เซอร์ ไอแซค นิวตัน, ผู้ค้นพบทฤษฎีแรงโน้มถ่วง Options

[kanoktuch2]

นิวตัน เกิดเมื่อวันที่ 4 มกราคม ปี คศ. 1643 ที่เมืองวูลส์ชอร์ป ซึ่งเป็นหมู่บ้านเล็ก ๆ ทำทางด้านเกษตรกรรม เหนือจากกรุงลอนดอนประมาณ 200 กิโลเมตร ขณะที่นิวตันเกิด พ่อของเขาได้เสียชีวิตก่อนหน้าแล้วประมาณสามเดือน
หลังจากนั้นไม่นาน มารดาของนิวตันได้แต่งงานใหม่ และย้ายไปอยู่กับสามีที่ในเมือง นิวตันอาศัยอยู่กับย่าที่วูลส์ชอร์ป นิวตันได้แสดงให้เห็นถึงการเป็นคนสนใจในการเรียนรู้ตั้งแต่ยังเด็ก เขาชอบคิดค้นและประดิษฐ์ของต่าง ๆ นิวตันได้สร้างความประหลาดใจให้กับชาวบ้านแถบนั้นด้วยการประดิษฐ์นาฬิกาที่ทำจากกลไก
และใช้พลังน้ำเป็นตัวขับเคลื่อนยังความประหลาดใจกับผู้พบเห็นเป็นอย่างมาก

ในวัยเด็ก นิวตันได้เข้าศึกษาที่ คิวสคูล ซึ่งเป็นโรงเรียนประถมและมัธยม ที่อยู่ห่างจากบ้านเขาพอควร เขาต้องจากย่าไปอยู่บ้านพักใกล้โรงเรียน นิวตันแสดงความเป็นคนช่างสังเกต ใฝ่หาความรู้ เขาตั้งคำถาม ถามตัวเองเสมอว่า ดวงจันทร์ ดวงใหญ่อยู่ไกลจากโลกเท่าไร บนท้องฟ้ามีดาวกี่ดวง

ต่อมาเมื่อสามีใหม่ของมารดาที่อาศัยอยู่ด้วยกันที่ในเมืองเสียชีวิต นิวตันจึงต้องออกจากโรงเรียนมาช่วยมารดาทำไร่ และเลี้ยงสัตว์อยู่ที่วูลส์ชอร์ป นิวตันได้แสดงให้เห็นว่าเขาไม่สนใจในการทำไร่ แต่มักจะนำหนังสือติดตัวไปอ่านด้วยเสมอ เมื่อน้าเขาเห็นแววของการใฝ่รู้ จึงสนับสนุนให้เขาได้เข้าเรียนต่อในมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ในสายของวิทยาลัยทรินิตี นิวตันได้แสดงแววของการเรียนรู้อย่างสร้างสรร เขาได้ทำการศึกษาแนวคิดของนักคณิตศาสตร์ตั้งแต่ยุคโบราณ ไม่ว่าจะเป็น อริสโตเติล ยูคลิด เคปเลอร์ กาลิเลโอ เดส์คเวิทส์ เขาจึงสานต่อความคิดของกาลิเลโอ เพราะในปีที่เขาเกิดเป็นปีที่กาลิเลโอเสียชีวิต เคปเลอร์ได้แสดงให้เห็นว่าดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ และมีกฎเกณท์ของการโคจรสาม ข้อดังนี้

1. กฎแห่งวงรี

กล่าวว่า ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรี โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่ตำแหน่งของจุดโฟกัสหนึ่ง

2. กฎแห่งพื้นที่

กล่าวว่า เมื่อดาวเคราะห์โคจรในรอบดวงอาทิตย์ เส้นรัศมีที่ลากจากดวงอาทิตย์ไปยังดาวเคราะห์จะกวาดพื้นที่เป็นสัดส่วนโดยตรงกับระยะ
ทางที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์

3. กฎฮาร์โมนิก

กล่าวว่า กำลังสองของเวลาที่ใช้ในการโคจรของดาวเคราะห์รอบหนึ่ง เป็นสัดส่วนตรงกับกำลังสามของระยะทางเฉลี่ยจากดวงอาทิตย์ถึงดาวเคราะห์นั้น



มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ วิทยาลัยทรินิตี นิวตันได้ศึกษาวิชาการทางด้านดาราศาสตร์ แสง คณิตศาสตร์ ระหว่างนั้นเกิดโรคระบาด ทำให้มหาวิทยาลัยต้องปิดลง เขาจึงกลับบ้าน และทำการศึกษาคิดหาคำตอบว่า ทำไมลูกแอปเปิ้ล จึงตกลงสู่พื้นดิน ทำไมดวงจันทร์จึงโคจรรอบโลกได้ นิวตันได้ศึกษาค้นคว้า "กฎการเคลื่อนที่" กล่าวคือ วัตถุเมื่อเคลื่อนที่จะเคลื่อนที่ต่อไป และถ้ามีแรงมากระทำ ก็จะเกิดการเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร่งตามแนวทิศแรงนั้น

กฎการเคลื่อนที่


นิวตันได้ศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุ และได้เสนอกฎการเคลื่อนที่สามข้อ กฎการเคลื่อนที่ทั้งสามข้อได้นำเสนออยู่ในหนังสือ Principia

กฎข้อที่ 1. วัตถุใด ๆ จะอยู่กับที่ ก็จะอยู่กับที่จนกว่าจะมีแรงมากระทำ จะทำให้เกิดการเคลื่อนที่และถ้าวัตถุกำลังเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วสม่ำเสม
อ ก็จะเคลื่อนที่ต่อไป จนกว่าจะมีแรงมากระทำให้วัตถุเปลี่ยนทิศ หรือเปลี่ยนแปลงความเร็ว
กฎข้อมี่ 2. ถ้ามีแรงจากภายนอกมากระทำต่อวัตถุ จะทำให้วัตถุเคลื่อนที่และจะมีความเร็วเพิ่มขึ้น
กฎข้อที่ 3. เมื่อมีแรงกระทำจะมีแรงต่อต้านการกระทำที่มีขนาดเท่ากันและมีทิศทางตรงข้าม


กฎการเคลื่อนที่ทั้งสามข้อของนิวตันเป็นความรู้ที่มีผลต่อวิชาการในเวลาต่อมาอย่างยิ
่ง


การคิดค้นกฎแห่งการเคลื่อนที่ของนิวตัน ทำให้สามารถอธิบายปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ได้อย่างมากมาย และเป็นที่มาของกฎแห่งแรงโน้มถ่วง ซึ่งกล่าวว่า มีแรงชนิดหนึ่งกระทำระหว่างวัตถุสองชิ้น เช่น โลกกับดวงอาทิตย์ แรงนี้จะแปรผกผันกับระยะทางกำลังสองระหว่างดาวทั้งสองและจะแปรตามมวลของวัตถุทั้งสอง
นั้น

กฎแห่งแรงโน้มถ่วง

ในช่วงปี คศ. 1965 นิวตันนั่งอยู่ในสวนหลังบ้าน แอปเบิ้ลหล่นลงสู่พื้นทำให้นิวตันอดคิดไม่ได้ว่า ทำไมสิ่งของต่าง ๆ จึงตกลงสู่พื้น ทำไมดวงจันทร์และดาวต่าง ๆ จึงลอยอยู่ได้ นิวตันคิดถึงปัญหานี้ และพยายามหาคำตอบ
จุดเริ่มต้นที่ทำให้นิวตันได้คำตอบคือรากฐานทางด้านวิชาการ นิวตันได้อ่านกฎสามข้อของเคปเลอร์ นิวตันทำการศึกษากฎสามข้อนี้อย่างละเอียด


กฎของเคปเลอร์

กฎสามข้อของเคปเลอร์
ดาวเคราะห์ทุกดวงโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรี โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่โฟกัสด้านหนึ่งของวงรี
ความเร็วของดาวเคราะห์ที่โคจรจะเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ความเร็วนี้จะมีค่าแปรกับเส้นตรงที่ ลากจากจุดศูนย์กลางของดาวอาทิตย์ไปยังจุดศูนย์กลางของดาวเคราะห์ กวาดเป็นพื้นที่รูปเสมือนคล้ายสามเหลี่ยมที่มีฐานเป็นส่วนโค้งของวงรี ถ้ามีพื้นที่เท่ากันการเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปจุดหนึ่ง จะใช้เวลาเท่ากัน เช่นจากรูป ถ้าสามเหลี่ยมฐาน AB กับฐาน CD มีพื้นที่เท่ากัน การ เคลื่อนที่จาก A ไป B จะใช้เวลาเท่ากับ C ไป D
ระยะเวลาที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ ขึ้นกับระยะทางจากดวงอาทิตย์ถึงดาวเคราะห์
นิวตันได้ใช้หลักการทางด้านคณิตศาสตร์ พิสูจน์กฎของเคปเลอร์ และในที่สุดก็เป็นที่มาของวิชาแคลคูลัส และนิวตันยังค้นพบกฎแห่งแรงโน้มถ่วง

นิวตันได้พัฒนาคิดค้นแคลคูลัส ซึ่งเป็นเรื่องของดิฟเฟอเรนเชียนและอินทิกรัล เพื่อใช้ในการพิสูจน์กฎเกณฑ์ทางดาราศาสตร์ และยังได้พัฒนาทฤษฎีไบโนเมียล

แคลคูลัส

วิชาการแคลคูลัส (Calculus) เป็นคณิตศาสตร์ที่มีประโยชน์มากมายสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการอธิบายกฎเกณฑ์ธรรมชาติ
ต่าง ๆ หรือคำนวณกฎเกณฑ์ทางฟิสิกส์ได้อย่างดี พื้นฐานของวิชาฟิสิกส์สมัยใหม่จึงขึ้นกับวิชาแคลคูลัสอย่างมาก
นิวตันสนใจในเรื่องคณิตศาสตร์ของการเคลื่อนที่ ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา กฎเกณฑ์ของการเปลี่ยนแปลงนี้เองทำให้เป็นที่มาของแคลคูลัส ในเรื่องของอินทิกรัลและดิฟเฟอเรนเชียล

ตัวอย่างของการอินทิกรัล เพื่อใช้ในการหาพื้นที่ใต้กราฟ



ถ้าให้มีการแบ่งเป็นส่วนเล็ก ๆ เราสามารถคำนวณพื้นที่ใต้กราฟได้


ทฤษฎีไบโนเมียล

ทฤษฎีไบโนเมียล เป็นกฎเกณฑ์ที่นิวตันได้นำเสนอ ไบโนเมียลเป็นนิพจน์ทางพีชคณิตของตัวเลขสองตัวที่ต่อเชื่อมกันด้วยเครื่องหมายบวกหรื
อเครื่องหมายลบ นิวตันได้เสนอวิธีทางลัดในการคูณไบโนเมียลได้ง่ายขึ้น โดยใช้ตัวเลขในสามเหลี่ยมของปาสคาล
ตัวอย่าง

(a+b)0 = 1
(a+b)1 = 1a + 1b
(a+b)2 = 1a2 + 2ab + 1b2
(a+b)3 = 1a3 + 3a2b + 3ab2 + 1b3
:

สัมประสิทธ์ ของแต่ละนิพจน์เป็นตัวเลขในสามเหลี่ยมของปาสคาล
ทฤษฎีไบโนเมียลนำมาใช้ในภายหลังได้มาก เช่นในเรื่องการสื่อสารข้อมูล เฟรมข้อมูลประกอบด้วยนิพจน์ที่มี 0 และ 1 เมื่ออยู่ในเทอมของนิพจน์ยกกำลังที่จะต้องมาคูณหรือหารกัน การคิดคำนวณแบบไบโนเมียลทำให้การคูณหารนิพจน์ทำได้ง่ายขึ้น


ผลงานวิจัยของนิวตันทำให้ทราบถึงเหตุผลว่าทำไมวัตถุทั้งหลายจึงตกลงสู่เบื้องล่าง แรงที่กระทำระหว่างวัตถุกับโลกขึ้นกับอะไรบ้าง ทำไมดวงจันทร์จึงโคจรรอบโลกโดยไม่หลุดลอยออกไป ผลงานวิจัยของนิวตันจึงเป็นงานระดับสุดยอด เขาได้รับการยกย่องให้เป็นนักวิจัยชั้นนำ

นอกจากงานคิดค้นในเรื่องคณิตศาสตร์แล้ว นิวตันยังประสบผลสำเร็จอีกมากมาย เช่น การค้นพบว่าแสงเป็นคลื่น และสามารถหักเหได้โดยมีคลื่นความถี่ต่างกัน มีสีแตกต่างกัน เมื่อผ่านปริซึมสามารถแยกสีออกจากกันได้ และยังได้ประดิษฐ์กล้องโทรทัศน์ชนิดสะท้อนแสงที่มีขนาดเล็ก ผลงานเหล่านี้ทำให้นิวตันเป็นศาสตราจารย์ด้วยวัยเพียงอายุ 27 ปี

เนื่องจากนิวตันเป็นคนที่ถ่อมตน ผลงานวิจัยของนิวตันได้ทำขึ้นด้วยใจรัก นิวตัวไม่ได้ประกาศให้โลกรู้ จึงทำให้ภายหลังมีข้อโต้แย้งว่าใครเป็นผู้คิดได้ก่อน ระหว่างนิวตันกับโรเบิร์ตฮูกานักฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษและไลปฟิซ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน

เอดิมันด์ ฮัลเลย์ ซึ่งเป็นนักดาราศาสตร์ผู้มีชื่อเสียง ในการค้นพบการโคจรของดาวหาง และเป็นผู้ค้นพบดาวหางฮัลเลย์ที่รู้จักกันดี ฮัลเลย์รู้สึกเสียดายผลงานของนิวตัน จึงขอร้องให้นิวตันรวบรวมผลงานค้นคว้าและเผยแพร่ต่อสาธารณชน ฮัลเลย์ช่วยสนับสนุนในการจัดพิมพ์โดยตั้งชื่อหนังสือว่า PRINCIPIA

หนังสือ PRINCIPIA เป็นสมบัติล้ำค่าของมนุษยชาติ เป็นการรวบรวมการค้นพบต่าง ๆ ของนิวตัน การค้นพบหลาย ๆ อย่างมีรากฐานมาจากกฎการเคลื่อนที่ และกฎแห่งแรงโน้มถ่วง ฮัลเลย์ได้ใช้กฎเกณฑ์เหล่านี้ จนทำให้ค้นพบดาวหาง และสามารถคำนวณวงโคจรของดาวหาง และพยากรณ์การกลับมาของดาวหางได้ถูกต้อง

ในสมัยนั้น เป็นที่รู้กันมาตั้งแต่โบราณว่าดาวเคราะห์มี 5 ดวง คือ ดาวพุธ ดาวศุกร์ ดาวอังคาร ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์ เพราะเป็นดาวที่เห็นได้ด้วยตาเปล่า ต่อมาจึงค้นพบดาวเคราะห์ดวงใหม่ ๆ ซึ่งก็ใช้หลักการเคลื่อนที่ของนิวตัน ในปี คศ. 1681 ฮาเซล นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษค้นพบดาวยูเรนัส จากการศึกษาวงโคจรและการเคลื่อนที่ของดาวยูเรนัส ทำให้รูบริเอ ชาวฝรั่งเศษและอดัมส์ชาวอังกฤษใช้กฎการเคลื่อนที่นี้พยากรณ์ว่าจะมีดาวเคราะห์อีกดวง
ห่างออกไป และสามารถค้นพบดาวพลูโตในปี คศ. 1846

นิวตันได้เสียชีวิตเมื่อวันที่ 31 มีนาคม ปี คศ. 1727 ณ กรุงลอนดอน ประเทศอังกฤษ นิวตันได้ทิ้งผลงานอันเป็นประโยชน์ต่อชาวโลกมากมาย