VEM UPPTäCKTE GRAVITATIONEN?

Send

Fyra grundläggande krafter styr alla interaktioner inom universum. De är svaga kärnkrafter, starka kärnkrafter, elektromagnetism och gravitation. Av dessa är tyngdkraften kanske den mest mystiska. Även om det har förståts under en tid hur denna fysiklag fungerar i makro skala - som styr vårt solsystem, galaxer och superkluster - förblir ett mysterium hur den interagerar med de tre andra grundläggande krafterna.

Naturligtvis har människor haft en grundläggande förståelse av denna kraft sedan urminnes tider. Och när det gäller vår moderna förståelse av tyngdekraften, är skyldigheten till en man som dechiffrat dess egenskaper och hur den styr alla saker stora och små - Sir Isaac Newton. Tack vare denna engelska fysiker och matematiker från 1600-talet skulle vår förståelse av universum och lagarna som styr det för alltid förändras.

Medan vi alla är bekanta med den ikoniska bilden av en man som sitter under ett äppelträd och hade ett fall på huvudet, representerade Newtons teorier om tyngdkraften också en kulmination på årens värde av forskning, som i sin tur var baserad på århundraden av ackumulerad kunskap. Han skulle presentera dessa teorier i sin magnum opus, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (”Matematiska principer för naturfilosofi”), som publicerades 1687.

I denna volym lade Newton fram vad som skulle bli känt som hans Three Laws of Motion, som härrör från Johannes Keplers Laws of Planetetary Motion och hans egen matematiska beskrivning av allvar. Dessa lagar skulle lägga grunden för klassisk mekanik och skulle förbli obestridd i århundraden - fram till 1900-talet och uppkomsten av Einsteins relativitetsteori.

Fysik vid 1600-talet:

1600-talet var en mycket lyckosam tid för vetenskaperna, med stora genombrott som inträffade inom områdena matematik, fysik, astronomi, biologi och kemi. Några av de största utvecklingen under perioden inkluderar utvecklingen av den heliocentriska modellen av solsystemet av Nicolaus Copernicus, det banbrytande arbetet med teleskop och observationsastronomi av Galileo Galilei och utvecklingen av modern optik.

Det var också under denna period som Johannes Kepler utvecklade sina lagar om planetarisk rörelse. Dessa lagar formulerades mellan 1609 och 1619 och beskrev rörelsen för de då kända planeterna (Merkurius, Venus, Jorden, Mars, Jupiter och Saturnus) runt solen. De uppgav att:

Planeter rör sig runt solen i ellipser, med solen i ett fokus
Linjen som förbinder solen till en planet sveper lika områden i samma tider.
Kvadratet för en planets omloppsperiod är proportionell mot kuben (3: e kraften) i medelavståndet från solen i (eller med andra ord – på ellipsens ”halv-stora axel”, halva summan av den minsta och största avståndet från solen).

Dessa lagar löste de återstående matematiska frågorna som togs upp av Copernicus 'heliocentriska modell, och avlägsnade därmed all tvekan om att det var den rätta modellen för universum. Genom att arbeta från dessa började Sir Isaac Newton överväga gravitationen och dess effekt på planeternas banor.

Newtons tre lagar:

1678 drabbades Newton av ett fullständigt nervöst sammanbrott på grund av överarbete och ett fusk med kollegas astronom Robert Hooke. Under de närmaste åren drog han sig ur korrespondens med andra forskare, utom där de initierade det, och förnyade sitt intresse för mekanik och astronomi. Vintern 1680-81 förnyade också uppkomsten av en komet, om vilken han korresponderade med John Flamsteed (Englands astronomer Royal) sitt intresse för astronomi.

Efter att ha granskat Keplers lagar om rörelse utvecklade Newton ett matematiskt bevis på att den elliptiska formen av planetbanor skulle komma från en centripetalkraft omvänt proportionell mot radiusvektorns kvadrat. Newton meddelade dessa resultat till Edmond Halley (upptäckaren av "Haleys komet") och till Royal Society i hans De motu corporum in gyrum.

Denna kanal, publicerad 1684, innehöll fröet av vad Newton skulle expandera för att bilda sin magnum opus, the Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Denna avhandling, som publicerades i juli 1687, innehöll Newtons tre lagar om rörelse, som uppgav att:

När det ses i en tröghetsreferensram förblir ett objekt antingen i vila eller fortsätter att röra sig med en konstant hastighet, såvida det inte påverkas av en extern kraft.
Vektorsumman för de yttre krafterna (F) på ett objekt är lika med massan (m) av det objektet multiplicerat med accelerationsvektorn (a) för objektet. I matematisk form uttrycks detta som: F =men
När en kropp utövar en kraft på en andra kropp utövar den andra kroppen samtidigt en kraft lika stor i storlek och motsatt i riktning på den första kroppen.

Tillsammans beskrev dessa lagar förhållandet mellan vilket objekt som helst, krafterna som verkar på det och den resulterande rörelsen, som lägger grunden för klassisk mekanik. Lagarna gjorde det också möjligt för Newton att beräkna massan på varje planet, jorden utplattas vid polerna, och utbuktningen vid ekvatorn, och hur tyngdkraften i solen och månen skapar jordens tidvatten.

I samma arbete presenterade Newton en kalkylliknande metod för geometrisk analys med "första och sista förhållanden", arbetade ut hastigheten för ljudet i luften (baserat på Boyle's Law), redogjorde för processionen av jämviktarna (som han visade var ett resultat av månens gravitationsattraktion till jorden), inledde gravitationsstudien av oegentligheter i månens rörelse, gav en teori för bestämning av kometerbanor och mycket mer.

Newton och "Apple Incident":

Berättelsen om Newton som kommer med sin teori om universell gravitation som ett resultat av att ett äpple faller på hans huvud har blivit en bas i populærkulturen. Och även om det ofta har hävdats att berättelsen är apokryf och Newton inte tänkte ut sin teori på något ögonblick, berättade Newton själv historien många gånger och hävdade att händelsen hade inspirerat honom.

Dessutom har skrifterna av William Stukeley - en engelsk präst, antikvarisk och medmedlem i Royal Society - bekräftat historien. Men snarare än den komiska framställningen av äpplet som slår Newton på huvudet, beskrev Stukeley i hans Memoarer av Sir Isaac Newtons liv (1752) en konversation där Newton beskrev att fundera över tyngdkraften när han tittade på ett äpple faller.

”... vi gick in i trädgården och drack tea i skuggan av några äpplen; bara han och jag själv. mitt i en annan diskurs, berättade han för mig, var han precis i samma situation, som när tidigare, gravitationen kom in i hans sinne. "Varför skulle det äpplet alltid stiga vinkelrätt mot marken," tänkte han till sig själv; tillfället av hösten av ett äpple ... ”

John Conduitt, Newtons assistent vid Royal Mint (som så småningom gifte sig med sin systerdotter), beskrev också att han hörde historien i sin egen berättelse om Newtons liv. Enligt Conduitt inträffade händelsen 1666 när Newton reser för att träffa sin mor i Lincolnshire. Medan han slingrade sig i trädgården, tänkte han på hur tyngdekraftens inflytande sträckte sig långt bortom Jorden, ansvarig för fallet av äpplet och månens bana.

Likaså skrev Voltaire n hans Uppsats om episk poesi (1727) att Newton först tänkte på gravitationssystemet medan han gick i trädgården och tittade på ett äpple falla från ett träd. Detta överensstämmer med Newtons anteckningar från 1660-talet, som visar att han kämpade med idén om hur den markbundna gravitationen sträcker sig, i en omvänd kvadratisk proportion, till månen.

Det skulle dock ta honom ytterligare två decennier att fullt utveckla sina teorier till den grad att han kunde erbjuda matematiska bevis, vilket visades i Principia. När detta var fullständigt drog han slutsatsen att samma kraft som får ett föremål att falla till marken var ansvarig för andra rörelser i kretsloppet. Därför kallade han det "universal gravitation".

Olika träd påstås vara ”äppelträdet” som Newton beskriver. King's School, Grantham, hävdar att deras skola köpte det ursprungliga trädet, ryckte ut det och transporterade det till rektorns trädgård några år senare. National Trust, som innehar Woolsthorpe Manor (där Newton växte upp) i förtroende, hävdar dock att trädet fortfarande finns i deras trädgård. En ättling till det ursprungliga trädet kan ses växa utanför huvudporten till Trinity College, Cambridge, nedanför rummet som Newton bodde i när han studerade där.

Newtons arbete skulle ha en djupgående inverkan på vetenskaperna, med dess principer som kanon under de följande 200 åren. Det informerade också om konceptet universell gravitation, som blev grundpelaren i modern astronomi, och skulle inte revideras förrän på 1900-talet - med upptäckten av kvantmekanik och Einsteins teori om allmän relativitet.

Vi har skrivit många intressanta artiklar om gravitation här på Space Magazine. Här är Vem var Sir Isaac Newton ?, Vem var Galileo Galilei ?, Vad är tyngdkraften? Och vad är gravitationskonstanten?

Astronomy Cast har några två bra avsnitt om ämnet. Här är avsnitt 37: Gravitational Lensing och Episode 102: Gravity,

källor: