Štiri temeljne sile upravljajo vse interakcije v vesolju. So šibke jedrske sile, močne jedrske sile, elektromagnetizem in gravitacija. Od teh je gravitacija morda najbolj skrivnostna. Čeprav je že nekaj časa razumljeno, kako ta fizikalni zakon deluje na makro-lestvici - ki ureja naš Osončje, galaksije in superklusterje -, kako deluje s tremi drugimi temeljnimi silami, ostaja skrivnost.
Seveda so ljudje že od nekdaj razumeli to silo. In ko gre za naše sodobno razumevanje gravitacije, je dolžan enemu človeku, ki je razvozlal njegove lastnosti in kako vse stvari ureja veliko in majhno - sir Isaac Newton. Zahvaljujoč temu angleškemu fiziku in matematiku iz 17. stoletja, bi se naše vedenje vesolja in zakonov, ki ga urejajo, za vedno spremenilo.
Medtem ko smo vsi seznanjeni z ikonično podobo moškega, ki sedi pod jablano in ima en padec na glavo, so Newtonove teorije o gravitaciji predstavljale tudi vrhunec dolgoletnega raziskovanja, ki je temeljilo na stoletjih nakopičenega znanja. Te teorije bi predstavil v svojem magnum opusu, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ("Matematična načela naravoslovne filozofije"), ki je bilo prvič objavljeno leta 1687.
V tem zvezku je Newton predstavil tisto, kar bi postalo znano kot njegove tri zakonitosti gibanja, ki izhajajo iz zakonov Johannesa Keplerja o zakonu planetarnega gibanja in njegovega lastnega matematičnega opisa gravitacije. Ti zakoni bi postavili temelje klasične mehanike in bodo več stoletij nesporni - vse do 20. stoletja in nastanka Einsteinove teorije relativnosti.
Fizika do 17. stoletja:
17. stoletje je bilo za znanosti zelo ugoden čas, saj so se na področju matematike, fizike, astronomije, biologije in kemije zgodili veliki preboji. Nekatera največja dogajanja v tem obdobju vključujejo razvoj heliocentričnega modela Osončja avtorja Nikolaja Kopernika, pionirsko delo s teleskopi in opazovalno astronomijo Galilea Galileija ter razvoj sodobne optike.
Prav v tem obdobju je Johannes Kepler razvil svoje zakone o planetarnem gibanju. Ti zakoni, oblikovani med letoma 1609 in 1619, so opisovali gibanje takrat znanih planetov (Merkur, Venera, Zemlja, Mars, Jupiter in Saturn) okoli Sonca. Izjavili so, da:
- Planeti se gibljejo okoli Sonca v elipsah, s Soncem na enem žarišču
- Črta, ki povezuje Sonce s planetom, v enakih časih pometa enaka območja.
- Kvadrat orbitalnega obdobja planeta je sorazmeren kocki (3. moči) srednje oddaljenosti od Sonca v (ali z drugimi besedami - "pol-glavne osi" elipse, kar je polovica vsote najmanjšega in največja oddaljenost od Sonca).
Ti zakoni so razrešili preostala matematična vprašanja, ki jih je sprožil Kopernikov heliocentrični model, s čimer so odpravili vse dvome, da gre za pravilen model vesolja. Sir Isaac Newton je začel delati na teh načinih gravitacije in njenega vpliva na orbite planetov.
Newtonove tri zakone:
Leta 1678 je Newton doživel popoln živčni zlom zaradi prekomernega dela in maščevanja s kolegom astronomom Robertom Hookeom. Naslednjih nekaj let se je umaknil iz dopisovanja z drugimi znanstveniki, razen tam, kjer so ga inicializirali, in obnovil zanimanje za mehaniko in astronomijo. Pozimi 1680-81 je pojav kometa, o katerem se dopisuje z Johnom Flamsteedom (angleški Astronomer Royal), prav tako obnovil zanimanje za astronomijo.
Po pregledu Keplerjevih zakonov gibanja je Newton razvil matematični dokaz, da bo eliptična oblika planetarnih orbitov nastala iz centripetalne sile, obratno sorazmerne s kvadratom vektorja polmera. Newton je te rezultate sporočil Edmondu Halleyju (odkriteljju Haleyevega kometa) in kraljevski družbi v De motu corporum v gyrumu.
Ta trakt, objavljen leta 1684, je vseboval seme tistega, kar bi Newton razširil v njegov magnum opus, The Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Ta traktat, ki je bil objavljen julija 1687, je vseboval Newtonove tri gibalne zakone, ki so zapisali, da:
- Če gledamo v inercialnem referenčnem okviru, predmet bodisi ostane v mirovanju ali se nadaljuje s konstantno hitrostjo, razen če nanje deluje zunanja sila.
- Vektorska vsota zunanjih sil (F) na predmet je enaka masi (m) tega predmeta, pomnoženo s pospeševalnim vektorjem (a) predmeta. V matematični obliki se to izrazi kot: F =ma
- Ko eno telo izvaja silo na drugo telo, drugo telo hkrati izvaja silo, ki je enaka velikosti in nasprotno v smeri prvega telesa.
Ti zakoni so skupaj opisali razmerje med katerim koli objektom, silami, ki delujejo nanj, in posledičnim gibanjem ter postavili temelje klasični mehaniki. Zakoni so tudi Newtonu omogočali, da izračuna maso vsakega planeta, sploščenost Zemlje na polov in izboklina na ekvatorju ter kako gravitacijski poteg Sonca in Lune ustvarja Zemljino plimovanje.
V istem delu je Newton predstavil kalkulijsko metodo geometrijske analize z uporabo "prvega in zadnjega razmerja", določil hitrost zvoka v zraku (na podlagi Boyleovega zakona), upošteval procesijo enakonočja (kar je pokazal, da sta rezultat Luninega gravitacijskega privlačenja na Zemljo), je sprožil gravitacijsko študijo nepravilnosti gibanja Lune, podal teorijo za določanje orbite kometov in še veliko več.
Newton in "Apple incident":
Zgodba o Newtonu, ki se pojavlja s svojo teorijo o univerzalni gravitaciji zaradi jabolka, ki mu pade na glavo, je postala osrednja priljubljena kultura. In čeprav se že večkrat trdi, da je zgodba apokrifna in Newton ni niti enega trenutka zasnoval svoje teorije, je sam Newton zgodbo pripovedoval večkrat in trdil, da ga je incident navdihnil.
Poleg tega so zgodbo pisali William Stukeley - angleški duhovnik, antikvarist in član kraljeve družbe - potrdili zgodbo. A Stukeley je v svojem opisu namesto komične predstavitve jabolka, ki udara Newtona na glavo Spomini o življenju sir Isaaca Newtona (1752) pogovor, v katerem je Newton opisal razmišljanje o naravi gravitacije, medtem ko je opazoval, kako jabolko pada.
"... šli smo na vrt in pili thea pod senco nekaterih jabolčnih dreves; samo on, & jaz. sredi drugega diskurza, mi je rekel, je bil ravno v isti situaciji, kot prej, ko mu je prej prišlo na misel gravitacija. "Zakaj se mora to jabolko vedno spuščati pravokotno na tla," si je mislil sam; ob padcu jabolka ... "
John Conduitt, Newtonov pomočnik pri Royal Mint (ki se je na koncu poročil z njegovo nečakinjo), je opisal tudi slišanje zgodbe v svojem poročilu o Newtonovem življenju. Po Conduittu se je incident zgodil leta 1666, ko je Newton odpotoval na srečanje z materjo v Lincolnshire. Med meandriranjem na vrtu je razmišljal, kako se gravitacijski vpliv širi daleč od Zemlje, ki je odgovoren za padanje jabolk in lunino orbito.
Podobno je Voltaire napisal svoje Esej o epski poeziji (1727), da je Newton najprej pomislil na sistem gravitacije, ko je hodil po svojem vrtu in gledal, kako jabolko pada z drevesa. To je skladno z Newtonovimi zapiski iz 1660-ih, iz katerih je razvidno, da se je spoprijel z idejo, kako se zemeljska gravitacija v obratnem kvadratnem razmerju razširi na Luno.
Vendar bi potrebovali še dve desetletji, da bi v celoti razvil svoje teorije do te mere, da je lahko ponudil matematične dokaze, kot je prikazano v Principia. Ko je bilo to popolno, je ugotovil, da je enaka sila, zaradi katere predmet pade na tla, odgovorna za druge orbitalne gibe. Zato ga je imenoval "univerzalna gravitacija".
Za različna drevesa naj bi veljalo, da so "jablane", ki jih opisuje Newton. Kraljeva šola, Grantham, trdi, da je šola kupila prvotno drevo, ga izkoreninila in ga nekaj let pozneje prenesla na vrt. Vendar nacionalni sklad, ki ima v zaupnici dvorec Woolsthorpe (kjer je odraščal Newton), trdi, da drevo še vedno prebiva na njihovem vrtu. Potomca izvornega drevesa je mogoče videti pred glavnimi vrati Trinity College v Cambridgeu, pod sobo, v kateri je Newton živel.
Newtonovo delo bi močno vplivalo na vede, njegova načela pa bodo v naslednjih 200 letih ostala kanona. Ob tem je seznanil tudi koncept univerzalne gravitacije, ki je postal osnova sodobne astronomije in ne bo revidiran šele v 20. stoletju - z odkritjem kvantne mehanike in Einsteinove teorije splošne relativnosti.
Tu smo napisali veliko zanimivih člankov o gravitaciji pri vesoljski reviji. Tu je kdo bil Sir Isaac Newton? Kdo je bil Galileo Galilei? Kaj je sila teže ?, in kaj je Gravitacijska konstanta?
Astronomy Cast ima na temo nekaj dobrih epizod. Tu je epizoda 37: Gravitacijsko lečenje in Epizoda 102: Gravitacija,
Viri:
- NASA - Newtonove zakone gibanja
- Učilnica fizike - Newtonov zakon univerzalnega gravitacije
- BBC iWonder - Isaac Newton
- Wikipedia - Isaac Newton
