Ньютоновский взгляд на гравитацию
В 1642 г. в Линкольншире в Англии родился Исаак Ньютон,
который изменил лицо науки, поставив всю мощь математики на службу физическим
исследованиям. Интеллект Ньютона был столь всеобъемлющ, что, например, когда он
однажды обнаружил, что не существует математического аппарата, требуемого для
проводимых им исследований, он создал его. Прошло почти три столетия, прежде
чем наш мир снова посетил гений сопоставимого масштаба. Ньютону мы обязаны
многими глубокими проникновениями в сущность мироздания. Для нас первостепенное
значение будет иметь его теория всемирного тяготения.
Сила тяжести везде вокруг нас в повседневной жизни. Она
удерживает нас и все окружающие тела на поверхности Земли, не позволяет
воздуху, которым мы дышим, ускользнуть в космическое пространство, удерживает
Луну на орбите вокруг Земли, а Землю — на орбите вокруг Солнца. Сила тяжести
диктует ритм космического танца, который неустанно и педантично исполняется
миллиардами миллиардов обитателей Вселенной, от астероидов до планет, от звезд
до галактик. Более трех столетий авторитет Ньютона заставлял нас принимать на
веру, что одна только сила тяготения отвечает за все разнообразие земных и
внеземных событий. Однако до Ньютона не было понимания того, что падение яблока
с дерева есть проявление того же закона, который удерживает планеты на орбитах
вокруг Солнца. Сделав отважный шаг в сторону гегемонии науки, Ньютон объединил
физические принципы, управляющие Землей и небесами, и объявил силу тяжести
невидимой рукой, действующей в обеих сферах.
Ньютоновскую концепцию тяготения можно было бы назвать
великим уравнителем. Ньютон объявил, что абсолютно всеоказывает воздействие на
абсолютно все во Вселенной. Это воздействие представляет собой силу тяжести,
которая является силой притяжения. Независимо от физической структуры, все
оказывает и все испытывает воздействие силы тяжести. Основываясь на тщательном
анализе проведенного Иоганнесом Кеплером изучения движения планет, Ньютон
пришел к выводу, что сила гравитационного притяжения между двумя телами зависит
только от двух величин: от количества вещества в каждом теле и от расстояния
между ними. Вещество означает материю, состоящую из протонов, нейтронов и
электронов, которые, в свою очередь, определяют массу объекта. Ньютоновская
теория всемирного тяготения утверждает, что сила притяжения между двумя телами
будет больше для тел большей массы и меньше для тел меньшей массы; она также
утверждает, что сила притяжения увеличивается при уменьшении расстояния между
телами, и уменьшается при увеличении расстояния.
Ньютон не просто дал это качественное описание, он сделал
больше, сформулировав уравнения, количественно описывающие силу тяжести,
действующую между двумя телами. Конкретно, эти уравнения утверждают, что сила
тяготения между двумя телами пропорциональна произведению их масс и обратно
пропорциональна квадрату расстояния между ними. Этот «закон тяготения» может
быть использован для предсказания движения планет и комет вокруг Солнца, Луны
вокруг Земли и ракет, отправляющихся для исследования планет, а также для
решения более приземленных задач — расчета траектории полета мячика или прыгуна
с трамплина, крутящего сальто над бассейном. Согласие между предсказаниями и
результатами наблюдений за фактическим движением тел является поразительным.
Этот успех обеспечивал теории Ньютона безоговорочную поддержку вплоть до первой
половины XX в. Однако открытие Эйнштейном специальной теории относительности
выдвинуло проблемы, ставшие непреодолимым препятствием для теории Ньютона.
|
