Ньютон открыл закон всемирного тяготения, в котором гравитация была описана как сила притяжения между всеми телами без исключения. Согласно этому закону между любой парой тел во Вселенной действует сила взаимного
притяжения. Как и все физические законы, он представлен в форме математического уравнения. Если M и m - массы двух тел, D - расстояние между ними, тогда сила взаимного гравитационного притяжения F между ними равна:
F = GMm
D2
где G - гравитационная постоянная, определяемая экспериментально. В единицах СИ ее значение составляет примерно 6,67 10-11 Н • м
Закон всемирного тяготения наглядно иллюстрирует различные явления природы, в которых гравитация играет важную роль. С помощью этого закона можно не только объяснить движение небесных тел, но и разобраться в сложной проблеме строения и эволюции Солнца и звезд. Ученые пользуются этим законом для вычисления траекторий космических аппаратов, времени стыковок на космических орбитах, запусков ракет.
Результаты ньютоновских обчилень теперь называют законом всемирного тяготения Ньютона. В первых двух законах говорится о специфике орбитальных траекторий отдельно взятой планеты. Третий закон Кеплера позволяет сравнить орбиты планет между собой. В нем говорится, что чем дальше от Солнца находится планета, тем больше идет ее полный оборот при движении по орбите и тем дольше, соответственно, продолжается «год» на этой планете. Сегодня мы знаем, что это обусловлено двумя факторами. Во-первых, чем дальше планета находится от Солнца, тем длиннее периметр ее орбиты. Во-вторых, в соответствии с ростом расстояния от Солнца снижается и линейная скорость движения планеты. В своих законах Кеплер просто констатировал факты, изучив и обобщив результаты наблюдений. Если бы вы спросили его, чем обусловлена эллиптичность орбит или равенство площадей секторов, он бы вам не ответил. Это просто следовало из проведенного им анализа. Если бы вы спросили его об орбитальном движении планет в других звездных системах, он также не нашел бы, что вам ответить. Ему бы пришлось начинать все сначала - накапливать данные наблюдений, затем анализировать их и стараться выявить закономерности. Есть у него просто не было бы оснований считать, что другая планетная система подчиняется тем же законам, что и Солнечная система.
Третий закон Кеплера играл и играет играет важную роль в современной космологии. Наблюдая за далекими галактиками, астрофизики регистрируют слабые сигналы, испускают атомы водорода, которые вращаются по очень удаленных от галактического центра орбитам - гораздо дальше, чем обычно находятся звезды. По спектрам этого излучения ученые определяют скорости вращения водородной периферии галактического диска, а за ними - и угловые скорости галактик в целом. Один из величайших триумфов классической механики Ньютона как раз и заключается в том, что она дает фундаментальное обоснование законам Кеплера и утверждает их универсальность. Оказывается, законы Кеплера можно вывести из законов Ньютона и принципа сохранения момента импульса путем четких математических выкладок. А если так, мы можем быть уверены, что законы Кеплера в равной степени применимы к любой планетной системе в любой точке Вселенной. Астрономы, ищут в мировом пространстве новые планетные системы (а открыто их уже довольно много), то и дело применяют уравнения Кеплера для вычисления параметров орбит далеких планет, хотя и не могут наблюдать их непосредственно.
Однако и Кеплер, и раньше великий польский астроном Николай Коперник только умозрительно рассуждали о возможности притяжения небесных тел. Первые подлинно научные исследования земного притяжения провел гениальный итальянский астроном и естествоиспытатель Галилео Галилей. Обычно он ставил опыты со свободным падением тел в поле земного тяготения, дополняя это замечательными воображаемыми экспериментами и различными вариантами измерений времени скатывания шаров по отполированных желобах (так великий ученый «уменьшал» притяжение для наглядности и точности опытов).
Коперник, Кеплер и Галилей были научными свидетельство величайшего открытия в истории человечества, а именно оно связано с именами двух чрезвычайно одаренных и талантливых ученых - Робертом Гуком и Исааком Ньютоном. Современные историки науки на основании новейших архивных исследований считают, что приоритет открытия закона всемирного тяготения все же принадлежит выдающемуся английскому ученому и изобретателю Гука. Тем не менее, в большинстве учебников физики имя Гука вообще не вспоминают и приводят закон всемирного тяготения Ньютона. Возможно, что в будущих руководствах это уже будет закон Гука-Ньютона.
Найдено Гуком и Ньютоном количественное формулировки закона притяжения помогло с высокой точностью вычислить орбиты планет и создать первую математическую модель Вселенной. Триумфальное вхождение закона всемирного тяготения в науку начался после публикации Ньютоном своей знаменитой работе «Математические начала натуральной философии». В этой же книге всех времен и народов гениальный физик раскрыл изумленному человечеству великую тайну гравитации связывает земные и космические явления в теории падения тел и движения планет. Закон всемирного тяготения Ньютона, который стал первым научным законом, описывает действие наиболее универсальной силы во всей Вселенной, гласил: каждые две частицы материи притягивают взаимно одну одну или притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Уже немолодой Ньютон так рассказывал о предыстории своего гениального прозрения. Однажды он гулял по яблоневом саду в имении своих родителей и вдруг увидел Луна в дневном небе. И тут же на его глазах с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Поскольку Ньютон в это самое время работал над законами движения, он уже знал, что яблоко движется под действием гравитационного поля Земли. Знал он и о том, что Луна не просто висит в небе, а вращается по орбите вокруг Земли и, следовательно, на него влияет некая сила, которая удерживает месяц прочь сорваться с орбиты и улететь по прямой прочь, в открытый космос. Здесь ему и пришло в голову, что, возможно, это одна и та же сила заставляет и яблоко падать на землю, и Луна оставаться на околоземной орбите.
Чтобы в полной мере оценить гениальность прозрения великого физика, давайте ненадолго вернемся к его предыстории. Когда предшественники Ньютона, в частности Галилей, изучали ривноприскоре-ный движение тел, падающих на поверхность Земли, они были уверены, что наблюдают явление чисто земной природы, возможно только недалеко от поверхности нашей планеты. Когда другие ученые, например Кеплер, изучали движение небесных тел, они считали, что в небесных сферах действуют совсем другие законы движения, чем законы, управляющие движением здесь, на Земле. История науки показывает, что практически все аргументы, касающиеся движения небесных тел, до появления трудов Ньютона сводились в основном к тому, что небесные тела, будучи совершенными, движутся по круговых орбитах, поскольку окружность - суть идеальная геометрическая фигура. Таким образом, выражаясь современным языком, считалось, что есть два типа гравитации, и это представление четко закрепилось в сознании людей того времени. Все считали, что есть земная гравитация, действующая на несовершенной Земле, и есть гравитация небесная, действующая на совершенных небесах.
Триумфальной ходе закона всемирного тяготения в значительной мере способствовали бурные споры между Гуком и Ньютоном о приоритете открытия. Громкие дискуссии и нешуточный накал страстей (тогдашние ученые не слишком заботились о подержанных выражений) привлекли пристальное внимание мировой научной общественности. Следует отметить, что, в отличие от высказываний Гука, Ньютон разработал математическую теорию гравитации и доказал численными методами действие закона притяжения. Взгляды на тяжести своих предшественников Ньютон отразил одной формулой, которая является математической моделью гравитационного взаимодействия двух материальных тел. Прозрение же Ньютона как раз и заключалось в том, что он объединил эти два типа гравитации в своем сознании. С этого момента искусственный и фальшивый разделение Земли и остальной Вселенной прекратил свое существование.