מאמר זה יתמקד בהיסטוריה של גילוי חוק הכבידה האוניברסלית. כאן נתוודע למידע הביוגרפי מחייו של המדען שגילה את הדוגמה הפיזיקלית הזו, נשקול את הוראותיה העיקריות, הקשר עם כוח המשיכה הקוונטי, מהלך ההתפתחות ועוד הרבה יותר.
Genius
סר אייזק ניוטון הוא מדען מאנגליה. בשלב מסוים, הוא הקדיש תשומת לב ומאמץ רבים למדעים כמו פיזיקה ומתמטיקה, וגם הביא הרבה דברים חדשים למכניקה ולאסטרונומיה. הוא נחשב בצדק לאחד ממייסדי הפיזיקה הראשונים במודל הקלאסי שלה. הוא המחבר של העבודה הבסיסית "עקרונות מתמטיים של פילוסופיה טבעית", שם הציג מידע על שלושת חוקי המכניקה וחוק הכבידה האוניברסלית. אייזק ניוטון הניח את היסודות של המכניקה הקלאסית עם עבודות אלה. הוא פיתח את החשבון של טיפוס דיפרנציאלי ואינטגרלי, תורת האור. הוא גם תרם רבות לאופטיקה הפיזיקלית.ופיתח תיאוריות רבות אחרות בפיזיקה ובמתמטיקה.
חוק
חוק הכבידה האוניברסלית וההיסטוריה של גילויו מתוארכים לשנת 1666. צורתו הקלאסית היא חוק המתאר את האינטראקציה של טיפוס הכבידה, שאינה חורגת ממסגרת המכניקה.
מהותו הייתה שהאינדיקטור של כוח F של כוח המשיכה הנוצר בין 2 גופים או נקודות של חומר m1 ו-m2, המופרדים זה מזה במרחק מסוים r, הוא פרופורציונלי לשני מחווני המסה ויש לו מידתיות הפוכה למרחקים הריבועיים בין גופים:
F=G, כאשר G מציין את קבוע הכבידה השווה ל-6, 67408(31)•10-11 m3 / kgf2.
כוח המשיכה של ניוטון
לפני שנבחן את ההיסטוריה של גילוי חוק הכבידה האוניברסלית, בואו נסתכל מקרוב על המאפיינים הכלליים שלו.
בתיאוריה שיצר ניוטון, כל הגופים בעלי מסה גדולה חייבים ליצור סביבם שדה מיוחד, המושך אליו עצמים אחרים. זה נקרא שדה כבידה, ויש לו פוטנציאל.
גוף עם סימטריה כדורית יוצר שדה מחוץ לעצמו, דומה לזה שנוצר על ידי נקודה חומרית מאותה מסה הממוקמת במרכז הגוף.
כיוון המסלול של נקודה כזו בשדה הכבידה, שנוצר על ידי גוף בעל מסה גדולה בהרבה, מציית לחוק קפלר. אובייקטים של היקום, כגון, למשל,כוכב לכת או שביט, גם לציית לו, נע באליפסה או היפרבולה. התחשבות בעיוות שיוצרים גופים מסיביים אחרים נלקחת בחשבון באמצעות הוראות תיאוריית ההפרעות.
דיוק בניתוח
לאחר שניוטון גילה את חוק הכבידה האוניברסלית, היה צריך לבדוק אותו ולהוכיח אותו פעמים רבות. לשם כך נערכו מספר חישובים ותצפיות. לאחר שהגענו להסכמה עם הוראותיו ובהתבסס על דיוק המדד שלו, צורת האומדן הניסיונית משמשת אישור ברור ל-GR. מדידת אינטראקציות מרובע-פול של גוף שמסתובב, אך האנטנות שלו נשארות נייחות, מראה לנו שתהליך הגדלת δ תלוי בפוטנציאל r -(1+δ), במרחק של מספר מטרים וממוקם בגבול (2, 1±6, 2)•10-3. מספר אישורים מעשיים נוספים אפשרו לקבוע חוק זה וללבוש צורה אחת, ללא כל שינויים. בשנת 2007, דוגמה זו נבדקה מחדש במרחק של פחות מסנטימטר (55 מיקרון-9.59 מ מ). בהתחשב בטעויות הניסוי, המדענים בחנו את טווח המרחק ולא מצאו חריגות ברורות בחוק זה.
תצפית במסלול הירח ביחס לכדור הארץ אישרה גם היא את תוקפו.
חלל אוקלידי
תאוריית הכבידה הקלאסית של ניוטון קשורה למרחב האוקלידי. השוויון בפועל עם דיוק גבוה מספיק (10-9) של מדדי המרחק במכנה של השוויון שנדון לעיל מראה לנו את הבסיס האוקלידי של המרחב של המכניקה הניוטונית, עם שלוש -צורה פיזית ממדית. בְּלנקודה כזו של חומר, שטחו של משטח כדורי פרופורציונלי בדיוק לערך ריבוע הרדיוס שלו.
נתונים מההיסטוריה
בואו נשקול סיכום קצר של ההיסטוריה של גילוי חוק הכבידה האוניברסלית.
רעיונות הועלו על ידי מדענים אחרים שחיו לפני ניוטון. אפיקורוס, קפלר, דקארט, רוברבל, גאסנדי, הויגנס ואחרים ביקרו בהרהורים על זה. קפלר הציע שכוח הכבידה הוא ביחס הפוך למרחק מכוכב השמש ויש לו תפוצה רק במישורים האקליפטיים; לפי דקארט, זה היה תוצאה של פעילות מערבולות בעובי האתר. הייתה סדרה של ניחושים שהכילו השתקפות של הניחושים הנכונים לגבי התלות במרחק.
מכתב מניוטון להאלי הכיל מידע שקודמיו של סר אייזק עצמו היו הוק, רן וביו איסמאל. עם זאת, איש לפניו לא הצליח לחבר בבירור, באמצעות שיטות מתמטיות, את חוק הכבידה והתנועה הפלנטרית.
ההיסטוריה של גילוי חוק הכבידה האוניברסלית קשורה קשר הדוק לעבודה "עקרונות מתמטיים של הפילוסופיה הטבעית" (1687). בעבודה זו הצליח ניוטון לגזור את החוק המדובר הודות לחוק האמפירי של קפלר, שכבר היה ידוע באותה תקופה. הוא מראה לנו ש:
- צורת התנועה של כל כוכב לכת גלוי מעידה על נוכחות של כוח מרכזי;
- כוח המשיכה מהסוג המרכזי יוצר מסלולים אליפטיים או היפרבוליים.
על התיאוריה של ניוטון
סקירת ההיסטוריה הקצרה של גילוי חוק הכבידה האוניברסלית יכולה גם להצביע לנו על מספר הבדלים שמייחדים אותה מהשערות קודמות. ניוטון עסק לא רק בפרסום הנוסחה המוצעת של התופעה הנבדקת, אלא גם הציע מודל מסוג מתמטי בצורה הוליסטית:
- הוראה על חוק הכבידה;
- חוק על דיני תנועה;
- שיטתיות של שיטות מחקר מתמטי.
שלישייה זו הצליחה לחקור בצורה די מדויקת אפילו את התנועות המורכבות ביותר של עצמים שמימיים, ובכך יצרה את הבסיס למכניקה השמימית. עד לתחילת פעילותו של איינשטיין במודל זה, לא נדרשה נוכחות של מערך תיקונים יסודי. רק המנגנון המתמטי היה צריך להשתפר משמעותית.
אובייקט לדיון
חוק שהתגלה ומוכח לאורך המאה השמונה-עשרה הפך לנושא ידוע של מחלוקות אקטיביות ובדיקות קפדניות. עם זאת, המאה הסתיימה בהסכמה כללית עם הנחותיו והצהרותיו. באמצעות חישובי החוק ניתן היה לקבוע במדויק את נתיבי תנועת הגופים בגן עדן. בדיקה ישירה בוצעה על ידי הנרי קוונדיש ב-1798. הוא עשה זאת באמצעות איזון מסוג פיתול עם רגישות רבה. בהיסטוריה של גילוי חוק הכבידה האוניברסלי, יש לתת מקום מיוחד לפרשנויות שהציג פויסון. הוא פיתח את הרעיון של פוטנציאל הכבידה ומשוואת פואסון, שבאמצעותם ניתן היה לחשב זאתפוטנציאל. מודל מסוג זה אפשר לחקור את שדה הכבידה בנוכחות התפלגות שרירותית של החומר.
היו קשיים רבים בתיאוריה של ניוטון. העיקרי שבהם יכול להיחשב כחוסר ההסבר של פעולה ארוכת טווח. אי אפשר היה לענות במדויק על השאלה כיצד כוחות המשיכה נשלחים דרך חלל ואקום במהירות אינסופית.
"התפתחות" של החוק
במאתיים השנים הבאות, ואף יותר מכך, נעשו ניסיונות של פיזיקאים רבים להציע דרכים שונות לשיפור התיאוריה של ניוטון. מאמצים אלה הסתיימו בניצחון בשנת 1915, כלומר יצירת תורת היחסות הכללית, אשר נוצרה על ידי איינשטיין. הוא הצליח להתגבר על כל מכלול הקשיים. בהתאם לעקרון ההתכתבות, התאוריה של ניוטון התבררה כקירוב לתחילת העבודה על תיאוריה בצורה כללית יותר, אותה ניתן ליישם בתנאים מסוימים:
- פוטנציאל הטבע הכבידתי לא יכול להיות גדול מדי במערכות הנבדקות. מערכת השמש היא דוגמה לעמידה בכל הכללים לתנועת גרמי השמיים. התופעה הרלטיביסטית מוצאת את עצמה בביטוי בולט של תזוזת פריהליון.
- קצב התנועה בקבוצת מערכות זו זניח בהשוואה למהירות האור.
הוכחה לכך שבשדה כבידה נייח חלש, חישובי GR לובשים צורה של ניוטונים, היא נוכחות של פוטנציאל סקלרי של כבידה בשדה נייח עםמאפיינים בעלי ביטוי חלש של כוחות, המסוגלים לעמוד בתנאים של משוואת פויסון.
Quanta Scale
עם זאת, בהיסטוריה, לא התגלית המדעית של חוק הכבידה האוניברסלית, ולא תורת היחסות הכללית יכלו לשמש בתור תורת הכבידה הסופית, שכן שתיהן אינן מתארות כראוי את התהליכים של סוג הכבידה על הקוונטים סוּלָם. ניסיון ליצור תורת כבידה קוונטית היא אחת המשימות החשובות ביותר של הפיזיקה המודרנית.
מנקודת המבט של כוח הכבידה הקוונטי, האינטראקציה בין עצמים נוצרת על ידי חילופי גרביטונים וירטואליים. בהתאם לעקרון אי הוודאות, פוטנציאל האנרגיה של גרביטונים וירטואליים עומד ביחס הפוך למרווח הזמן בו הוא היה קיים, מנקודת הפליטה של אובייקט אחד ועד לנקודת הזמן שבה הוא נקלט בנקודה אחרת.
לאור זאת, מסתבר שבסקאלה קטנה של מרחקים, האינטראקציה של גופים כרוכה בהחלפת גרביטונים מסוג וירטואלי. הודות לשיקולים אלו, ניתן לסיים את ההוראה בדבר חוק הפוטנציאל של ניוטון ותלותו בהתאם להדדיות של מידתיות ביחס למרחק. האנלוגיה בין חוקי קולומב וניוטון מוסברת בכך שמשקל הגרביטונים שווה לאפס. למשקל של פוטונים יש אותה משמעות.
Deception
בתוכנית הלימודים בבית הספר, התשובה לשאלה מההיסטוריה, איךניוטון גילה את חוק הכבידה האוניברסלית, הוא סיפורו של פרי תפוח נופל. לפי אגדה זו, הוא נפל על ראשו של מדען. עם זאת, מדובר בתפיסה מוטעית רווחת, ולמעשה, הכל הצליח להסתדר ללא מקרה דומה של פגיעת ראש אפשרית. ניוטון עצמו אישר לפעמים את המיתוס הזה, אבל למעשה החוק לא היה גילוי ספונטני ולא הגיע בפרץ של תובנה רגעית. כפי שנכתב לעיל, הוא פותח במשך זמן רב והוצג לראשונה בעבודות על "עקרונות המתמטיקה", שהופיעו לראווה לציבור ב-1687.
