Četiri temeljne sile upravljaju svim interakcijama unutar Svemira. To su slabe nuklearne sile, jake nuklearne sile, elektromagnetizam i gravitacija. Od toga je gravitacija možda najtajanstvenija. Iako je već neko vrijeme shvaćeno kako taj zakon fizike djeluje na makro-skali - upravljajući našim Sunčevim sustavom, galaksijama i superklasterima - kako djeluje s tri druge temeljne sile ostaje misterija.
Prirodno, ljudska bića su imala osnovno razumijevanje ove sile od davnina. A kad je u pitanju naše moderno razumijevanje gravitacije, kredit se duguje jednom čovjeku koji je dešifrirao njegova svojstva i kako on upravlja svim stvarima velikim i malim - sir Isaac Newton. Zahvaljujući ovom engleskom fizičaru i matematičaru iz 17. stoljeća, naše razumijevanje Svemira i zakona koji njime upravljaju zauvijek bi se promijenilo.
Iako smo svi upoznati s ikoničnom slikom čovjeka koji sjedi ispod stabla jabuke i pada jedan na glavu, Newtonove teorije o gravitaciji također su predstavljale vrhunac godina vrijednog istraživanja, koje se zauzvrat temeljilo na stoljećima akumuliranog znanja. Iznio bi te teorije u svom magnum opusu, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ("Matematička načela prirodne filozofije"), koja je prvi put objavljena 1687. godine.
U ovom je svesku Newton izložio ono što će postati poznato pod nazivom Tri zakona kretanja, koje su izvedene iz zakona Jonesa Keplera o planetarnom kretanju i njegovog vlastitog matematičkog opisa gravitacije. Ti će zakoni postaviti temelje klasične mehanike, a ostat će neupitan stoljećima - sve do 20. stoljeća i nastanka Einsteinove teorije relativnosti.
Fizika do 17. stoljeća:
17. stoljeće bilo je vrlo povoljno vrijeme za znanosti, s velikim probojima koji su se dogodili na područjima matematike, fizike, astronomije, biologije i kemije. Neka od najvećih zbivanja u tom razdoblju uključuju razvoj heliocentričnog modela Sunčevog sustava Nicolausa Kopernika, pionirski rad s teleskopima i promatračku astronomiju Galilea Galileija te razvoj moderne optike.
Također je u tom razdoblju Johannes Kepler razvio svoje zakone o planetarnom kretanju. Uspostavljeni između 1609. i 1619., ovi su zakoni opisali kretanje tada poznatih planeta (Merkur, Venera, Zemlja, Mars, Jupiter i Saturn) oko Sunca. Izjavili su da:
- Planeti se kreću oko Sunca u elipsama, a Sunce je u jednom fokusu
- Linija koja povezuje Sunce s nekim planetom briše jednaka područja u jednakim vremenima.
- Kvadrat orbitalnog perioda planeta proporcionalan je kocki (treća snaga) srednje udaljenosti od Sunca u (ili drugim riječima - "polu-glavne osi" elipse, polovinom najmanje i najveća udaljenost od Sunca).
Ovi su zakoni riješili preostala matematička pitanja koja je pokrenuo Kopernikov heliocentrični model, čime je uklonjena sva sumnja da je to ispravan model Univerzuma. Radeći na tome, sir Isaac Newton počeo je razmatrati gravitaciju i njezin utjecaj na orbite planeta.
Newtonove tri zakona:
Godine 1678. Newton je doživio potpuni živčani slom zbog prekomjernog rada i svađe s kolegom astronomom Robertom Hookeom. Sljedećih nekoliko godina povukao se iz dopisivanja s drugim znanstvenicima, osim tamo gdje su ga inicirali, i obnovio zanimanje za mehaniku i astronomiju. Zimi 1680-81. Pojava komete, o kojoj se dopisivao s Johnom Flamsteedom (engleska Astronomer Royal), također je obnovila svoje zanimanje za astronomiju.
Nakon pregleda Keplerovih zakona kretanja, Newton je razvio matematički dokaz da će eliptični oblik planetarnih orbita proizići iz centripetalne sile obrnuto proporcionalne kvadratu vektora radijusa. Newton je te rezultate priopćio Edmondu Halleyu (otkrivaču Haleyevog kometa) i Kraljevskom društvu u De motu corporum u gyrumu.
Ovaj trakt, objavljen 1684., sadržavao je sjeme onoga što bi Newton proširio u njegov magnum opus, the Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, Ovaj traktat, koji je objavljen u srpnju 1687. godine, sadržavao je Newtonova tri zakona pokreta koja su glasila da:
- Kad se promatra u inercijalnom referentnom okviru, objekt ili ostaje u mirovanju ili se nastavlja kretati konstantnom brzinom, osim ako na to djeluje vanjska sila.
- Vektorski zbroj vanjskih sila (F) na objekt jednak je masi (m) tog objekta pomnoženo s vektorom ubrzanja (a) objekta. U matematičkom obliku to se izražava kao: F =m
- Kada jedno tijelo vrši silu na drugo tijelo, drugo tijelo istovremeno djeluje na silu jednaku po veličini i suprotno smjeru na prvo tijelo.
Ovi zakoni zajedno opisuju odnos između bilo kojeg objekta, sila koje djeluju na njega i rezultirajućeg gibanja, postavljajući temelj klasičnoj mehanici. Zakoni su također omogućili Newtonu da izračuna masu svakog planeta, ravnanje Zemlje na polovima i ispupčenje na ekvatoru te kako gravitacijsko povlačenje Sunca i Mjeseca stvara Zemljinu plimu.
U istom je radu Newton predstavio metodu geometrijske analize sličnu računici koristeći „prve i posljednje omjere“, razradio brzinu zvuka u zraku (na temelju Boyleovog zakona), računao na procesiju ekvinocija (što je pokazao da su rezultat Mjesečevog gravitacijskog privlačenja na Zemlju), pokrenuo je gravitacijsko istraživanje nepravilnosti u kretanju Mjeseca, dao teoriju za određivanje orbita kometa i još mnogo toga.
Newton i Appleov incident:
Priča o Newtonu koja izlazi iz njegove teorije o univerzalnoj gravitaciji kao rezultat jabuke koja mu pada na glavu postala je temelj popularne kulture. I dok se često tvrdi da je priča apokrifna, a Newton nije niti jedan trenutak smišljao svoju teoriju, sam je Newton priču ispričao više puta i tvrdio da ga je incident nadahnuo.
Pored toga, pisanje Williama Stukeleya - engleskog sveštenika, antikvarijata i člana Kraljevskog društva - potvrdili su priču. Ali umjesto komičnog prikaza jabuke koja udara Newtona o glavi, Stukeley je opisao u svome Memoari života Sir Isaaca Newtona (1752.) razgovor u kojem je Newton opisao razmišljajući o prirodi gravitacije dok je gledao kako pada jabuka.
"... ušli smo u vrt i popili teu u hladu jabuka; samo on, & ja. usred drugog diskursa, rekao mi je, upravo je bio u istoj situaciji, kao i ranije, kad mu je na pamet padao pojam gravitacije. "Zašto bi se ta jabuka uvijek trebala spuštati okomito na zemlju", mislio je on sebi; prigodom pada jabuke ... "
John Conduitt, Newtonov pomoćnik u Royal Mint (koji se na kraju oženio njegovom nećakinjom), također je opisao slušanje priče na svoj račun Newtonovog života. Prema Conduittu, incident se dogodio 1666. godine, kada je Newton putovao u susret svojoj majci u Lincolnshire. Dok je meandrirao u vrtu, razmišljao je o tome kako se gravitacijski utjecaj proširio daleko izvan Zemlje, odgovoran za pad jabuke i Mjesečevu orbitu.
Slično tome, Voltaire je napisao i svoje Esej o epskoj poeziji (1727.) da je Newton prvi put pomislio na sustav gravitacije dok je šetao svojim vrtom i gledao kako jabuka pada sa stabla. To je u skladu s Newtonovim bilješkama iz 1660-ih, koje pokazuju kako se suočio sa idejom kako se zemaljska gravitacija, u obrnutoj proporciji, proteže na Mjesec.
Međutim, trebati će mu još dva desetljeća da u potpunosti razvije svoje teorije do točke da je u stanju ponuditi matematičke dokaze, kao što je pokazano u Principia, Kad je to bilo potpuno, zaključio je da je ista sila koja objekat pada na zemlju odgovorna za ostale orbitalne pokrete. Stoga ga je nazvao "univerzalnom gravitacijom".
Za različita stabla tvrdi se da je „stablo jabuke“ koje Newton opisuje. Kraljeva škola, Grantham, tvrdi da je njihova škola kupila originalno drvo, iskorijenila ga i prevezla ga u vrtu ravnatelja nekoliko godina kasnije. Međutim, Nacionalni fond, koji u vlasništvo ima vlastelinstvo Woolsthorpe (u kojem je Newton odrastao), tvrdi da stablo i dalje živi u njihovom vrtu. Potomak izvornog stabla može se vidjeti ispred glavnog vrata Trinity Collegea u Cambridgeu, ispod sobe u kojoj je Newton stanovao.
Newtonov rad imao bi dubok učinak na nauke, a njegovi principi ostat će kanon sljedećih 200 godina. Također je izvijestio o konceptu univerzalne gravitacije, koji je postao okosnica moderne astronomije i koji neće biti revidiran do 20. stoljeća - otkrićem kvantne mehanike i Einsteinove teorije opće relativnosti.
Ovdje smo pisali mnoge zanimljive članke o gravitaciji u časopisu Space Magazine. Evo tko je bio sir Isaac Newton? Tko je bio Galileo Galilei? Što je sila gravitacije ?, a što je gravitacijska konstanta?
Astronomy Cast ima neke dvije dobre epizode na tu temu. Evo epizode 37: Gravitacijsko leće i epizoda 102: Gravitacija,
izvori:
- NASA - Newtonovi zakoni kretanja
- Učionica fizike - Newtonov zakon univerzalne gravitacije
- BBC iWonder - Isaac Newton
- Wikipedia - Isaac Newton
