Двома найбільш значними успіхами класичного природознавства, заснованого на механіці Ньютона, були практично вичерпний опис спостережуваного руху небесних тіл і пояснення відомих з експерименту законів ідеального газу.
Закони Кеплера.
Спочатку вважалося, що Земля нерухома, а рух небесних тіл здавалося дуже складним. Галілей одним з перших висловив припущення про те, що наша планета не є винятком і також рухається навколо Сонця. Ця концепція була зустрінута досить вороже. Тихо Браге вирішив не брати участі в дискусіях, а зайнятися безпосереднім вимірами координат тіл на небесній сфері. Він присвятив цьому все своє життя, але не тільки не зробив будь-яких висновків із своїх спостережень, але навіть не опублікував результатів. Пізніше дані Тихо потрапили до Кеплеру, який знайшов просте пояснення спостережуваних складних траєкторіях, сформулювавши три законів руху планет (і Землі) навколо Сонця (ріс.6_1):
1. Планети рухаються по еліптичних орбітах, в одному з фокусів яких знаходиться Сонце.
2. Швидкість руху планети змінюється таким чином, що площі, замітає її радіус-вектором за рівні проміжки часу, виявляються рівними.
3. Періоди обертання планет однієї Сонячної системи і великі півосі їх орбіт пов'язані співвідношенням:
(1).
Складний рух планет на "небесній сфері", що спостерігається з Землі, згідно Кеплеру, виникало внаслідок складання цих планет по еліптичних орбітах з рухом спостерігача, що здійснює разом з Землею орбітальний рух навколо сонця і добове обертання навколо осі планети.
Прямим доказом добового обертання Землі був експеримент, поставлений Фуко, в якому площину коливань маятника поверталася щодо поверхні обертається Землі.
Закон Всесвітнього тяжіння.
Закони Кеплера чудово описували спостережуваний рух планет, але не розкривали причин, що призводять до такого руху (напр. цілком можна було вважати, що причиною руху тіл по кеплерові орбітах була воля якого-небудь істоти чи прагнення самих небесних тіл до гармонії). Теорія гравітації Ньютона вказала причин, що зумовили рух космічних тіл за законами Кеплера, правильно передбачила і пояснила особливості їх руху в більш складних випадках, дозволила в одних термінах описати багато явищ космічного і земного масштабів (рух зірок у галактичному скупченні і падіння яблука на поверхню Землі) .
Ньютон знайшов правильний вираз для гравітаційної сили, що виникає при взаємодії двох точкових тіл (тел, розміри яких малі порівняно з відстанню між ними):
(2),
яке спільно з другим законом у разі, якщо маса планети m багато менше маси зірки M, призводило до диференціальних рівнянь
(3),
допускає аналітичне рішення. Не привертаючи будь-яких додаткових фізичних ідей, чисто математичними методами модно показати, що при відповідних початкових умовах (досить малі початкові відстань до зірки та швидкість планети) космічне тіло буде здійснювати обертання за замкнутою, стійкої еліптичній орбіті в повній згоді з законами Кеплера (у Зокрема другий закон Кеплера є прямим наслідком закону збереження моменту імпульсу, що виконується при гравітаційних взаємодіях, оскільки момент сили (2) щодо масивного центру завжди дорівнює нулю). При досить високої початкової швидкості (її значення залежить від маси зірки і початкового положення) космічне тіло рухається по гіперболічної траєкторії, врешті-решт йдучи від зірки на нескінченно велику відстань.
Важливою властивістю закону гравітації (2) є збереження його математичної форми у разі гравітаційної взаємодії неточечних тіл у випадку сферично-симетричного розподілу їх мас за обсягом. При цьому роль R грає відстань між центрами цих тіл.
Рух небесних тіл при наявності збурень. Строго кажучи, закони Кеплера виконуються точно лише у випадку руху лише одного тіла поблизу іншого, володіє значно більшою масою, за умови сферичності цих тіл. При незначних відступах від сферичної форми (напр. через обертання зірки вона може трохи "сплюснутися") орбіта планети перестає бути замкнутою і являє собою прецессируют навколо зірки еліпс.
Іншим часто зустрічається обуренням є гравітаційний вплив планет однієї зоряної системи один на одного. Кеплерові орбіти є стійкими щодо слабких збурень, тобто, випробувавши вплив від близько пролітає сусіда, планета прагне повернутися на вихідну траєкторію. За наявності сильних збурень (проліт масивного тіла на невеликій відстані) задача про рух істотно ускладнюється і не може бути вирішена аналітичні. чисельні розрахунки показують, що в цьому випадку траєкторії планет перестають бути еліпсами і являють собою незамкнуті криві.
Згідно з третім законом Ньютона існує сила, що діє на зірку з боку планет. У разі M>> m прискорення зірки дуже малий і її можна вважати нерухомою. За наявності двох тіл сумірних мас, притягуються одне до одного, можливо їх стійке спільне рух по еліптичних орбітах навколо загального центру мас. Очевидно, що більш масивне тіло здійснює рух по орбіті меншого радіусу. У випадку руху планет навколо зірки зазначений ефект малопомітний. проте в космосі були виявлені системи, які вчиняють описане рух - подвійні зірки. Чисельний розрахунок руху планет в системі подвійної зірки показує, що їх орбіти істотно нестаціонарні, відстань від планети до зірок швидко змінюється в досить широких межах. Неминучі при цьому швидкі зміни клімату на планетах робить там досить проблематичною можливість біологічної еволюції. Ще менш ймовірне виникнення технічних цивілізацій на планетах систем подвійних зірок, оскільки складне неперіодичне рух планет призводить до розшифровуються важко спостерігається руху тіл на "небесній сфері", істотно ускладнюючи формулювання законів Кеплера і, як наслідок, розвиток класичної механіки (рис. 6_2).
Будова Сонячної системи.
Добре відомо, що основна маса Сонячної системи (близько 99.8%) припадає на її єдину зірку - Сонце. Сумарна маса планет становить лише 0.13% від загальної. На решту тіла системи (комети, супутники планет, астероїди і метеоритне речовина) припадає тільки 0.0003% маси. З наведених цифр випливає, що закони Кеплера для руху планет в нашій системі повинні виконуватися дуже добре. Істотні відхилення від еліптичних орбіт можуть виникати лише в разі близького (в порівнянні з відстанню до Сонця) прольоту повз одну з планет: Меркурія, Венери, Землі, Марса, Юпітера, Сатурна, Урана, Нептуна або Плутона (особливо це стосується наймасивнішою з планет - Юпітера). Саме спостереження обурення орбіти Нептуна дозволили передбачити, а потім і виявити Плутон - найвіддаленішу з відомих планет нашої системи.
Ньютонівської закон гравітації і закони Кеплера дозволяють зв'язати розміри орбіт планет з періодами обертання, але не дозволяють розраховувати самі орбіти. Ще в 18 столітті була запропонована емпірична формула для радіусів орбіт планет сонячної системи:
(4),
де - радіус орбіти Землі. На відміну від законів Кеплера співвідношення (4) ніяк не випливає з законів Ньютона і до цих пір не отримало теоретичного обгрунтування, хоча орбіти всіх відомих на сьогоднішній день планет задовільно описуються цією формулою. Виняток становить лише значення n = 3, для якого на розрахованої орбіті планети не існує. Замість неї був виявлений пояс астероїдів - невеликих за планетним масштабами тел неправильної форми. Емпіричні закони, не підтверджені наявної теорією, можуть відігравати позитивну роль в дослідженнях, оскільки теж відображають об'єктивну реальність (можливо в незовсім точному і навіть у дещо спотвореному вигляді).
Привабливою здавалася гіпотеза про раніше існувала п'ята планеті - Фаетона, зруйнованої на шматки гігантським гравітаційним притяганням її масивного сусіда - Юпітера, однак кількісний аналіз руху планети - гіганта показав неспроможність цього припущення. Мабуть згадана проблема може бути вирішена лише на основі закінченої теорії виникнення і еволюції планет Сонячної системи, поки ще неіснуючої. Дуже приваблива теорія спільного походження сонця і планет з єдиного газової хмари, сжавшегося під дією гравітаційних сил, виявляється в суперечності з піднаглядним нерівномірним розподілом обертального моменту (моменту імпульсу) між зіркою і планетами. Обговорюються моделі походження планет в результаті гравітаційного захоплення Сонцем тіл, що прилітають із далекого космосу, ефекти, викликані вибухом над-нових. У більшості "сценаріїв" розвитку сонячної системи існування поясу астероїдів так чи інакше зв'язується з його близьким сусідством з наймасивнішою планетою системи.
Відомі на сьогоднішній день властивості планет Сонячної системи дозволяють розділити їх на дві групи. Перші чотири планети земної групи характеризуються порівняно малими масами і великими плотностями складають їх речовин. Вони складаються з розплавленого залізного ядра, оточеного силікатною оболонкою - корою. Планети володіють газовими атомосферу. Їх температури головним чином визначаються відстанню до Сонця і зменшуються з його збільшенням. Починається з Юпітера група планет - гігантів в основному складена з легких елементів (водню і гелію), тиск яких у внутрішніх шарах зростає до величезних величин, внаслідок гравітаційного стиснення. У результаті за пере наближення до центру гази поступово переходять у рідкий і, можливо, в твердотільне стану. Передбачається, що в центральних областях тиску настільки велике, що водень існує в металічній фазі, поки не спостерігалася на замлі навіть у лабораторних умовах. Планети другої групи мають велике число супутників. У Сатурна їх число таке велике, що при недостатньому збільшенні планета здається оперезаної системою безперервних кілець (рис. 6_3).
Проблема існування життя на інших планетах до цих пір викликає підвищений інтерес в навколонаукових сферах. В даний час можна з достатнім ступенем вірогідності можна стверджувати, що в звичних для сучасного природознавства білкових формах життя на планетах Сонячної системи (зрозуміло, за винятком Землі) не існує. Причиною цьому насамперед є трохи фізико-хімічного діапозона умов, що допускають можливість існування органічних молекул і протікання життєво важливих хімічних реакцій за їх участю (не занадто високі і низькі температури, вузький інтервал тисків, наявність кисню і т.д.). Єдиною, крім Землі, планетою, умови на якій явно не суперечать можливості існування білкового життя, є Марс. Однак досить детальні дослідження його поверхні за допомогою міжпланетних станцій "Марс", "Маріонер" і "Вікінг" показали, що життя на цих планетах не існує навіть у вигляді мікроорганізмів (рис. 6_4).
Що ж стосується питання про існування небілкових форм неземного життя, його серйозного обговорення повинна предшествавать сувора формулювання самого узагальненого поняття життя, але ця проблема до цих пір не отримала загальновизнаного задовільного рішення. (Создат враження, що відкриття форм життя, що істотно відрізняються від звичних для нашої уяви, взагалі може не викликати скільки-небудь помітного впливу на ненауковою громадськості. Не дуже важко уявити собі створення комп'ютерних вірусів, здатні розмножуватися в мережах і здатних еволюціонувати, набагато важче уявити реакцію на це в суспільстві, відмінну від досади користувачів, які втратили програми).
Про природу гравітаційних сил. Сформульований Ньютоном закон всесвітнього тяжіння відноситься до фундаментальних законах класичного природознавства. Методологічною слабкістю концепції Ньютона був його відмову обговорювати механізми, що приводять до виникнення гравітаційних сил ("Я гіпотез не вигадую"). Після Ньютона неодноразово робилися спроби створення теорії гравітації. Переважна більшість підходів пов'язано з так званими гідродинамічними моделями гравітації, що намагаються пояснити виникнення сил тяжіння механічними взаємодіями масивних тіл з проміжної субстанцією, якій приписується той або інший назва: "ефір", "потік гравітонів", "вакуум" і т.д. Тяжіння між тілами виникає внаслідок розрядження Середовища, що виникає або при її поглинанні масивними тілами, або при екранування ними її потоків. Всі ці теорії мають загальний істотний недолік: правильно пророкуючи залежність сили від відстані (2), вони неминуче призводять до ще одного неспостережний ефекту: гальмування тіл, що рухаються відносно введеної субстанції.
Істотно новий крок у розвитку концепції гравітаційної взаємодії був зроблений А. Ейнштейном, який створив загальну теорію відносності.