Bài viết này sẽ tập trung vào lịch sử khám phá ra định luật vạn vật hấp dẫn. Ở đây chúng ta sẽ làm quen với thông tin tiểu sử từ cuộc đời của nhà khoa học đã khám phá ra tín điều vật lý này, xem xét các quy định chính của nó, mối quan hệ với lực hấp dẫn lượng tử, quá trình phát triển và nhiều hơn thế nữa.
Thiên tài
Ngài Isaac Newton là một nhà khoa học đến từ Anh. Một thời, ông đã dành nhiều sự quan tâm và nỗ lực cho các ngành khoa học như vật lý và toán học, đồng thời cũng mang lại rất nhiều điều mới mẻ cho cơ học và thiên văn học. Ông được coi là một trong những người sáng lập vật lý đầu tiên trong mô hình cổ điển của nó. Ông là tác giả của tác phẩm cơ bản "Các nguyên lý toán học của triết học tự nhiên", nơi ông trình bày thông tin về ba định luật cơ học và định luật vạn vật hấp dẫn. Isaac Newton đã đặt nền móng của cơ học cổ điển với những công trình này. Ông đã phát triển phép tính của loại vi phân và tích phân, lý thuyết ánh sáng. Ông cũng có những đóng góp lớn cho quang học vật lý.và phát triển nhiều lý thuyết khác trong vật lý và toán học.
Luật
Định luật vạn vật hấp dẫn và lịch sử khám phá ra nó từ năm 1666. Dạng cổ điển của nó là một định luật mô tả sự tương tác của loại lực hấp dẫn, không vượt ra ngoài khuôn khổ của cơ học.
Bản chất của nó là chỉ số của lực F của lực hút phát sinh giữa hai vật thể hoặc điểm của vật chất m1 và m2, cách nhau một khoảng r nhất định, tỷ lệ với cả hai chỉ số khối lượng và có tỷ lệ nghịch với khoảng cách bình phương giữa các phần:
F=G, trong đó G biểu thị hằng số hấp dẫn bằng 6, 67408 (31) • 10-11m3/ kgf2.
Lực hấp dẫn của Newton
Trước khi xem xét lịch sử khám phá ra định luật vạn vật hấp dẫn, chúng ta hãy xem xét kỹ hơn các đặc điểm chung của nó.
Theo lý thuyết do Newton tạo ra, tất cả các vật thể có khối lượng lớn đều phải tạo ra một trường đặc biệt xung quanh chúng, trường này thu hút các vật thể khác về phía chính nó. Nó được gọi là trường hấp dẫn và nó có tiềm năng.
Một vật thể có đối xứng cầu tạo thành một trường bên ngoài chính nó, tương tự như trường được tạo bởi một điểm vật chất có cùng khối lượng nằm ở trung tâm của vật thể.
Hướng của quỹ đạo của một điểm như vậy trong trường hấp dẫn, được tạo bởi một vật có khối lượng lớn hơn nhiều, tuân theo định luật Kepler. Các đối tượng của vũ trụ, chẳng hạn như,hành tinh hoặc sao chổi, cũng tuân theo anh ta, di chuyển theo hình elip hoặc hyperbol. Việc tính đến sự biến dạng mà các vật thể khổng lồ khác tạo ra được tính đến bằng cách sử dụng các quy định của lý thuyết nhiễu loạn.
Phân tích độ chính xác
Sau khi Newton khám phá ra định luật vạn vật hấp dẫn, nó đã phải được thử nghiệm và chứng minh nhiều lần. Đối với điều này, một số tính toán và quan sát đã được thực hiện. Sau khi đồng ý với các điều khoản của nó và tiến hành từ độ chính xác của chỉ số của nó, hình thức ước lượng thực nghiệm đóng vai trò là một xác nhận rõ ràng về GR. Phép đo tương tác tứ cực của một vật thể quay, nhưng anten của nó vẫn đứng yên, cho chúng ta thấy rằng quá trình tăng δ phụ thuộc vào điện thế r- (1 + δ), ở khoảng cách vài mét và nằm trong giới hạn (2, 1 ± 6, 2) • 10-3. Một số xác nhận thực tế khác đã cho phép luật này được thiết lập và ở dạng duy nhất, không có bất kỳ sửa đổi nào. Vào năm 2007, tín điều này đã được kiểm tra lại ở khoảng cách nhỏ hơn một cm (55 microns-9,59 mm). Tính đến các sai sót trong thí nghiệm, các nhà khoa học đã kiểm tra phạm vi khoảng cách và không tìm thấy sai lệch rõ ràng nào trong định luật này.
Quan sát quỹ đạo của Mặt trăng liên quan đến Trái đất cũng xác nhận tính hợp lệ của nó.
Không gian Euclid
Lý thuyết hấp dẫn cổ điển của Newton được liên kết với không gian Euclide. Đẳng thức thực tế với độ chính xác đủ cao (10-9) của các số đo khoảng cách ở mẫu số của đẳng thức được thảo luận ở trên cho chúng ta thấy cơ sở Euclide của không gian cơ học Newton, với ba -dạng vật chất không gian. TẠIđối với một điểm vật chất như vậy, diện tích của một mặt cầu tỷ lệ chính xác với giá trị của bình phương bán kính của nó.
Dữ liệu từ lịch sử
Chúng ta hãy xem xét một bản tóm tắt ngắn gọn về lịch sử khám phá ra định luật vạn vật hấp dẫn.
Ý tưởng được đưa ra bởi các nhà khoa học khác sống trước Newton. Epicurus, Kepler, Descartes, Roberval, Gassendi, Huygens và những người khác đã đến thăm và phản ánh về nó. Kepler cho rằng lực hấp dẫn tỷ lệ nghịch với khoảng cách từ ngôi sao của Mặt trời và chỉ có sự phân bố trong các mặt phẳng hoàng đạo; Theo Descartes, đó là hệ quả của hoạt động của các xoáy trong độ dày của ête. Có một loạt các dự đoán phản ánh các dự đoán chính xác về sự phụ thuộc vào khoảng cách.
Một bức thư của Newton gửi cho Halley chứa thông tin rằng những người tiền nhiệm của chính Ngài Isaac là Hooke, Wren và Buyo Ismael. Tuy nhiên, không ai trước anh ta có thể rõ ràng, bằng cách sử dụng các phương pháp toán học, kết nối định luật trọng lực và chuyển động của hành tinh.
Lịch sử phát hiện ra định luật vạn vật hấp dẫn gắn liền với tác phẩm "Các nguyên lý toán học của triết học tự nhiên" (1687). Trong công trình này, Newton đã có thể suy ra định luật được đề cập nhờ vào định luật thực nghiệm của Kepler, vốn đã được biết đến vào thời điểm đó. Anh ấy cho chúng ta thấy rằng:
- hình thức chuyển động của bất kỳ hành tinh khả kiến nào chỉ ra sự hiện diện của lực trung tâm;
- Lực hút của loại trung tâm tạo thành quỹ đạo hình elip hoặc hypebol.
Về lý thuyết của Newton
Xem lại lịch sử ngắn gọn về việc khám phá ra định luật vạn vật hấp dẫn cũng có thể cho chúng ta thấy một số điểm khác biệt khiến nó trở nên khác biệt so với các giả thuyết trước đây. Newton không chỉ tham gia vào việc xuất bản công thức đề xuất của hiện tượng đang được xem xét, mà còn đề xuất một mô hình của một loại toán học ở dạng tổng thể:
- điều khoản về luật trọng lực;
- quy chế về quy luật chuyển động;
- hệ thống hóa các phương pháp nghiên cứu toán học.
Bộ ba này có thể điều tra khá chính xác ngay cả những chuyển động phức tạp nhất của các thiên thể, do đó tạo ra cơ sở cho cơ học thiên thể. Cho đến thời điểm bắt đầu hoạt động của Einstein trong mô hình này, không cần phải có sự hiện diện của một tập hợp các hiệu chỉnh cơ bản. Chỉ có bộ máy toán học phải được cải tiến đáng kể.
Đối tượng thảo luận
Luật được khám phá và chứng minh trong suốt thế kỷ thứ mười tám đã trở thành một chủ đề nổi tiếng của các cuộc tranh chấp tích cực và kiểm tra kỹ lưỡng. Tuy nhiên, thế kỷ này đã kết thúc với một thỏa thuận chung với các định đề và tuyên bố của ông. Sử dụng các tính toán của định luật, người ta có thể xác định chính xác đường chuyển động của các thiên thể. Một cuộc kiểm tra trực tiếp đã được thực hiện bởi Henry Cavendish vào năm 1798. Anh ấy đã làm điều này bằng cách sử dụng cân dạng xoắn với độ nhạy rất cao. Trong lịch sử khám phá ra định luật vạn vật hấp dẫn, cần phải dành một vị trí đặc biệt cho những cách giải thích do Poisson đưa ra. Ông đã phát triển khái niệm thế năng hấp dẫn và phương trình Poisson, từ đó có thể tính toántiềm năng. Loại mô hình này giúp chúng ta có thể nghiên cứu trường hấp dẫn khi có sự phân bố vật chất tùy ý.
Có rất nhiều khó khăn trong lý thuyết của Newton. Điều chính có thể được coi là không thể giải thích được của hành động tầm xa. Không thể trả lời chính xác câu hỏi làm thế nào lực hút được truyền qua không gian chân không với tốc độ vô hạn.
"Sự tiến hóa" của luật
Hai trăm năm tiếp theo, và thậm chí hơn thế nữa, nhiều nhà vật lý đã nỗ lực đề xuất nhiều cách khác nhau để cải thiện lý thuyết của Newton. Những nỗ lực này đã kết thúc thành công vào năm 1915, đó là sự ra đời của Thuyết Tương đối Tổng quát, do Einstein tạo ra. Anh ấy đã có thể vượt qua toàn bộ khó khăn. Theo nguyên tắc tương ứng, lý thuyết của Newton hóa ra là một sự gần đúng với sự khởi đầu của công việc về một lý thuyết ở dạng tổng quát hơn, có thể được áp dụng trong một số điều kiện nhất định:
- Tiềm năng của bản chất hấp dẫn không được quá lớn trong các hệ thống đang nghiên cứu. Hệ mặt trời là một ví dụ về sự tuân thủ tất cả các quy tắc cho sự chuyển động của các thiên thể. Hiện tượng tương đối tính cho thấy chính nó là một biểu hiện đáng chú ý của sự dịch chuyển điểm cận nhật.
- Tốc độ chuyển động trong nhóm hệ thống này không đáng kể so với tốc độ ánh sáng.
Chứng minh rằng trong trường hấp dẫn đứng yên yếu, các phép tính GR có dạng Newton là sự hiện diện của thế năng hấp dẫn vô hướng trong trường đứng yên vớiCác đặc trưng của lực được biểu thị yếu, có thể thỏa mãn các điều kiện của phương trình Poisson.
Quy mô lượng tử
Tuy nhiên, trong lịch sử, cả khám phá khoa học về định luật vạn vật hấp dẫn và Thuyết Tương đối Tổng quát đều không thể coi là lý thuyết hấp dẫn cuối cùng, vì cả hai đều không mô tả đầy đủ các quá trình của loại hấp dẫn trên lượng tử tỉ lệ. Nỗ lực tạo ra lý thuyết hấp dẫn lượng tử là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của vật lý hiện đại.
Theo quan điểm của lực hấp dẫn lượng tử, tương tác giữa các vật thể được tạo ra bởi sự trao đổi của các hấp dẫn ảo. Theo nguyên lý bất định, thế năng của các hạt hấp dẫn ảo tỷ lệ nghịch với khoảng thời gian mà nó tồn tại, từ thời điểm một vật phát xạ đến thời điểm nó bị một điểm khác hấp thụ.
Theo quan điểm này, hóa ra là ở một quy mô nhỏ khoảng cách, sự tương tác của các vật thể kéo theo sự trao đổi của các graviton loại ảo. Nhờ những cân nhắc này, có thể kết luận quy định về định luật thế năng Newton và sự phụ thuộc của nó phù hợp với nghịch đảo của tỷ lệ thuận với khoảng cách. Sự tương đồng giữa các định luật Coulomb và Newton được giải thích là do trọng lượng của các hạt hấp dẫn bằng không. Trọng lượng của các photon có cùng ý nghĩa.
Lừa dối
Trong chương trình giảng dạy ở trường, câu trả lời cho một câu hỏi từ lịch sử, làm thế nàoNewton khám phá ra định luật vạn vật hấp dẫn, là câu chuyện về quả táo rơi. Theo truyền thuyết, nó rơi xuống đầu của một nhà khoa học. Tuy nhiên, đây là một quan niệm sai lầm phổ biến và trên thực tế, mọi thứ đều có thể làm được nếu không có trường hợp chấn thương đầu tương tự. Bản thân Newton đôi khi cũng xác nhận điều hoang đường này, nhưng trên thực tế, định luật này không phải là một khám phá tự phát và không đến từ một cái nhìn sâu sắc nhất thời. Như đã viết ở trên, nó đã được phát triển trong một thời gian dài và được giới thiệu lần đầu tiên trong các tác phẩm về "Các nguyên lý của Toán học", xuất hiện trước công chúng vào năm 1687.
