Закон всемирного тяготения: история открытия и влияние на развитие физики

Гравитация - одна из фундаментальных сил природы, управляющая движением планет и падением предметов на Земле. Понимание законов гравитации позволило человечеству отправиться в космос и открыть много тайн Вселенной. Давайте узнаем подробнее об истории открытия закона всемирного тяготения Ньютона и его огромном влиянии на развитие физики.

Предпосылки открытия закона всемирного тяготения

Еще задолго до Ньютона ученые высказывали идеи о существовании некой силы, которая управляет движением планет и других небесных тел. Так, древнегреческий философ Эпикур предполагал, что камни падают на землю под действием силы тяжести так же, как и Луна движется вокруг Земли. Ученый XVII века Рене Декарт объяснял гравитацию вихрями в окружающем Землю эфире. Однако правильную зависимость силы тяготения от расстояния сформулировал только Исаак Ньютон.

Формулировка закона всемирного тяготения Ньютоном

В 1687 году в своем фундаментальном труде "Математические начала натуральной философии" Исаак Ньютон на основе эмпирических законов Кеплера о движении планет вывел закон всемирного тяготения. Он математически доказал, что одна и та же сила заставляет яблоко падать на Землю и удерживает Луну на орбите. Каждое тело притягивается к любому другому телу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между их центрами.

Закон всемирного тяготения Ньютона записывается математически так:

F=G*(m₁*m₂)/r²,

где F - сила тяготения между телами, G - гравитационная постоянная, m₁ и m₂ - массы тел, r - расстояние между центрами масс тел.

Особенности гравитационного взаимодействия

Гравитационная сила обладает уникальными свойствами по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями.

• Сила тяготения всегда является притягивающей, гравитационного отталкивания не существует
• Гравитация значительно слабее других взаимодействий и пренебрежимо мала на уровне элементарных частиц
• Гравитация универсальна - она действует между любыми телами, обладающими массой
• Действует принцип суперпозиции - результирующая сила тяготения равна векторной сумме гравитационных сил от каждого тела

Кроме того, инертная и гравитационная массы тел равны, поэтому ускорение свободного падения одинаково для всех тел вне зависимости от их массы.

Применение закона всемирного тяготения в астрономии

Закон всемирного тяготения Ньютона позволил объяснить движение небесных тел и стал фундаментом современной небесной механики. С помощью этого закона ученые смогли вычислить траектории движения планет, их спутников, комет и астероидов. Например, закон Ньютона идеально объясняет почти круговые орбиты планет Солнечной системы и эллиптические орбиты комет.

Однако на движение планет оказывает влияние гравитация и других планет, поэтому их орбиты несколько отклоняются от идеальных эллипсов. Ученые разработали теорию возмущений на основе закона всемирного тяготения, которая позволяет точно рассчитать эти отклонения.

Экспериментальные подтверждения закона всемирного тяготения

Помимо объяснения движения небесных тел, закон всемирного тяготения неоднократно подтверждался в земных лабораторных условиях. В 1798 году английский физик Генри Кавендиш с помощью торсионных весов продемонстрировал, что плотные металлические шары притягиваются друг к другу с силой, точно соответствующей формуле Ньютона.

В 2007 и 2021 годах ученые экспериментально проверили действие закона всемирного тяготения на сверхмалых расстояниях порядка миллиметров и микрометров. Результаты опытов полностью подтвердили теоретические предсказания Ньютона.

Критика классической теории тяготения

Несмотря на экспериментальные подтверждения, классическая теория тяготения Ньютона подвергалась критике из-за целого ряда недостатков.

Во-первых, она предполагала мгновенное распространение гравитационного взаимодействия, что противоречило ограниченности скорости света, установленной в теории относительности.

Во-вторых, не был известен физический механизм гравитационного взаимодействия, что вызывало дискуссии в научном сообществе. Предпринимались попытки объяснить гравитацию с помощью гипотетического эфира или модифицировать формулу закона всемирного тяготения.

Поиск релятивистской теории гравитации

С установлением принципов теории относительности физики приступили к поиску релятивистской теории гравитации, которая бы не противоречила ограниченности скорости света. Первые попытки предприняли Анри Пуанкаре, Альберт Эйнштейн, Макс Абрахам, Гуннар Нордстрем, однако их теории не соответствовали экспериментальным данным.

Общая теория относительности

Общая теория относительности, созданная Альбертом Эйнштейном в 1915 году, стала новой фундаментальной теорией гравитации, лишенной недостатков классической теории Ньютона. Она объяснила физическую природу гравитационного взаимодействия как проявление искривления пространства-времени и устранила противоречия с теорией относительности.

Принцип соответствия ОТО и классической теории тяготения

Хотя общая теория относительности значительно глубже объясняет природу гравитационного взаимодействия, в пределах слабых гравитационных полей и малых скоростей она переходит в классическую ньютоновскую теорию. Это иллюстрирует принцип соответствия в физике.

Экспериментальные подтверждения ОТО

После создания общей теории относительности физики приступили к ее экспериментальным проверкам. Были проведены точные измерения искривления траектории света в гравитационном поле Солнца, подтвердившие предсказания ОТО. Другим важным подтверждением стало открытие гравитационных волн.

Поиски квантовой теории гравитации

Несмотря на успех ОТО, современная физика сталкивается с проблемой построения квантовой теории гравитации, которая объединила бы общую теорию относительности и квантовую механику. Такая теория необходима для понимания квантовых процессов в сильных гравитационных полях, например, вблизи черных дыр и в момент Большого взрыва.

Значение закона всемирного тяготения в науке

Закон всемирного тяготения оказал огромное влияние на развитие физики, науки о космосе, техники. Без фундаментальных открытий Ньютона вряд ли человечество осуществило бы космические полеты и запустило бы спутники или межпланетные аппараты.

Исследования гравитации в будущем

Несмотря на более чем 300-летнюю историю, изучение фундаментальных свойств гравитации и поиск единой теории гравитации находятся в начале пути. Здесь остаются огромные перспективы для экспериментальных и теоретических исследований в будущем.

Альтернативные теории гравитации

Помимо общей теории относительности, в науке выдвигалось несколько альтернативных подходов к описанию гравитации, не получивших, однако, всеобщего признания.

Одной из наиболее известных является скалярно-тензорная теория гравитации, в которой гравитационное поле характеризуется не только метрическим тензором, но и скалярным полем. Эта теория также согласуется с наблюдательными данными, но содержит дополнительные произвольные параметры.

Гравитация в повседневной жизни

Хотя гравитация и является самым слабым фундаментальным взаимодействием, она играет важнейшую роль в нашей повседневной жизни. Именно благодаря гравитации мы можем уверенно ходить по поверхности Земли, а вода не вытекает из океанов в космос.

Кроме того, приливные силы, возникающие из-за гравитационного взаимодействия Земли, Луны и Солнца, влияют на уровень Мирового океана и являются причиной приливов и отливов.

Заблуждения о гравитации

Несмотря на кажущуюся простоту явления падения тел на Землю, в обществе бытует множество заблуждений о причинах и механизмах гравитации. Рассмотрим некоторые популярные мифы и объясним, почему они не соответствуют современным научным представлениям.

Миф 1: Луна не притягивает предметы на Земле

Одно из распространенных заблуждений заключается в том, что Луна якобы не оказывает гравитационного воздействия на Землю и находящиеся на ней предметы. Это не соответствует действительности.

Согласно закону всемирного тяготения, любые тела притягиваются друг к другу. Поэтому и Луна действительно притягивает все земные объекты, однако эта сила очень мала по сравнению с земной гравитацией.

Миф 2: ускорение свободного падения зависит от массы тела

Также бытует ошибочное убеждение в том, что скорость падения тела на Землю зависит от его массы: чем тело тяжелее, тем быстрее оно падает. Однако это противоречит как теории, так и простым наблюдениям.

В действительности, в отсутствие сопротивления воздуха любые тела падают с одинаковым ускорением. Это подтверждает принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс, вытекающий из общей теории относительности.

Миф 3: гравитация возникает из-за вращения Земли

Существует распространенное заблуждение, будто гравитация и падение тел на Землю вызваны вращением планеты вокруг своей оси. Однако на самом деле эти явления не связаны.

Гравитационное поле Земли обусловлено ее массой, а не вращением. Более того, сила Кориолиса, возникающая из-за вращения, направлена перпендикулярно к скорости движения тела, а не вертикально вниз.