Кіріспе
Исаак Ньютонның 1684 жылғы құжаты Кеплер заңдарының математикалық туындыларын қамтиды. "De motu corporum in gyrum" (латынша: "орбитадағы денелердің қозғалысы туралы"; қысқартылған "De Motu") – Исаак Ньютонның 1684 жылдың қараша айында Эдмонд Галлейге жіберген қолжазбасының болжамды атауы. Бұл қолжазбаға Галлейдің сол жылдың басында Ньютонға келіп, Галлейдің және оның лондондық ғылыми айналасының, соның ішінде сэр Кристофер Рен мен Роберт Гуктің ойын толғандырған мәселелер туралы сұрақтары түрткіс болды. Бұл қолжазбада қазір "Кеплердің планеталар қозғалысы заңдары" деп белгілі үш байланысқа қатысты маңызды математикалық туындылар келтірілген (Ньютонның жұмысына дейін бұл байланыстар ғылыми заңдар ретінде кеңінен танылмаған). Галлей Ньютоннан алынған хабарламаны 1684 жылдың 10 желтоқсанында (Ескі стиль) Корольдік қоғамға жеткізді. Галлейдің ынталандыруымен Ньютон "Табиғи философияның математикалық принциптері" (көбінесе "Принципиа" деп аталады) кітабын "De Motu" қолжазбасындағы негізгі ойларға сүйене отырып жазды – осы қолжазбаның мазмұнының көп бөлігі "Принципиада" да кездеседі.
De motu corporum in gyrum (from Latin: "On the motion of bodies in an orbit"; abbreviated De Motu) is the presumed title of a manuscript by Isaac Newton sent to Edmond Halley in November 1684. The manuscript was prompted by a visit from Halley earlier that year when he had questioned Newton about problems then occupying the minds of Halley and his scientific circle in London, including Sir Christopher Wren and Robert Hooke. This manuscript gave important mathematical derivations relating to the three relations now known as "Kepler's laws of planetary motion" (before Newton's work, these had not been generally regarded as scientific laws). Halley reported the communication from Newton to the Royal Society on 10 December 1684 (Old Style). After further encouragement from Halley, Newton went on to develop and write his book Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (commonly known as the Principia) from a nucleus that can be seen in De Motu – of which nearly all of the content also reappears in the Principia.
1- теорема
1-теорема орбитада айналып жүрген денеге тек центропетальді күш әсер еткен жағдайда, дененің тартымды орталығына салынған радиус-векторы тең уақыт ішінде тең аудандарды жабады екенін көрсетеді (центропетальді күш қашықтыққа қарай қалай өзгерсе де). (Ньютон осы шығарылымда – осы De Motu-дағы кейінгі дәлелдемелерде де, сондай-ақ кейінгі Principia-ның көптеген бөлімдерінде де – геометриялық түріндегі шексіз кішкентай есептеулердің лимит аргументін қолданады, онда радиус-векторымен жабылған аудан үшбұрышты секторларға бөлінеді. Бұл секторлардың көлемі кішкентай және азайып барады, дерлік нөлге жуықтайды, ал олардың саны шексіз өседі.) Бұл теорема Principia-ның 1-қатысымы, 1-теоремасы ретінде толықтырылған түсіндірмемен қайтадан келтіріледі.
2-теорема
2-теорема шеңберлік орбитада біркелкі қозғалатын денені қарастырады және кез келген уақыт сегменті үшін центростремителiк күш (шеңбердің ортасына қарай бағытталған, мұнда тартымдылық орталығы ретінде қарастырылады) өтiлген доға ұзындығының квадратына пропорционалды және радиусқа кері пропорционалды екенін көрсетеді. (Бұл тақырып Principia-да 4-жорамал, 4-теорема ретінде қайта пайда болады, ал мұндағы қорытындылар да қайта пайда болады.) 1-ші қорытындыда центростремителiк күш V²/R пропорционалды екендігі, мұнда V – орбиталық жылдамдық, R – шеңберлік радиус екендігі айтылады. 2-ші қорытынды басқаша айтқанда, центростремителiк күш (1/P²) * R-ге пропорционалды екенін көрсетеді, мұнда P – орбиталық период. 3-ші қорытынды көрсеткендей, егер P² R-ге пропорционалды болса, онда центростремителiк күш R-ден тәуелсіз болады. 4-ші қорытынды көрсеткендей, егер P² R²-ге пропорционалды болса, онда центростремителiк күш 1/R-ге пропорционалды болады. 5-ші қорытынды көрсеткендей, егер P² R³-ке пропорционалды болса, онда центростремителiк күш 1/(R²) -ге пропорционалды болады. Содан кейін scholium 5-ші қорытындыдағы қатынастың (орбиталық периодтың квадраты орбиталық өлшемнің кубына пропорционалды) Күнді айналатын планеталарға және Юпитерді айналатын Галилей спутниктеріне қатысты екенін атап көрсетеді.
Corollary 4 shows that if P2 is proportional to R2, then the centripetal force would be proportional to 1/R. Corollary 5 shows that if P2 is proportional to R3, then the centripetal force would be proportional to 1/(R2). A scholium then points out that the Corollary 5 relation (square of orbital period proportional to cube of orbital size) is observed to apply to the planets in their orbits around the Sun, and to the Galilean satellites orbiting Jupiter.
3-теорема
3-теорема қазір дөңгелек емес орбитадағы центробектi күшті басқа геометриялық шекті аргументпен, жоғалып бара жатқан кішкентай сызық сегменттерінің қатынастарын қолдана отырып бағалайды. Демонстрация орбитаның қисықтығын, егер ол шексіз кішкентай доғалардан тұрса, бағалауға келiп тоқталады, ал кез келген нүктедегі центропетальді күш жергілікті шексіз кішкентай доғаның жылдамдығы мен қисықтығынан бағаланады. Бұл тақырып «Principia» кітабының 1-кітабында 6-ұсыныс ретінде қайтадан пайда болады. Содан кейін, осы жолмен орбитаның кез келген пішіні мен орталығына қатысты центробектi күшті анықтаудың қалай мүмкін екенін көрсетеді. 1-ші мәселеде шеңбер орбитасының жағдайын зерттейді, егер тартылу орталығы шеңбердің шеңберінде орналасқан болса. Егер орбиталық дене осындай орталыққа жетсе, онда ол тангенс бойымен кетеді. («Principia»-дағы 7-ұсыныс.) 2-ші мәселеде эллипстің жағдайын қарастырады, онда тартылыс орталығы оның ортасында болады, ал сол конфигурациядағы қозғалысты тудыратын центропетальді күш радиус векторына тікелей пропорционалды болады. (Бұл материал «Principia»-дағы 10-ұсыныс, 5-мақсат болып табылады.) 3-ші мәселе тағы да эллипсті зерттейді, бірақ қазір тартылыс орталығы оның фокустарының бірінде болатын қосымша жағдайды қарастырады. «Дене эллипсте айналады: эллипстің фокусына қарай бағытталған центробектi күш заңы қажет». Мұнда Ньютон осы конфигурациядағы қозғалысты тудыратын центробектi күш радиус векторының квадратына кері пропорционалды екенін анықтайды. (Тілнұсқасы: «Осылайша, центропетальді күш L X SP² ретінде өзара байланысты, яғни (өзара) қашықтықтың екі еселенген қатынасында [яғни, квадратында] болады.») Бұл «Principia»-дағы 11-ұсынысқа айналады. Содан кейін, 3-ші мәселе планеталардың орбиталары эллипс екенін, ал Күн олардың бір фокусында орналасқанын дәлелдейді. (Тілнұсқасы: «Осылайша, негізгі планеталар Күн орталығында фокусы бар эллипс түрінде айналады, ал олардың Күнге тартылған радиустары (векторлары) Кеплер болжағандай, уақытқа пропорционал аумақтарды сипаттайды (латынша: ‘omnino’.)») (Бұл қорытындыға орбиталық периодтың квадраты мен орбиталық өлшемнің кубы арасындағы байқалған пропорционалдылықты бастапқы факт ретінде алғаннан кейін 1-теореманың 5-ші коруллариясында қарастырылған.) (Қорытындының дұрыстығына қатысты дау төменде сипатталған.) 3-ші мәселенің тақырыбы «Principia»-дағы 11-ұсыныс, 6-шы мәселе болады.
4-теорема
4-теоремадан көрініп тұрғанындай, радиус векторларының квадратына кері пропорционал орталыққа тартқыш күш болғанда, берілген үлкен осі бар эллипстік орбитадағы дененің айналу периоды, сол үлкен осінің диаметрімен тең дөңгелек орбитадағы дененің айналу периодымен бірдей болады. (Principia-дағы 15-ұсыныс.) Бұл планеталардың эллипсін және олардың фокустарының орналасуын тікелей емес өлшеулер арқылы анықтауға қалай мүмкіндік беретінін көрсетеді. 4-ші мәселеде орталыққа тартқыш күштің кері квадрат заңы жағдайында, орбиталық дененің берілген бастапқы орны, жылдамдығы және бағытына қатысты орбиталық эллипсті қалай анықтау керектігі зерттеледі. Ньютон мұнда жылдамдық жеткілікті түрде жоғары болса, орбита енді эллипс емес, парабола немесе гипербола болатынын көрсетеді. Ол сондай-ақ эллипстік жағдайды басқалардан ажыратуға арналған геометриялық критерийді анықтайды, ол орбиталық дененің ортаға ең жақын нүктедегі қашықтығына пропорционал латус ректумының есептелген мөлшеріне негізделген. (Principia-дағы 17-ұсыныс.) Содан кейін, scholium бұл демонстрацияның қосымша пайдасы – бұл кометалардың орбиталарын анықтауға және олардың периоды мен қайта оралуын бағалауға мүмкіндік беретінін көрсетеді, егер орбиталар эллипстік болса. Сондай-ақ, оны іске асырудың кейбір практикалық қиындықтары талқыланады. Кез келген ортаның кедергісіз болуына негізделген ұсыныстар сериясының аясында 5-ші мәселеде тартымды ортаға түзу сызық бойымен құлауға немесе одан шығуға тең эллипстік орбитаның дегенерациялық жағдайы қарастырылады. (Principia-дағы 32-ұсыныс.) Scholium 4-ші және 5-ші мәселелердің атмосферадағы снарядтарға және ауыр денелердің құлауына қалай қолданылатынын көрсетеді, егер атмосфералық кедергі жоқ деп есептелсе. Соңында, Ньютон нәтижелерді атмосфералық кедергі болған жағдайда қолдануға тырысады, біріншіден (6-мәселе) кедергінің инерциялық қозғалысқа әсерін, содан кейін (7-мәселе) кедергі мен біркелкі орталыққа тартқыш күштің біріктірілген әсерін зерттейді. ортаға қарай немесе одан біртекті ортада. Екі мәселе де гиперболалық құрылымдарды қолдана отырып, геометриялық түрде шешіледі. Осы соңғы екі "мәселе" Principia-ның 2-кітабында 2- және 3-ұсыныстар ретінде қайта пайда болады. Соңғы scholium 6-шы және 7-ші мәселелердің атмосферадағы снарядтардың қозғалысының көлденең және тік компоненттеріне қалай қолданылатынын көрсетеді (бұл жағдайда Жердің қисықтығы ескерілмейді).
Мазмұны туралы түсініктемелер
"De Motu" еңбектерінің кейбір бөлімдерінде Ньютон, дәлелденген мәселелердің практикада қолданылуын кері тұжырымдамалары да дәлелденген деп қарау үшін негіз ретінде пайдаланады. Бұл әсіресе "3-проблема" жағдайында айқын көрінеді. Ньютонның барлық жазбаларындағы дәлелдеу стилі кейде тым қысқа болып келді; ол кейбір қадамдардың өзінен түсінікті немесе айқын болады деп есептегендей. "De Motu" еңбегінде, Principia-ның бірінші басылымындағыдай, Ньютон дәлелдемелерді керісінше таратуға негіз болатын нәрсені нақты айтпаған. Мұнда кері тұжырымдаманың дәлелдемесі бірегей қатынас бар екендігіне байланысты, яғни, кез келген берілген жағдайда, бір ғана орбита белгілі бір күш / жылдамдық / бастапқы позиция жиынтығына сәйкес келеді. Ньютон өміріндегі сынға жауап ретінде Principia-ның екінші басылымына 11-13-талаптарға қосымша ретінде осы сияқты ескертулерді қосты. Осы кеңейтулер мен олармен байланысты бірегейлік туралы мәлімдемелердің өзінен түсінікті және айқын болуына қатысты маңызды ғылыми пікір қақтығыстары болды. (Кері тұжырымдамалардың дұрыс еместігі немесе Ньютон оларды айтпағаны туралы ешқандай ұсыныс жоқ, дау Ньютонның дәлелдемелерінің қанағаттанарлықтығына қатысты болды.)
Галлейдің сұрағы
1684 жылы Эдмунд Галлейдің Ньютонға сапары туралы мәліметтер бізге тек отыз-қырық жыл өткен соң айтылған естеліктер арқылы ғана белгілі. Осы естеліктердің бірінде Галлей Ньютоннан: "Егер планеталардың Күнге тартылу күші олардың Күннен алшақтаған қашықтығының квадратына кері пропорционалды болса, онда олар қандай қисық сызықтармен қозғаларын қалай ойлайсыз?" деп сұрады. Сұрақтың тағы бір нұсқасын Ньютон өзі келтірген, бірақ бұл да оқиғадан кейін отыз жылдан соң жазылған: ол Галлейдің "Күн төңірегінде планеталар қандай фигурамен қозғалатынын білсем, оның дәлелдемесін көрсетуін қалаймын" деп сұрағанын айтқан. Осы екі түрлі естелік, уақыт өте келе есте сақтағаннан жазылғандықтан, Галлей қандай сөздерді қолданғанын нақты білу қиын.
Роберт Гуктің рөлі
Ньютон 1686 жылы аспан денелерінің қозғалысын зерттеуді кеңейтуге 1679/80 жылдары оны бастаған себептің 1679/80 жылдары Роберт Гукпен болған хат алмасу екенін мойындады. Гук 1679 жылғы қарашада Ньютонға хат жазып, Корольдік қоғамның хат-хабарларын басқаруға тағайындалғанын хабарлап, хат алмасуды бастады. Ол қоғам мүшелерінен олардың зерттеулері немесе басқалардың зерттеулері туралы пікірлерін білуді ниеттенді. Ньютонның қызығушылығын ояту мақсатымен, ол Ньютонның түрлі мәселелер бойынша ойын сұрады, содан кейін "планеталардың аспан қозғалысын тікелей қозғалыс пен орталық денеге тартылу қозғалысын біріктіру", "серпімділік заңдары немесе себептері туралы менің гипотезам", сондай-ақ Парижден келген планеталық қозғалыстар туралы жаңа гипотезаны (Гук бұл туралы толық сипаттады), ұлттық зерттеулерді жүргізу және жақсартуға жасалған әрекеттер, Лондон мен Кембридж арасындағы ендік айырмасы және басқа да мәселелерді тізімдеді. Ньютон "өз ойымды" деп жауап беріп, құлайтын денені пайдаланып Жердің қозғалысын анықтау туралы айтты. Гук Ньютонның құлайтын дененің қозғалысы туралы идеясымен келіспеді, нәтижесінде қысқа хат алмасу өрбіді. Кейін, 1686 жылы Ньютонның "Principia" еңбегі Корольдік қоғамға ұсынылғанда, Гук бұл хат алмасудан Ньютонның "Principia" еңбегіндегі кейбір мазмұны үшін өзіне еңбек сіңіргенін мәлімдеді және Ньютон тартылудың кері квадрат заңы туралы идеяны одан алғанын айтты. Бірақ Гук кері квадрат заңы негізінде Ньютон көрсеткен қисықтар мен траекториялар үшін ешқандай құрмет талап етпеді. Бұл туралы Галлейден естіген Ньютон, Галлейге жазған хатында Гуктің талабын жоққа шығарды, тек қызығушылығының қайта оянғанын мойындады. Ньютонның 1727 жылы қайтыс болғаннан кейін шамамен тридцать жыл өткен соң, Ньютонның гравитацияны зерттеу саласындағы алғашқы және көрнекті ізбасарларының бірі – Алексис Клер, Гуктің еңбегін қарастырғаннан кейін, оның "көрінген шындық пен дәлелденген шындық арасындағы үлкен қашықтықты" көрсеткенін жазды.