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DÉCOUVERTES SCIENTIFIQUES LES PLUS IMPORTANTES
La loi de la gravitation universelle. Histoire et essence de la découverte scientifique
Annuaire / Les découvertes scientifiques les plus importantes L'idée que les corps tombent au sol par suite de leur attraction par le globe n'est pas nouvelle : les anciens, par exemple Platon, le savaient. Mais comment mesurer la force de cette attraction ? Est-ce le même partout sur le globe, et jusqu'où s'étend-il ? Voici les questions que Newton - l'auteur de la loi de la gravitation universelle, a confondu les scientifiques et les philosophes. Découvrir votre troisième loi Kepler entra dans un tel enthousiasme qu'il lui sembla qu'il délirait. En 1619, Kepler publia la célèbre « Harmonie de l'Univers », dans laquelle il était à un pas de la découverte de Newton et n'y parvint toujours pas. Non seulement Kepler attribuait les mouvements des planètes à une sorte d’attraction mutuelle, mais il était même prêt à accepter la loi de la « proportion carrée » (c’est-à-dire une action inversement proportionnelle aux carrés des distances). Hélas, il l’abandonna bientôt et proposa à la place que l’attraction était inversement proportionnelle non pas aux carrés des distances, mais aux distances elles-mêmes. Kepler n'a pas réussi à établir les principes mécaniques des lois du mouvement planétaire qu'il a découvert. Les prédécesseurs immédiats de Newton dans ce domaine furent ses compatriotes Gilbert et surtout Hooke. En 1660, Gilbert publie un livre « Sur l’aimant », dans lequel il compare l’action de la Terre sur la Lune à l’action d’un aimant sur le fer. Dans un autre ouvrage de Gilbert, publié après sa mort, on dit que la Terre et la Lune s'influencent comme deux aimants, et d'ailleurs proportionnellement à leurs masses. Mais Robert Hooke, le contemporain et rival de Newton, s'est rapproché le plus de la vérité. Le 21 mars 1666, c'est-à-dire peu avant le moment où Newton approfondit pour la première fois les secrets de la mécanique céleste, Hooke lut lors d'une réunion de la Royal Society de Londres un rapport sur ses expériences sur le changement de la gravité en fonction de la distance. d'un corps tombant par rapport au centre de la Terre. Conscient du caractère insatisfaisant de ses premières expériences, Hooke a eu l'idée de mesurer la force de gravité en balançant un pendule - une idée extrêmement ingénieuse et fructueuse. Deux mois plus tard, Hooke rapportait à la même société que la force qui maintient les planètes sur leurs orbites devrait être similaire à celle qui produit le mouvement circulaire d'un pendule. Beaucoup plus tard, alors que Newton préparait déjà la publication de son grand ouvrage, Hooke, indépendamment de Newton, en vint à l'idée que « la force qui gouverne le mouvement des planètes » devrait changer « dans une certaine mesure en fonction des distances », et déclara qu'il « construirait tout un système de l’univers » sur la base de ce début. Mais ici la différence entre le talent et le génie s'est révélée. Les pensées heureuses de Hooke n’en étaient qu’à leurs balbutiements. Il n'avait pas la force de faire face à ses hypothèses, et la priorité de la découverte appartient à Newton. Isaac Newton (1642-1726) est né à Woolsthorpe, dans le Lincolnshire. Son père est mort avant la naissance de son fils. La mère de Newton, née Aiskof, a accouché prématurément peu de temps après la mort de son mari, et le nouveau-né Isaac était étonnamment petit et fragile. Ils pensaient que le bébé ne survivrait pas. Newton, cependant, a vécu jusqu'à un âge avancé et s'est toujours distingué, à l'exception de troubles à court terme et d'une maladie grave, par une bonne santé. En termes de statut de propriété, la famille Newton appartenait au nombre d'agriculteurs de la moyenne main. Quand Isaac a grandi, il a été placé dans une école primaire. À l'âge de douze ans, le garçon a commencé à fréquenter une école publique à Grantham. Il a été placé dans un appartement avec le pharmacien Clark, où il a vécu par intermittence pendant environ six ans. La vie chez le pharmacien a d'abord suscité en lui le désir d'étudier la chimie. Le 5 juin 1660, alors que Newton n'avait pas encore dix-huit ans, il fut admis au Trinity College. L'université de Cambridge était à cette époque l'une des meilleures d'Europe : les sciences philologiques et mathématiques y prospéraient également. Newton a tourné son attention principale vers les mathématiques. Mais en même temps, en 1665, il obtient un baccalauréat en beaux-arts (sciences verbales). Ses premières expériences scientifiques sont liées à l'étude de la lumière. Le scientifique a prouvé qu'à l'aide d'un prisme, la couleur blanche peut être décomposée en ses couleurs constitutives. En étudiant la réfraction de la lumière dans des films minces, Newton a observé un motif de diffraction, appelé "anneaux de Newton". En 1666, une sorte d'épidémie apparut à Cambridge, qui, selon la coutume de l'époque, était considérée comme une peste, et Newton se retira dans son Woolsthorpe. Ici, dans le silence du village, sans livres ni instruments à portée de main, vivant une vie presque recluse, Newton, vingt-quatre ans, s'adonnait à une profonde réflexion philosophique. Leur fruit fut la plus brillante de ses découvertes : la doctrine de la gravitation universelle. C'était un jour d'été. Newton aimait méditer, assis dans le jardin, en plein air. La tradition rapporte que les pensées de Newton furent interrompues par la chute d'une pomme débordante. Le célèbre pommier a longtemps été conservé comme un avertissement à la postérité. Et après s'être asséché, il a été abattu et transformé en monument historique sous la forme d'un banc. Newton réfléchissait depuis longtemps aux lois de la chute des corps, et il est tout à fait possible que, en particulier, la chute d'une pomme l'ait ramené à ces réflexions, d'où il est passé à la question : est-ce que la chute de corps se produisent de la même manière partout sur le globe ? Ainsi, par exemple, est-il possible d'affirmer qu'en haute montagne les corps tombent avec la même vitesse que dans les mines profondes ? Mais comment Newton a-t-il découvert cette loi, pour laquelle l’analogie avec une pomme qui tombe ne pouvait plus avoir de sens ? Newton lui-même écrivit plusieurs années plus tard qu'il avait dérivé la formule mathématique exprimant la loi de la gravitation universelle de l'étude des célèbres lois de Kepler. Il est possible, cependant, que ses travaux dans ce sens aient été considérablement accélérés par les recherches qu'il a menées dans le domaine de l'optique. La loi qui détermine « l'intensité de la lumière » ou le « degré d'éclairement » d'une surface donnée est très semblable à la formule mathématique de la gravité. De simples considérations géométriques et l'expérience directe montrent que lorsque, par exemple, une feuille de papier est éloignée d'une bougie d'une double distance, le degré d'éclairement de la surface du papier diminue, non pas de moitié, mais de quatre fois, avec une triple distance - de neuf fois, et ainsi de suite. Il s’agit de la loi qui, à l’époque de Newton, était brièvement appelée loi de « proportion quadratique ». Pour être plus précis, « l’intensité de la lumière est inversement proportionnelle aux carrés des distances ». Il était très naturel pour un esprit comme Newton d’essayer d’appliquer cette loi à la théorie de la gravitation. Une fois arrivé à l'idée que l'attraction de la Lune par la Terre détermine le mouvement du satellite terrestre, Newton en vint inévitablement à une hypothèse similaire concernant le mouvement des planètes autour du Soleil. Mais son esprit ne se contentait pas d'hypothèses non vérifiées. Il a commencé à calculer et il a fallu des décennies pour que ses hypothèses se transforment en le plus grand système de l'univers. En même temps, Newton n'aurait jamais pu développer et prouver sa brillante idée s'il n'avait pas maîtrisé la puissante méthode mathématique connue aujourd'hui sous le nom de calcul différentiel et intégral. La justice oblige à noter la contribution de Robert Hooke. Ainsi, l'astucieux Hooke corrigea la conclusion de Newton et écrivit à ce dernier que les corps qui tombaient ne devaient pas dévier exactement vers l'est, mais vers le sud-est. Il était d'accord avec les arguments de Hooke, et les expériences menées par ce dernier ont pleinement confirmé la théorie. Hooke a également corrigé une autre erreur de Newton. Isaac croyait qu'un corps tombant, en raison de la combinaison de son mouvement avec celui de la Terre, décrirait une ligne hélicoïdale. Hooke a montré qu'une ligne hélicoïdale n'est obtenue que si l'on prend en compte la résistance de l'air et que dans le vide le mouvement doit être elliptique - nous parlons d'un mouvement réel, c'est-à-dire que nous pourrions observer si nous ne participions pas nous-mêmes au mouvement. globe de mouvement. Après avoir vérifié les conclusions de Hooke, Newton est devenu convaincu qu'un corps lancé avec une vitesse suffisante, étant en même temps sous l'influence de la force de gravité terrestre, peut en effet décrire une trajectoire elliptique. Réfléchissant à ce sujet, Newton découvrit le fameux théorème selon lequel un corps sous l'influence d'une force attractive, semblable à la force de gravité, décrit toujours une section conique, c'est-à-dire une des courbes obtenues lorsqu'un cône est intersecté par un plan (ellipse, hyperbole, parabole et dans des cas particuliers un cercle et une droite). De plus, Newton a déterminé que le centre d'attraction, c'est-à-dire le point auquel l'action de toutes les forces attractives agissant sur un point mobile est concentrée, est au foyer de la courbe décrite. Ainsi, le centre du Soleil se trouve (approximativement) dans le foyer général des ellipses décrites par les planètes. Ayant obtenu de tels résultats. Newton comprit immédiatement qu'il avait déduit théoriquement, c'est-à-dire sur la base des principes de la mécanique rationnelle, une des lois de Kepler, qui stipule que les centres des planètes décrivent des ellipses et que le centre du Soleil est au foyer de leurs orbites. Mais Newton n'était pas satisfait de cet accord fondamental entre la théorie et l'observation. Il voulait voir s'il était possible, avec l'aide de la théorie, de calculer réellement les éléments des orbites planétaires, c'est-à-dire de prédire tous les détails des mouvements planétaires ? Au début, il n'a pas eu de chance. John Conduitt l'écrit ainsi : « En 1666, il quitta de nouveau Cambridge... pour se rendre chez sa mère dans le Lincolnshire, et pendant qu'il méditait dans le jardin, il lui vint à l'esprit que la force de gravité (qui fait qu'une pomme tomber sur terre) n'est pas limité à une certaine distance de la terre, mais que la force doit s'étendre beaucoup plus loin qu'on ne le pense habituellement. Pourquoi pas jusqu'à la lune, se dit-il, et si oui, cela devrait influencer son mouvement et peut-être le garder en orbite, après quoi il décida de calculer quel pourrait être l'effet d'une telle supposition ; mais comme il n'avait alors pas de livres, il utilisa la proposition couramment utilisée, courante parmi les géographes et nos marins avant que Norwood ne mesure la terre, qui est que dans un degré de latitude à la surface de la Terre contient 60 milles anglais. Le calcul ne coïncidait pas avec sa théorie et l'obligeait à se contenter de l'hypothèse selon laquelle, avec la force de gravité, il devait également y avoir un mélange de la force à laquelle et la Lune, si elle était transportée dans son mouvement par un tourbillon..." L'étude des lois du mouvement elliptique a considérablement fait progresser les recherches de Newton. Mais tant que les calculs ne concordaient pas avec l'observation, Newton devait soupçonner l'existence d'une source d'erreur ou d'incomplétude de la théorie encore insaisissable. Ce n'est qu'en 1682 que Newton a pu utiliser les données plus précises sur les méridiens obtenues par le scientifique français Picard. Connaissant la longueur du méridien, Newton a calculé le diamètre du globe et a immédiatement entré les nouvelles données dans ses calculs précédents. À sa plus grande joie, le scientifique était convaincu que ses anciennes vues étaient complètement confirmées. La force qui fait tomber les corps sur la Terre s'est avérée être exactement égale à celle qui contrôle le mouvement de la Lune. Cette conclusion était pour Newton le plus grand triomphe de son génie scientifique. Maintenant ses paroles étaient pleinement justifiées : « Le génie est la patience de la pensée concentrée dans une certaine direction. Toutes ses hypothèses profondes, ses calculs à long terme se sont avérés corrects. Maintenant, il était complètement et finalement convaincu de la possibilité de créer un système entier de l'univers basé sur un principe simple et grand. Tous les mouvements les plus complexes de la lune, des planètes et même des comètes errant dans le ciel lui sont devenus assez clairs. Il est devenu possible de prédire scientifiquement les mouvements de tous les corps du système solaire, et peut-être du soleil lui-même, et même des étoiles et des systèmes stellaires. Fin 1683, Newton communiqua enfin à la Royal Society les grands principes de son système sous la forme d'une série de théorèmes sur le mouvement des planètes. Cependant, la théorie était trop brillante pour qu'il y ait des envieux qui essayaient de s'attribuer au moins une partie de la gloire de cette découverte. Il ne fait aucun doute que certains des scientifiques britanniques de l'époque se sont rapprochés des découvertes de Newton, mais comprendre la difficulté de la question ne signifie pas la résoudre. Le célèbre architecte et mathématicien Christopher Wren a tenté d'expliquer le mouvement des planètes par "la chute des corps sur le Soleil, liée au mouvement originel". L'astronome Halley a supposé que les lois de Kepler pouvaient s'expliquer par l'action d'une force inversement proportionnelle aux carrés des distances, mais il n'a pas pu le prouver. Hooke assura aux membres de la Royal Society que toutes les idées contenues dans les Eléments leur avaient déjà été proposées cent fois ; ceux qui n'ont pas été exposés par lui auparavant sont erronés. Huygens complètement et catégoriquement rejeté l'idée de la gravitation mutuelle des particules, permettant la présence de la gravitation uniquement à l'intérieur des corps. Leibniz ont continué à insister sur le fait que le mouvement des planètes ne pouvait être expliqué qu'au moyen d'un fluide tourbillonnant éthéré qui fait sortir les planètes de la trajectoire rectiligne. Bernoulli et Cassini ont aussi obstinément parlé de vortex. Cependant, le bruit s'est progressivement atténué et la gloire de la découverte de la gravitation universelle est revenue à juste titre à Isaac Newton. Auteur : Samin D.K.
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