این مقاله به تاریخچه کشف قانون گرانش جهانی می پردازد. در اینجا با اطلاعات بیوگرافی از زندگی دانشمندی که این جزم فیزیکی را کشف کرده است آشنا می شویم، مفاد اصلی آن، رابطه با گرانش کوانتومی، سیر تکامل و بسیاری موارد دیگر را در نظر می گیریم.
نابغه
سر آیزاک نیوتن دانشمندی از انگلستان است. او زمانی به علومی چون فیزیک و ریاضیات توجه و کوشش زیادی کرد و همچنین چیزهای جدیدی را در مکانیک و نجوم به ارمغان آورد. او را به حق یکی از اولین بنیانگذاران فیزیک در مدل کلاسیک آن می دانند. او نویسنده اثر اساسی "اصول ریاضی فلسفه طبیعی" است که در آن اطلاعاتی در مورد سه قانون مکانیک و قانون گرانش جهانی ارائه کرد. اسحاق نیوتن با این آثار پایه های مکانیک کلاسیک را بنا نهاد. او حساب دیفرانسیل و انتگرال، نظریه نور را توسعه داد. او همچنین کمک زیادی به اپتیک فیزیکی کرد.و بسیاری از نظریه های دیگر را در فیزیک و ریاضیات توسعه داد.
قانون
قانون گرانش جهانی و تاریخچه کشف آن به سال 1666 برمی گردد. شکل کلاسیک آن قانونی است که برهمکنش نوع گرانشی را توصیف می کند که از چارچوب مکانیک فراتر نمی رود.
ماهیت آن این بود که نشانگر نیروی F کشش گرانشی ناشی از دو جسم یا نقطه ماده m1 و m2 که با فاصله مشخص r از یکدیگر جدا شده اند، متناسب با هر دو نشانگر جرم است و دارای یک تناسب معکوس با فواصل مربع بین اجسام:
F=G، که در آن G ثابت گرانشی برابر با 6 را نشان می دهد، 67408(31)•10-11 m3 / kgf2.
گرانش نیوتن
قبل از بررسی تاریخچه کشف قانون گرانش جهانی، اجازه دهید نگاهی دقیق تر به ویژگی های کلی آن بیندازیم.
در نظریه ایجاد شده توسط نیوتن، تمام اجسام با جرم زیاد باید میدان خاصی را در اطراف خود ایجاد کنند که اجسام دیگر را به سمت خود جذب کند. به آن میدان گرانشی می گویند و دارای پتانسیل است.
جسمی با تقارن کروی، میدانی را در خارج از خود تشکیل می دهد، مشابه میدانی که توسط یک نقطه مادی به همان جرم واقع در مرکز بدن ایجاد می شود.
جهت خط سیر چنین نقطه ای در میدان گرانشی، که توسط جسمی با جرم بسیار بزرگتر ایجاد شده است، از قانون کپلر پیروی می کند. اجرام جهان، مانند، برای مثال،سیاره یا دنباله دار، همچنین از او اطاعت کنید، که در حالت بیضی یا هذلولی حرکت می کند. محاسبه اعوجاجی که اجسام عظیم دیگر ایجاد می کنند با استفاده از مفاد نظریه اغتشاش در نظر گرفته می شود.
تجزیه و تحلیل دقت
بعد از اینکه نیوتن قانون گرانش جهانی را کشف کرد، باید چندین بار آزمایش و اثبات شود. برای این کار، تعدادی محاسبات و مشاهدات انجام شد. پس از توافق با مفاد آن و با توجه به صحت شاخص آن، شکل آزمایشی تخمین به عنوان تأیید واضح GR عمل می کند. اندازه گیری برهمکنش های چهار قطبی جسمی که می چرخد، اما آنتن های آن ثابت می مانند، به ما نشان می دهد که روند افزایش δ به پتانسیل r -(1+δ) در فاصله چندین متر است و در محدوده (2، 1±6، 2)•10-3 قرار دارد. تعدادی تأییدیه عملی دیگر باعث شد که این قانون بدون هیچ گونه تغییری ایجاد شود و شکل واحدی داشته باشد. در سال 2007، این جزم در فاصله کمتر از یک سانتی متر (55 میکرون-9.59 میلی متر) دوباره بررسی شد. با در نظر گرفتن خطاهای آزمایشی، دانشمندان محدوده فاصله را بررسی کردند و هیچ انحراف آشکاری در این قانون پیدا نکردند.
مشاهده مدار ماه در رابطه با زمین نیز صحت آن را تایید کرد.
فضای اقلیدسی
نظریه کلاسیک گرانش نیوتن با فضای اقلیدسی مرتبط است. برابری واقعی با دقت کافی بالا (10-9) اندازه‌گیری فاصله در مخرج برابری مورد بحث در بالا، مبنای اقلیدسی فضای مکانیک نیوتنی را با سه مورد نشان می‌دهد. -فرم فیزیکی بعدی ATبرای چنین نقطه ای از ماده، مساحت یک سطح کروی دقیقاً متناسب با مقدار مربع شعاع آن است.
داده از تاریخ
بیایید خلاصه ای کوتاه از تاریخچه کشف قانون گرانش جهانی را در نظر بگیریم.
ایده هایی توسط دانشمندان دیگری که قبل از نیوتن زندگی می کردند مطرح شد. اپیکور، کپلر، دکارت، روبروال، گاسندی، هویگنس و دیگران از بازتاب هایی در مورد آن بازدید کردند. کپلر پیشنهاد کرد که نیروی گرانش با فاصله از ستاره خورشید نسبت معکوس دارد و فقط در صفحات دایره البروج توزیع می شود. به گفته دکارت، این نتیجه فعالیت گرداب ها در ضخامت اتر بود. مجموعه‌ای از حدس‌ها شامل بازتابی از حدس‌های صحیح در مورد وابستگی به فاصله بود.
نامه ای از نیوتن به هالی حاوی اطلاعاتی بود که پیشینیان خود سر آیزاک هوک، رن و بویو اسماعیل بودند. با این حال، هیچ کس قبل از او نتوانست به وضوح، با استفاده از روش های ریاضی، قانون گرانش و حرکت سیاره را به هم متصل کند.
تاریخ کشف قانون گرانش جهانی ارتباط نزدیکی با کار "اصول ریاضی فلسفه طبیعی" (1687) دارد. در این کار، نیوتن توانست قانون مورد بحث را به لطف قانون تجربی کپلر، که قبلاً در آن زمان شناخته شده بود، استخراج کند. او به ما نشان می دهد که:
- شکل حرکت هر سیاره مرئی نشان دهنده وجود یک نیروی مرکزی است؛
- نیروی جاذبه نوع مرکزی مدارهای بیضوی یا هذلولی را تشکیل می دهد.
درباره نظریه نیوتن
مرور تاریخچه مختصر کشف قانون گرانش جهانی نیز می تواند ما را به تعدادی تفاوت که آن را از فرضیه های قبلی متمایز می کند اشاره کند. نیوتن نه تنها به انتشار فرمول پیشنهادی پدیده مورد بررسی مشغول بود، بلکه مدلی از نوع ریاضی را به شکل کل نگر ارائه کرد:
- مدارک قانون گرانش؛
- قانون حرکت؛
- سیستماتیک روشهای تحقیق ریاضی.
این سه گانه قادر بود حتی پیچیده ترین حرکات اجرام آسمانی را کاملاً دقیق بررسی کند، بنابراین پایه ای برای مکانیک سماوی ایجاد کرد. تا آغاز فعالیت انیشتین در این مدل، وجود مجموعه ای اساسی از اصلاحات مورد نیاز نبود. فقط دستگاه ریاضی باید به طور قابل توجهی بهبود می یافت.
موضوع برای بحث
قانون کشف شده و اثبات شده در طول قرن هجدهم به موضوع شناخته شده ای از اختلافات فعال و بررسی های دقیق تبدیل شد. با این حال، قرن با توافق کلی با اصول و اظهارات او به پایان رسید. با استفاده از محاسبات قانون، می توان مسیرهای حرکت اجسام را در بهشت به طور دقیق مشخص کرد. یک بررسی مستقیم توسط هنری کاوندیش در سال 1798 انجام شد. او این کار را با استفاده از ترازوی پیچشی با حساسیت زیاد انجام داد. در تاریخ کشف قانون جهانی گرانش، باید جایگاه ویژه ای به تفاسیر ارائه شده توسط پواسون داد. او مفهوم پتانسیل گرانشی و معادله پواسون را توسعه داد که با آن می توان این را محاسبه کردپتانسیل. این نوع مدل امکان مطالعه میدان گرانشی را در حضور توزیع دلخواه ماده فراهم کرد.
در نظریه نیوتن مشکلات زیادی وجود داشت. اصلی ترین مورد را می توان غیرقابل توضیح بودن اقدامات دوربرد در نظر گرفت. پاسخ دقیق به این سوال که چگونه نیروهای جاذبه با سرعت نامحدود از فضای خلاء فرستاده می شوند، غیرممکن بود.
"تکامل" قانون
دویست سال بعد و حتی بیشتر از آن، بسیاری از فیزیکدانان تلاش کردند تا راه های مختلفی را برای بهبود نظریه نیوتن پیشنهاد کنند. این تلاش ها در سال 1915 به پیروزی رسید، یعنی ایجاد نظریه نسبیت عام، که توسط اینشتین ایجاد شد. او توانست بر تمام مشکلات غلبه کند. مطابق با اصل مطابقت، نظریه نیوتن تقریبی برای شروع کار بر روی یک نظریه به شکل کلی تر است که می تواند تحت شرایط خاصی اعمال شود:
- پتانسیل طبیعت گرانشی نمی تواند در سیستم های مورد مطالعه خیلی زیاد باشد. منظومه شمسی نمونه ای از رعایت تمام قوانین حرکت اجرام آسمانی است. پدیده نسبیتی خود را در تجلی قابل توجهی از تغییر حضیض می بیند.
- نرخ حرکت در این گروه از سیستم ها در مقایسه با سرعت نور ناچیز است.
شواهدی که نشان می دهد در یک میدان گرانشی ساکن ضعیف، محاسبات GR به شکل نیوتنی است، وجود پتانسیل گرانش اسکالر در یک میدان ساکن بامشخصه های ضعیف نیروها که می تواند شرایط معادله پواسون را برآورده کند.
مقیاس کوانتا
اما در تاریخ، نه کشف علمی قانون گرانش جهانی، نه نظریه نسبیت عام نمی تواند به عنوان نظریه گرانشی نهایی عمل کند، زیرا هر دو به اندازه کافی فرآیندهای نوع گرانشی را در کوانتوم توصیف نمی کنند. مقیاس تلاش برای ایجاد نظریه گرانشی کوانتومی یکی از مهمترین وظایف فیزیک مدرن است.
از نقطه نظر گرانش کوانتومی، برهمکنش بین اجسام توسط تبادل گراویتون های مجازی ایجاد می شود. مطابق با اصل عدم قطعیت، پتانسیل انرژی گراویتون های مجازی با فاصله زمانی که در آن وجود داشته، از نقطه گسیل توسط یک جسم تا نقطه ای در زمان که توسط یک نقطه دیگر جذب شده است، نسبت معکوس دارد.
با توجه به این موضوع، معلوم می شود که در مقیاس کوچکی از فواصل، برهمکنش اجسام مستلزم تبادل گراویتون های نوع مجازی است. با توجه به این ملاحظات، می توان حکم قانون پتانسیل نیوتن و وابستگی آن را مطابق با تناسب متقابل نسبت به فاصله به نتیجه رساند. قیاس بین قوانین کولن و نیوتن با این واقعیت توضیح داده می شود که وزن گراویتون ها برابر با صفر است. وزن فوتون ها هم همین معنی را دارد.
فریب
در برنامه درسی مدرسه، پاسخ به یک سوال از تاریخ، چگونهنیوتن قانون گرانش جهانی را کشف کرد، داستان سقوط یک میوه سیب است. طبق این افسانه بر سر دانشمندی افتاد. با این حال، این یک تصور غلط گسترده است، و در واقع، همه چیز می تواند بدون یک مورد مشابه از آسیب احتمالی سر انجام شود. خود نیوتن گاهی اوقات این افسانه را تأیید می کرد، اما در واقع قانون یک کشف خود به خودی نبود و در یک بینش لحظه ای به وجود نیامد. همانطور که در بالا نوشته شد، برای مدت طولانی توسعه یافت و برای اولین بار در آثار "اصول ریاضیات" ارائه شد، که در سال 1687 در معرض نمایش عمومی قرار گرفت.
