Нютон. земно притегляне
В Англия, където идеите на французина Декарт не са оставили толкова силни следи, както в родината на философа, развитието на научното мислене върви по друг път и се увенчава с блестящите трудове на Нютон. През 1687 г. се появява неговото есе "Математическите принципи на естествената философия", което с невиждана дотогава яснота и яснота определя нов научен светоглед. Тук на пръв поглед беше дадено изчерпателно обяснение на най-голямото разнообразие от природни явления, базирано на няколко ясни принципа. Освен това веднага беше предложен нов метод за научно изследване на природата, методът на индукцията. Тази работа на Нютон предопредели, както е известно, основните линии на по-нататъшното развитие на цялата астрономия и физика до началото на 20 век. а понякога и по-късно. Тогава концепцията за причинно-следствената връзка на всички природни явления намери солидна основа и вдъхнови изследователите да задълбочат още повече своите резултати. Успехите на Нютон до голяма степен се определят от факта, че независимо от Лайбниц и почти едновременно с него той успява да изобрети мощно средство за математически анализ - безкрайно малкото смятане. С други думи, Нютон изобретява основите на диференциалното и интегралното смятане. Само чрез този метод Нютон можеше да залитне много по-далеч от своите предшественици. Оттогава диференциалното и интегралното смятане са незаменим начин за математическа интерпретация на различни природни явления.
Анализирайки законите, открити от Кеплер директно от наблюдения (или, както се казва, емпирично), като взема предвид елиптичността на планетарните орбити, Нютон доказа, че планетите изпитват ускорение, което винаги е насочено към Слънцето и варира обратно пропорционално на квадрата на разстоянието на планетите от Слънцето. Ускорението се променя и при движението на една и съща планета, когато придвижейки се по елипса, разстоянието му от Слънцето се променя. Използвайки формулираните от него понятия за маса и сила, Нютон доказва, че силата на взаимно привличане между планетата и Слънцето е пропорционална на произведението на техните маси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.
Нютон също доказа - и това е изключително важно - че ако между две тела действа гравитационна сила, то тяло с по-малка маса трябва да се движи около тяло с по-голяма маса именно по законите на Кеплер, а не по друг начин. Освен това законите на движението, които той изведе под въздействието на гравитацията, се оказаха от много общ характер; Законите на Кеплер бяха обяснени като специален случай на тези по-общи закони.
Така Нютон установява основните закони на механиката:
1. Всяко тяло под въздействието на гравитация към друго (по-голяма маса) трябва да опише едно от коничните сечения около себе си (виж фиг. 2). Коничните сечения са криви, получени чрез пресичане на повърхността на конус с равнина. Те включват: окръжност, елипса, парабола и хипербола (фиг. 2), от които последните две криви не са затворени.
2. Законът, установяващ, че площите, описани от радиус-вектора, са пропорционални на времето, се оказа валиден за движение по всяка от изброените криви.
3. Изразът на третия закон на Кеплер, свързващ размерите на орбитите и периодите на въртене, трябва да бъде по-сложен, да включва масите на Слънцето и планетите. Поради факта, че масата на Слънцето е много по-голяма от масата на всички планети взети заедно, разликата между израза на третия закон, установен от Кеплер, и израза на същия закон, открит от Нютон, е много малка. Но точно тази разлика позволява да се изчисли масата им въз основа на наблюдаваното движение на телата.
Нютон също разработи начиниизчисляване на орбитата на планета от нейните наблюдавани позиции в небето сред звездите, т.е. методи за определяне на елементите на орбитата. Познавайки елементите на орбитата, е възможно предварително да се изчисли в коя точка на небето планетата ще бъде видима от Земята в един или друг момент.
Освен това Нютон направи още едно забележително откритие: той доказа, че гравитацията на Луната към Земята е от същата природа като гравитацията към нея на обикновени обекти, разположени близо до нейната повърхност. С други думи, той доказа, че силата на гравитацията е същата сила, която дотогава се наричаше гравитация и се наблюдаваше да се проявява при падането на обекти на Земята. По този начин повечето от движенията, наблюдавани на Земята, бяха свързани с най-разнообразните движения на всички тела на слънчевата система и намериха обща причина: свойството на взаимно привличане на всички частици на материята, действащо във всички случаи според един и същ закон.
Установено е, че движението на спътниците около техните планети се извършва в съответствие със същия закон на гравитацията. През втората половина на XIX век. беше строго доказано, че законът на гравитацията запазва силата си далеч отвъд Слънчевата система: движението на далечни двойни звезди една около друга му се подчинява. Не напразно законът за гравитацията се нарича универсален. Разглеждан като кауза, той обяснява не само качествено, но и количествено всички основни движения на планетите и техните спътници в Слънчевата система. Оттогава картината на Вселената е получила пълна яснота. В науката вече не е останало място за астрологията - фалшиво учение за въображаемото влияние на небесните тела върху съдбата на хора и народи и за възможността за уж предсказване на съдбата чрез взаимното разположение на планетите.
Чрез същия закон на гравитацията Нютон успешно обяснява основните характеристики на двете явления, които стоят на първо място.отстранен поглед.
Периодичното възникване на приливи и отливи в земните океани се оказва естествено следствие от разликата в големината на силата, с която Луната привлича най-близките и далечните части на Земята и нейните океани.
Отдавна е известно систематичното движение между звездите на полюса на света, открит от Хипарх (2 век пр. н. е.) - точката, около която се извършва видимото ежедневно въртене на небето, причиняващо изгрева и залеза на светилата (фиг. 3). Поради това явление с течение на времето някои съзвездия престават да се виждат в дадена област и се появяват други, които ги заместват. Така се изчислява, че след няколко хилядолетия в Европа ще бъде възможно да се наблюдава съзвездието на Южния кръст, което сега може да се възхищава само от жителите на южното полукълбо на Земята и жителите на тропическите страни.
Коперник, създавайки своята система на света, правилно обяснява феномена на прецесията с факта, че оста на въртене на Земята бавно се върти в космоса. В същото време той описва конус (фиг. 4) с период от 26 хиляди години. Причината за прецесията, т.е. движението на земната ос по конуса, обаче остава загадка. Прецесията е обяснена от Нютон. След като приложи своите закони на механиката към въртящата се Земя, той стигна до извода, че поради центробежната сила, развиваща се по време на въртене, Земята трябва да бъде сплескана на полюсите, като има, така да се каже, издатина по екватора. Именно тази сплесканост на Земята причинява прецесията. Луната и Слънцето, които обикновено не са в равнината на екватора на Земята и действат върху излишната маса, разположена по него (поради споменатата компресия), се стремят да завъртят земната ос. Но Земята се върти около оста си и, устоявайки на това "насилие" от Луната и Слънцето, земната ос, в съответствие със законите на механиката,описва конус. Добре известно е, че Земята може да се сравни с въртящ се връх. Ако натиснете отстрани върху оста на въртящ се връх, той ще започне да описва в пространството конус, подобен на този, който описва оста на Земята.
След като е открил закона за всемирното притегляне и е обяснил количествено почти всички движения, известни на астрономите, Нютон не се стреми да изясни природата на тази гравитация и да проникне по-дълбоко в нейната същност. Скоро се приема, че гравитацията може да се предава със светкавична скорост през празнотата, действайки на големи разстояния без посредничеството на каквато и да е материална среда. Самият Нютон каза известната фраза за природата на гравитацията: "Аз не изграждам хипотези, защото всичко, което не може да бъде изведено от явления, трябва да се нарича хипотеза."
Разбирането на закона за гравитацията не беше лесно за съвременниците на Нютон, особено за онези, които бяха повлияни от философията на Декарт. Много от най-великите учени, дори от по-късната епоха, не можаха да разберат гравитацията и да признаят нейното съществуване. Например Лайбниц, съперник на Нютон в областта на изобретяването на диференциалното и интегралното смятане, пише на Хюйгенс: „Не разбирам как Нютон си представя гравитацията или привличането. Според него, очевидно, това не е нищо друго освен някакво необяснимо нематериално качество. Хюйгенс, тогава вече широко известен с работата си по математика, физика и астрономия, отговаря на Лайбниц: „Що се отнася до причината за приливите и отливите, която Нютон дава, тя изобщо не ме удовлетворява, както всички други негови теории, които той изгражда върху своя принцип на привличането, което ми се струва абсурдно.“
Още през 1730 г. Йохан Бернули получава награда от Парижката академия на науките за опит да открие причината за елиптичността на орбитите на планетите, напълно игнорирайки закона за гравитацията. Недоверието, с което теорията на Нютонбяха лекувани на континента, започнаха да отслабват, когато разширената Парижка академия прие в своите членове много млади учени, които бяха по-възприемчиви към новите идеи.
През 1727 г. младият Волтер, завръщайки се от Англия, с характерния си остроумен сарказъм описва антагонизма на научните възгледи, които разделят напредналите страни на неговото време на два лагера: „Ако един французин дойде в Лондон, той ще намери тук голяма разлика във философията, както и в много други въпроси. В Париж той остави света пълен с материя, тук го намира празен. В Париж вселената е изпълнена с ефирни вихри, докато тук, в същото пространство, действат невидими сили. В Париж натискът на луната върху морето предизвиква приливи и отливи; в Англия, напротив, морето гравитира към луната. При картезианците всичко се постига с натиск, което, честно казано, не е съвсем ясно; при нютонианците всичко се обяснява с привличането, което обаче не е много по-ясно. И накрая, в Париж смятат, че Земята е удължена в полюсите, като яйце, докато в Лондон е свита, като тиква. »
Бележки
1. Индукцията се разбира като метод, разсъждение или изследване, преминавайки от частното към общото, от отделни факти и явления към общи изводи и закони.
2. Между другото, това теоретично заключение на Нютон беше горещо оспорено от френските учени, които през 1718 г. определиха размера и формата на Земята чрез измервания. Те стигнаха до извода, че Земята е удължена на полюсите. Впоследствие се оказа, че резултатът на френските учени се дължи на неточността на техните измервания. Нови измервания, направени в средата на 18 век, потвърждават правилността на заключението на Нютон.