万有引力定律。科学发现的历史和本质

万有引力定律。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

物体由于被地球吸引而落到地上的想法并不新鲜：例如柏拉图的古人就知道这一点。但是如何衡量这个吸引力的强度呢？它在全球各地都一样吗？它延伸多远？以下是这些问题牛顿 - 万有引力定律的作者，困惑的科学家和哲学家。

发现你的第三定律开普勒他的情绪如此激动，以至于他觉得自己已经神志不清了。 1619年，开普勒发表了著名的《宇宙的和谐》，他距离牛顿的发现只有一步之遥，但仍然没有成功。开普勒不仅将行星的运动归因于某种相互吸引力，他甚至准备接受“平方比例”定律（即与距离的平方成反比的作用）。可惜的是，他很快就放弃了这一观点，转而提出吸引力不是与距离的平方成反比，而是与距离本身成反比。开普勒未能建立他发现的行星运动定律的机械原理。

牛顿在这一领域的前辈是他的同胞吉尔伯特，尤其是胡克。 1660 年，吉尔伯特出版了《论磁铁》一书，其中他将地球对月球的作用与磁铁对铁的作用进行了比较。吉尔伯特死后出版的另一部著作中说，地球和月球像两块磁铁一样相互影响，而且影响与它们的质量成正比。但与牛顿同时代的对手罗伯特·胡克最接近事实。 21年1666月XNUMX日，也就是牛顿首次深入研究天体力学的秘密之前不久，胡克在伦敦皇家学会的一次会议上宣读了他关于重力随距离变化的实验报告。下落物体相对于地球中心的情况。胡克意识到他的第一次实验并不令人满意，他提出了通过摆动钟摆来测量重力的想法——这是一个极其巧妙且富有成效的想法。两个月后，胡克向同一个协会报告说，将行星保持在其轨道上的力应该类似于产生钟摆圆周运动的力。很久以后，当牛顿已经准备出版他的伟大著作时，胡克独立于牛顿，提出了“控制行星运动的力”应该“在某种程度上取决于距离”的变化，并宣称他将基于这个开始“构建一个完整的宇宙系统”。但在这里，天才和天才之间的区别就显露出来了。胡克的快乐想法还停留在婴儿期。他缺乏应对假设的力量，而发现的优先权属于牛顿。

艾萨克·牛顿 (1642-1726) 出生于林肯郡的伍尔索普。他的父亲在儿子出生前就去世了。牛顿的母亲，nee Aiskof，在她丈夫去世后不久就早产了，而刚出生的 Isaac 又小又虚弱。他们认为婴儿不会活下来。然而，牛顿活到了成熟的晚年，除了短期疾病和一种严重疾病外，他总是以身体健康着称。

就财产状况而言，牛顿一家属于中农数。以撒长大后，被安置在一所小学。十二岁时，男孩开始在格兰瑟姆的一所公立学校上学。他被安置在药剂师克拉克的一间公寓里，在那里他断断续续地生活了大约六年。在药剂师的生活首先激发了他学习化学的愿望。

5 年 1660 月 1665 日，当牛顿还不满 XNUMX 岁时，他被三一学院录取。剑桥大学当时是欧洲最好的大学之一：语言学和数学科学在这里同样蓬勃发展。牛顿将他的主要注意力转向数学。但与此同时，在 XNUMX 年，他获得了美术学士学位（语言科学）。

他的第一个科学实验与光的研究有关。科学家证明，在棱镜的帮助下，白色可以分解成它的组成颜色。牛顿研究薄膜中光的折射，观察到一种衍射图案，称为“牛顿环”。

1666年，剑桥出现了某种流行病，按照当时的习俗，这被认为是瘟疫，牛顿退休到了他的伍尔索普。在这里，在寂静的村庄里，手边没有书籍，也没有仪器，二十四岁的牛顿过着近乎隐居的生活，沉迷于深刻的哲学思考。他们的成果是他最辉煌的发现——万有引力学说。

那是一个夏日。牛顿喜欢坐在花园里露天冥想。传统报道说，牛顿的思想被一个溢出的苹果掉下来打断了。这棵著名的苹果树被保存了很长时间，以示后人的警觉。干涸后，它被砍伐，变成了一座长凳形式的历史纪念碑。

牛顿一直在思考落体定律，很可能，特别是苹果的落下，他再次产生了这些想法，由此他提出了一个问题：身体在全球各地都以同样的方式出现？那么，例如，是否有可能断言在高山中物体的下落速度与在深矿中的速度相同？

但牛顿是如何发现这个定律的呢？对这个定律来说，苹果下落的类比已经不再有任何意义了？牛顿本人在多年后写道，他从开普勒著名定律的研究中导出了表达万有引力定律的数学公式。然而，他在光学领域进行的研究可能大大加速了他在这个方向上的工作。决定给定表面的“光强度”或“照明程度”的定律非常重要。类似于重力的数学公式。简单的几何考虑和直接经验表明，例如，当一张纸从蜡烛上移开两倍距离时，纸表面的照度会减少，不是减少一半，而是减少四倍，三倍距离 - 九倍，依此类推。这就是牛顿时代被简称为“二次比例”定律的定律。更准确地说，“光的强度与距离的平方成反比。” 对于牛顿这样的人来说，尝试将这一定律应用到万有引力理论中是很自然的。

一旦有了地球对月球的吸引力决定了地球卫星的运动的想法，牛顿不可避免地就行星围绕太阳的运动提出了类似的假设。但他的头脑并不满足于未经检验的假设。他开始计算，他的假设花了几十年的时间才变成了宇宙中最宏大的系统。

同时，如果牛顿没有掌握今天以微积分为名的强大的数学方法，他就永远不会发展和证明他的绝妙想法。

正义需要注意到罗伯特胡克的贡献。因此，精明的胡克纠正了牛顿的结论，并写信给后者，坠落的物体不应完全偏向东方，而应偏向东南。他同意胡克的论点，后者进行的实验完全证实了这一理论。

胡克还纠正了牛顿的另一个错误。艾萨克相信，下落的物体由于其运动与地球运动的结合，会描绘出一条螺旋线。胡克表明，只有考虑到空气阻力，才能获得螺旋线，并且在真空中，运动必须是椭圆形的——我们谈论的是真正的运动，也就是说，如果我们自己不参与运动，我们就可以观察到运动。运动地球仪。

在检查了胡克的结论后，牛顿确信，一个以足够速度抛掷的物体，同时受到地球引力的影响，确实可以描述一条椭圆路径。考虑到这个问题，牛顿发现了著名的定理，根据该定理，物体在吸引力（类似于重力）的影响下，总是描述圆锥截面，即圆锥相交时获得的曲线之一通过平面（椭圆、双曲线、抛物线，在特殊情况下为圆和直线）。此外，牛顿确定了吸引力中心，即所有作用在运动点上的吸引力的作用集中点，位于所描述曲线的焦点处。因此，太阳的中心（大约）位于行星所描述的椭圆的一般焦点中。

取得了这样的成绩。牛顿立即看到他已经从理论上推导出来，即根据理性力学原理，开普勒定律之一，即行星的中心描述椭圆，太阳的中心是它们轨道的焦点。但是牛顿对理论和观察之间的这种基本一致并不满意。他想看看是否真的可以借助理论计算行星轨道的要素，即预测行星运动的所有细节？起初他并不走运。

约翰·康杜伊特这样写道：“1666 年，他再次离开剑桥……去林肯郡的母亲那里，当他在花园里冥想时，他突然想到重力（它使苹果落在地球上）不限于与地球的一定距离，而是力必须延伸得比通常认为的要远得多。为什么不去月球，他对自己说，如果是这样，这应该会影响它的运动，并且，也许，把它留在轨道上，于是他决定计算这种假设的效果可能是什么；但由于当时他没有书，他使用了在诺伍德测量地球之前地理学家和我们的水手常用的常用命题，即地球表面的一个纬度包含 60 英哩。计算与他的理论不符，迫使他满足于这样的假设，即除了重力之外，还必须有一种力量的混合物还有月亮，如果她被旋风带走……”

对椭圆运动规律的研究大大推进了牛顿的研究。但只要计算结果与观察结果不一致，牛顿就一定怀疑存在某种错误来源或理论不完整，他仍然无法理解。

直到 1682 年，牛顿才能够利用法国科学家皮卡德获得的更为准确的子午线数据。知道了子午线的长度后，牛顿计算出了地球的直径，并立即将新数据输入到他之前的计算中。令他最高兴的是，这位科学家确信他的旧观点得到了完全证实。导致物体坠落到地球的力与控制月球运动的力完全相等。

这个结论对牛顿来说是他的科学天才的最高胜利。现在他的话完全有道理：“天才是思想集中在某个方向上的耐心。” 他所有深刻的假设，长期的计算结果证明是正确的。现在，他完全并且终于确信，基于一个简单而伟大的原则，创造出整个宇宙系统的可能性。月球、行星甚至彗星在天空中游荡的所有最复杂的运动对他来说都变得非常清楚。科学地预测太阳系所有天体的运动成为可能，也许还有太阳本身，甚至恒星和恒星系统。

1683 年底，牛顿终于以一系列关于行星运动的定理的形式向皇家学会传达了他系统的主要原理。

然而，这个理论太聪明了，以至于没有嫉妒的人试图将这一发现的至少部分荣耀归功于自己。毫无疑问，当时的一些英国科学家与牛顿的发现相当接近，但理解问题的难度并不意味着解决它。著名建筑师和数学家克里斯托弗·雷恩（Christopher Wren）试图通过“与原始运动相关的物体在太阳上的坠落”来解释行星的运动。天文学家哈雷假设开普勒定律可以用与距离平方成反比的力的作用来解释，但他无法证明这一点。

胡克向皇家学会的成员保证，元素中包含的所有想法已经向他们提出了一百次。那些他之前没有阐述过的都是错误的。惠更斯完全断然拒绝粒子相互引力的想法，只允许引力存在于物体内部。莱布尼茨继续坚持认为行星的运动只能通过某种空灵的旋转流体来解释，将行星从直线路径上撞开，伯努利和卡西尼也固执地谈论了漩涡。

然而，喧嚣逐渐平息，发现万有引力的荣耀理所当然地属于艾萨克·牛顿。

作者：萨明 D.K.

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