ประวัติศาสตร์การค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากล - คำอธิบาย คุณลักษณะ และข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

บทความนี้จะเน้นที่ประวัติศาสตร์การค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากล เราจะทำความคุ้นเคยกับข้อมูลชีวประวัติจากชีวิตของนักวิทยาศาสตร์ที่ค้นพบหลักคำสอนทางกายภาพนี้ พิจารณาบทบัญญัติหลัก ความสัมพันธ์กับแรงโน้มถ่วงควอนตัม หลักสูตรของการพัฒนา และอื่นๆ อีกมากมาย

อัจฉริยะ

เซอร์ไอแซก นิวตัน นักวิทยาศาสตร์จากอังกฤษ ครั้งหนึ่งเขาทุ่มเทความสนใจและทุ่มเทอย่างมากให้กับวิทยาศาสตร์ เช่น ฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ และยังนำสิ่งใหม่ๆ มากมายมาสู่กลศาสตร์และดาราศาสตร์ เขาได้รับการพิจารณาอย่างถูกต้องว่าเป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้งฟิสิกส์คนแรกในรูปแบบคลาสสิก เขาเป็นผู้เขียนงานพื้นฐาน "หลักการทางคณิตศาสตร์ของปรัชญาธรรมชาติ" ซึ่งเขานำเสนอข้อมูลเกี่ยวกับกฎสามข้อของกลศาสตร์และกฎความโน้มถ่วงสากล Isaac Newton วางรากฐานของกลศาสตร์คลาสสิกด้วยผลงานเหล่านี้ เขาพัฒนาแคลคูลัสของประเภทดิฟเฟอเรนเชียลและอินทิกรัล ทฤษฎีแสง นอกจากนี้ เขายังมีส่วนสำคัญในด้านทัศนศาสตร์ทางกายภาพอีกด้วยและพัฒนาทฤษฎีอื่นๆ มากมายในด้านฟิสิกส์และคณิตศาสตร์

กฎหมาย

กฎความโน้มถ่วงสากลและประวัติศาสตร์การค้นพบมีมาตั้งแต่ปี 1666 รูปแบบคลาสสิกของมันคือกฎที่อธิบายปฏิสัมพันธ์ของประเภทความโน้มถ่วง ซึ่งไม่ได้อยู่นอกเหนือกรอบของกลศาสตร์

สาระสำคัญคือตัวบ่งชี้ของแรง F ของแรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นระหว่าง 2 วัตถุหรือจุดของสสาร m1 และ m2 แยกออกจากกันด้วยระยะทางที่แน่นอน r เป็นสัดส่วนกับตัวบ่งชี้มวลทั้งสองและมี สัดส่วนผกผันกับระยะห่างระหว่างวัตถุ:

F=G โดยที่ G หมายถึงค่าคงตัวโน้มถ่วงเท่ากับ 6, 67408(31)•10^-11 m³ / kgf².

แรงโน้มถ่วงของนิวตัน

ก่อนที่จะพิจารณาประวัติศาสตร์การค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากล เรามาดูลักษณะทั่วไปของมันให้ละเอียดยิ่งขึ้นกัน

ในทฤษฎีที่สร้างขึ้นโดยนิวตัน วัตถุทั้งหมดที่มีมวลมากจะต้องสร้างสนามพิเศษรอบๆ ตัวพวกมัน ซึ่งดึงดูดวัตถุอื่นๆ มาสู่ตัวมันเอง เรียกว่าสนามโน้มถ่วง และมีศักยภาพ

วัตถุที่มีสมมาตรทรงกลมสร้างสนามภายนอกตัวเอง คล้ายกับที่สร้างโดยจุดวัสดุที่มีมวลเดียวกันซึ่งอยู่ตรงกลางลำตัว

ทิศทางของวิถีโคจรของจุดดังกล่าวในสนามโน้มถ่วงที่สร้างขึ้นโดยวัตถุที่มีมวลใหญ่กว่ามาก เป็นไปตามกฎของเคปเลอร์ วัตถุของจักรวาล เช่นดาวเคราะห์หรือดาวหางก็เชื่อฟังเขาด้วยการเคลื่อนที่ในวงรีหรือไฮเปอร์โบลา การบัญชีสำหรับการบิดเบือนที่วัตถุขนาดใหญ่อื่น ๆ สร้างขึ้นนั้นพิจารณาโดยใช้บทบัญญัติของทฤษฎีการก่อกวน

กำลังวิเคราะห์

หลังจากที่นิวตันค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากล ก็ต้องผ่านการทดสอบและพิสูจน์หลายครั้ง ด้วยเหตุนี้จึงมีการคำนวณและการสังเกตจำนวนหนึ่ง เมื่อทำข้อตกลงกับบทบัญญัติและดำเนินการจากความถูกต้องของตัวบ่งชี้แล้ว รูปแบบการประมาณการทดลองทำหน้าที่เป็นเครื่องยืนยันที่ชัดเจนของ GR การวัดปฏิสัมพันธ์ของวัตถุสี่ส่วนของร่างกายที่หมุน แต่เสาอากาศยังคงนิ่ง แสดงให้เราเห็นว่ากระบวนการเพิ่มขึ้น δ ขึ้นอยู่กับศักยภาพ r ^{- (1+δ)} ที่ระยะห่าง หลายเมตรและอยู่ในขอบเขต (2, 1±6, 2)•10^-3 การยืนยันเชิงปฏิบัติอื่นๆ จำนวนหนึ่งทำให้กฎหมายฉบับนี้ได้รับการจัดตั้งขึ้นและใช้รูปแบบเดียวโดยไม่มีการปรับเปลี่ยนใดๆ ในปี 2550 หลักคำสอนนี้ได้รับการตรวจสอบอีกครั้งในระยะห่างน้อยกว่าหนึ่งเซนติเมตร (55 ไมครอน-9.59 มม.) โดยคำนึงถึงข้อผิดพลาดในการทดลอง นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจสอบช่วงระยะทางและพบว่าไม่มีความเบี่ยงเบนที่ชัดเจนในกฎหมายนี้

การสังเกตการโคจรของดวงจันทร์ที่สัมพันธ์กับโลกก็ยืนยันความถูกต้องเช่นกัน

อวกาศยุคลิด

ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงแบบคลาสสิกของนิวตันเชื่อมโยงกับอวกาศแบบยุคลิด ความเท่าเทียมกันจริงที่มีความแม่นยำสูงเพียงพอ (10^-9) ของการวัดระยะทางในตัวส่วนของความเท่าเทียมกันที่กล่าวถึงข้างต้นแสดงให้เราเห็นพื้นฐานของช่องว่างของกลศาสตร์ของนิวตันกับสาม - รูปร่างมิติ ที่สำหรับประเด็นดังกล่าว พื้นที่ของพื้นผิวทรงกลมเป็นสัดส่วนกับค่าของสี่เหลี่ยมจัตุรัสของรัศมีพอดี

ข้อมูลจากประวัติ

ลองพิจารณาบทสรุปโดยสังเขปของประวัติศาสตร์การค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากลกัน

ความคิดถูกหยิบยกขึ้นมาโดยนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ที่มีชีวิตอยู่ก่อนนิวตัน Epicurus, Kepler, Descartes, Roberval, Gassendi, Huygens และคนอื่น ๆ ได้เยี่ยมชมการไตร่ตรองเกี่ยวกับเรื่องนี้ เคปเลอร์แนะนำว่าแรงโน้มถ่วงเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะห่างจากดาวของดวงอาทิตย์และมีการกระจายตัวในระนาบสุริยุปราคาเท่านั้น ตาม Descartes มันเป็นผลมาจากกิจกรรมของ vortices ในความหนาของอีเธอร์ มีการเดาชุดหนึ่งที่มีการสะท้อนของการเดาที่ถูกต้องเกี่ยวกับการพึ่งพาระยะทาง

จดหมายจากนิวตันถึงฮัลลีย์มีข้อมูลที่ว่าผู้บุกเบิกของเซอร์ไอแซกเองคือฮุค นกกระจิบ และบูโย อิสมาเอล อย่างไรก็ตาม ไม่มีใครก่อนหน้าเขาสามารถเชื่อมโยงกฎแรงโน้มถ่วงและการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ได้อย่างชัดเจนโดยใช้วิธีการทางคณิตศาสตร์

ประวัติความเป็นมาของการค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากลนั้นเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับงาน "หลักการทางคณิตศาสตร์ของปรัชญาธรรมชาติ" (1687) ในงานนี้ นิวตันสามารถได้มาซึ่งกฎที่เป็นปัญหาด้วยกฎเชิงประจักษ์ของเคปเลอร์ ซึ่งทราบกันดีอยู่แล้วในขณะนั้น เขาแสดงให้เราเห็นว่า:

• รูปแบบการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ใดๆ ที่มองเห็นได้บ่งชี้ว่ามีศูนย์กลางอยู่
• แรงดึงดูดของประเภทศูนย์กลางก่อตัวเป็นวงรีหรือไฮเพอร์โบลิกออร์บิท

เกี่ยวกับทฤษฎีของนิวตัน

การทบทวนประวัติโดยสังเขปของการค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากลยังชี้ให้เห็นถึงความแตกต่างจำนวนหนึ่งที่ทำให้มันแตกต่างจากสมมติฐานก่อนหน้านี้ นิวตันไม่ได้มีส่วนร่วมเพียงในการตีพิมพ์สูตรที่เสนอของปรากฏการณ์ที่อยู่ระหว่างการพิจารณา แต่ยังเสนอแบบจำลองของประเภททางคณิตศาสตร์ในรูปแบบองค์รวม:

• บทบัญญัติเกี่ยวกับกฎแรงโน้มถ่วง
• กฎแห่งการเคลื่อนไหว
• วิธีการวิจัยทางคณิตศาสตร์อย่างเป็นระบบ

กลุ่มสามกลุ่มนี้สามารถตรวจสอบการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนที่สุดของวัตถุท้องฟ้าได้อย่างแม่นยำ จึงเป็นการสร้างพื้นฐานสำหรับกลไกท้องฟ้า จนถึงจุดเริ่มต้นของกิจกรรมของ Einstein ในรูปแบบนี้ ไม่จำเป็นต้องมีชุดการแก้ไขพื้นฐาน เฉพาะเครื่องมือทางคณิตศาสตร์เท่านั้นที่ต้องได้รับการปรับปรุงอย่างมาก

วัตถุสำหรับการสนทนา

กฎหมายที่ค้นพบและพิสูจน์แล้วตลอดศตวรรษที่สิบแปดกลายเป็นประเด็นที่รู้จักกันดีในเรื่องข้อพิพาทและการตรวจสอบอย่างถี่ถ้วน อย่างไรก็ตาม ศตวรรษนี้จบลงด้วยข้อตกลงทั่วไปกับสมมุติฐานและถ้อยแถลงของเขา การใช้การคำนวณของกฎหมายทำให้สามารถกำหนดเส้นทางการเคลื่อนที่ของวัตถุในสวรรค์ได้อย่างแม่นยำ Henry Cavendish ทำการตรวจสอบโดยตรงในปี พ.ศ. 2341 เขาทำสิ่งนี้โดยใช้เครื่องชั่งแบบบิดเกลียวที่มีความไวสูง ในประวัติศาสตร์ของการค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากล จำเป็นต้องจัดสรรสถานที่พิเศษให้กับการตีความที่ปัวซองแนะนำ เขาได้พัฒนาแนวคิดเรื่องศักย์โน้มถ่วงและสมการปัวซอง ซึ่งมันเป็นไปได้ที่จะคำนวณสิ่งนี้ศักยภาพ. แบบจำลองประเภทนี้ทำให้สามารถศึกษาสนามโน้มถ่วงเมื่อมีการกระจายตัวของสสารตามอำเภอใจ

ทฤษฎีของนิวตันมีปัญหามากมาย สิ่งหลักอาจถือได้ว่าเป็นความลึกลับของการกระทำระยะไกล เป็นไปไม่ได้ที่จะตอบคำถามอย่างแม่นยำว่าแรงดึงดูดถูกส่งผ่านพื้นที่สุญญากาศด้วยความเร็วอนันต์ได้อย่างไร

"วิวัฒนาการ"ของกฎหมาย

สองร้อยปีข้างหน้า นักฟิสิกส์หลายคนพยายามเสนอวิธีต่างๆ เพื่อปรับปรุงทฤษฎีของนิวตัน ความพยายามเหล่านี้สิ้นสุดลงด้วยชัยชนะในปี ค.ศ. 1915 กล่าวคือการสร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปซึ่งสร้างโดยไอน์สไตน์ เขาสามารถเอาชนะความยากลำบากทั้งหมดได้ ตามหลักการโต้ตอบ ทฤษฎีของนิวตันกลายเป็นการประมาณการเริ่มต้นของงานเกี่ยวกับทฤษฎีในรูปแบบทั่วไปมากขึ้น ซึ่งสามารถนำไปใช้ได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการ:

1. ศักยภาพของธรรมชาติความโน้มถ่วงต้องไม่ใหญ่เกินไปในระบบที่กำลังศึกษา ระบบสุริยะเป็นตัวอย่างของการปฏิบัติตามกฎการเคลื่อนที่ของเทห์ฟากฟ้า ปรากฏการณ์เชิงสัมพัทธภาพพบว่าตัวเองกำลังแสดงการเปลี่ยนแปลงที่ดวงอาทิตย์ตกอย่างเห็นได้ชัด
2. อัตราการเคลื่อนไหวในกลุ่มของระบบนี้เล็กน้อยเมื่อเทียบกับความเร็วของแสง

พิสูจน์ว่าในสนามโน้มถ่วงคงที่ที่อ่อนแอ การคำนวณ GR อยู่ในรูปของนิวโทเนียนคือการมีอยู่ของศักย์เกลาของสเกลาร์ในสนามนิ่งด้วยแสดงลักษณะของแรงอ่อนๆ ซึ่งสามารถตอบสนองเงื่อนไขของสมการปัวซองได้

สเกลควอนตา

อย่างไรก็ตาม ในประวัติศาสตร์ การค้นพบทางวิทยาศาสตร์ของกฎความโน้มถ่วงสากล หรือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปไม่สามารถนำมาใช้เป็นทฤษฎีความโน้มถ่วงสุดท้ายได้ เนื่องจากทั้งคู่ไม่ได้อธิบายกระบวนการของประเภทความโน้มถ่วงบนควอนตัมอย่างเพียงพอ มาตราส่วน. ความพยายามที่จะสร้างทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัมเป็นหนึ่งในภารกิจที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์สมัยใหม่

จากมุมมองของแรงโน้มถ่วงควอนตัม ปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุถูกสร้างขึ้นโดยการแลกเปลี่ยนแรงโน้มถ่วงเสมือน ตามหลักการความไม่แน่นอน ศักย์พลังงานของแรงโน้มถ่วงเสมือนจะแปรผกผันกับช่วงเวลาที่มีอยู่ จากจุดที่ปล่อยโดยวัตถุหนึ่งไปยังจุดที่จุดอื่นดูดซับไว้

ในเรื่องนี้ ปรากฎว่าในระยะเล็กๆ ปฏิสัมพันธ์ของร่างกายทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนแรงโน้มถ่วงแบบเสมือน ด้วยข้อพิจารณาเหล่านี้ จึงเป็นไปได้ที่จะสรุปบทบัญญัติเกี่ยวกับกฎแห่งศักย์ของนิวตันและการพึ่งพาอาศัยกันของนิวตันตามส่วนกลับของสัดส่วนที่สัมพันธ์กับระยะทาง การเปรียบเทียบระหว่างกฎของคูลอมบ์กับนิวตันอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าน้ำหนักของแรงโน้มถ่วงเท่ากับศูนย์ น้ำหนักของโฟตอนมีความหมายเหมือนกัน

หลอกลวง

ในหลักสูตรโรงเรียน ตอบคำถามจากประวัติศาสตร์ว่าอย่างไรนิวตันค้นพบกฎความโน้มถ่วงสากล เป็นเรื่องราวของผลแอปเปิลที่ร่วงหล่น ตามตำนานนี้ มันตกลงบนศีรษะของนักวิทยาศาสตร์ อย่างไรก็ตาม นี่เป็นความเข้าใจผิดอย่างกว้างขวาง และอันที่จริง ทุกสิ่งทุกอย่างสามารถทำได้โดยไม่ต้องมีอาการบาดเจ็บที่ศีรษะในลักษณะเดียวกัน บางครั้งนิวตันเองก็ยืนยันตำนานนี้ แต่ในความเป็นจริง กฎไม่ใช่การค้นพบที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและไม่ได้เกิดความเข้าใจอย่างถ่องแท้ชั่วขณะ ตามที่เขียนไว้ข้างต้น ได้รับการพัฒนามาเป็นเวลานานและนำเสนอเป็นครั้งแรกในผลงานเรื่อง "Principles of Mathematics" ซึ่งปรากฏต่อสาธารณะในปี 1687