Zgodovina gravitacije

Klaus Vedfelt/Stone/Getty Images

Eno najbolj razširjenih vedenj, ki jih doživljamo, ni čudno, da so že prvi znanstveniki poskušali razumeti, zakaj predmeti padajo proti tlom. Grški filozof Aristotel je dal enega najzgodnejših in najobsežnejših poskusov znanstvene razlage tega vedenja, tako da je predstavil idejo, da se predmeti premikajo proti svojemu 'naravnemu mestu'.

To naravno mesto za element Zemlje je bilo v središču Zemlje (ki je bilo v Aristotelovem geocentričnem modelu vesolja seveda središče vesolja). Zemljo je obkrožala koncentrična krogla, ki je bila naravno kraljestvo vode, obdano z naravnim kraljestvom zraka in nato naravno kraljestvo ognja nad tem. Tako Zemlja tone v vodi, voda tone v zraku, plameni pa se dvigajo nad zrakom. Vse gravitira k svojemu naravnemu mestu v Aristotelovem modelu in se zdi dokaj skladno z našim intuitivnim razumevanjem in osnovnimi opažanji o tem, kako svet deluje.

Aristotel je nadalje verjel, da predmeti padajo s hitrostjo, ki je sorazmerna z njihovo težo. Z drugimi besedami, če bi vzeli lesen in kovinski predmet enake velikosti in ju oba spustili, bi težji kovinski predmet padel sorazmerno hitreje.

Galileo in gibanje

Aristotelova filozofija o gibanju proti naravnemu mestu snovi je veljala približno 2000 let, vse do časa Galileo Galilei . Galileo je izvajal poskuse, kotaleče predmete različnih tež po nagnjenih ravninah (ni pa jih spustil s stolpa v Pisi, kljub priljubljenim apokrifnim zgodbam o tem) in ugotovil, da so padali z enako pospešek ne glede na njihovo težo.

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

»Nekatere miselne poskuse je mogoče analizirati kot stroge argumente, pogosto v obliki reductio ad absurdum , v katerem vzamemo premise nasprotnikov in izpeljemo formalno protislovje (absurden rezultat), s čimer pokažemo, da ne morejo imeti vsi prav. Eden mojih najljubših je dokaz, ki ga pripisujejo Galileju, da težke stvari ne padajo hitreje od lažjih (če je trenje zanemarljivo). Če bi, je trdil, ker bi težek kamen A padel hitreje od lahkega kamna B, če B privežemo na A, bi kamen B deloval kot upor in upočasnil A. Toda A, vezan na B, je težji od A samega, zato bi morala oba skupaj tudi padati hitreje kot A sam po sebi. Ugotovili smo, da bi povezava B z A naredila nekaj, kar bi padlo hitreje in počasneje kot A samo po sebi, kar je protislovje.'

Newton predstavi gravitacijo

Glavni prispevek, ki ga je razvil Sir Isaac Newton je bilo spoznati, da je bilo to padajoče gibanje, opaženo na Zemlji, enako obnašanje gibanja, kot ga doživljajo Luna in drugi predmeti, kar jih drži na mestu v odnosu drug do drugega. (Ta Newtonov vpogled je bil zgrajen na Galilejevem delu, pa tudi z upoštevanjem heliocentričnega modela in Kopernikov princip , ki ga je pred Galilejevim delom razvil Nikolaj Kopernik.)

Newtonov razvoj zakona univerzalne gravitacije, pogosteje imenovanega zakon gravitacije , je ta dva koncepta združil v obliki matematične formule, ki se je zdela primerna za določanje sile privlačnosti med katerima koli predmetoma z maso. Skupaj z Newtonovi zakoni gibanja , je ustvaril formalni sistem gravitacije in gibanja, ki bo več kot dve stoletji nesporno vodil znanstveno razumevanje.

Einstein na novo definira gravitacijo

Naslednji pomemben korak v našem razumevanju gravitacije prihaja iz Albert Einstein , v obliki njegovega splošna teorija relativnosti , ki opisuje odnos med snovjo in gibanjem skozi osnovno razlago, da predmeti z maso dejansko upogibajo samo tkivo prostora in časa (skupaj imenovano prostorčas). To spremeni pot predmetov na način, ki je v skladu z našim razumevanjem gravitacije. Zato je trenutno razumevanje gravitacije, da je posledica predmetov, ki sledijo najkrajši poti skozi prostor-čas, spremenjeno z upogibanjem bližnjih masivnih predmetov. V večini primerov, na katere naletimo, se to popolnoma ujema z Newtonovim klasičnim zakonom gravitacije. Obstaja nekaj primerov, ki zahtevajo bolj izpopolnjeno razumevanje splošne teorije relativnosti, da se podatki prilagodijo zahtevani ravni natančnosti.

Iskanje kvantne gravitacije

Vendar pa obstajajo primeri, ko nam niti splošna relativnost ne more dati povsem pomembnih rezultatov. Natančneje, obstajajo primeri, ko je splošna relativnost nezdružljiva z razumevanjem kvantna fizika .

Eden najbolj znanih teh primerov je vzdolž meje a Črna luknja , kjer je gladko tkivo prostora-časa nezdružljivo z granularnostjo energije, ki jo zahteva kvantna fizika. To je teoretično rešil fizik Stephen Hawking , v razlagi, da predvidene črne luknje sevajo energijo v obliki Hawkingovo sevanje .

Kar pa je potrebno, je celovita teorija gravitacije, ki lahko v celoti vključuje kvantno fiziko. Takšna teorija o kvantna gravitacija bi bilo potrebno za rešitev teh vprašanj. Fiziki imajo veliko kandidatov za takšno teorijo, med katerimi je najbolj priljubljena teorija strun , vendar nobena ne daje zadostnih eksperimentalnih dokazov (ali celo zadostnih eksperimentalnih napovedi), ki bi jih lahko preverili in splošno sprejeli kot pravilen opis fizične realnosti.

Skrivnosti, povezane z gravitacijo

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