Povijest gravitacije i Aristotela

Jedno od najraširenijih ponašanja koje doživljavamo, nije ni čudo što su čak i najraniji znanstvenici pokušali shvatiti zašto predmeti padaju na zemlju. Grčki filozof Aristotel dao je jedan od najranijih i najcjelovitijih pokušaja znanstvenog objašnjenja ovakvog ponašanja iznoseći ideju da se predmeti kreću prema „prirodnom mjestu“.

Ovo prirodno mjesto za element Zemlje bilo je u središtu Zemlje (što je, naravno, bilo središte svemira u Aristotelovu geocentričnom modelu svemira). Oko Zemlje je bila koncentrična sfera koja je bila prirodno carstvo vode, okružena prirodnim zrakom, a potom iznad toga prirodna vatra. Tako Zemlja tone u vodu, voda tone u zrak, a plamenovi se uzdižu iznad zraka. Sve gravitira svom prirodnom mjestu u Aristotelovu modelu, a nailazi na podjednako u skladu s našim intuitivnim razumijevanjima i osnovnim opažanjima o tome kako svijet funkcionira.

Nadalje, Aristotel je vjerovao da predmeti padaju brzinom proporcionalnom njihovoj težini. Drugim riječima, ako biste uzeli drveni predmet i metalni predmet iste veličine i oba ih bacili, teži metalni predmet padao bi proporcionalno većom brzinom.

Aristotelova filozofija kretanja prema prirodnom mjestu tvari održavala se oko 2.000 godina do doba vremena Galileo Galilei. Galileo je izveo eksperimente kotrljajući predmete različitih težina niz nagnute ravnine (ne bacajući ih s njih Pisački toranj, unatoč popularnim apokrifnim pričama o tome), i ustanovio da su pali s isti ubrzanje stopa bez obzira na njihovu težinu.

Uz empirijske dokaze, Galileo je izgradio i teoretski misaoni eksperiment u prilog ovom zaključku. Evo kako suvremeni filozof opisuje Galileov pristup u svojoj knjizi iz 2013. godine Crpke za intuiciju i ostali alati za razmišljanje:

"Neki su misaoni eksperimenti analizirani kao rigorozni argumenti, često od oblika reductio ad absurdum, u kojem netko zauzima stavove protivnika i proizlazi iz formalne kontradikcije (apsurdan rezultat), pokazujući da ne mogu svi biti u redu. Jedan od mojih favorita je dokaz pripisan Galileu da teške stvari ne padaju brže od lakših stvari (kada je trenje zanemarivo). Ako to učine, tvrdio je on, budući da bi teški kamen A pao brže od lakog kamena B, ako bismo vezali B za A, kamen B bi djelovao kao povlačenje, usporavajući A. No vezani za B teže je od A, pa bi njih dvoje također trebali pasti brže od A. Zaključili smo da bi vezanje B na A stvorilo nešto što je i brže i sporije od A, što je kontradikcija. "

Glavni doprinos razvijen od strane Sir Isaac Newton trebalo je prepoznati da je ovo padajuće gibanje opaženo na Zemlji isto ponašanje gibanja koje doživljava Mjesec i drugi predmeti, što ih drži na svom mjestu u odnosu jedan prema drugome. (Newtonov uvid izgrađen je na Galilejevom djelu, ali također i prihvaćanjem heliocentričnog modela i Kopernikov princip, koji je razvio Nikola Kopernik prije Galilejevog djela.)

Newtonov razvoj zakona univerzalne gravitacije, koji se češće naziva " zakon gravitacije, spojila su ta dva koncepta u obliku matematičke formule koja se čini primjenom za određivanje sile privlačenja bilo koja dva objekta s masom. Zajedno s Newtonovi zakoni kretanja, stvorio je formalni sustav gravitacije i kretanja koji će voditi znanstveno razumijevanje tijekom cijelog dva stoljeća.

Slijedi sljedeći veliki korak u našem razumijevanju gravitacije Albert Einstein, u obliku njegova opća teorija relativnosti, koji opisuje odnos materije i kretanja kroz osnovno objašnjenje da predmeti s masom zapravo savijaju samu tkaninu prostora i vremena (kolektivno nazvanog prostor-vrijeme). To mijenja put predmeta na način koji je u skladu s našim razumijevanjem gravitacije. Prema tome, trenutačno razumijevanje gravitacije glasi da je rezultat objekata koji slijede najkraći put kroz svemir, modificiran izvijanjem obližnjih masivnih predmeta. U većini slučajeva u koje nailazimo, to je u potpunosti u skladu s Newtonovim klasičnim zakonom gravitacije. Postoje slučajevi koji zahtijevaju preciznije razumijevanje opće relativnosti da bi se podaci prilagodili potrebnoj razini preciznosti.

Međutim, postoje neki slučajevi u kojima nam ni opća relativnost ne može dati smislene rezultate. Konkretno, postoje slučajevi u kojima je opća relativnost nespojiva s razumijevanjem kvantna fizika.

Jedan od najpoznatijih ovih primjera je uz granicu a Crna rupa, gdje je glatka tkanina prostornog vremena nespojiva sa zrnatošću energije koja je potrebna kvantnom fizikom. Teorijski je to riješio fizičar Stephen Hawking, u obrazloženju koje je predviđalo da crne rupe zrače energijom u obliku Hawkingovo zračenje.

Međutim, potrebno je sveobuhvatna teorija gravitacije koja može u potpunosti uključiti kvantnu fiziku. Takva teorija o kvantna gravitacija bili bi potrebni kako bi se ta pitanja riješila. Fizičari imaju mnogo kandidata za takvu teoriju, od kojih je najpopularnija teorija struna, ali nijedan koji ne daje dovoljne eksperimentalne dokaze (ili čak dovoljna eksperimentalna predviđanja) koji bi se mogli provjeriti i široko prihvatiti kao ispravan opis fizičke stvarnosti.

Osim potrebe za kvantnom teorijom gravitacije, postoje još dvije eksperimentalno vođene misterije povezane s gravitacijom koje tek treba riješiti. Znanstvenici su otkrili da za naše trenutačno razumijevanje gravitacije koja se primjenjuje na svemir, mora postojati an neviđena privlačna sila (koja se naziva tamna materija) koja pomaže držati galaksije zajedno i neviđena odbojna sila (zove tamna energija) koji bržim brzinama gura udaljene galaksije.