Закон всемирного тяготения отражает свойство всех материальных тел притягивать друг друга. Он был открыт в середине XVII в. великим английским ученым Ньютоном при изучении движения планет и их спутников в Солнечной системе.
Мысль о том, что небесные тела и вообще все материальные тела взаимно притягиваются, возникла еще до Ньютона. На Земле это притяжение проявляется прежде всего в существовании силы тяжести. Под действием этой силы все тела, если их ничем не поддерживать, падают вниз, точнее к центру Земли.
Работы Коперника, Кеплера, Галилея показали, что Земля - обычное небесное тело, рядовая планета, движущаяся вместе с другими планетами вокруг Солнца. Значит, другие небесные тела могут обладать теми же свойствами, что и Земля, т. е. и на них может существовать сила тяжести. Если материальные тела вблизи Земли стремятся к ее центру, то вблизи планет или Солнца они также будут стремиться к центрам этих тел. Так считали Коперник, Кеплер и другие ученые того времени. В одной из своих работ Кеплер писал: "Тяжесть есть взаимная склонность между родственными телами... соединиться воедино... В каком месте мы ни поместили бы Землю, тяжелые тела... будут двигаться к ней... Если бы в каком-нибудь месте мира находились два камня на близком расстоянии друг от друга... то эти камни стремились бы соединиться друг с другом подобно двум магнитам..."
Заслуга Ньютона состояла прежде всего в том, что он установил точную математическую зависимость сил притяжения от массы тел и от расстояния между ними и доказал, что именно эти силы "управляют движением планет и спутников в нашей Солнечной системе.
В начале XVII в. Кеплер установил основные закономерности движения планет (см. ст. "От Коперника до Ньютона"). По первому и второму законам Кеплера каждая планета движется вокруг Солнца по эллипсу, а Солнце находится в одном из фокусов этого эллипса, причем скорость движения планеты изменяется вдоль ее пути определенным образом (приближенно скорость движения планеты обратно пропорциональна ее расстоянию до Солнца). Ньютон доказал, что такая картина движения планет должна наблюдаться в том случае, если Солнце притягивает планеты с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния до планеты.
Во времена Ньютона были известны четыре спутника Юпитера. Наблюдения показали, что их движение подчиняется третьему закону Кеплера, т. е. квадраты их периодов обращения относятся друг к другу как кубы их расстояний от центра Юпитера. "Ньютон установил, что так должно быть именно в том случае, если спутники притягиваются к Юпитеру с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния до центра планеты. Вокруг Земли движется ее спутник - Луна. Ньютон доказал, что движением Луны управляет та же земная сила тяжести, но уменьшенная пропорционально квадрату расстояния Луны до центра Земли. Он рассуждал следующим образом.
Падение тел на Землю происходит с ускорением около 9,8 м/с2, другими словами, сила притяжения Земли вызывает вблизи ее поверхности, т. е. на расстоянии около 6378 км от центра, ускорение 9,8 м/с2. Среднее расстояние Луны от Земли около 384 000 км. На таком расстоянии сила притяжения Землей уменьшится в (384 000)2:(6378)2~3640 раз и ускорение будет равным 9,8/3640 ~ 0,0027 м/с2. Но именно таким центростремительным ускорением обладает Луна, движущаяся примерно по окружности вокруг Земли. Следовательно, Луна движется под действием силы земного притяжения.
На основании всего этого Ньютон заключил, что обращением всех планет вокруг Солнца, спутников Юпитера вокруг Юпитера, Луны вокруг Земли управляет сила, имеющая один и тот же характер. Это сила притяжения к центру того небесного тела, вокруг которого происходит движение, причем эта сила убывает пропорционально квадрату расстояния. Пропорциональная зависимость этой силы от массы вытекает из следующего соображения. Сила тяжести на Земле определяет вес тела, а вес увеличивается пропорционально массе тела. Следовательно, сила притяжения пропорциональна массе тел.
Вот таким путем Ньютон пришел к своему знаменитому закону, который был назван впоследствии законом всемирного тяготения: "Каждые две материальные частицы притягивают друг друга с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними".