Zgodovina gravitacije in Aristotela

Eno najbolj razširjenih vedenj, ki ga doživljamo, ni čudno, da so že najbolj zgodnji znanstveniki poskušali razumeti, zakaj predmeti padajo proti tlom. Grški filozof Aristotel je eden prvih in najobsežnejših poskusov znanstvene razlage tega vedenja predstavil idejo, da se predmeti premikajo proti svojemu "naravnemu kraju".

To naravno mesto za element Zemlje je bilo v središču Zemlje (kar je bilo seveda središče vesolja v Aristotelovem geocentričnem modelu vesolja). Okoli Zemlje je bila koncentrična krogla, ki je bila naravno kraljestvo vode, ki jo je obdajalo naravno območje zraka, nato pa naravno ognje. Tako Zemlja potopi v vodi, voda tone v zraku in plameni se dvigajo nad zrakom. Vse se gravitira k svojemu naravnemu mestu v Aristotelovem modelu in se zdi ravno tako skladno z našim intuitivnim razumevanjem in osnovnimi opazovanji, kako svet deluje.

Nadalje je Aristotel verjel, da predmeti padajo s hitrostjo, sorazmerno z njihovo težo. Z drugimi besedami, če bi vzeli lesen predmet in kovinski predmet enake velikosti in jih oba spustili, bi težji kovinski predmet padel s sorazmerno večjo hitrostjo.

Aristotelova filozofija gibanja proti naravnemu mestu snovi se je gibala približno 2000 let, vse do časa Galileo Galilei. Galileo je izvedel poskuse, ki so premikali predmete različnih uteži navzdol po nagnjenih ravninah (ne da bi jih spuščal s sebe Kljub priljubljenim apokrifnim zgodbam o tem Pizskem stolpu so ugotovili, da so padli s enako pospešek stopnja ne glede na njihovo težo.

Poleg empiričnih dokazov je Galileo zgradil tudi teoretični miselni eksperiment, ki je podprl ta sklep. Takole sodobni filozof opisuje Galilejev pristop v svoji knjigi iz leta 2013 Črpalke za intuicijo in druga orodja za razmišljanje:

"Nekatere miselne eksperimente je mogoče analizirati kot stroge argumente, pogosto takšne reductio ad absurdum, v katerem si zavzame prostore nasprotnika in iz tega izhaja formalno nasprotje (absurden rezultat), ki kaže, da ne morejo biti vsi v redu. Eden mojih najljubših je dokaz, ki ga pripisujejo Galileu, da težke stvari ne padejo hitreje kot lažje (kadar je trenje zanemarljivo). Če bi to storili, je trdil, ker bi težki kamen A padel hitreje kot lahki kamen B, če bi B privezali A, bi kamen B deloval kot vleka in upočasnil A. Toda privezana na B je težja od A samega, zato bi morala tudi dva skupaj pasti hitreje kot A sama. Ugotovili smo, da bi vezanje B na A povzročilo nekaj hitrejšega in počasnejšega kot A, kar je protislovje. "

Glavni prispevek, ki ga je razvil Sir Isaac Newton je bilo prepoznati, da je to padajoče gibanje, opaženo na Zemlji, enako vedenje gibanja, kot ga doživljata Luna in drugi predmeti, kar jih drži na svojem mestu drug v drugem. (Ta vpogled iz Newtona je bil zasnovan na Galilejevem delu, vendar tudi s sprejemanjem heliocentričnega modela in Kopernikov princip, ki ga je razvil Nikola Kopernik pred Galilejevim delom.)

Newtonov razvoj zakona univerzalne gravitacije, ki ga pogosteje imenujemo " zakon gravitacije, sta združila ta dva koncepta v obliki matematične formule, ki se zdi, da se uporablja za določitev sile privlačnosti med dvema objektoma z maso. Skupaj z Newtonovi zakoni gibanja, ustvaril je formalni sistem gravitacije in gibanja, ki bi vodil znanstveno razumevanje brez izzivov več kot dve stoletji.

Izhaja naslednji naslednji korak v našem razumevanju gravitacije Albert Einstein, v obliki njegove splošna teorija relativnosti, ki opisuje razmerje med materijo in gibanjem skozi osnovno razlago, da predmeti z maso dejansko upogibajo samo tkanino prostora in časa (skupno imenujemo vesolje). To spremeni pot predmetov na način, ki je v skladu z našim razumevanjem gravitacije. Zato trenutno razumevanje gravitacije pomeni, da je rezultat predmetov, ki sledijo najkrajši poti skozi vesolje, spremenjeni z zvijanjem bližnjih masivnih predmetov. V večini primerov, s katerimi se srečujemo, je to popolnoma v skladu z Newtonovim klasičnim gravitacijskim zakonom. Obstaja nekaj primerov, ki zahtevajo bolj izpopolnjeno razumevanje splošne relativnosti, da se podatki prilagodijo na zahtevano raven natančnosti.

Vendar pa obstajajo nekateri primeri, ko nam niti splošna relativnost ne more prinesti smiselnih rezultatov. Zlasti obstajajo primeri, ko splošna relativnost ni združljiva z razumevanjem kvantna fizika.

Eden najbolj znanih teh primerov je ob meji a Črna luknja, kjer gladka tkanina vesoljskega časa ni združljiva z zrnatostjo energije, ki jo zahteva kvantna fizika. To je teoretično razrešil fizik Stephen Hawking, v obrazložitvi, ki predvideva, da črne luknje sevajo energijo v obliki Hawkingovo sevanje.

Potrebna pa je celovita teorija gravitacije, ki lahko v celoti vključi kvantno fiziko. Takšna teorija o kvantna gravitacija bi bila potrebna za rešitev teh vprašanj. Fiziki imajo veliko kandidatov za takšno teorijo, od katerih je najbolj priljubljena teorija strunvendar noben, ki ne bi zagotovil dovolj eksperimentalnih dokazov (ali celo dovolj eksperimentalnih napovedi), ki bi jih bilo mogoče preveriti in na splošno sprejeti kot pravilen opis fizične resničnosti.

Poleg potrebe po kvantni teoriji gravitacije obstajata še dve eksperimentalno vodeni skrivnosti, povezani z gravitacijo, ki ju je še treba razrešiti. Znanstveniki so ugotovili, da za naše trenutno razumevanje gravitacije, ki velja za vesolje, mora obstajati an nevidna privlačna sila (imenovana temna snov), ki pomaga držati galaksije skupaj, in nevidna odbojna sila (kliče temna energija), ki hitrejše potisne oddaljene galaksije.