivosťou. V histórii objavu univerzálneho gravitačného zákona je potrebné prideliť osobitné miesto interpretáciám, ktoré zaviedol Poisson. Vyvinul koncepciu gravitačného potenciálu a Poissonovej rovnice, pomocou ktorej to bolo možné vypočítaťpotenciál. Tento typ modelu umožnil študovať gravitačné pole v prítomnosti ľubovoľného rozloženia hmoty.
V Newtonovej teórii bolo veľa ťažkostí. Za ten hlavný by sa dala považovať nevysvetliteľnosť akcie na veľké vzdialenosti. Nebolo možné presne odpovedať na otázku, ako sa príťažlivé sily posielajú cez vákuový priestor nekonečnou rýchlosťou.
"Vývoj" zákona
Nasledujúcich dvesto rokov a ešte viac sa mnoho fyzikov pokúšalo navrhnúť rôzne spôsoby, ako zlepšiť Newtonovu teóriu. Tieto snahy sa skončili triumfom v roku 1915, a to vytvorením Všeobecnej teórie relativity, ktorú vytvoril Einstein. Dokázal prekonať celý rad ťažkostí. V súlade s princípom korešpondencie sa Newtonova teória ukázala byť aproximáciou začiatku práce na teórii vo všeobecnejšej forme, ktorú je možné aplikovať za určitých podmienok:
- Potenciál gravitačnej povahy nemôže byť v skúmaných systémoch príliš veľký. Slnečná sústava je príkladom dodržiavania všetkých pravidiel pre pohyb nebeských telies. Relativistický fenomén sa ocitá vo výraznom prejave posunu perihélia.
- Rýchlosť pohybu v tejto skupine systémov je zanedbateľná v porovnaní s rýchlosťou svetla.
Dôkazom toho, že v slabom stacionárnom gravitačnom poli majú výpočty GR formu newtonovských výpočtov, je prítomnosť skalárneho potenciálu gravitácie v stacionárnom poli sslabo vyjadrené charakteristiky síl, ktoré sú schopné splniť podmienky Poissonovej rovnice.
Quanta Scale
V histórii však ani vedecký objav zákona univerzálnej gravitácie, ani Všeobecná teória relativity nemohli slúžiť ako konečná gravitačná teória, pretože obe dostatočne nepopisujú procesy gravitačného typu na kvante stupnica. Pokus o vytvorenie kvantovej gravitačnej teórie je jednou z najdôležitejších úloh modernej fyziky.
Z pohľadu kvantovej gravitácie je interakcia medzi objektmi vytvorená výmenou virtuálnych gravitónov. V súlade s princípom neurčitosti je energetický potenciál virtuálnych gravitónov nepriamo úmerný časovému intervalu, v ktorom existoval, od bodu vyžarovania jedným objektom po bod v čase, v ktorom bol absorbovaný iným bodom.
Vzhľadom na to sa ukazuje, že na malej škále vzdialeností interakcia telies so sebou prináša výmenu gravitónov virtuálneho typu. Vďaka týmto úvahám je možné uzavrieť ustanovenie o práve Newtonovho potenciálu a jeho závislosti v súlade so vzájomnou proporcionalitou vzhľadom na vzdialenosť. Analógiu medzi Coulombovými a Newtonovými zákonmi vysvetľuje skutočnosť, že hmotnosť gravitónov sa rovná nule. Hmotnosť fotónov má rovnaký význam.
Podvod
V školských osnovách odpoveď na otázku z histórie, akoNewton objavil zákon univerzálnej gravitácie, je príbeh o padajúcom jablku. Podľa tejto legendy padol na hlavu vedca. Ide však o rozšírený omyl a v podstate sa všetko dokázalo zaobísť aj bez podobného prípadu možného úrazu hlavy. Sám Newton tento mýtus niekedy potvrdzoval, no v skutočnosti zákon nebol spontánnym objavom a neprišiel v návale chvíľkového vhľadu. Ako bolo napísané vyššie, vyvíjal sa dlho a prvýkrát bol prezentovaný v prácach o „Princípoch matematiky“, ktoré sa objavili na verejnosti v roku 1687.
