Neli põhijõud juhivad kogu interaktsiooni Universumis. Need on nõrgad tuumajõud, tugevad tuumajõud, elektromagnetism ja gravitatsioon. Nendest on gravitatsioon kõige müstilisem. Ehkki juba mõnda aega on mõistetud, kuidas see füüsikaseadus toimib makromõõtmetes - meie Päikesesüsteemi, galaktikaid ja superparveid juhtides -, jääb mõistatuseks, kuidas see toimib koos kolme teise põhijõuga.
Loomulikult on inimestel olnud selle jõu põhiteadmised juba ammusest ajast. Ja kui rääkida meie tänapäevasest arusaamast gravitatsiooni kohta, siis võlgnetakse võlgu ühele mehele, kes dešifreeris selle omadused ja kuidas see kõiki suuri ja väikeseid asju juhib - sir Isaac Newton. Tänu sellele 17. sajandi inglise füüsikule ja matemaatikule muutuks meie arusaam universumist ja seda reguleerivatest seadustest igaveseks.
Kuigi me kõik oleme tuttavad ikoonilise kujutisega inimesest, kes istub õunapuu all ja kellel üks kukkus pähe, esindasid Newtoni gravitatsiooniteooriad ka aastaid kestnud uurimistöö kulminatsiooni, mis omakorda põhines sajandeid kogunenud teadmistel. Ta tutvustaks neid teooriaid oma magnum opuses, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (“Loodusfilosoofia matemaatilised põhimõtted”), mis avaldati esmakordselt 1687. aastal.
Selles köites pani Newton välja selle, mida nimetatakse oma kolmeks liikumisseaduseks, mis tuletati Johannes Kepleri Planeetide liikumise seadustest ja tema enda matemaatilisest raskusjõu kirjeldusest. Need seadused panid aluse klassikalisele mehaanikale ja jäävad väljakutseteta sajandeid - kuni 20. sajandini ja Einsteini relatiivsusteooria ilmumiseni.
Füüsika 17. sajandiks:
17. sajand oli teaduste jaoks väga soodne aeg, kus suured läbimurded toimusid matemaatika, füüsika, astronoomia, bioloogia ja keemia valdkonnas. Üks perioodi suurimaid arenguid hõlmab Nicolaus Copernicuse päikesesüsteemi heliotsentrilise mudeli väljatöötamist, Galileo Galilei teedrajavat tööd teleskoopide ja vaatlusastronoomiaga ning tänapäevase optika väljatöötamist.
Ka sel perioodil töötas Johannes Kepler välja oma planeetide liikumise seadused. Need seadused olid formuleeritud ajavahemikus 1609–1619 ja kirjeldasid tollal tuntud planeetide (Merkuur, Veenus, Maa, Marss, Jupiter ja Saturn) liikumist Päikese ümber. Nad väitsid, et:
- Planeedid liiguvad Päikese ümber ellipsides, kus Päike on ühes fookuses
- Joon, mis ühendab Päikest planeediga, pühib võrdsetel aladel võrdse aja.
- Planeedi orbitaalperioodi ruut on võrdeline Päikesest keskmise ellipsi (või teisisõnu - ellipsi „poole suurema telje”) keskmise kauguse kuubiga (3. jõud), väikseima ja poole väikseima summaga ning suurim kaugus Päikesest).
Need seadused lahendasid Koperniku heliotsentrilise mudeli tõstatatud ülejäänud matemaatilised probleemid, eemaldades seega igasuguse kahtluse, et see on universumi õige mudel. Nendest lähtudes hakkas Sir Isaac Newton kaaluma gravitatsiooni ja selle mõju planeetide orbiitidele.
Newtoni kolm seadust:
Aastal 1678 kannatas Newton täieliku närvivapustuse ületöötamise ja astronoomi Robert Hooke'iga peetud vaenu tõttu. Järgmise paari aasta jooksul loobus ta kirjavahetusest teiste teadlastega, välja arvatud juhul, kui nad selle algatasid, ning ta kasvatas taas huvi mehaanika ja astronoomia vastu. Talvel 1680-81 uuendas huvi astronoomia vastu ka komeet, mille kohta ta suhtles John Flamsteediga (Inglismaa astronoom Royal).
Pärast Kepleri liikumisseaduste ülevaatamist töötas Newton välja matemaatilise tõestuse, et planeetide orbiitide elliptiline vorm tuleneb tsentripetaalsest jõust, mis on pöördvõrdeline raadiuse vektori ruuduga. Newton edastas need tulemused Edmond Halleyle (filmi “Haley’s komeet” avastaja) ja kuninglikule seltsile De motu corporum in gyrum.
See 1684. aastal avaldatud trakt sisaldas seemneid sellest, mida Newton laiendab, et moodustada tema magnum opus, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. See traktaat, mis avaldati 1687. aasta juulis, sisaldas Newtoni kolme algatusseadust, mis teatasid järgmist:
- Inertses võrdlusraamis vaadates jääb objekt kas puhkeolekusse või jätkab liikumist konstantse kiirusega, kui sellele ei mõju väline jõud.
- Objekti väliste jõudude (F) vektorite summa on võrdne massiga (m) selle objekti korrutis objekti kiirendusvektoriga (a). Matemaatiliselt väljendatakse seda järgmiselt: F =ma
- Kui üks keha avaldab teisele kehale jõudu, avaldab teine keha samaaegselt jõudu, mis on suuruselt võrdne ja esimese kehaga vastupidine.
Need seadused koos kirjeldasid mis tahes objekti, seda mõjutavate jõudude ja sellest tuleneva liikumise suhet, pannes aluse klassikalisele mehaanikale. Seadused võimaldasid Newtonil arvutada ka iga planeedi massi, Maa tasandamist pooluste juures ja mõhk ekvaatori juures ning seda, kuidas Päikese ja Kuu gravitatsiooniline tõmme tekitavad Maa loodete tekke.
Samas töös esitas Newton kalkuleeritud geomeetrilise analüüsi meetodi, kasutades esimest ja viimast suhet, töötas välja heli kiiruse õhus (põhineb Boyle'i seadusel), arvestas pööripäevade rongkäiguga (mille kohta ta näitas, et Kuu gravitatsioonilise külgetõmbe tagajärjel Maale) algatas Kuu liikumises esinevate ebakorrapärasuste gravitatsiooniuuringu, esitas teooria komeetide orbiitide määramiseks ja palju muud.
Newton ja “Apple'i juhtum”:
Newtoni lugu tema universaalse gravitatsiooni teooria tulekuga pähe kukkunud õuna tagajärjel on muutunud populaarseks kultuurikihiks. Ja kuigi sageli on väidetud, et lugu on apokrüüfne ja Newton ei võtnud oma teooriat ühel hetkel välja, rääkis Newton ise seda lugu mitu korda ja väitis, et juhtum inspireeris teda.
Lisaks on seda lugu kinnitanud William Stukeley - inglise vaimuliku, antiikmehe ja kuningliku seltsi kaasliikme - kirjatöö. Kuid mitte Newtoni pähe lööva õuna koomilise kujutamise asemel kirjeldas Stukeley oma Sir Isaac Newtoni elu memuaarid (1752) vestlus, kus Newton kirjeldas õunalangemise ajal gravitatsiooni olemuse üle mõtisklemist.
“… Läksime aeda ja jõime neid mõne appletree varjus; ainult tema, ja mina ise. Ta rääkis mulle, et muu diskursuse keskel oli ta just samas olukorras, kui varem, kui ta varem meelde tuli. "Miks peaks see õun alati laskuma risti maapinnaga," mõtles ta endale; selleks ajaks õuna kukkumine ... ”
New Conti kuningliku rahapaja assistent John Conduitt (kes lõpuks abiellus oma õetütrega) kirjeldas ka loo kuulmist Newtoni elu enda kohta. Conduitti sõnul leidis juhtum aset 1666. aastal, kui Newton sõitis Lincolnshire'is oma emaga kohtuma. Aias ringi mõeldes mõtles ta, kuidas gravitatsiooni mõju ulatub kaugele Maast, vastutades nii õuna kukkumise kui ka Kuu orbiidi eest.
Samamoodi kirjutas Voltaire n oma Essee eepilisest luulest (1727), et Newton oli kõigepealt mõelnud gravitatsioonisüsteemile oma aias kõndides ja puu otsast õuna kukkumist jälgides. See on kooskõlas Newtoni 1660. aastate märkustega, mis näitavad, et ta vaevles idees, kuidas maapealne gravitatsioon ulatub ruudukujuliselt pöördvõrdeliselt Kuuni.
Kuid teooriate täielikuks arendamiseks kuluks tal veel kaks aastakümmet, kuni ta suutis pakkuda matemaatilisi tõendeid, nagu näitas Principia. Kui see oli valmis, järeldas ta, et sama jõud, mis paneb eseme maapinnale kukkuma, vastutab ka teiste orbiidi liikumiste eest. Seetõttu nimetas ta seda universaalseks gravitatsiooniks.
Väidetakse, et mitmesugused puud on „õunapuu”, mida Newton kirjeldab. Granthami kuningakool väitis, et nende kool ostis originaalse puu, juurutas selle ja vedas selle mõni aasta hiljem koolidirektori aeda. Woolsthorpe mõisa (kus Newton üles kasvas) usaldust omav National Trust väidab aga, et puu elab endiselt nende aias. Algse puu järeltulijat võib näha kasvamas Cambridge'i Trinity kolledži peaväravast väljaspool tuba, kus Newton elas, kui ta seal õppis.
Newtoni looming avaldaks teadustele sügavat mõju, kuna selle põhimõtted jääksid kaanoniks järgmiseks 200 aastaks. See andis teada ka universaalse gravitatsiooni kontseptsioonist, millest sai moodsa astronoomia põhialus ja mida ei muudeta enne 20. sajandit - kvantmehaanika ja Einsteini üldise relatiivsusteooria teooria avastamisega.
Oleme siin ajakirjas Space Magazine kirjutanud palju huvitavaid artikleid gravitatsiooni kohta. Siin on Kes oli Sir Isaac Newton ?, Kes oli Galileo Galilei ?, Mis on gravitatsiooni jõud? Ja mis on gravitatsioonikonstant?
Astronoomiaosakonnal on sellel teemal kaks head episoodi. Siin on episood 37: gravitatsiooniline lääts ja episood 102: gravitatsioon,
Allikad:
- NASA - Newtoni liikumisaktid
- Füüsika klassiruum - Newtoni universaalse gravitatsiooni seadus
- BBC iWonder - Isaac Newton
- Vikipeedia - Isaac Newton
