Historia grawitacji i Arystotelesa

Jedno z najbardziej wszechobecnych zachowań, jakich doświadczamy, nic dziwnego, że nawet najwcześniejsi naukowcy próbowali zrozumieć, dlaczego przedmioty spadają na ziemię. Grecki filozof Arystoteles podjął jedną z najwcześniejszych i najbardziej wszechstronnych prób naukowego wyjaśnienia tego zachowania, przedstawiając ideę, że obiekty poruszają się w kierunku „naturalnego miejsca”.

To naturalne miejsce dla elementu Ziemi znajdowało się w centrum Ziemi (co oczywiście było centrum wszechświata w geocentrycznym modelu wszechświata Arystotelesa). Ziemia otaczała koncentryczną kulę, która była naturalnym królestwem wody, otoczonym naturalnym królestwem powietrza, a następnie naturalnym królestwem ognia powyżej tego. Tak więc Ziemia tonie w wodzie, woda tonie w powietrzu, a płomienie wznoszą się ponad nim. Wszystko skłania się ku swojemu naturalnemu miejscu w modelu Arystotelesa i wydaje się dość spójne z naszym intuicyjnym zrozumieniem i podstawowymi spostrzeżeniami o tym, jak działa świat.

Arystoteles uważał ponadto, że przedmioty spadają z prędkością proporcjonalną do ich ciężaru. Innymi słowy, jeśli weźmiesz drewniany przedmiot i metalowy przedmiot tej samej wielkości i upuścisz je oba, cięższy metalowy przedmiot spadnie z proporcjonalnie większą prędkością.

Filozofia Arystotelesa dotycząca ruchu w kierunku naturalnego miejsca substancji panowała przez około 2000 lat, aż do czasu Galileo Galilei. Galileo przeprowadził eksperymenty toczące obiekty o różnej masie w dół po pochyłych płaszczyznach (nie zrzucając ich) Wieża w Pizie, pomimo popularnych apokryficznych opowieści o tym skutku), i okazało się, że upadli z podobnie przyśpieszenie stawki niezależnie od ich wagi.

Oprócz dowodów empirycznych Galileusz skonstruował również teoretyczny eksperyment myślowy na poparcie tego wniosku. Oto jak współczesny filozof opisuje podejście Galileusza w swojej książce z 2013 roku Pompy intuicyjne i inne narzędzia do myślenia:

„Niektóre eksperymenty myślowe można analizować jako rygorystyczne argumenty, często o formie reductio ad absurdum, w którym bierze się przesłanki przeciwnika i formalnie zaprzecza (absurdalny wynik), pokazując, że nie wszyscy mają rację. Jednym z moich ulubionych jest dowód przypisywany Galileuszowi, że ciężkie rzeczy nie spadają szybciej niż lżejsze (gdy tarcie jest znikome). Jeśli tak, argumentował, a ponieważ ciężki kamień A spadałby szybciej niż lekki kamień B, gdybyśmy przywiązali B do A, kamień B działałby jak hamulec, spowalniając A. Ale A przywiązany do B jest cięższy niż sam A, więc oba powinny również spaść szybciej niż sam A. Doszliśmy do wniosku, że wiązanie B z A spowodowałoby, że sam wypadałby szybciej i wolniej niż sam A, co jest sprzecznością ”.

Główny wkład opracowany przez Sir Isaac Newton było rozpoznanie, że ten spadający ruch obserwowany na Ziemi był tym samym zachowaniem ruchu, jakiego doświadczają Księżyc i inne obiekty, co utrzymuje je w miejscu w stosunku do siebie. (Ten wgląd Newtona został oparty na pracy Galileusza, ale także poprzez objęcie modelu heliocentrycznego i Zasada kopernikańska, który został opracowany przez Mikołaja Kopernika przed pracą Galileusza).

Rozwój prawa powszechnej grawitacji przez Newtona, częściej nazywany prawo grawitacji, połączył te dwa pojęcia w formie matematycznej formuły, która zdawała się mieć zastosowanie do określenia siły przyciągania między dowolnymi dwoma obiektami o masie. Razem z Prawa ruchu Newtonastworzył formalny system grawitacji i ruchu, który poprowadzi naukowe zrozumienie, którego nie kwestionowano przez ponad dwa wieki.

Kolejny ważny krok w naszym rozumieniu grawitacji pochodzi Albert Einstein, w postaci jego ogólna teoria względności, który opisuje związek między materią a ruchem poprzez podstawowe wyjaśnienie, że obiekty z masą faktycznie wyginają samą tkankę przestrzeni i czasu (zwaną wspólnie czasoprzestrzenią). To zmienia ścieżkę przedmiotów w sposób zgodny z naszym rozumieniem grawitacji. Dlatego obecne rozumienie grawitacji polega na tym, że jest ona wynikiem obiektów podążających najkrótszą ścieżką w czasoprzestrzeni, zmodyfikowanych przez wypaczanie pobliskich masywnych obiektów. W większości przypadków, na które natrafiamy, jest to całkowicie zgodne z klasycznym prawem grawitacji Newtona. Niektóre przypadki wymagają dokładniejszego zrozumienia ogólnej teorii względności w celu dopasowania danych do wymaganego poziomu precyzji.

Są jednak przypadki, w których nawet ogólna teoria względności nie może dać nam znaczących rezultatów. W szczególności istnieją przypadki, w których ogólna teoria względności jest niezgodna ze zrozumieniem Fizyka kwantowa.

Jeden z najbardziej znanych z tych przykładów znajduje się na granicy litery A czarna dziura, gdzie gładka tkanina czasoprzestrzeni jest niezgodna z ziarnistością energii wymaganą przez fizykę kwantową. Fizyk rozwiązał to teoretycznie Stephen Hawking, w wyjaśnieniu, że przewidywane czarne dziury promieniują energią w postaci Promieniowanie Hawkinga.

Potrzebna jest jednak kompleksowa teoria grawitacji, która może w pełni uwzględniać fizykę kwantową. Taka teoria grawitacja kwantowa byłoby potrzebne w celu rozwiązania tych pytań. Fizycy mają wielu kandydatów na taką teorię, z których najpopularniejszą jest teoria strun, ale żadne z nich nie dostarcza wystarczających dowodów eksperymentalnych (lub nawet wystarczających prognoz eksperymentalnych) do zweryfikowania i szeroko zaakceptowanych jako prawidłowy opis rzeczywistości fizycznej.

Oprócz potrzeby kwantowej teorii grawitacji istnieją dwie eksperymentalne tajemnice związane z grawitacją, które wciąż wymagają rozwiązania. Naukowcy odkryli, że aby nasze obecne rozumienie grawitacji miało zastosowanie do wszechświata, musi istnieć niewidzialna siła przyciągania (zwana ciemną materią), która pomaga utrzymać galaktyki razem i niewidzialna siła odpychająca (nazywa ciemna energia), który odsuwa odległe galaktyki od siebie z większą prędkością.