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 το πιο μυστηριώδες. Ενώ έχει γίνει κατανοητό εδώ και αρκετό καιρό πώς λειτουργεί αυτός ο νόμος της φυσικής σε μακροοικονομική κλίμακα - που διέπει το Ηλιακό μας Σύστημα, τους γαλαξίες και τους υπερκαυστήρες - πώς αλληλεπιδρά με τις τρεις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις παραμένει μυστήριο.
Φυσικά, τα ανθρώπινα όντα είχαν μια βασική κατανόηση αυτής της δύναμης από αμνημονεύτων χρόνων. Και όταν πρόκειται για τη σύγχρονη αντίληψή μας για τη βαρύτητα, η πίστωση οφείλεται σε έναν άνθρωπο που αποκρυπτογράφησε τις ιδιότητές του και πώς διέπει όλα τα πράγματα μεγάλα και μικρά - Sir Isaac Newton. Χάρη σε αυτόν τον Άγγλο φυσικό και μαθηματικό του 17ου αιώνα, η κατανόησή μας για το Σύμπαν και τους νόμους που το διέπουν θα αλλάξει για πάντα.
Ενώ όλοι είμαστε εξοικειωμένοι με την εικονική εικόνα ενός άντρα που κάθεται κάτω από μια μηλιά και έχει μια πτώση στο κεφάλι του, οι θεωρίες του Νεύτωνα για τη βαρύτητα αντιπροσωπεύουν επίσης ένα αποκορύφωμα έρευνας αξίας ετών, η οποία με τη σειρά της βασίστηκε σε αιώνες συσσωρευμένης γνώσης. Θα παρουσίαζε αυτές τις θεωρίες στο μεγάλο του έργο, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica («Μαθηματικές Αρχές Φυσικής Φιλοσοφίας»), η οποία δημοσιεύθηκε για πρώτη φορά το 1687.
Σε αυτόν τον τόμο, ο Νεύτωνας παρουσίασε τι θα γινόταν γνωστό ως οι τρεις νόμοι της κίνησης του, οι οποίοι προήλθαν από τους νόμους της πλανητικής κίνησης του Γιόχαν Κέπλερ και τη δική του μαθηματική περιγραφή της βαρύτητας. Αυτοί οι νόμοι θα έθεταν τα θεμέλια της κλασικής μηχανικής και θα παρέμεναν αδιαμφισβήτητοι για αιώνες - μέχρι τον 20ο αιώνα και την εμφάνιση της Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν.
Φυσική από τον 17ο αιώνα:
Ο 17ος αιώνας ήταν ένας πολύ ευοίωνος χρόνος για τις επιστήμες, με σημαντικές ανακαλύψεις που σημειώθηκαν στους τομείς των μαθηματικών, της φυσικής, της αστρονομίας, της βιολογίας και της χημείας. Μερικές από τις μεγαλύτερες εξελίξεις της περιόδου περιλαμβάνουν την ανάπτυξη του ηλιοκεντρικού μοντέλου του Ηλιακού Συστήματος από τον Νικόλαο Κοπέρνικος, το πρωτοποριακό έργο με τηλεσκόπια και την αστρονομία παρατήρησης του Galileo Galilei και την ανάπτυξη της σύγχρονης οπτικής.
Ήταν επίσης κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου που ο Johannes Kepler ανέπτυξε τους Νόμους της Πλανητικής Κίνησης. Διατυπώθηκαν μεταξύ 1609 και 1619, αυτοί οι νόμοι περιέγραψαν την κίνηση των τότε γνωστών πλανητών (Ερμής, Αφροδίτη, Γη, Άρης, Δίας και Κρόνος) γύρω από τον Ήλιο. Δήλωσαν ότι:
- Οι πλανήτες κινούνται γύρω από τον Ήλιο στις ελλείψεις, με τον Ήλιο να βρίσκεται 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 (ή με άλλα λόγια - του «ημι-μεγάλου άξονα» της έλλειψης, το ήμισυ του αθροίσματος του μικρότερου και μεγαλύτερη απόσταση από τον Ήλιο).
Αυτοί οι νόμοι επιλύουν τα υπόλοιπα μαθηματικά ζητήματα που τέθηκαν από το ηλιοκεντρικό μοντέλο του Copernicus, 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 του στις τροχιές των πλανητών.
Οι τρεις νόμοι του Νεύτωνα:
Το 1678, ο Νεύτωνας υπέστη πλήρη νευρική βλάβη λόγω υπερβολικής εργασίας και διαμάχης με τον συνάδελφο αστρονόμο Ρόμπερτ Χούκε. Για τα επόμενα χρόνια, αποσύρθηκε από την αλληλογραφία με άλλους επιστήμονες, εκτός από όπου το ξεκίνησαν, και ανανέωσε το ενδιαφέρον του για τη μηχανική και την αστρονομία. Το χειμώνα του 1680-81, η εμφάνιση ενός κομήτη, για την οποία αντιστοιχούσε με τον John Flamsteed (Astronomer Royal της Αγγλίας) ανανέωσε επίσης το ενδιαφέρον του για την αστρονομία.
Αφού εξέτασε τους νόμους της κίνησης του Κέπλερ, ο Νεύτωνας ανέπτυξε μια μαθηματική απόδειξη ότι η ελλειπτική μορφή των πλανητικών τροχιών θα προέκυπτε από μια κεντρομόλη δύναμη αντιστρόφως ανάλογη προς το τετράγωνο του διανύσματος της ακτίνας. Ο Νεύτωνας κοινοποίησε αυτά τα αποτελέσματα στον Έντμοντ Χάλλεϊ (ανακάλυψη του "Haley's Comet") και στη Βασιλική Εταιρεία De motu corporum στο γύρο.
Αυτό το κομμάτι, που δημοσιεύθηκε το 1684, περιείχε τον σπόρο του τι θα επεκτεινόταν ο Νεύτωνας για να σχηματίσει το μεγάλο του έργο, το Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Αυτή η πραγματεία, η οποία δημοσιεύθηκε τον Ιούλιο του 1687, περιείχε τους τρεις νόμους κίνησης του Νεύτωνα, οι οποίοι ανέφεραν ότι:
- Όταν προβάλλεται σε ένα αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς, ένα αντικείμενο είτε παραμένει σε κατάσταση ηρεμίας είτε συνεχίζει να κινείται με σταθερή ταχύτητα, εκτός εάν επιδρά από εξωτερική δύναμη.
- Το διανυσματικό άθροισμα των εξωτερικών δυνάμεων (F) σε ένα αντικείμενο είναι ίσο με τη μάζα (Μ) αυτού του αντικειμένου πολλαπλασιασμένο με το διάνυσμα επιτάχυνσης (α) του αντικειμένου. Σε μαθηματική μορφή, αυτό εκφράζεται ως: F =Μένα
- Όταν ένα σώμα ασκεί δύναμη σε ένα δεύτερο σώμα, το δεύτερο σώμα ασκεί ταυτόχρονα μια δύναμη ίση σε μέγεθος και αντίθετη προς την κατεύθυνση στο πρώτο σώμα.
Μαζί, αυτοί οι νόμοι περιέγραψαν τη σχέση μεταξύ οποιουδήποτε αντικειμένου, των δυνάμεων που δρουν σε αυτό 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 την διόγκωση στον ισημερινό, και πώς η βαρυτική έλξη του Ήλιου και της Σελήνης δημιουργούν τις παλίρροιες της Γης.
Στην ίδια εργασία, ο Νεύτωνας παρουσίασε μια μέθοδος γεωμετρικής ανάλυσης που μοιάζει με λογισμό χρησιμοποιώντας «πρώτες και τελευταίες αναλογίες», επεξεργάστηκε την ταχύτητα του ήχου στον αέρα (βάσει του νόμου του Boyle), που αντιστοιχούσε στην πομπή των ισημεριών (που έδειξε ότι ήταν αποτέλεσμα της βαρυτικής έλξης της Σελήνης στη Γη), ξεκίνησε τη βαρυτική μελέτη των παρατυπιών στην κίνηση της Σελήνης, παρείχε μια θεωρία για τον προσδιορισμό των τροχιών των κομητών και πολλά άλλα.
Newton και το «Apple Incident»:
Η ιστορία του Νεύτωνα που έρχεται με τη θεωρία της καθολικής βαρύτητας ως αποτέλεσμα ενός μήλου που πέφτει στο κεφάλι του έχει γίνει βασική λαϊκή κουλτούρα. Και ενώ έχει συχνά υποστηριχθεί ότι η ιστορία είναι αποκρυφική και ο Νεύτωνας δεν επινόησε τη θεωρία του σε καμία στιγμή, ο ίδιος ο Νεύτωνας είπε την ιστορία πολλές φορές και ισχυρίστηκε ότι το περιστατικό τον ενέπνευσε.
Επιπλέον, τα γραπτά του William Stukeley - ενός Άγγλου κληρικού, αρχαίου και συντρόφου της Royal Society - επιβεβαίωσαν την ιστορία. Αλλά αντί για την κωμική αναπαράσταση του μήλου που χτυπάει τον Νεύτωνα στο κεφάλι, ο Stukeley περιέγραψε στο δικό του Απομνημονεύματα της ζωής του Sir Isaac Newton (1752) μια συζήτηση στην οποία ο Νεύτωνας περιέγραψε τη σκέψη της φύσης της βαρύτητας ενώ παρακολουθούσε ένα μήλο να πέφτει.
«... πήγαμε στον κήπο, και ήπιαμε το σκιά κάτω από μερικά σκεύη. μόνο αυτός, και ο εαυτός μου. Μέσα σε άλλη συζήτηση, μου είπε, βρισκόταν ακριβώς στην ίδια κατάσταση, όπως και στο παρελθόν, η ιδέα της βαρύτητας ήρθε στο μυαλό του. «Γιατί αυτό το μήλο πρέπει να κατεβαίνει πάντα κάθετα στο έδαφος», σκέφτηκε τον εαυτό του. περίσταση με την πτώση ενός μήλου… "
Ο Τζον Κοντούιτ, βοηθός του Νεύτωνα στο Βασιλικό Νομισματοκοπείο (ο οποίος τελικά παντρεύτηκε την ανιψιά του), περιέγραψε επίσης ότι άκουσε την ιστορία στον δικό του λογαριασμό για τη ζωή του Νεύτωνα. Σύμφωνα με τον Conduitt, το περιστατικό συνέβη το 1666 όταν ο Newton ταξίδευε για να συναντήσει τη μητέρα του στο Lincolnshire. Ενώ περιπλανιέται στον κήπο, σκέφτηκε πώς η επιρροή της βαρύτητας επεκτάθηκε πολύ πέρα από τη Γη, υπεύθυνη για την πτώση του μήλου καθώς και για την τροχιά της Σελήνης.
Ομοίως, ο Voltaire έγραψε το δικό του Δοκίμιο για την επική ποίηση (1727) ότι ο Νεύτωνας είχε αρχικά σκεφτεί το σύστημα της βαρύτητας περπατώντας στον κήπο του και βλέποντας ένα μήλο να πέφτει από ένα δέντρο. Αυτό συμβαδίζει με τις σημειώσεις του Νεύτωνα από τη δεκαετία του 1660, οι οποίες δείχνουν ότι αντιμετώπιζε την ιδέα για το πώς η επίγεια βαρύτητα εκτείνεται, σε μια αντίστροφη τετραγωνική αναλογία, στη Σελήνη.
Ωστόσο, θα χρειαζόταν δύο ακόμη δεκαετίες για να αναπτύξει πλήρως τις θεωρίες του στο σημείο που ήταν σε θέση να προσφέρει μαθηματικές αποδείξεις, όπως αποδεικνύεται στο Πρίγκιπα. Μόλις ολοκληρώθηκε, συμπέρανε ότι η ίδια δύναμη που κάνει ένα αντικείμενο να πέσει στο έδαφος ήταν υπεύθυνη για άλλες τροχιακές κινήσεις. Ως εκ τούτου, το ονόμασε «παγκόσμια βαρύτητα».
Ισχυρίζονται διάφορα δέντρα ως το «μηλιά» που περιγράφει ο Νεύτωνας. Το King's School, Grantham, ισχυρίζεται ότι το σχολείο τους αγόρασε το αρχικό δέντρο, το ξεριζώθηκε και το μετέφερε στον κήπο του διευθυντή μερικά χρόνια αργότερα. Ωστόσο, το National Trust, το οποίο διατηρεί το Woolsthorpe Manor (όπου μεγάλωσε ο Newton), ισχυρίζεται ότι το δέντρο εξακολουθεί να κατοικεί στον κήπο τους. Ένας απόγονος του αρχικού δέντρου φαίνεται να μεγαλώνει έξω από την κεντρική πύλη του Trinity College, Cambridge, κάτω από το δωμάτιο στο οποίο έζησε ο Newton όταν σπούδασε εκεί.
Το έργο του Νεύτωνα θα είχε βαθιά επίδραση στις επιστήμες, με τις αρχές του να παραμένουν κανόνας για τα επόμενα 200 χρόνια. Ενημέρωσε επίσης την έννοια της καθολικής βαρύτητας, η οποία έγινε ο ακρογωνιαίος λίθος της σύγχρονης αστρονομίας, και δεν θα αναθεωρήθηκε μέχρι τον 20ο αιώνα - με την ανακάλυψη της κβαντικής μηχανικής και τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν.
Έχουμε γράψει πολλά ενδιαφέροντα άρθρα για τη βαρύτητα εδώ στο Space Magazine. Εδώ είναι ποιος ήταν ο Sir Isaac Newton ;, Ποιος ήταν ο Galileo Galilei ;, Ποια είναι η δύναμη της βαρύτητας ;, και τι είναι η βαρυτική σταθερά;
Το Astronomy Cast έχει δύο καλά επεισόδια στο θέμα. Εδώ είναι το επεισόδιο 37: Φακός βαρύτητας και επεισόδιο 102: Βαρύτητα,
Πηγές:
- NASA - Νόμοι της κίνησης του Νεύτωνα
- Η τάξη της φυσικής - ο νόμος της καθολικής βαρύτητας του Νεύτωνα
- BBC iWonder - Isaac Newton
- Wikipedia - Isaac Newton
