اكتشف الجاذبية؟

Send

تحكم أربع قوى أساسية جميع التفاعلات داخل الكون. إنها قوى نووية ضعيفة وقوى نووية قوية وكهرومغناطيسية وجاذبية. من بينها ، ربما تكون الجاذبية هي الأكثر غموضاً. في حين أنه من المفهوم لبعض الوقت كيف يعمل قانون الفيزياء هذا على النطاق الكلي - الذي يحكم نظامنا الشمسي ، والمجرات ، والكتل الفائقة - فإن كيفية تفاعله مع القوى الأساسية الثلاثة الأخرى لا يزال لغزا.

بطبيعة الحال ، كان لدى البشر فهم أساسي لهذه القوة منذ الأزل. وعندما يتعلق الأمر بفهمنا الحديث للجاذبية ، فإن الفضل يعود إلى رجل واحد قام بفك رموز خصائصه وكيف يحكم كل الأشياء العظيمة والصغيرة - السير إسحاق نيوتن. بفضل عالم الفيزياء والرياضيات الإنجليزي هذا في القرن السابع عشر ، سيتغير إلى الأبد فهمنا للكون والقوانين التي تحكمه.

في حين أننا جميعًا على دراية بالصورة الرمزية لرجل يجلس تحت شجرة تفاح ويسقط رأسه على رأسه ، فإن نظريات نيوتن عن الجاذبية تمثل أيضًا تتويجا لسنوات من البحث ، والتي استندت بدورها إلى قرون من المعرفة المتراكمة. كان سيقدم هذه النظريات في كتابه العظيم ، Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ("المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية") ، التي نُشرت لأول مرة عام 1687.

في هذا المجلد ، حدد نيوتن ما سيعرف باسم قوانينه الثلاثة للحركة ، والتي تم اشتقاقها من قوانين يوهانس كبلر لحركة الكواكب ووصفه الرياضي الخاص للجاذبية. ستضع هذه القوانين أساس الميكانيكا الكلاسيكية ، وستظل دون منازع لقرون - حتى القرن العشرين وظهور نظرية النسبية لأينشتاين.

الفيزياء بحلول القرن السابع عشر:

كان القرن السابع عشر وقتًا ميمونًا جدًا للعلوم ، حيث حدثت اختراقات كبيرة في مجالات الرياضيات والفيزياء وعلم الفلك وعلم الأحياء والكيمياء. بعض من أعظم التطورات في الفترة تشمل تطوير نموذج مركزية الشمس للنظام الشمسي من قبل نيكولاس كوبرنيكوس ، والعمل الرائد مع المقاريب وعلم الفلك للرصد بواسطة غاليليو جاليلي ، وتطوير البصريات الحديثة.

خلال هذه الفترة أيضًا ، طور يوهانس كبلر قوانين الحركة الكوكبية. صُممت هذه القوانين بين عامي 1609 و 1619 ، ووصفت حركة الكواكب المعروفة آنذاك (عطارد ، الزهرة ، الأرض ، المريخ ، المشتري وزحل) حول الشمس. وذكروا أن:

تتحرك الكواكب حول الشمس في الحذف ، مع التركيز على الشمس
الخط الذي يربط الشمس بكوكب يكتسح مناطق متساوية في أوقات متساوية.
يتناسب مربع الفترة المدارية لكوكب ما مع المكعب (القوة الثالثة) للمسافة المتوسطة من الشمس في (أو بعبارة أخرى - من "المحور شبه الرئيسي" للقطع الناقص ، نصف مجموع أصغر و أكبر مسافة من الشمس).

حلت هذه القوانين المسائل الرياضية المتبقية التي أثارها نموذج مركزية كوبرنيكوس ، وبالتالي إزالة كل الشك في أنه النموذج الصحيح للكون. انطلاقا من هذه ، بدأ السير إسحاق نيوتن يفكر في الجاذبية وتأثيرها على مدارات الكواكب.

قوانين نيوتن الثلاثة:

في عام 1678 ، عانى نيوتن من انهيار عصبي كامل بسبب الإفراط في العمل وخلاف مع زميله الفلكي روبرت هوك. في السنوات القليلة التالية ، انسحب من المراسلات مع علماء آخرين ، باستثناء المكان الذي بدأوا فيه ، وجدد اهتمامه بالميكانيكا وعلم الفلك. في شتاء 1680-1681 ، جدد ظهور مذنب ، الذي كان يتطابق معه مع جون فلامستيد (فلكي إنجلترا الملكي) اهتمامه بعلم الفلك.

بعد مراجعة قوانين الحركة الخاصة بكبلر ، طور نيوتن دليلاً رياضيًا على أن الشكل الإهليلجي لمدارات الكواكب سينتج عن قوة مركزية تتناسب عكسًا مع مربع ناقل نصف القطر. أبلغ نيوتن هذه النتائج إلى إدموند هالي (مكتشف "مذنب هالي") وإلى الجمعية الملكية في كتابه. De motu corporum in gyrum.

هذا المسالك ، المنشور في عام 1684 ، يحتوي على بذور ما سيوسعه نيوتن لتشكيل ماغنوم opus ، ال Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. تحتوي هذه الرسالة ، التي نُشرت في يوليو 1687 ، على قوانين نيوتن الثلاثة للحركة ، والتي تنص على ما يلي:

عند عرضه في إطار مرجعي بالقصور الذاتي ، يبقى الجسم في حالة راحة أو يستمر في التحرك بسرعة ثابتة ، ما لم يتم التصرف من خلال قوة خارجية.
مجموع المتجهات للقوى الخارجية (F) على جسم ما يساوي الكتلة (م) من ذلك الكائن مضروبًا في متجه التسارع (أ) للكائن. في الشكل الرياضي ، يتم التعبير عنها على النحو التالي: F =مأ
عندما يمارس جسم واحد قوة على جسم ثانٍ ، يمارس الجسم الثاني في نفس الوقت قوة مساوية في الحجم والعكس في الاتجاه على الجسم الأول.

وصفت هذه القوانين مجتمعة العلاقة بين أي جسم والقوى التي تعمل عليه والحركة الناتجة ، ووضع الأساس للميكانيكا الكلاسيكية. سمحت القوانين لنيوتن أيضًا بحساب كتلة كل كوكب ، وتسطيح الأرض عند القطبين ، والانتفاخ عند خط الاستواء ، وكيف يخلق سحب الجاذبية للشمس والقمر مد الأرض.

في نفس العمل ، قدم نيوتن طريقة تشبه التفاضل والتكامل للتحليل الهندسي باستخدام `` النسب الأولى والأخيرة '' ، وحددت سرعة الصوت في الهواء (بناءً على قانون بويل) ، وهو ما يمثل موكب الاعتدال (الذي أظهر أنه نتيجة لجاذبية القمر للأرض) ، بدأت دراسة الجاذبية للمخالفات في حركة القمر ، وقدمت نظرية لتحديد مدارات المذنبات ، وأكثر من ذلك بكثير.

نيوتن و "حادثة التفاح":

أصبحت قصة نيوتن القادمة مع نظريته عن الجاذبية العالمية نتيجة لسقوط تفاحة على رأسه أحد العناصر الأساسية للثقافة الشعبية. وبينما كان يُقال في كثير من الأحيان أن القصة ملفقة وأن نيوتن لم يبتكر نظريته في أي لحظة ، فقد أخبر نيوتن نفسه القصة عدة مرات وادعى أن الحادث قد ألهمه.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن كتابات ويليام ستوكلي - وهو رجل دين إنجليزي ، وعالم أثري وزميل في الجمعية الملكية - أكدت القصة. لكن بدلاً من التمثيل الهزلي للتفاح الذي يضرب نيوتن على رأسه ، وصف ستوكيلي في كتابه مذكرات حياة السير إسحاق نيوتن (1752) محادثة وصف فيها نيوتن التأمل في طبيعة الجاذبية أثناء مشاهدة سقوط التفاح.

"... ذهبنا إلى الحديقة ، وشربنا تحت ظل بعض التفاح الصغير ؛ فقط هو ، ونفسي. في خضم خطاب آخر ، قال لي ، إنه كان في نفس الموقف ، كما كان عندما كان يفكر في السابق بفكرة الجاذبية. "لماذا يجب أن تنزل تلك التفاحة دائمًا بشكل عمودي على الأرض" ، فكر في نفسه ؛ المناسبة بسقوط تفاحة ... "

كما وصف جون كوندويت ، مساعد نيوتن في دار السك الملكية (الذي تزوج ابنة أخته) سماع القصة في روايته الخاصة عن حياة نيوتن. وفقا لكوندويت ، وقع الحادث في عام 1666 عندما كان نيوتن مسافرا لمقابلة والدته في لينكولنشاير. أثناء التعرج في الحديقة ، فكر في كيفية امتداد تأثير الجاذبية بعيدًا عن الأرض ، المسؤول عن سقوط التفاح بالإضافة إلى مدار القمر.

وبالمثل ، كتب فولتير ن له مقال عن الشعر الملحمي (1727) أن نيوتن كان قد فكر لأول مرة في نظام الجاذبية أثناء المشي في حديقته ومشاهدة تفاحة تسقط من شجرة. يتماشى هذا مع ملاحظات نيوتن من ستينيات القرن السادس عشر ، والتي تُظهر أنه كان يتصارع مع فكرة كيف تمتد الجاذبية الأرضية ، في نسبة مربعة معكوسة ، إلى القمر.

ومع ذلك ، سيستغرق الأمر عقدين آخرين لتطوير نظرياته بالكامل إلى درجة أنه كان قادرًا على تقديم البراهين الرياضية ، كما هو موضح في برينسيبيا. بمجرد اكتمال ذلك ، استنتج أن نفس القوة التي تجعل الجسم يسقط على الأرض هي المسؤولة عن الحركات المدارية الأخرى. ومن ثم أطلق عليها "الجاذبية الكونية".

يزعم أن أشجار مختلفة هي "شجرة" التفاح التي يصفها نيوتن. تدعي مدرسة King's School ، Grantham ، أن مدرستهم اشترت الشجرة الأصلية ، واقتلعتها ، ونقلتها إلى حديقة المدير بعد بضع سنوات. ومع ذلك ، فإن الصندوق الاستئماني الوطني ، الذي يمسك وولستورب مانور (حيث نشأ نيوتن) في الثقة ، يدعي أن الشجرة لا تزال تقيم في حديقتهم. يمكن رؤية سليل الشجرة الأصلية وهي تنمو خارج البوابة الرئيسية لكلية ترينيتي ، كامبريدج ، أسفل الغرفة التي عاش فيها نيوتن عندما درس هناك.

سيكون لعمل نيوتن تأثير عميق على العلوم ، مع بقاء مبادئه شريعة للسنوات الـ200 التالية. كما أبلغت مفهوم الجاذبية الكونية ، التي أصبحت الدعامة الأساسية لعلم الفلك الحديث ، ولن يتم تنقيحها حتى القرن العشرين - مع اكتشاف ميكانيكا الكم ونظرية أينشتاين للنسبية العامة.

لقد كتبنا العديد من المقالات المثيرة للاهتمام حول الجاذبية هنا في مجلة الفضاء. هنا من كان السير إسحاق نيوتن ؟، من كان غاليليو غاليلي ؟، ما هي قوة الجاذبية ؟، وما هو ثابت الجاذبية؟

يحتوي فريق علم الفلك على حلقتين جيدتين حول هذا الموضوع. إليك الحلقة 37: عدسات الجاذبية ، والحلقة 102: الجاذبية ،

مصادر: