ใครค้นพบแรงดึงดูด?

Send

กองกำลังพื้นฐานสี่หน่วยควบคุมปฏิสัมพันธ์ทั้งหมดภายในจักรวาล พวกเขาเป็นกองกำลังนิวเคลียร์ที่อ่อนแอกองกำลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วง ของเหล่านี้แรงโน้มถ่วงอาจลึกลับที่สุด ในขณะที่มันถูกเข้าใจบางครั้งว่ากฎหมายฟิสิกส์นี้ทำงานในระดับมหภาค - ควบคุมระบบสุริยะของเรากาแลคซีและซุปเปอร์คลัสเตอร์ - วิธีที่มันมีปฏิสัมพันธ์กับกองกำลังพื้นฐานทั้งสามยังคงเป็นปริศนา

โดยธรรมชาติแล้วมนุษย์มีความเข้าใจพื้นฐานของพลังนี้มาตั้งแต่ไหน แต่ไรแล้ว และเมื่อพูดถึงความเข้าใจแรงโน้มถ่วงในปัจจุบันของเราเครดิตนั้นเป็นของชายคนหนึ่งที่ถอดรหัสคุณสมบัติของมันและวิธีการควบคุมทุกสิ่งที่ยอดเยี่ยมและเล็ก - เซอร์ไอแซกนิวตัน ต้องขอบคุณนักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษในศตวรรษที่ 17 ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับจักรวาลและกฎหมายที่ควบคุมมันจะเปลี่ยนไปตลอดกาล

ในขณะที่เราทุกคนคุ้นเคยกับภาพที่เป็นสัญลักษณ์ของชายคนหนึ่งนั่งอยู่ใต้ต้นแอปเปิลและล้มลงบนศีรษะของเขาทฤษฎีของนิวตันเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงยังแสดงให้เห็นถึงมูลค่าสูงสุดของการวิจัยเป็นระยะเวลาหลายปี เขาจะนำเสนอทฤษฎีเหล่านี้ในบทประพันธ์ของเขา Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (“ หลักการทางคณิตศาสตร์ของปรัชญาธรรมชาติ”) ซึ่งตีพิมพ์ครั้งแรกในปี 1687

ในหนังสือเล่มนี้นิวตันจัดทำสิ่งที่จะเป็นที่รู้จักในชื่อว่า Three Laws of Motion ซึ่งมาจากกฎของ Planetary Motion ของโยฮันเนสเคปเลอร์และคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของแรงโน้มถ่วง กฎหมายเหล่านี้จะวางรากฐานของกลศาสตร์คลาสสิกและจะยังคงไม่มีใครทักท้วงมานานหลายศตวรรษ - จนกระทั่งศตวรรษที่ 20 และการเกิดขึ้นของทฤษฎีสัมพัทธภาพของ Einstein

ฟิสิกส์โดยศตวรรษที่ 17:

ศตวรรษที่ 17 เป็นช่วงเวลาที่เป็นมงคลสำหรับวิทยาศาสตร์ด้วยการค้นพบครั้งยิ่งใหญ่ในสาขาคณิตศาสตร์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชีววิทยาและเคมี การพัฒนาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในยุคนั้นรวมถึงการพัฒนาแบบจำลอง heliocentric ของระบบสุริยะโดย Nicolaus Copernicus ผู้บุกเบิกงานด้านกล้องโทรทรรศน์และดาราศาสตร์เชิงสังเกตการณ์โดยกาลิเลโอกาลิเลอีและการพัฒนาทัศนศาสตร์สมัยใหม่

ในช่วงนี้เองที่โยฮันเนสเคปเลอร์ได้พัฒนากฎแห่งการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ ก่อตั้งขึ้นระหว่างปี 2152 และ 2162 กฎเหล่านี้บรรยายการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ที่รู้จักกันดี (ดาวพุธดาวศุกร์โลกดาวอังคารดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์) รอบดวงอาทิตย์ พวกเขากล่าวว่า:

ดาวเคราะห์เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์เป็นวงรีโดยที่ดวงอาทิตย์อยู่ในจุดเดียว
เส้นที่เชื่อมระหว่างดวงอาทิตย์กับดาวเคราะห์กวาดพื้นที่เท่ากันในเวลาที่เท่ากัน
สี่เหลี่ยมจัตุรัสของระยะเวลาการโคจรของดาวเคราะห์เป็นสัดส่วนกับลูกบาศก์ (กำลังสาม) ของระยะทางเฉลี่ยจากดวงอาทิตย์เป็น (หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ - ของ "แกนกึ่งแกนหลัก" ของวงรีครึ่งหนึ่งของผลรวมที่เล็กที่สุดและ ระยะทางที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจากดวงอาทิตย์)

กฎหมายเหล่านี้สามารถแก้ไขปัญหาทางคณิตศาสตร์ที่เหลือโดยแบบจำลอง heliocentric ของ Copernicus จึงไม่ต้องสงสัยเลยว่ามันเป็นแบบจำลองที่ถูกต้องของจักรวาล จากการทำงานเหล่านี้เซอร์ไอแซกนิวตันเริ่มพิจารณาความโน้มถ่วงและผลกระทบที่มีต่อวงโคจรของดาวเคราะห์

กฎสามข้อของนิวตัน:

ในปี ค.ศ. 1678 นิวตันประสบปัญหาทางประสาทเนื่องจากการทำงานหนักและความบาดหมางกับนักดาราศาสตร์เพื่อนโรเบิร์ตฮุค ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าเขาถอนตัวจากการติดต่อกับนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ ยกเว้นที่พวกเขาเริ่มต้นมันและต่ออายุความสนใจในกลไกและดาราศาสตร์ ในช่วงฤดูหนาวระหว่างปี ค.ศ. 1680-81 การปรากฏตัวของดาวหางซึ่งเขาได้ติดต่อกับ John Flamsteed (นักดาราศาสตร์ของอังกฤษ) ก็เริ่มสนใจเรื่องดาราศาสตร์อีกครั้ง

หลังจากตรวจสอบกฎการเคลื่อนที่ของเคปเลอร์นิวตันพัฒนาหลักฐานทางคณิตศาสตร์ว่ารูปวงโคจรของดาวเคราะห์วงรีน่าจะเป็นผลมาจากแรงสู่ศูนย์กลางที่แปรผกผันกับกำลังสองของรัศมีเวกเตอร์ นิวตันสื่อสารผลลัพธ์เหล่านี้ให้กับ Edmond Halley (ผู้ค้นพบ“ Haley’s Comet”) และต่อ Royal Society ใน De motu corporum ใน gyrum

ผืนนี้ตีพิมพ์ในปี 1684 มีเมล็ดของสิ่งที่นิวตันจะขยายตัวในรูปแบบของงานศิลปะชิ้นเล็กชิ้นน้อยของเขา Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. บทความนี้ซึ่งตีพิมพ์ในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 1687 มีกฎการเคลื่อนไหวสามข้อของนิวตันซึ่งระบุไว้ว่า:

เมื่อดูในกรอบอ้างอิงเฉื่อยวัตถุจะยังคงนิ่งอยู่หรือเคลื่อนที่ต่อไปด้วยความเร็วคงที่เว้นแต่จะกระทำโดยแรงภายนอก
ผลรวมเวกเตอร์ของแรงภายนอก (F) บนวัตถุเท่ากับมวล (เมตร) ของวัตถุนั้นคูณด้วยเวกเตอร์การเร่งความเร็ว (a) ของวัตถุ ในรูปแบบทางคณิตศาสตร์สิ่งนี้แสดงเป็น: F =ม.
เมื่อร่างหนึ่งออกแรงจากวัตถุที่สองร่างที่สองจะออกแรงเท่ากันในขนาดและตรงกันข้ามกับทิศทางในร่างกายแรก

ร่วมกันกฎหมายเหล่านี้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างวัตถุใด ๆ กองกำลังที่ทำหน้าที่เกี่ยวกับมันและการเคลื่อนไหวที่เกิดขึ้นวางรากฐานสำหรับกลศาสตร์คลาสสิก กฎยังอนุญาตให้นิวตันคำนวณมวลของดาวเคราะห์แต่ละดวงความแบนของโลกที่ขั้วและกระพุ้งที่เส้นศูนย์สูตรและการดึงแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์และดวงจันทร์สร้างกระแสของโลก

ในงานเดียวกันนิวตันแสดงวิธีการวิเคราะห์เชิงเรขาคณิตของแคลคูลัสโดยใช้ 'อัตราส่วนแรกและอัตราส่วนสุดท้าย' ทำความเร็วของเสียงในอากาศ (ตามกฎของ Boyle) คิดเป็นขบวนของ Equinoxes (ซึ่งเขาแสดงให้เห็นคือ ผลของแรงดึงดูดของแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์สู่โลก) เริ่มต้นการศึกษาความโน้มถ่วงของความผิดปกติในการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์ซึ่งเป็นทฤษฎีสำหรับการพิจารณาวงโคจรของดาวหางและอีกมากมาย

นิวตันและ“ เหตุการณ์ของ Apple”:

เรื่องราวของนิวตันเกิดขึ้นกับทฤษฎีความโน้มถ่วงสากลอันเป็นผลมาจากแอปเปิลที่ตกลงมาบนหัวของเขาได้กลายเป็นแก่นของวัฒนธรรมสมัยนิยม และในขณะที่มีการถกเถียงกันบ่อยครั้งว่าเรื่องนี้เป็นหลักฐานและนิวตันไม่ได้คิดทฤษฎีของเขาในช่วงเวลาหนึ่งนิวตันเองก็เล่าเรื่องนี้หลายครั้งและอ้างว่าเหตุการณ์นั้นเป็นแรงบันดาลใจให้เขา

นอกจากนี้การเขียนของ William Stukeley ซึ่งเป็นนักบวชชาวอังกฤษนักโบราณวัตถุและสมาชิกของ Royal Society ได้ยืนยันเรื่องนี้แล้ว แต่แทนที่จะเป็นตัวแทนตลกของแอปเปิ้ลที่น่าประทับใจนิวตันบนหัว Stukeley อธิบายไว้ในของเขา บันทึกความทรงจำแห่งชีวิตของเซอร์ไอแซกนิวตัน (1752) บทสนทนาที่นิวตันอธิบายถึงการไตร่ตรองถึงลักษณะของแรงโน้มถ่วงขณะดูแอปเปิ้ลร่วง

“ …เราเข้าไปในสวน & ดื่มใต้ร่มเงาของแอปเพล็ต มี แต่เขาและตัวฉันเอง ท่ามกลางคำปราศรัยอื่นเขาบอกผมว่าเขาอยู่ในสถานการณ์เดียวกันเมื่อก่อนความคิดเรื่องความโน้มถ่วงมาถึงใจเขา “ ทำไมแอปเปิ้ลนั้นควรลงไปที่พื้นเสมอ ๆ ” เขาคิดกับตัวเอง; โอกาสที่แอปเปิลจะร่วงหล่น…”

John Conduitt ผู้ช่วยของนิวตันที่โรงกษาปณ์ (ซึ่งในที่สุดก็แต่งงานกับหลานสาวของเขา) อธิบายการได้ยินเรื่องราวในชีวิตของนิวตันด้วย ตาม Conduitt เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในปี 2209 เมื่อนิวตันกำลังเดินทางไปพบแม่ของเขาในลิงคอล์น ในขณะที่คดเคี้ยวในสวนเขาได้ไตร่ตรองว่าอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงขยายออกไปไกลกว่าโลกซึ่งเป็นสาเหตุของการตกของแอปเปิ้ลและวงโคจรของดวงจันทร์

ในทำนองเดียวกันวอลแตร์เขียน n ของเขา เรียงความในบทกวีมหากาพย์ (1727) นิวตันคิดแรกเกี่ยวกับระบบแรงโน้มถ่วงขณะเดินในสวนของเขาและดูแอปเปิ้ลร่วงลงมาจากต้นไม้ สิ่งนี้สอดคล้องกับบันทึกของนิวตันตั้งแต่ปี 1660 ซึ่งแสดงว่าเขากำลังต่อสู้กับแนวคิดว่าแรงโน้มถ่วงของโลกขยายตัวอย่างไรในสัดส่วนผกผันสี่เหลี่ยมจัตุรัสกับดวงจันทร์

อย่างไรก็ตามเขาจะต้องใช้เวลาอีกสองทศวรรษในการพัฒนาทฤษฎีของเขาอย่างเต็มที่จนถึงจุดที่เขาสามารถเสนอหลักฐานทางคณิตศาสตร์ดังที่แสดงใน Principia. เมื่อเสร็จแล้วเขาก็อนุมานได้ว่าแรงที่ทำให้วัตถุตกบนพื้นนั้นเป็นสาเหตุของการเคลื่อนที่ของวงอื่น ดังนั้นเขาตั้งชื่อมันว่า "ความโน้มถ่วงสากล"

ต้นไม้ต่าง ๆ ถูกอ้างว่าเป็น“ ต้นแอปเปิล” ที่นิวตันอธิบาย Grantham อ้างว่าโรงเรียนของพวกเขาซื้อต้นไม้ต้นดั้งเดิมถอนรากถอนโคนแล้วส่งไปยังสวนของอาจารย์ใหญ่ในอีกหลายปีต่อมา อย่างไรก็ตามทรัสต์แห่งชาติซึ่งถือคฤหาสน์ Woolsthorpe (ซึ่งนิวตันโตขึ้น) ด้วยความไว้วางใจเชื่อว่าต้นไม้ยังคงอยู่ในสวนของพวกเขา ลูกหลานของต้นไม้ดั้งเดิมสามารถเห็นได้เติบโตขึ้นนอกประตูหลักของวิทยาลัยทรินิตี้เคมบริดจ์ด้านล่างห้องนิวตันอาศัยอยู่เมื่อเขาศึกษาที่นั่น

งานของนิวตันจะมีผลอย่างลึกซึ้งต่อวิทยาศาสตร์ด้วยหลักการที่เหลืออยู่ของแคนนอนในอีก 200 ปีข้างหน้า นอกจากนี้ยังได้แจ้งแนวคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงสากลซึ่งกลายเป็นแกนหลักของดาราศาสตร์สมัยใหม่และจะไม่ถูกแก้ไขจนกระทั่งถึงศตวรรษที่ 20 ด้วยการค้นพบกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein

เราได้เขียนบทความที่น่าสนใจมากมายเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงที่ Space Magazine นี่คือใครเซอร์ไอแซคนิวตันคือใครกาลิเลโอกาลิลีคือใครพลังแห่งแรงโน้มถ่วงคืออะไรและค่าความโน้มถ่วงคงที่คืออะไร?

Astronomy Cast มีบางตอนที่ดีสองเรื่อง นี่คือตอนที่ 37: การเล็งเลนส์ความโน้มถ่วงและตอนที่ 102: แรงโน้มถ่วง

แหล่งที่มา: