Ещё во времена античности философы начали задаваться вопросами о том, какое место занимает человек, Земля во вселенной. Они представляли свои картины мира и высказывали свои точки зрения.
История гравитации начинается с отца философии - Фалеса и его Рассуждении о стремлении тел притягиваться друг к другу.
Аристотель же развил эту мысль и представил свою философскую концепцию мира.
Философ основывался на представлениях Платона .
Платон рассказывает, что «зодчий мира» образовал душу вселенной, соединив идею с материей; потом распределил хаотически волновавшуюся материю на пять стихий; дал материи, распределенной на стихии, форму шара, состоящего из концентрических сфер, пропорции между которыми соответствуют гармоническим пропорциям души вселенной; разместил по этим сферам небесные светила, движениями которых измеряется время, создал живые существа, вечные и божественные, и этим божествам, которых создал сам, поручил создать смертные живые существа. Движения планет в направлении, противоположном движению звездного неба, служат, по понятиям Платона, ясным доказательством того, что во вселенной действуют силы, противоположные одна другой. Движение звездного неба слева направо производится всеобъемлющею силою единого разума; в движениях планет (и солнца, и луны) по их орбитам проявляется сила, производящая распадение единого, общего на различные частности. Но и это раздробление подчинено закону; расстояния между орбитами соответствуют первым трем числам, их квадратам и кубам: 1, 2, 3, 4, 8, 9, 27. Если пополнить ряд этих цифр вставкой пропорциональных цифр между ними, то получается ряд чисел, соответствующий отношениям между тонами лиры; потому быстрое круговращение сфер небесных светил производит гармонию
В след за Аристотелем, эта проблема заинтересовала Клавдия Птолемея. Он изменил картину Аристотеля.
Отличия системы мира Аристотеля и Птолемея.
- У Аристотеля -неподвижно закреплены небесные тела: планеты, Луна, Солнце, звёзды.
- У Птолемея движутся Луна, Солнце, пять (известных в то время) планет, а также "сфера неподвижных звёзд". Эта сфера и ограничивает пространство Вселенной.
Капельник
Капельник – представил гео и гелио центрическую систему мира. Сместил человека из центра мира.
Система мира по Птолемею называется геоцентрической системой мира, где «гео» - Земля. Эта система предполагала неподвижное центральное положение Земли вокруг которой вращаются Солнце, Луна и другие планеты и звезды.
Система мира Коперника называется гелиоцентрической системой мира, где «гелиос» - Солнце. Эта система предполагает центральное положение Солнца вокруг которого вращаются Земля (Земля при этом обращается еще и вокруг своей оси) и остальные планеты, а относительно звезд считается неподвижным.
Т.е. основным отличием между системами Птолемея и Коперника - это центральный объект мира, т.е. положение Земли в системе.
Конец XVI века Тихо де Браге и Иоганн Кеплер
Тихо де Браге и Иоганн Кеплер внесли большой вклад. Это и Движение планет по эллиптической траектории, и первые законы Кеплера о вращении планет вокруг солнца, и "Закон площадей" , закон описывающий соотношение между квадратами периодов орбит и кубами их расстояния до солнца. Рассуждение о некоторой силе со стороны солнца. Джовалл Батчелле применил данное рассуждение для спутников юпитера.
Браге дал Кеплеру бесценный материал — результаты своих астрономических наблюдений, из обобщения которых и родились законы Кеплера. Браге был сторонником компромиссной теории строения Солнечной системы: Солнце обращается вокруг неподвижной Земли, а планеты — вокруг Солнца.
Законы Кеплера
- Планеты движутся вокруг Солнца по вытянутым эллиптическим орбитам, причем Солнце находится в одной из двух фокальных точек эллипса.
- Отрезок прямой, соединяющий Солнце и планету, отсекает равные площади за равные промежутки времени.
- Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбит.
Та часть астрономии, которая состоит в вычислении наблюдений, тоже чрезвычайно много подвинута вперед трудами Кеплера; он сделал это составлением так называемых Рудольфовых таблиц, изданных им в 1627 году и названных Рудольфовыми в честь царствовавшего тогда императора. Эти таблицы – свод наблюдений, сделанных Тихо Браге и самим Кеплером, и вычислений, сделанных по ним Кеплером; эта работа требовала огромного количества времени и железной воли для своего исполнения.
Изумительны своей гениальностью соображения Иоганна Кеплера о причине, которая вызывает движения планет по найденным им законам. Он уже предугадывал то, что было впоследствии доказано Ньютоном, и объяснял круговращение планет сочетанием силы движения их по тангенсу с силой, влекущей их к солнцу, и достиг убеждения, что эта центростремительная сила тожественна с тем, что называется тяжестью. Таким образом, у него только не было материалов, чтобы найти закон действия силы всеобщего тяготения, и подтвердить свое мнение точными доказательствами, как это было впоследствии сделано Ньютоном ; но он уж нашел, что причина круговращения планет – сила всеобщего тяготения. Кеплер говорит: «Тяжесть – только взаимное влечение тел к сближению. Тяжелые тела на земле стремятся к центру шарообразного тела, части которого они составляют, и если бы земля не была шарообразна, то тела не падали бы вертикально к её поверхности. Если бы луна и земля не удерживались на настоящем своем расстоянии стремлением луны двигаться по тангенсу своей орбиты, то они упали бы друг на друга; – луна прошла бы около трех четвертых долей этого пути, а земля четвертую долю, если предположить, что обе они имеют одинаковую плотность». – Кеплер разгадал также, что причина приливов и отливов – притяжение луны, изменяющее уровень океана. Эти открытия показывают в нем необыкновенную силу ума.
Исмаэль Буйо — французский астроном-коперниканец.
Главный астрономический труд Буйо, опубликованный в 1645 году, носит название «Астрономия Филолая» ( Astronomia philolaica , Филолай — древнегреческий философ- пифагореец , защищавший идею движения Земли). В нём он не только поддержал первый закон Кеплера , согласно котором планеты движутся по эллипсам, но и указал возможный механизм обеспечения такого движения: всеобщая сила притяжения, обратно пропорциональная квадрату расстояния.
F = l / R ^2
Христиан Гюйгенс
Христиан Гюйгенс- решил задачу о том, как связанны скорость движения по орбите с ускорением и радиус орбиты. Измерил ускорение свободного падения на Земле.
a=v^2/R g~9,8м/с
Роберт Гук
Роберт Гук собрал все идеи в едино и сформулировал закон Всемирного тяготения. 1666 – доклад о гравитации. В это же время Ньютон занимался теме же исследованиями.
Эдмунд Галлей
1680г – Эдмунд Галлей – комета Галлея
С именем Эдмунда Галлея связан и коренной перелом в представлениях о кометах . В Новое время до Ньютона все считали их чужеродными странниками, лишь пролетающими сквозь Солнечную систему по незамкнутым параболическим орбитам. После того как в 1680 и 1682 годах появились две яркие кометы, Галлей рассчитал и опубликовал в 1705 году орбиты 24 комет и обратил внимание на сходство параметров орбит у нескольких из них, наблюдавшихся в XVI — XVII веках , с параметрами кометы 1682 года. Промежутки времени между появлениями этих комет оказались кратными 75—76 годам. В 1716 году он опубликовал подробные расчёты, указал, что это одна и та же комета, и следующее её появление должно произойти в конце 1758 года. И действительно, она была обнаружена Иоганном Георгом Паличем 25 декабря 1758 года. Возвращение кометы в предсказанный срок стало первым триумфальным подтверждением теории тяготения Ньютона и прославило имя самого Галлея. Эта комета в наши дни называется Halley, 1P или кометой Галлея .
1687г – книга «Математическое начало натуральной философии Ньютона»
фундаментальный труд Ньютона , в котором он сформулировал закон всемирного тяготения и три закона движения , ставшие основой классической механики и названные его именем. В августе 1684 года Галлей приехал в Кембридж и рассказал Ньютону, что они с Реном и Гуком обсуждали, как из формулы закона тяготения вывести эллиптичность орбиты планет, но не знали, как подступиться к решению. Ньютон сообщил, что у него уже есть такое доказательство, и вскоре прислал его Галлею. Тот сразу оценил значение результата и метода, в ноябре снова навестил Ньютона и на этот раз сумел уговорить его опубликовать свои открытия
1846г – Открытие Нептуна
23 сентября 1846 года в Берлинской обсерватории был открыта восьмая планета Солнечной системы – Нептун. Совершили открытие немецкие астрономы Иоганн Галле и Генрих Луи д’Арре на основе расчетов французского математика Урбена Леверье.
Вскоре после открытия Урана разные астрономы стали отмечать, что его орбита отличается от рассчитанной. Так возникли предположения, что она испытывает воздействие еще одного небесного тела, расположенного дальше от Солнца, чем Уран. Расчетами независимо друг от друга занимались англичанин Джон Адамс и француз Урбен Леверье. Однако только Леверье удалось найти астрономов, согласившихся вести для него наблюдения – Галле и д’Арре. В распоряжении ученых были телескопы Берлинской обсерватории.
Астрономы проводили наблюдения в ночь с 23 на 24 сентября, сравнивая карту звездного неба с тем, что видели сами. Сразу после полуночи они обнаружили объект, не обозначенный на карте. Чтобы убедиться в том, что это и в самом деле планета, на следующую ночь они продолжили наблюдения, используя более мощный телескоп. Когда астрономам наконец удалось разглядеть диск планеты, последние сомнения исчезли. Несмотря на то, что фактически планета была обнаружена 24-го числа, официальной датой открытия Нептуна принято считать 23 сентября.
1916г – Общая теория относительности
Общая теория относительности — общепринятая в настоящее время теория тяготения , описывающая тяготение как проявление геометрии пространства-времени. Предложена Альбертом Эйнштейном в 1915 — 1916 годах.
Открытие гравитационных волн
Открытие гравитационных волн было выполнено путем их прямого детектирования 14 сентября 2015 года коллаборациями LIGO и VIRGO ; об открытии было объявлено 11 февраля 2016 года. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters и ряде последующих статей.
Событие получило обозначение GW150914 .
За экспериментальное обнаружение гравитационных волн в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике .
Существование гравитационных волн впервые было предсказано в 1916 году Альбертом Эйнштейном на основании общей теории относительности . Эти волны представляют собой изменения гравитационного поля , распространяющиеся подобно волнам. При прохождении гравитационной волны между двумя телами расстояние между ними изменяется. Относительное изменение этого расстояния служит мерой амплитуды волны .
Точнее говоря, в собственной системе отсчёта детектора гравитационная волна может в первом приближении рассматриваться как ньютоновская сила, действующая на второе тело из свободно висящей пары на удалении, задаваемом пространственным вектором {\displaystyle l^{i}(i=1,2,3)} .
В принципе практически любое событие, сопровождающееся ускоренным передвижением массы, порождает гравитационные волны (исключения — вращение идеально симметричного тела вокруг оси симметрии, центральносимметричное сжатие и расширение шарообразного тела). Однако гравитация — очень слабое взаимодействие, поэтому амплитуда этих волн чрезвычайно мала. Так, стальная колонна массой 10000 тонн, вращающаяся на пределе прочности стали — 10 оборотов в секунду — будет излучать в гравитационных волнах примерно 10 −24 Вт.
Двойные системы массивных объектов, например нейтронных звёзд или чёрных дыр , постоянно излучают гравитационные волны. Излучение постепенно сокращает их орбиты и в конечном счёте приводит к их слиянию, порождающему в этот момент особенно мощную гравитационную волну, буквально «прокатывающуюся» по Вселенной. Гравитационную волну такой силы способны зарегистрировать детекторы гравитационных волн .
При поиске и идентификации сигналов от слияний помогает знание предполагаемой формы временных сигналов гравитационных волн. Для этого применяются методы численной относительности , с помощью которых составляются сетки базовых моделей (шаблонов) слияний, между узлами которых используются аналитические приближения, основанные на постньютоновском формализме высокого порядка
Сигнал слияния двух чёрных дыр с амплитудой гравитационной волны (безразмерной вариации метрики h ) в максимуме около 10 −21 был зарегистрирован 14 сентября 2015 года в 9:50:45 UTC двумя детекторами LIGO : сначала в Ливингстоне , а через 7 миллисекунд — в Хэнфорде , в области максимальной амплитуды сигнала (0,2 секунды) комбинированное отношение сигнал—шум составило 24:1. Событие получило обозначение GW150914 (в котором закодирован тип события — гравитационная волна и дата в формате ГГММДД).
Современная наука и дальше интересуется вопросами связанными с гравитацией. На мой взгляд, нас ждет еще множество интересных, невероятных и полезных открытий. Данная статья лишь поверхностно посветила вас, читателей, в эту тему. Быть может, кого-то данная информация натолкнула на более глубокое изучение вопроса гравитации.
Статья является школьным проектом ученицы 10 класса. Некоторые иллюстрации были самостоятельно нарисованы. Спасибо за прочтение!
