Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Шрифт:
Открытие немецкого астронома значительно продвинуло науку вперед и упорядочило систему физических знаний человечества. За формулировку законов обращения светил Кеплеру присудили полушутливый, но торжественно звучащий титул «законодателя неба». Однако астроном не смог ответить на главный вопрос: что заставляет космические тела двигаться вокруг Солнца и почему это движение происходит по столь необычной, замкнутой траектории. Ответ на него был найден спустя более чем полвека гениальным английским физиком И. Ньютоном.
Закон Всемирного тяготения
О Ньютоне, как и о любом великом человеке, существует множество удивительных легенд. Говорят, что еще в детстве он проявлял неординарные
Естественно, никаких книг или журналов «Сделай сам» под рукой у мальчика не было. Говорят также, что маленький Ньютон не любил учиться, но поставил перед собой цель стать первым учеником школы, чтобы превзойти заносчивых отличников. И это мальчику удалось.
Этому ученому приписывают постройку деревянного моста в Кембридже, собранного без единого гвоздя. Имеются также сведения о том, что Ньютон был крайне рассеян. Как-то раз, например, он, задумав сварить яйцо, опустил в кипяток свои часы.
Рассеянность гения — явление обычное, т. к. научная работа требует максимальной концентрации и не позволяет отвлекаться на посторонние вещи. Сам физик признавался, что успех в изысканиях возможен лишь тогда, когда ум не занят ничем другим, кроме поиска ответа к поставленной задаче. Насколько сложен был этот поиск, легко судить каждому, кто помнит приемы дифференцирования из школьной программы. Если ученики в школе решают дифференциальные уравнения по готовым формулам, то Ньютон так сделать не мог. Формул в те времена не существовало, равно как и самого дифференцирования. Оно было открыто самим Ньютоном. А решал он свои задачи (бывшие гораздо сложнее школьных) путем геометрических построений и расчетов. Геометрические приемы великого физика, по выражению одного из его биографов, напоминают старинное рыцарское оружие, которое современный человек не в силах ни поднять, ни представить, как с его помощью можно сражаться. Без дифференциальных же уравнений Ньютон никогда не смог бы получить желаемого результата.
Он измерял связанное с силой ускорение, которое является производной скорости, а скорость представляет собой производную от пройденного расстояния. Точное определение понятию «сила» дал именно Ньютон. Сила — это действие одного тела на другое (пассивное), вызывающее ускорение или деформацию пассивного тела. Если тело под действием силы приобретает ускорение, то оно направлено одинаково с вектором силы. Обе величины тесным образом взаимосвязаны и даже пропорциональны друг другу.
Интересно в таком случае, какая сила заставляет тела падать на Землю. Эта сила должна быть направлена к центру Земли и сообщать падающим телам одинаковое ускорение свободного падения практически в любом месте планеты. На самом деле, как сейчас достоверно установлено, ускорение свободного падения сильно меняется в зависимости от широты и массы вещества в данном участке планеты. По этой причине земной шар не является идеальным шаром. Он сильно сжат в Северном полушарии, имеет отчасти грушевидную, а отчасти картофелевидную форму, за что называется среди географов не шаром, а геоидом. Впрочем, из-за сходства с картофелиной некоторые предлагают называть форму нашей планеты потатоидом (буквально «картошковидный»).
Мысли о существовании такой силы зародились у Ньютона, когда ему было 23 года. Если верить дошедшей до нас истории, поводом для столь глубоких мыслей послужило яблоко, которое упало на голову молодому гению во время его отдыха в саду. Четко сформулировать закон всемирного тяготения Ньютон смог, когда занялся астрономией. Сила притяжения наглядно проявляется в космосе, где одни тела обращаются вокруг других.
Во-первых,
Луна обращается вокруг нашей планеты под действием силы тяжести, которая направлена к центру планеты. Сила сообщает спутнику ускорение, которое нетрудно замерить астрономическими методами.
Затем ученый сравнил ускорение Луны с ускорением свободного падения, которое сообщается падающим телам у земной поверхности. Оказалось, что ускорение убывает пропорционально квадрату расстояния, а значит, точно так же ведет себя и сила тяготения. Ньютон задается новым вопросом: как будет двигаться тело под действием силы тяжести, убывающей пропорционально квадрату расстояния?
Над этим вопросом работал и английский астроном Э. Галлей. Он предположил, что яркие кометы, наблюдаемые учеными вот уже 6 столетий подряд с четким интервалом во времени, — это периодические появления одной и той же кометы. Она находится в Солнечной системе и обращается вокруг Солнца, как и планеты. Ныне этот небесный объект называется кометой Галлея.
Астроном вычислил, что комета должна двигаться по эллиптической орбите с периодом около 76 лет, однако ничем более доказать свои суждения не смог. Тогда Галлей решил обратиться за помощью к Ньютону, о работах которого случайно услышал. Ньютон к тому времени уже точно знал, что сила, обратно пропорциональная квадрату расстояния, заставляет тело двигаться по эллипсу или подобным фигурам, относящимся к т. н. коническим сечениям. Между учеными завязалась дружба, и впоследствии их исследования во многом дополняли друг друга, что, несомненно, их значительно обогащало.
Современные астрономы могут точно сказать, что все тела в пределах Солнечной системы движутся по коническим сечениям. Преимущественно орбиты имеют эллиптическую форму, но есть гиперболические и параболические (у комет вблизи Солнца), а также приближенно круговые (у Луны и галилеевых спутников Юпитера). Подтвердилась и другая догадка Ньютона. Он первым предположил, что Вселенная бесконечна, иначе она бы сжалась под действием гравитации в точку. Мир действительно не имеет границ, он беспределен.
Ньютон утверждал: «Тяготение универсально», т. е. всемирно. Оттого его закон гравитации вошел в физику как закон всемирного тяготения. Если следовать научной строгости, то закон не соблюдается одинаково во всем бесконечном пространстве Вселенной. Но в каждой отдельно взятой точке космоса закон действует безупречно, а сама гравитация распространена повсеместно. Она представляет собой поле, отдаленно напоминающее магнитное. Через это поле массы обмениваются гравитационным взаимодействием и за счет этого взаимно притягиваются.
Притягивают и притягиваются все физические тела. Яблоко, например, тоже притягивает Землю, а наша планета падает на яблоко. К сожалению, мы не можем наблюдать подобный процесс. И этому существует объяснение. Два тела своими гравитационными полями приводятся в движение, протекающее относительно общего центра масс. Для системы тел Земля — Луна центр масс лежит внутри земного шара. Для Солнечной системы он лежит глубоко в горячих недрах Солнца. Для системы тел Земля — яблоко он находится почти в центре планеты. Туда и стремится попасть яблоко.