Četri pamata spēki pārvalda visas mijiedarbības Visumā. Tie ir vāji kodolieroči, spēcīgi kodolieroči, elektromagnētisms un gravitācija. No tiem, iespējams, visnoslēpumainākais ir smagums. Lai arī kādu laiku ir saprotams, kā šis fizikas likums darbojas makro mērogā - pārvaldot mūsu Saules sistēmu, galaktikas un superklusterus -, kā tas mijiedarbojas ar trim citiem pamata spēkiem, joprojām paliek noslēpums.
Dabiski, ka cilvēkiem kopš neatminamiem laikiem ir bijusi pamata izpratne par šo spēku. Un, runājot par mūsdienīgu gravitācijas izpratni, kredīts ir parādā vienam cilvēkam, kurš atšifrēja tā īpašības un to, kā tas pārvalda visas lielās un mazās lietas - seram Īzakam Ņūtonam. Pateicoties šim 17. gadsimta angļu fiziķim un matemātiķim, mūsu izpratne par Visumu un likumiem, kas to regulē, tiks uz visiem laikiem mainīta.
Kaut arī mēs visi esam pazīstami ar ikonu tēlu, kurā redzams cilvēks, kurš sēž zem ābeles un kam ir viens kritiens uz galvas, Ņūtona teorijas par smagumu bija arī gadu pētījumu kulminācija, kas, savukārt, balstījās uz gadsimtiem uzkrātajām zināšanām. Viņš iepazīstinātu ar šīm teorijām savā magnum opus, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (“Dabas filozofijas matemātiskie principi”), kas pirmo reizi tika publicēta 1687. gadā.
Šajā sējumā Ņūtons izklāstīja to, kas būs pazīstams kā viņa trīs kustības likumi, kuri tika atvasināti no Johannesa Keplera likumiem par planētas kustību un viņa paša matemātisko gravitācijas aprakstu. Šie likumi liktu klasiskās mehānikas pamatus, un gadsimtiem ilgi tos neapstrīdētu - līdz pat 20. gadsimtam un Einšteina relativitātes teorijas parādīšanās brīdim.
Fizika līdz 17. gadsimtam:
17. gadsimts bija ļoti labvēlīgs laiks zinātnēm, un lielākie sasniegumi notika matemātikā, fizikā, astronomijā, bioloģijā un ķīmijā. Daži no lielākajiem laika posma sasniegumiem ietver Nikolaja Kopernika Saules sistēmas helicentriskā modeļa attīstību, novatorisko darbu ar teleskopiem un Galileo Galilei novērojumu astronomiju, kā arī mūsdienu optikas attīstību.
Tieši šajā laika posmā Johanness Keplers izstrādāja savus likumus par planētas kustību. Šie likumi, kas formulēti laika posmā no 1609. līdz 1619. gadam, aprakstīja toreiz zināmo planētu (Merkura, Venēras, Zemes, Marsa, Jupitera un Saturna) kustību ap Sauli. Viņi paziņoja, ka:
- Planētas pārvietojas ap Sauli elipsēs, un Saule atrodas vienā fokusā
- Līnija, kas savieno Sauli ar planētu, vienādos laikos sviež vienādus laukumus.
- Planētas orbītā perioda kvadrāts ir proporcionāls vidējā attāluma no saules kubam (3. jauda) elipses vidējā attālumā (vai citiem vārdiem sakot - no “puslīdz lielās ass”), kas ir puse no mazākās un lielākais attālums no Saules).
Šie likumi atrisināja atlikušos matemātiskos jautājumus, ko izvirzīja Kopernika helicentriskais modelis, tādējādi novēršot visas šaubas, ka tas ir pareizais Visuma modelis. Balstoties uz tiem, sers Īzaks Ņūtons sāka apsvērt gravitāciju un tās ietekmi uz planētu orbītām.
Ņūtona trīs likumi:
1678. gadā Ņūtons cieta pilnīgu nervu sabrukumu pārmērīga darba un feodora ar kolēģa astronoma Roberta Hūka dēļ. Dažus nākamos gadus viņš atteicās no sarakstes ar citiem zinātniekiem, izņemot gadījumus, kad viņi to uzsāka, un atjaunoja interesi par mehāniku un astronomiju. 1680.-1981. gada ziemā komētas parādīšanās, par kuru viņš sarakstījās ar Džonu Flamsjedu (Anglijas Astronoms Karaliskais), arī atjaunoja interesi par astronomiju.
Pēc Keplera kustības likumu pārskatīšanas Ņūtons izstrādāja matemātisku pierādījumu tam, ka planētu orbītu elipsveida forma rastos no centripetāla spēka, kas ir apgriezti proporcionāls rādiusa vektora kvadrātam. Ņūtons šos rezultātus paziņoja Edmondam Hallijam (“Haley’s Comet” atklājējs) un Karaliskajai biedrībai savā De motu corporum in gyrum.
Šajā traktā, kas publicēts 1684. gadā, bija sēkla tam, ko Ņūtons izvērsīs, veidojot savu magnum opus, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Šis traktāts, kas tika publicēts 1687. gada jūlijā, ietvēra Ņūtona trīs kustības likumus, kas noteica:
- Apskatot inerciālā atskaites rāmī, objekts vai nu paliek miera stāvoklī, vai turpina kustēties ar nemainīgu ātrumu, ja vien uz to nedarbojas ārējs spēks.
- Objekta ārējo spēku (F) vektora summa ir vienāda ar masu (m) objekta reizinājums ar objekta paātrinājuma vektoru (a). Matemātiskā formā to izsaka šādi: F =ma
- Kad viens ķermenis pieliek spēku otram ķermenim, otrs ķermenis vienlaikus pieliek spēku, kas ir vienāds ar lielumu un pretējs pirmajam ķermenim.
Šie likumi kopā aprakstīja attiecības starp jebkuru objektu, spēkiem, kas uz to iedarbojas, un no tā izrietošās kustības, liekot pamatus klasiskajai mehānikai. Likumi arī ļāva Ņūtonam aprēķināt katras planētas masu, Zemes saplacināšanu pie poliem un izspiešanos pie ekvatora, kā arī to, kā Saules un Mēness gravitācijas vilkme rada Zemes plūdmaiņas.
Tajā pašā darbā Ņūtons iepazīstināja ar aprēķinam līdzīgu ģeometriskās analīzes metodi, izmantojot “pirmās un pēdējās attiecības”, izstrādāja skaņas ātrumu gaisā (balstoties uz Boila likumu), veica ekvinokciju gājienu (kas, pēc viņa domām, bija pēc Mēness gravitācijas pievilcības Zemei), uzsāka mēness kustības pārkāpumu gravitācijas pētījumu, sniedza komētu kompozīciju orbītu noteikšanas teoriju un daudz ko citu.
Ņūtons un “Apple incidents”:
Stāsts par Ņūtonu, kurš nāk klajā ar savu universālās gravitācijas teoriju, kad ābols viņam nokrīt uz galvas, ir kļuvis par populārās kultūras štāpeļšķiedrām. Un, lai arī bieži tiek apgalvots, ka stāsts ir apokrifisks un Ņūtons nevienā brīdī neizdomāja savu teoriju, pats Ņūtons daudzkārt stāstīja stāstu un apgalvoja, ka incidents viņu iedvesmojis.
Turklāt stāstu apstiprinājuši Viljama Stūklija - angļu garīdznieka, antīkās mākslas darbinieka un Karaliskās biedrības biedra - Viljama Stūklija raksti. Bet tā vietā, lai komiski attēlotu ābolu, kurš pārsteidz Ņūtonu uz galvas, Stukelijs aprakstīja viņu Sera Īzaka Ņūtona dzīves memuāri (1752) saruna, kurā Ņūtons aprakstīja gravitācijas rakstura apdomāšanu, vērojot ābola krišanu.
“… Mēs iegājām dārzā un dzērām tevi dažu appletree ēnā; tikai viņš, un es pats. Starp citu diskursu, viņš man teica, viņš bija tieši tādā pašā situācijā, kā agrāk, kad viņa prātā ienāca ideja par gravitāciju. “Kāpēc tam ābolam vienmēr vajadzētu nolaisties perpendikulāri zemei,” viņš domāja pats; gadījums, kad nokritīs ābols ... ”
Džons Konduitts, Ņūtona asistents Karaliskajā monētu kaltuvē (kurš beidzot apprecējās ar brāļameitu) arī aprakstīja, kā viņš dzirdējis stāstu par Ņūtona dzīvi. Pēc Konduitas teiktā, incidents notika 1666. gadā, kad Ņūtons devās satikties ar savu māti Linkolnšīrā. Dodoties dārzā, viņš domāja par to, kā gravitācijas ietekme sniedzas tālu ārpus Zemes, izraisot ābola krišanu, kā arī Mēness orbītu.
Līdzīgi Voltērs rakstīja savu Eseja par episko dzeju (1727), ka Ņūtons pirmo reizi bija domājis par gravitācijas sistēmu, ejot savā dārzā un vērojot, kā no koka nokrīt ābols. Tas saskan ar Ņūtona 1660. gadu piezīmēm, kas parāda, ka viņš cīnījās ar ideju par to, kā zemes gravitācija apgrieztā kvadrāta proporcijā sniedzas līdz Mēnesim.
Tomēr, lai pilnībā attīstītu savas teorijas, viņam vajadzēs vēl divas desmitgades, lai viņš spētu piedāvāt matemātiskus pierādījumus, kā parādīts Principia. Kad tas bija pabeigts, viņš secināja, ka tas pats spēks, kas liek objektam nokrist uz zemes, ir atbildīgs par citām orbītas kustībām. Tāpēc viņš to nosauca par “universālo gravitāciju”.
Tiek apgalvots, ka dažādi koki ir “ābele”, ko raksturo Ņūtons. Karaļa skola Grantham apgalvo, ka viņu skola iegādājās oriģinālo koku, izcēla to un dažus gadus vēlāk nogādāja skolas direktora dārzā. Tomēr Nacionālais fonds, kas uzticas Vilsthorpes muižai (kur uzaudzis Ņūtons), apgalvo, ka koks joprojām dzīvo viņu dārzā. Sākotnējā koka pēcnācējs redzams augošs ārpus Trīsvienības koledžas galvenajiem vārtiem Kembridžā zem istabas, kurā dzīvoja Ņūtons, kad viņš tur mācījās.
Ņūtona darbam būtu dziļa ietekme uz zinātnēm, tā principiem paliekot kanonam nākamajiem 200 gadiem. Tas arī informēja par universālās gravitācijas jēdzienu, kas kļuva par mūsdienu astronomijas galveno elementu un netiks pārskatīts līdz 20. gadsimtam - atklājot kvantu mehāniku un Einšteina vispārējās relativitātes teoriju.
Mēs esam uzrakstījuši daudz interesantu rakstu par smagumu šeit, Space Magazine. Šeit ir Kas bija sers Īzaks Ņūtons, kurš bija Galileo Galilejs? Kas ir gravitācijas spēks? Un kas ir gravitācijas konstante?
Astronomijas cast ir dažas divas labas epizodes par šo tēmu. Šeit ir 37. epizode: gravitācijas objektīvs un 102. epizode: gravitācija,
Avoti:
- NASA - Ņūtona kustības likumi
- Fizikas klase - Ņūtona universālās gravitācijas likums
- BBC iWonder - Īzaks Ņūtons
- Wikipedia - Īzaks Ņūtons
