Одной из самых примечательных особенностей нашего мира является то, что если вы держите камень в руке и отпустите его, он падает на Землю. Сегодня это кажется нам совершенно очевидным. Однако, как мы теперь знаем, то же самое гравитационное притяжение удерживает Луну на орбите вокруг Земли и заставляет планеты вращаться вокруг Солнца. Интересно, что в древности ученые не понимали этой связи.
В IV веке до нашей эры Аристотель пытался объяснить, как движутся тела на Земле и во Вселенной в целом. Свои идеи он подробно изложил в произведении под названием «Физика».
Представление Аристотеля о природе
По мнению Аристотеля, некоторые вещи являются естественными, а другие возникают по иным причинам. К естественным он относил такие элементы, как земля, огонь, воздух и вода. Аристотель считал, что каждое тело имеет собственный принцип движения и покоя.
По его мнению, у каждого тела существует «естественное место». Например, камень падает на Землю, потому что его естественным местом является центр Земли. Огонь, наоборот, движется вверх. А движение небесных тел, как полагал Аристотель, является круговым.
Он также утверждал, что для того, чтобы тело двигалось с постоянной скоростью, на него должна постоянно действовать сила. Иными словами, для поддержания движения требуется непрерывное воздействие силы.
Естественное и неестественное движение
Аристотель делил движение на два вида:
-
Естественное движение — движение тела к своему естественному месту.
-
Неестественное движение — движение, вызванное внешней силой.
Например, когда камень бросают вверх, его движение считается неестественным, потому что оно вызвано внешним воздействием. Однако когда эта сила исчерпывается, камень снова падает на Землю и возвращается к своему естественному движению.
Эта теория существовала почти две тысячи лет и до XVI века считалась одной из основных концепций физики.
Идея о том, что тяжелые тела падают быстрее
Аристотель считал, что тяжелые тела падают быстрее легких. На первый взгляд это кажется разумным предположением. Например, если одновременно отпустить перо и кирпич, кирпич достигнет земли быстрее.
Однако на самом деле это связано с сопротивлением воздуха. Аристотель же объяснял это различием в массе тел.
Несмотря на ошибочность, его теория на протяжении двух тысячелетий оказывала огромное влияние на развитие науки. В средние века христианская церковь поддерживала идеи Аристотеля, поэтому ученым было крайне сложно их оспаривать.
Кеплер и Галилей: начало новой эпохи
В XVI–XVII веках ученые начали пересматривать идеи Аристотеля. Особенно важную роль в этом сыграли Иоганн Кеплер и Галилео Галилей.
Кеплер сформулировал два важнейших закона движения планет:
-
Планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, причем Солнце находится в одном из фокусов эллипса.
-
Линия, соединяющая планету с Солнцем, за равные промежутки времени описывает равные площади.
Эти законы впервые показали, что движение небесных тел не обязательно является круговым.
Галилей и движение падающих тел
Галилей опроверг еще одно утверждение Аристотеля. Он показал, что для движения тела с постоянной скоростью не требуется постоянное воздействие силы. Если на тело не действует сила, оно может продолжать движение.
Проводя эксперименты, Галилей обнаружил, что тела при падении на Землю постоянно ускоряются. Он также установил, что расстояние, которое проходит падающее тело, пропорционально квадрату времени.
Чтобы опровергнуть теорию Аристотеля, Галилей предложил знаменитый мысленный эксперимент. Он рассуждал так: если тяжелые тела падают быстрее, то что произойдет, если соединить тяжелый и легкий камень? Легкий камень должен замедлять тяжелый. Однако объединенное тело будет тяжелее, а значит, по теории Аристотеля, должно падать быстрее. Это противоречие показывает несостоятельность теории.
Маятник и гравитация
Галилей также изучал движение маятника. Он обнаружил, что движение маятника состоит из вертикальной и горизонтальной составляющих. Сила гравитации действует в вертикальном направлении.
Его наблюдения показали, что период колебаний маятника зависит не от массы груза, а главным образом от длины маятника.
Теория гравитации Декарта
В XVII веке французский философ Рене Декарт предложил другую теорию гравитации. Он считал, что во Вселенной нет пустоты, и всё пространство заполнено особой материей — эфиром.
По его мнению, когда планеты движутся через этот эфир, они создают вихри (вортексы). Эти вихри и удерживают планеты на орбитах вокруг Солнца.
Земля также окружена подобным вихрем эфира, и тяжелые тела движутся к центру Земли под действием этого потока.
Эта теория некоторое время считалась весьма убедительной, но позже оказалось, что она не полностью соответствует наблюдениям.
Революционная теория Ньютона
В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал знаменитую книгу «Principia», в которой сформулировал закон всемирного тяготения.
Согласно Ньютону, любые два тела во Вселенной притягиваются друг к другу. Сила притяжения:
пропорциональна произведению их масс
и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Этот закон объяснил:
падение камня на Землю
движение Луны вокруг Земли
движение планет вокруг Солнца
в рамках одного физического принципа.
Ньютон также показал, что законы движения планет Кеплера следуют именно из закона всемирного тяготения.
Парадокс теории Ньютона
Несмотря на успех теории, возник важный вопрос:
как два тела могут притягиваться друг к другу на расстоянии?
Ньютон не пытался дать ответ на этот вопрос. Он утверждал, что его теория объясняет как работает гравитация, но не объясняет почему она действует именно так.
Тем не менее его теория лучше всего соответствовала наблюдениям, поэтому со временем была принята научным сообществом.
Заключение
От идей Аристотеля о естественном движении до открытий Галилея и Кеплера, затем к вихревой теории Декарта и, наконец, к закону всемирного тяготения Ньютона — человечество прошло долгий путь в понимании силы гравитации.
Этот процесс показывает одну из главных особенностей науки:
теории со временем меняются, развиваются и заменяются более точными моделями.