Открытия Ньютона в астрономии

Формула закона всемирного тяготения

«Не знаю, как меня воспринимает мир, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу, который развлекается тем, что время от времени отыскивает камешек более пёстрый, чем другие, или красивую ракушку, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным», - мнение Ньютона о самом себе.

Идея всеобщей силы тяготения высказывалась и до Ньютона. О ней размышляли Эпикур, Кеплер, Декарт, Гюйгенс и другие. Кеплер считал, что тяготение обратно пропорционально расстоянию до Солнца и распространяется только в плоскости эклиптики; Декарт считал его результатом вихрей в эфире. Но до Ньютона никто не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера).

Кнеллер

В своём основном труде «Математические начала натуральной философии» (1687) Исаак Ньютон вывел закон тяготения, основываясь на эмпирических законах Кеплера, известных к тому времени. Он показал, что:

  • наблюдаемые движения планет свидетельствуют о наличии центральной силы;
  • обратно, центральная сила притяжения приводит к эллиптическим (или гиперболическим) орбитам.

Ньютон опубликовал не просто предполагаемую формулу закона всемирного тяготения, но фактически предложил целостную математическую модель:

  • закон тяготения;
  • закон движения (второй закон Ньютона);
  • система методов для математического исследования (математический анализ).

Тем самым были созданы основы небесной механики. До Эйнштейна принципиальных поправок к указанной модели не понадобилось.

Строго говоря, теория тяготения Ньютона уже не была гелиоцентрической. Планета вращается не вокруг Солнца, а вокруг общего центра тяжести, так как не только Солнце притягивает планету, но и планета притягивает Солнце. Наконец, выяснилась необходимость учесть влияние планет друг на друга. Ньютон вывел теоретически, то есть исходя из начал рациональной механики, один из законов Кеплера, гласящий, что центры планет описывают эллипсы и что в фокусе их орбит находится центр Солнца.

Открытие Ньютона привело к созданию новой картины мира, согласно которой все планеты, находящиеся друг от друга на колоссальных расстояниях, оказываются связанными в одну систему. Дальнейшие исследования Ньютона позволили ему определить массу и плотность планет и Солнца. Он установил, что наиболее близкие к Солнцу планеты отличаются наибольшей плотностью.

Ньютон доказал, что Земля представляет собой шар, расширенный у экватора и сплюснутый у полюсов, а также зависимость приливов и отливов от действия Луны и Солнца на воды морей и океанов.

Со временем оказалось, что закон всемирного тяготения позволяет с огромной точностью объяснить и предсказать движения небесных тел, и он стал рассматриваться как фундаментальный. В то же время ньютоновская теория содержала ряд трудностей. Главная из них — необъяснимое дальнодействие: непонятно, как сила притяжения передавалась через совершенно пустое пространство, причём бесконечно быстро. По существу, ньютоновская модель была чисто математической, без какого-либо физического содержания.

Но выдающиеся успехи небесной механики в XVIII веке подтвердили ньютоновскую модель: первые наблюдаемые отклонения от теории Ньютона в астрономии (смещение перигелия Меркурия) были обнаружены лишь через 200 лет. Вскоре эти отклонения объяснила общая теория относительности (ОТО); ньютоновская теория оказалась её приближённым вариантом. ОТО также наполнила теорию тяготения физическим содержанием и позволила избавиться от дальнодействия(согласно концепции дальнодействия, тела действуют друг на друга без материальных посредников, через пустоту, на любом расстоянии. Такое взаимодействие осуществляется с бесконечно большой скоростью, но подчиняется определённым законам. Примером силы, считавшейся одним из примеров непосредственного действия на расстоянии, можно считать силу всемирного тяготения в классической теории гравитации Ньютона).

О жизни Ньютона

Исаак Ньютон родился в 1642 г. в семье зажиточного фермера в деревне Вулсторп (графство Линкольншир), но отец его умер, не дождавшись рождения сына. Мальчик был слабым и болезненным, его назвали Исааком в честь умершего отца.

Дом, в котором родился Ньютон

Мальчика в детстве воспитывал дядя по матери. В 12-летнем возрасте он поступил учиться в местную школу, где сразу же проявились его необыкновенные способности: он сочинял стихи, много читал, постоянно что-то конструировал. И хотя мать забрала его из школы и хотела оставить хозяйничать в усадьбе, окружающие, в том числе школьные учителя, осознавали, что это необыкновенно одаренный юноша, и смогли уговорить мать разрешить ему учиться в колледже при Кембриджском университете.  Круг его интересов и увлечений был настолько велик, что он порой забывал даже про еду:  он продолжал мастерить (в основном научные инструменты), увлечённо занимался оптикой, астрономией, математикой, фонетикой, теорией музыки. Затем увлекся математикой. 1665-1667 г.г. - «чумные годы» в Англии. Занятия в учебных заведениях были прекращены, Ньютон уехал домой в Вулсторп, и это были очень плодотворные годы в его научной деятельности: проведя ряд остроумных оптических экспериментов, он доказал, что белый цвет есть смесь цветов спектра. Но самым значительным его открытием в эти годы стал закон всемирного тяготения.  Он гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием Открытия Ньютона в астрономии, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — то есть: Открытия Ньютона в астрономии. Здесь G- гравитационная постоянная, равная Открытия Ньютона в астрономии.

Идея!

Общеизвестна легенда о том, что закон тяготения Ньютон открыл, наблюдая падение яблока. Но его теория всеобщего тяготения развивалась постепенно: сравнивая периоды нескольких планет и их расстояния до Солнца, он обнаружил, что из третьего закона Кеплера, связывающего периоды обращения планет с расстоянием до Солнца, следует именно «формула обратных квадратов» для закона тяготения (в приближении круговых орбит). Окончательную формулировку закона тяготения, вошедшую в учебники, Ньютон выписал позднее, после того, как ему стали ясны законы механики. Для него характерно то, что он никогда не искал славы и не спешил опубликовывать свои открытия, и даже этот первый научный труд.

Продолжая заниматься наукой и одновременно преподаванием, он постепенно получил степень бакалавра, магистра, но преподавание не увлекало его. Став придворным капелланом (священник, совмещающий сан с какой-либо дополнительной, как правило светской, должностью), он оставил преподавание.

Телескоп-рефлектор Ньютона

Он создал  телескоп-рефлектор: линза и вогнутое сферическое зеркало, которое сделал и отполировал сам. Первая конструкция Ньютона (1668) оказалась неудачной, но уже следующая давала 40-кратное увеличение превосходного качества.

Слухи о новом инструменте быстро дошли до Лондона, в конце 1671 — начале 1672 г. он демонстрировал рефлектор перед королём, а затем — в Королевском обществе. Ньютон стал знаменит и в январе 1672 года был избран членом Королевского общества. Позднее усовершенствованные рефлекторы стали основными инструментами астрономов, с их помощью были открыты планета Уран, иные галактики, красное смещение.

Особенностью характера Ньютона было то, что он дорожил отношениями с коллегами, но не любил конфликты и споры, а как раз этого было предостаточно, особенно его выводили из себя некомпетентные нападки. Он даже дал себе зарок не ввязываться в научные споры.

В 1684—1686 гг. он работает над книгой «Математические начала натуральной философии». В ней Ньютон строго доказывает, исходя из наблюдаемой картины движения планет и их спутников, что в природе действует закон тяготения. Значительную часть книги занимают расчёты, чертежи и таблицы.

В 1696 г. Ньютон покинул Кембридж и переехал в Лондон, заняв должность смотрителя Монетного двора. Он досконально изучил технологию монетного производства, привёл в порядок документы и учёт за последние 30 лет,  содействуя денежной реформе. В Англии этих лет имели хождение неполновесные, а в немалом количестве и фальшивые монеты. Широкое распространение получила обрезка краёв серебряных монет. Теперь же монету начали производить на специальных станках, по ободку их шла надпись, так что преступное стачивание металла стало невозможным. Старая, неполновесная серебряная монета за 2 года была полностью изъята из обращения и перечеканена, выпуск новых монет возрос. Ньютон же предложил обменивать деньги по номиналу, инфляция резко снизилась. Но честный и компетентный человек во главе Монетного двора устраивал не всех. С первых же дней на Ньютона посыпались жалобы и доносы, постоянно появлялись комиссии по проверке. Как выяснилось, многие доносы поступали от фальшивомонетчиков, раздражённых ньютоновскими реформами. Ньютон равнодушно относился к злословию, но никогда не прощал, если оно затрагивало его честь и репутацию. Он лично участвовал в десятках расследований, и более 100 фальшивомонетчиков были выслежены и осуждены. Число фальшивых монет в Англии значительно сократилось. Таким образом, проведённые учёным реформы не только предотвратили экономический кризис, но и через десятилетия привели к значительному росту благосостояния страны.

В 1698 г. Монетный двор посещал русский царь Петр I.  В 1700 г. в России была проведена монетная реформа, сходная с английской.

С  1699 г. началось преподавание системы мира Ньютона в Кембридже и в Оксфорде, а Парижская академия наук избрала его своим иностранным членом.

В 1705 году королева Анна возвела Ньютона в рыцарское достоинство. Отныне он сэр Исаак Ньютон. Впервые в английской истории звание рыцаря было присвоено за научные заслуги.

Сэр. Исаак Ньютон. Портрет кисти Кнеллера

Последние годы жизни Ньютон посвятил написанию «Хронологии древних царств», которой занимался около 40 лет, а также подготовкой третьего издания «Начал», в которое был включен довольно полный справочник по кометам, наблюдавшимся с XIV века. Среди прочих была представлена рассчитанная орбита кометы Галлея, новое появление которой в 1758 г. подтвердило теоретические расчёты (к тому времени уже покойных) Ньютона и Галлея.

В 1725 г. здоровье Ньютона заметно ухудшилось, и он переселился в Кенсингтон неподалёку от Лондона, где и скончался ночью, во сне, в марте 1727 г. Письменного завещания он не оставил, но значительную часть своего крупного состояния незадолго до смерти передал ближайшим родственникам. Похоронен в Вестминстерском аббатстве. На его могиле надпись: «Здесь покоится сэр Исаак Ньютон, дворянин, который почти божественным разумом первый доказал с факелом математики движение планет, пути комет и приливы океанов.

Он исследовал различие световых лучей и появляющиеся при этом различные свойства цветов, чего ранее никто не подозревал. Прилежный, мудрый и верный истолкователь природы, древности и Св. писания, он утверждал своей философией величие Всемогущего Бога, а нравом выражал евангельскую простоту.

Пусть смертные радуются, что существовало такое украшение рода человеческого».