Jak Newton wyjaśnia ruch planetarny?

Starożytni wierzyli, że planety i inne ciała niebieskie podlegają innym prawom niż zwykłe obiekty fizyczne na Ziemi. Jednak w XVII wieku astronomowie zdali sobie sprawę, że sama Ziemia jest planetą i że... zamiast być stałym centrum wszechświata - obraca się wokół Słońca jak każdy inny planeta. Uzbrojony w to nowe zrozumienie, Newton opracował wyjaśnienie ruchu planet przy użyciu tych samych praw fizycznych, które obowiązują na Ziemi.

Newton urodził się w Lincolnshire w Anglii w 1642 roku. W wieku 27 lat został mianowany profesorem matematyki na Uniwersytecie w Cambridge. Jego szczególnym zainteresowaniem było zastosowanie metod matematycznych w naukach fizycznych. Ruch planet był jednym z najgorętszych tematów tamtych czasów, a Newton poświęcił wiele wysiłku na opracowanie matematycznej teorii tego zjawiska. Rezultatem było jego prawo powszechnego ciążenia, które po raz pierwszy zostało opublikowane w 1687 roku.

W czasach Newtona wszystko, co wiedziano o ruchu planet, można było zwięźle podsumować w trzech prawach przypisywanych Johannesowi Keplerowi. Pierwsze prawo mówi, że planety krążą wokół Słońca po orbitach eliptycznych. Drugie prawo mówi, że planeta wymiata równe obszary w równym czasie. Zgodnie z trzecim prawem kwadrat okresu orbitalnego jest proporcjonalny do sześcianu odległości od Słońca. Są to jednak prawa czysto empiryczne. Opisują, co się dzieje, nie wyjaśniając, dlaczego tak się dzieje.

Newton był przekonany, że planety muszą przestrzegać tych samych praw fizycznych, które obserwuje się na Ziemi. Oznaczało to, że musi działać na nich niewidzialna siła. Wiedział z eksperymentu, że w przypadku braku przyłożonej siły, poruszające się ciało będzie trwało wiecznie w linii prostej. Z drugiej strony planety poruszały się po orbitach eliptycznych. Newton zadał sobie pytanie, jaka siła zmusiłaby ich do tego. Geniuszem zdał sobie sprawę, że odpowiedzią jest grawitacja – ta sama siła, która powoduje, że jabłko spada na ziemię na Ziemi.

Newton opracował matematyczne sformułowanie grawitacji, które wyjaśniało zarówno ruch spadającego jabłka, jak i ruchu planet. Pokazał, że siła grawitacyjna między dowolnymi dwoma obiektami jest proporcjonalna do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Teoria ta, zastosowana do ruchu planety wokół Słońca, wyjaśniła wszystkie trzy empirycznie wyprowadzone prawa Keplera.