Historia grawitacji

Klaus Vedfelt/Stone/Getty Images

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

To naturalne miejsce dla żywiołu Ziemi znajdowało się w centrum Ziemi (co było oczywiście centrum wszechświata w geocentrycznym modelu wszechświata Arystotelesa). Ziemię otaczała koncentryczna sfera, która była naturalną sferą wody, otoczoną naturalną sferą powietrza, a ponad nią naturalną sferą ognia. Tak więc Ziemia tonie w wodzie, woda tonie w powietrzu, a płomienie unoszą się nad powietrzem. Wszystko skłania się ku swojemu naturalnemu miejscu w modelu Arystotelesa i wydaje się całkiem zgodne z naszym intuicyjnym rozumieniem i podstawowymi obserwacjami tego, jak działa świat.

Arystoteles uważał ponadto, że przedmioty spadają z prędkością proporcjonalną do ich wagi. Innymi słowy, jeśli weźmiesz drewniany i metalowy przedmiot o tym samym rozmiarze i upuścisz je oba, cięższy metalowy przedmiot spadnie z proporcjonalnie większą prędkością.

Galileo i Motion

Filozofia Arystotelesa dotycząca ruchu w kierunku naturalnego miejsca substancji dominowała przez około 2000 lat, aż do czasów Galileo Galilei . Galileusz prowadził eksperymenty tocząc przedmioty o różnej masie w dół pochyłych płaszczyzn (nie zrzucając ich z Wieży w Pizie, pomimo popularnych opowieści apokryficznych o tym fakcie) i stwierdził, że spadają z tym samym przyśpieszenie stawkę niezależnie od ich wagi.

Oprócz dowodów empirycznych Galileusz skonstruował również teoretyczny eksperyment myślowy, aby poprzeć ten wniosek. 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 w formie” redukcja do absurdu , w którym bierze się przesłanki przeciwnika i wyprowadza formalną sprzeczność (absurdalny wynik), pokazując, że nie wszyscy mogą mieć rację. Jednym z moich ulubionych jest dowód przypisywany Galileuszowi, że ciężkie przedmioty nie spadają szybciej niż lżejsze (gdy tarcie jest znikome). Gdyby tak było, argumentował, to ponieważ ciężki kamień A spadałby szybciej niż lekki kamień B, gdybyśmy związali B z A, kamień B działałby jak opór, spowalniając A. Ale A związany z B jest cięższy niż samo A, więc obaj razem powinni również spaść szybciej niż samo A. Doszliśmy do wniosku, że powiązanie B z A sprawiłoby, że coś spadłoby zarówno szybciej, jak i wolniej niż samo A, co jest sprzecznością”.

Newton wprowadza grawitację

Główny wkład opracowany przez Sir Isaac Newton było rozpoznanie, że ten spadający ruch obserwowany na Ziemi był tym samym zachowaniem ruchu, którego doświadczają Księżyc i inne obiekty, co utrzymuje je na miejscu względem siebie. (To spostrzeżenie Newtona zostało zbudowane na pracy Galileusza, ale także przez przyjęcie modelu heliocentrycznego i zasada kopernikańska , który został opracowany przez Mikołaja Kopernika przed pracą Galileusza.)

Rozwój Newtona prawa powszechnego ciążenia, częściej zwanego prawo grawitacji , połączył te dwa pojęcia w formie matematycznego wzoru, który wydawał się mieć zastosowanie do określenia siły przyciągania między dowolnymi dwoma obiektami o masie. Razem z Prawa ruchu Newtona , stworzył formalny system grawitacji i ruchu, który kierował naukowym zrozumieniem niekwestionowanym przez ponad dwa stulecia.

Einstein na nowo definiuje grawitację

Kolejny ważny krok w naszym zrozumieniu grawitacji pochodzi z Albert Einstein , w formie jego ogólna teoria względności , który opisuje związek między materią a ruchem poprzez podstawowe wyjaśnienie, że obiekty o masie faktycznie wyginają samą tkankę przestrzeni i czasu (łącznie zwaną czasoprzestrzenią). Zmienia to drogę obiektów w sposób zgodny z naszym rozumieniem grawitacji. Dlatego obecne rozumienie grawitacji jest takie, że jest ona wynikiem poruszania się obiektów najkrótszą ścieżką w czasoprzestrzeni, zmodyfikowanej przez wypaczanie pobliskich masywnych obiektów. W większości przypadków, z którymi się spotykamy, jest to całkowicie zgodne z klasycznym prawem grawitacji Newtona. Istnieje kilka przypadków, które wymagają dokładniejszego zrozumienia ogólnej teorii względności, aby dopasować dane do wymaganego poziomu precyzji.

Poszukiwanie grawitacji kwantowej

Są jednak przypadki, w których nawet ogólna teoria względności nie może dać nam znaczących wyników. W szczególności istnieją przypadki, w których ogólna teoria względności jest niezgodna z rozumieniem Fizyka kwantowa .

Jeden z najbardziej znanych przykładów znajduje się na granicy a czarna dziura , gdzie gładka tkanina czasoprzestrzeni jest niezgodna z ziarnistością energii wymaganej przez fizykę kwantową. Zostało to teoretycznie rozwiązane przez fizyka Stephen Hawking , w wyjaśnieniu, w którym przewidywane czarne dziury emitują energię w postaci Promieniowanie Hawkinga .

Potrzebna jest jednak wszechstronna teoria grawitacji, która może w pełni uwzględnić fizykę kwantową. Taka teoria grawitacja kwantowa byłyby potrzebne w celu rozwiązania tych kwestii. Fizycy mają wielu kandydatów na taką teorię, z których najpopularniejszym jest… teoria strun , ale żaden nie dostarcza wystarczających dowodów eksperymentalnych (lub nawet wystarczających przewidywań eksperymentalnych), które można zweryfikować i szeroko zaakceptować jako poprawny opis rzeczywistości fizycznej.

Tajemnice związane z grawitacją

Oprócz zapotrzebowania na kwantową teorię grawitacji, istnieją jeszcze dwie tajemnice związane z grawitacją oparte na eksperymentach, które wciąż wymagają rozwiązania. Naukowcy odkryli, że aby nasze obecne zrozumienie grawitacji miało zastosowanie do wszechświata, musi istnieć niewidzialna siła przyciągania (zwana ciemną materią), która pomaga utrzymać galaktyki razem, oraz niewidzialna siła odpychająca (zwana ciemna energia ), która oddala odległe galaktyki w szybszym tempie.