מי גילה את כוח המשיכה?

Send

ארבעה כוחות יסודיים שולטים בכל יחסי הגומלין ביקום. הם כוחות גרעיניים חלשים, כוחות גרעיניים חזקים, אלקטרומגנטיות וכוח כוח. מבין אלה, כוח המשיכה הוא אולי המסתורי ביותר. אמנם מובן זה זמן רב כיצד חוק הפיזיקה הזה פועל בסדר גודל מאקרו - המסדיר את מערכת השמש שלנו, הגלקסיות ומגדלי העל - אך כיצד הוא מתקשר עם שלושת הכוחות הבסיסיים האחרים נותר בגדר תעלומה.

מטבע הדברים, לבני אדם הייתה הבנה בסיסית של כוח זה מאז ימי קדם. וכשמדובר בהבנתנו המודרנית של כוח המשיכה, האשראי נדרש לאדם אחד שפענח את תכונותיו וכיצד הוא שולט בכל הדברים גדולים וקטנים - סר אייזק ניוטון. בזכות הפיזיקאי והמתמטיקאי האנגלי מהמאה ה -17, הבנתנו את היקום והחוקים השולטים בו תשתנה לנצח.

בעוד שכולנו מכירים את הדימוי האיקוני של אדם שישב מתחת לעץ תפוחים ונפילתו בראשו, תיאוריות הכובד של ניוטון ייצגו גם שיא של מחקר ששווה שנים, אשר בתורו התבסס על מאות שנים של ידע שנצבר. הוא היה מציג את התיאוריות האלה במגנום אופוס שלו, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ("עקרונות מתמטיים של פילוסופיה טבעית"), שפורסם לראשונה בשנת 1687.

בכרך זה ניווט ניוטון את מה שעתיד להיקרא שלוש חוקי התנועה שלו, אשר נגזרו מחוקי התנועה הפלנטרית של יוהנס קפלר ותיאור הכובד המתמטי שלו. חוקים אלה היו מניחים את היסוד של המכניקה הקלאסית, ויישארו ללא עוררין במשך מאות שנים - עד המאה העשרים והופעתה של תורת היחסות של איינשטיין.

פיסיקה עד המאה ה -17:

המאה ה -17 הייתה תקופה שמחה מאוד למדעים, עם פריצות דרך משמעותיות שהתרחשו בתחומי המתמטיקה, הפיזיקה, האסטרונומיה, הביולוגיה והכימיה. כמה מההתפתחויות הגדולות בתקופה כוללות פיתוח המודל ההליוצנטרי של מערכת השמש על ידי ניקולאוס קופרניקוס, העבודה החלוצית עם טלסקופים ואסטרונומיה תצפיתית על ידי גלילאו גליליי, ופיתוח האופטיקה המודרנית.

זה היה גם בתקופה זו שג'והנס קפלר פיתח את חוקי התנועה הפלנטרית שלו. חוקים אלה, שנוסחו בין 1609 ל- 1619, תיארו את תנועתם של כוכבי הלכת הידועים אז (מרקורי, ונוס, כדור הארץ, מאדים, צדק ושבתאי) סביב השמש. הם הצהירו כי:

כוכבי לכת נעים סביב השמש באליפסות, כאשר השמש נמצאת במוקד אחד
הקו המחבר את השמש לכוכב לכת סוחף אזורים שווים בזמנים שווים.
ריבוע התקופה המסלול של כוכב לכת פרופורציונלי לקוביה (הכוח השלישי) של המרחק הממוצע מהשמש בתוך (או במילים אחרות - של "הציר החצי-עיקרי" של האליפסה, חצי מסכום הקטן ביותר ו המרחק הגדול ביותר מהשמש).

חוקים אלה פתרו את הנושאים המתמטיים שנותרו שהועלו על ידי המודל ההליוצנטרי של קופרניקוס, ובכך הסירו את כל הספק שהוא המודל הנכון של היקום. מתוך עבודות אלו החל סר איזק ניוטון לשקול גרביטציה והשפעתה על מסלולי כוכבי לכת.

שלושת החוקים של ניוטון:

בשנת 1678, ניוטון ספג התמוטטות עצבים מוחלטת בגלל עבודת יתר וזיוף עם האסטרונום החבר רוברט הוק. במשך השנים הבאות הוא נסוג מהתכתבויות עם מדענים אחרים, למעט היכן שיזמו אותה, וחידש את התעניינותו במכניקה ואסטרונומיה. בחורף 1680-81, הופעתו של כוכב שביט, שעליו התכתב עם ג'ון פלמסטיד (האסטרונום המלכותי של אנגליה), חידשה גם היא את התעניינותו באסטרונומיה.

לאחר שעיין בחוקי התנועה של קפלר, ניוטון פיתח הוכחה מתמטית לכך שהצורה האליפטית של מסלולי כוכב לכת נובעת מכוח צנטריפטלי ביחס הפוך לריבוע של וקטור הרדיוס. ניוטון העביר את התוצאות הללו לאדמונד האלי (מגלה "השביט של היילי") ולחברה המלכותית בשלו De motu corporum in gyrum.

מסלול זה, שפורסם בשנת 1684, הכיל את הזרע של מה שניוטון יתרחב ויצר את מגנום אופוס שלו, ה- Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. חיבור זה, שפורסם ביולי 1687, הכיל את שלושת חוקי התנועה של ניוטון, שקבעו כי:

כאשר הוא נצפה במסגרת התייחסות אינרציאלית, אובייקט נותר במנוחה או ממשיך לנוע במהירות קבועה, אלא אם כן פועל על ידי כוח חיצוני.
סכום וקטורי של הכוחות החיצוניים (F) על עצם שווה למסה (M) של אותו אובייקט כפול עם וקטור ההאצה (א) של האובייקט. בצורה מתמטית זה בא לידי ביטוי כ- F =Mא
כאשר גוף אחד מפעיל כוח על גוף שני, הגוף השני מפעיל בו זמנית כוח השווה בעוצמתו והפוך לכיוון על הגוף הראשון.

יחד, חוקים אלה תיארו את היחסים בין כל אובייקט כלשהו, הכוחות הפועלים עליו והתנועה שהתקבלה, והניחו את הבסיס למכניקה הקלאסית. החוקים אפשרו גם לניוטון לחשב את המסה של כל כוכב לכת, את שטוח כדור הארץ בקטבים ואת התפיחה בקו המשווה, וכיצד משיכת הכבידה של השמש והירח יוצרת את גאות השפל של כדור הארץ.

באותה יצירה, ניוטון הציג שיטה דמוי-חישוב לניתוח גיאומטרי באמצעות 'יחסים ראשונים ואחרונים', ביצע את מהירות הצליל באוויר (בהתבסס על החוק של בויל), והסביר את תהלוכת השוויונים (אותם הראה היו תוצאה של משיכת הכבידה של הירח לכדור הארץ), יזם את המחקר הכבידתי של אי סדרים בתנועת הירח, סיפק תיאוריה לקביעת מסלולי שביט, ועוד ועוד.

ניוטון ו"האירוע של אפל ":

סיפורו של ניוטון עולה עם תיאוריית הכבידה האוניברסלית שלו כתוצאה מתפוח שנפל על ראשו הפך לבסיס תרבות פופולרית. ולמרות שלעתים קרובות נטען כי הסיפור אפוקריפי וניוטון לא המציא את התיאוריה שלו בשום רגע, ניוטון עצמו סיפר את הסיפור פעמים רבות וטען כי האירוע עורר בו השראה.

בנוסף, כתיבתו של ויליאם שטוקלי - איש דת אנגלי, עתיקאי ועמית חבר בחברה המלכותית - אישרו את הסיפור. אבל במקום הייצוג הקומי של התפוח מכה את ניוטון בראשו, תיאר סטוקלי בשלו זיכרונות מחייו של סר איזק ניוטון (1752) שיחה בה תיאר ניוטון מהרהר באופי הכובד תוך כדי צפייה בתפוח נופל.

"... נכנסנו לגן ושתינו תה בצל כמה יישומונים; רק הוא והעצמי שלי. בתוך שיח אחר, הוא אמר לי, הוא היה בדיוק באותו מצב, כמו שבעבר הרעיון של הכבידה עלה בראשו. "למה התפוח הזה תמיד יירד בניצב לאדמה," חשב לעצמו; היה נפילת תפוח ... "

ג'ון קונדויט, עוזרו של ניוטון במנטל המלכותי (שהתחתן בסופו של דבר עם אחייניתו), תיאר גם הוא את שמיעת הסיפור על פי סיפורו שלו על חייו של ניוטון. לדברי קונדויט, האירוע התרחש בשנת 1666 כאשר ניוטון נסע לפגוש את אמו בלינקולנשייר. בעודו מתנועע בגן, הוא חשב כיצד השפעת כוח הכבידה התרחבה הרבה מעבר לכדור הארץ, ואחראית לנפילת התפוח כמו גם למסלול הירח.

באופן דומה, וולטייר כתב את שלו מאמר על שירה אפית (1727) שניוטון חשב לראשונה על מערכת הכבידה בזמן שהלך בגנו וצפה בתפוח נופל מעץ. זה עולה בקנה אחד עם התווים של ניוטון משנות ה -60 של המאה העשרים, המראים שהוא התמודד עם הרעיון כיצד כוח הכבידה היבשתי משתרע, ביחס הפוך-ריבוע, לירח.

עם זאת, ייקח לו שני עשורים נוספים לפתח באופן מלא את התיאוריות שלו עד כדי כך שהוא הצליח להציע הוכחות מתמטיות, כפי שהודגם ב Principia. לאחר השלמתו, הוא הסיק כי אותו כוח הגורם לחפץ ליפול על האדמה היה אחראי לתנועות מסלוליות אחרות. לפיכך, הוא כינה זאת "גרביטציה אוניברסלית".

נטען כי עצים שונים הם "עץ התפוחים" אותו מתאר ניוטון. בית הספר של המלך, גרנתאם, טוען שבית הספר שלהם רכש את העץ המקורי, עקר אותו והעביר אותו לגינה של המנהל כמה שנים אחר כך. עם זאת, הנאמנות הלאומית, המחזיקה את אחוזת וולסטורפה (בה גדל ניוטון) באמון, טוענת כי העץ עדיין שוכן בגינתם. ניתן לראות צאצא של העץ המקורי שגדל מחוץ לשער הראשי של מכללת טריניטי, קיימברידג ', מתחת לחדר בו ניוטון התגורר כשלמד שם.

עבודתו של ניוטון תשפיע בצורה עמוקה על המדעים, כאשר עקרונותיה יישארו קאנוניים במשך 200 השנים הבאות. היא גם הודיעה על מושג הכבידה האוניברסאלי, שהפך לעמוד התווך של האסטרונומיה המודרנית, ולא יתוקן עד המאה העשרים - עם גילוי מכניקת הקוונטים ותורת היחסות הכללית של איינשטיין.

כתבנו מאמרים רבים ומעניינים על כוח המשיכה כאן במגזין החלל. הנה מי היה סר אייזק ניוטון ?, מי היה גלילאו גליליי ?, מה כוח הכובד ?, ומהו קבוע הכבידה?

לאסטרונומיה קאסט יש שני פרקים טובים בנושא. הנה פרק 37: עדשת כבידה, ופרק 102: כוח משיכה,

מקורות: