Veškeré interakce uvnitř vesmíru řídí čtyři základní síly. Jsou to slabé jaderné síly, silné jaderné síly, elektromagnetismus a gravitace. Z nich je možná nejzáhadnější gravitace. I když již nějakou dobu bylo pochopeno, jak tento fyzikální zákon funguje na makroúrovni - vládnoucí naší sluneční soustavou, galaxiemi a superklastory -, jak interaguje s dalšími třemi základními silami, zůstává tajemstvím.
Lidské bytosti pochopily tuto sílu od nepaměti přirozeně. A pokud jde o naše moderní chápání gravitace, je vděčen jednomu muži, který dešifroval své vlastnosti a jak řídí vše velké a malé - sir Isaac Newton. Díky tomuto anglickému fyzikovi a matematikovi ze 17. století se naše chápání vesmíru a zákonů, kterými se řídí, navždy změní.
I když jsme všichni obeznámeni s ikonickým obrazem muže, který seděl pod jabloní a měl jeden pád na hlavu, Newtonovy teorie gravitace také představovaly vyvrcholení let, které stojí za výzkum, který byl zase založen na staletích nahromaděných znalostí. Představil tyto teorie ve svém magnum opusu, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica („Matematické principy přírodní filosofie“), která byla poprvé vydána v roce 1687.
V tomto svazku Newton stanovil, co by se stalo známým jako jeho tři zákony pohybu, které byly odvozeny od zákonů planetárního pohybu Johna Keplera a jeho vlastního matematického popisu gravitace. Tyto zákony by položily základy klasické mechaniky a zůstaly by po staletí nezpochybněny - až do 20. století a do vzniku Einsteinovy teorie relativity.
Fyzika do 17. století:
17. století bylo pro vědu velmi příznivým obdobím, s významnými průlomy v oblasti matematiky, fyziky, astronomie, biologie a chemie. Mezi největší vývoj v tomto období patří vývoj heliocentrického modelu Sluneční soustavy Nicolaus Copernicus, průkopnická práce s dalekohledy a observační astronomií Galileo Galilei a vývoj moderní optiky.
To bylo také během tohoto období že Johannes Kepler vyvinul jeho zákony planetárního pohybu. Tyto zákony, formulované mezi lety 1609 a 1619, popisovaly pohyb tehdy známých planet (Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter a Saturn) kolem Slunce. Uvedli, že:
- Planety se pohybují kolem Slunce v elipsech, se Sluncem na jednom místě
- Čára spojující Slunce s planetou zametá stejné oblasti ve stejnou dobu.
- Čtverec orbitální periody planety je úměrný krychli (3. síle) střední vzdálenosti od Slunce v (nebo jinými slovy - „semifinále hlavní osy“ elipsy, polovina součtu nejmenších a největší vzdálenost od Slunce).
Tyto zákony vyřešily zbývající matematické problémy vyvolané Copernicovým heliocentrickým modelem, čímž odstranily veškeré pochybnosti o tom, že se jedná o správný model vesmíru. Na základě těchto skutečností začal Sir Isaac Newton zvažovat gravitaci a její vliv na oběžné dráhy planet.
Newtonovy tři zákony:
V roce 1678 Newton utrpěl úplné nervové zhroucení kvůli přepracování a sváru s kolegou astronomem Robertem Hookem. Pro příští nemnoho roků, on ustoupil od korespondence s jinými vědci, kromě kde oni iniciovali to, a obnovil jeho zájem o mechaniku a astronomii. V zimě 1680-81 obnovil jeho zájem o astronomii také vzhled komety, o níž korespondoval s Johnem Flamsteedem (anglický astronom Royal Astronomer Royal).
Poté, co si prohlédl Keplerovy zákony pohybu, Newton vyvinul matematický důkaz, že eliptická forma planetárních drah bude výsledkem centripetální síly nepřímo úměrné čtverci vektoru poloměru. Newton sdělil tyto výsledky Edmondovi Halleymu (objeviteli „Haleyovy komety“) a Královské společnosti v jeho De motu corporum in gyrum.
Tento trakt, publikovaný v roce 1684, obsahoval semeno toho, co by Newton expandoval, aby vytvořil jeho magnum opus Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Toto pojednání, které bylo zveřejněno v červenci 1687, obsahovalo Newtonovy tři zákony o pohybu, které uváděly, že:
- Při pohledu v inerciálním referenčním rámci objekt zůstává buď v klidu, nebo pokračuje v pohybu konstantní rychlostí, pokud na ni nepůsobí vnější síla.
- Součet vektorů vnějších sil (F) na objektu se rovná hmotnosti (m) tohoto objektu vynásobené vektorem zrychlení (a) objektu. V matematické podobě je to vyjádřeno jako:mA
- Když jedno tělo působí silou na druhé tělo, druhé tělo současně vyvíjí sílu rovnající se velikosti a opačnému směru na první tělo.
Tyto zákony společně popisovaly vztah mezi jakýmkoli objektem, silami, které na něj působí, a výsledným pohybem, čímž položily základy pro klasickou mechaniku. Zákony také umožnily Newtonu vypočítat hmotnost každé planety, zploštění Země u pólů a vypouknutí u rovníku a jak gravitační tah Slunce a Měsíce vytváří příliv Země.
Ve stejné práci představil Newton výpočetní metodu geometrické analýzy pomocí „prvního a posledního poměru“, vypracoval rychlost zvuku ve vzduchu (na základě Boyleova zákona), započítal proces rovnodennosti (což ukázal, že byly) výsledek gravitační přitažlivosti Měsíce na Zemi), inicioval gravitační studium nepravidelností v pohybu měsíce, poskytl teorii pro určování orbity komet a mnohem více.
Newton a „Apple Incident“:
Příběh Newtona, který přichází s jeho teorií univerzální gravitace v důsledku toho, že jablko padá na jeho hlavu, se stal jádrem populární kultury. A i když se často tvrdilo, že příběh je apokryfní a Newton nevytvořil svou teorii v žádném okamžiku, sám Newton příběh mnohokrát vyprávěl a tvrdil, že incident ho inspiroval.
Kromě toho příběh potvrdil spis Williama Stukeleye - anglického duchovního, antikvariátu a člena královské společnosti. Stukeley však místo komické reprezentace Newtona, který udeřil jablko do hlavy, popsal v jeho Vzpomínky na život Sira Isaaca Newtona (1752) rozhovor, ve kterém Newton popsal přemýšlení o povaze gravitace při sledování pádu jablka.
"... šli jsme na zahradu a pili jsme tě ve stínu některých appletre; pouze on a moje já. Uprostřed jiného projevu mi řekl, že se nachází ve stejné situaci, jako když se mu do jeho mysli poprvé dostala myšlenka gravitace. "Proč by mělo toto jablko vždy klesat kolmo k zemi," pomyslel si sám pro sebe; příležitost od pádu jablka ... “
John Conduitt, Newtonův asistent v Královské mincovně (který se nakonec oženil s neteří), také popsal vyslechnutí příběhu na vlastní účet Newtonova života. Podle Conduitta k incidentu došlo v roce 1666, když Newton cestoval, aby se setkal s jeho matkou v Lincolnshire. Zatímco meandroval v zahradě, uvažoval o tom, jak se vliv gravitace rozšířil daleko za Zemi, zodpovědný za padání jablek a oběžné dráhy Měsíce.
Podobně Voltaire napsal jeho Esej o epické poezii (1727), že Newton poprvé myslel na gravitační systém při chůzi ve své zahradě a sledoval, jak jablko padá ze stromu. To je v souladu s Newtonovými poznámkami z šedesátých let, které ukazují, že se potýkal s myšlenkou, jak se zemská gravitace v nepřímém čtvercovém poměru rozšiřuje na Měsíc.
Úplné rozvinutí jeho teorií by mu však trvalo ještě dvě desetiletí do té míry, že dokázal nabídnout matematické důkazy, jak ukazuje Principia. Jakmile to bylo kompletní, usoudil, že stejná síla, která způsobuje, že předmět spadne na zem, byla zodpovědná za jiné orbitální pohyby. Proto to nazval „univerzální gravitace“.
Různé stromy jsou prohlašovány za „jabloň“, kterou Newton popisuje. Královská škola Grantham tvrdí, že jejich škola koupila původní strom, vykořenila ho a o několik let později jej dopravila na zahradu ředitele. Národní důvěra, která drží Woolsthorpe Manor (kde Newton vyrostl) v důvěře, však tvrdí, že strom stále zůstává v jejich zahradě. Potomek původního stromu je vidět, jak roste mimo hlavní bránu Trinity College v Cambridge, pod místností, kde Newton žil, když tam studoval.
Newtonova práce by měla hluboký dopad na vědy a její principy zůstaly kánonem pro následujících 200 let. Rovněž informovala o konceptu univerzální gravitace, který se stal oporou moderní astronomie a který by nebyl revidován teprve ve 20. století - objevem kvantové mechaniky a Einsteinovy teorie obecné relativity.
Zde jsme v Space Magazine napsali mnoho zajímavých článků o gravitaci. Tady je Kdo byl Sir Isaac Newton ?, Kdo byl Galileo Galilei ?, Co je gravitační síla? A co je gravitační konstanta?
Astronomie Cast má na toto téma dvě dobré epizody. Tady je Episode 37: Gravitational Lensing a Episode 102: Gravity,
Zdroje:
- NASA - Newtonovy zákony pohybu
- The Physics Classroom - Newtonův zákon univerzální gravitace
- BBC iWonder - Isaac Newton
- Wikipedia - Isaac Newton
