В классической формулировке закона тяготения, две материальные точки, имеющие массу, притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. В таком виде этот закон был открыт ещё в середине 17 века.
В ньютоновской теории тяготения была впервые математически описана гравитация, и это стало огромным прорывом не только в науке, но и в повседневной жизни. Благодаря этим знаниям у человечества появилась спутниковая связь, авиация, космонавтика и множество технологий, изначально придуманных для использования в космосе (например, тот же экран компьютера). Но открытию гравитации мы обязаны вовсе не только Ньютону.
С чего всё начиналось
Первые идеи зародились задолго до 17 века – ещё в древние времена, и были связаны с электромагнитными явлениями. Натертый кусочек янтаря притягивает песчинки, стрелка компаса всегда указывает на север – наблюдая за подобными явлениями, люди впервые задумались о взаимодействии тел на расстоянии.
Ещё у Фалеса в 7-6 веке до н.э. были идеи о том, что у тел есть некое внутреннее стремление друг к другу. Но это была только философская концепция. Для дальнейшего развития теории гравитации потребовалась убедительная космогоническая картина мира. Одним из первых, кто занялся её разработкой, был Аристотель. Согласно его идеям, в центре мира была Земля, а вокруг неё по круговым траекториям равномерно вращались планеты.
Устройство мира по Аристотелю
Спустя несколько сотен лет концепцию Аристотеля усовершенствовал Птолемей – система осталась геоцентричной, но Земля была немного смещена с центра траекторий, а планеты при движении описывали круги вокруг орбит.
Большим прорывом к открытию всемирного тяготения стала модель Николая Коперника середины 16 века. Он отошел от античных идей и сместил Землю с центра мира, поставив на её место Солнце. Этим Коперник, с одной стороны, вызвал массовые негодования, с другой – положил начало идеям о влиянии Солнца на другие небесные тела.
Гелиоцентрическая модель Коперника
Предпосылки к теории гравитации
Спустя полвека Иоанн Кеплер совершил ещё одно важное открытие, основанное на сериях наблюдений своего учителя, астронома Тихо де Браге. Кеплер предположил, что планеты движутся не по круговым траекториям, а по эллиптическим, и вывел три основных положения:
- Солнце находится в фокусе эллипсов, по которым движутся планеты.
- Приближаясь к Солнцу планеты ускоряются, отдаляясь – замедляются.
- Квадраты периодов орбит соотносятся как кубы их расстояний до Солнца.
Кеплер впервые начал рассуждать о воздействии сил со стороны Солнца, более того, выявил их зависимость от расстояния.
После открытия телескопа в начале 17 века Галилео Галилей обнаружил, что спутники Юпитера движутся примерно так же, как планеты Солнечной системы. Чуть позже было доказано, что законы Кеплера действуют и для спутников Юпитера тоже.
Следующее значимое открытие сделал французский астроном Буйо – он выяснил, что сила, с которой Солнце действует на планеты обратно пропорциональна расстоянию между ними (что соответствует закону всемирного тяготения, открытому позже). В этот же период голландец Христиан Гюйгенс определил связь между скоростью движения планет и радиусом их орбит, а также измерил ускорение свободного падения на Земле.
Однако все теории того времени рассматривали движение тел в космосе и на Земле по отдельности и пока не предполагали, что они подчиняются одним и тем же законам.
Закон всемирного тяготения
Обобщил все имеющееся идеи и очень близко подошел к закону всемирного тяготения физик Роберт Гук. В 1666 году он презентовал доклад «О гравитации», а в 80-х годах обратился за помощью в развитии теории к Ньютону, который был более талантливым математиком.
В 1682 году Галлей, наблюдая комету, в последующем названную в его честь, предположил, что она тоже движется по эллиптической траектории. Это натолкнуло учёного на мысль, что не только планеты подвержены воздействию сил, исходящих от Солнца. Он тоже обратился за советом к Ньютону и убедил его опубликовать свои работы. Так в 1687 году увидел свет великий труд «Математические начала натуральной философии», где в том числе был описан закон всемирного тяготения.
Нельзя сказать, что Ньютон был единственным, кто открыл гравитацию, потому что в этом направлении трудилось множество учёных. Однако именно Ньютон добавил важную деталь в свою теорию – слово «всемирное». До этого никто не обобщал законы, действующие на Земле и в космосе.
Позже Ньютон рассказывал своему биографу Уильяму Стьюкли, что на открытие его натолкнуло упавшее яблоко в саду. Только упало оно не на голову, как некоторые считают, а на землю. Ньютон подумал: что если этот плод упал под действием тех же сил, что удерживают Луну возле Земли? Математические расчёты подтвердили это предположение.
Прогнозы на основе теории гравитации
Помимо того, что закон всемирного тяготения предлагал вполне законченную картину мира, он имел и прогностическую ценность. На его основе было предсказано возвращение кометы Галлея и даже открыт Нептун – его положение было рассчитано математически ещё до того, как планету зафиксировали телескопы. Однако вскоре обнаружилось, что теория Ньютона может предсказать не всё и имеет «слепые пятна». Например, не было известно, откуда вообще взялась сила тяготения.
Только в 1916 появилось новая концепция гравитации, известная как общая теория относительности Эйнштейна. Она объясняет гравитацию как искривление пространства-времени под влиянием массивных тел. Это стало прорывом в понимании гравитационных сил, однако пока даже эту концепцию нельзя считать завершенной.
