Историята на гравитацията и Аристотел

Едно от най-разпространените поведения, които изпитваме, не е чудно, че дори най-ранните учени се опитаха да разберат защо обектите падат към земята. Гръцкият философ Аристотел направи един от най-ранните и всеобхватни опити за научно обяснение на това поведение, като изложи идеята, че обектите се придвижват към тяхното „естествено място“.

Това естествено място за елемента Земя беше в центъра на Земята (което, разбира се, беше центърът на Вселената в геоцентричния модел на Вселената на Аристотел). Около Земята беше концентрична сфера, която беше естественото царство на водата, заобиколено от естественото царство на въздуха, а след това естественото царство на огъня над това. Така Земята потъва във вода, водата потъва във въздуха, а пламъците се издигат над въздуха. Всичко гравитира към естественото си място в модела на Аристотел и се вижда, че е сравнително съвместимо с нашето интуитивно разбиране и основни наблюдения за това как работи светът.

Освен това Аристотел вярвал, че предметите падат със скорост, пропорционална на теглото им. С други думи, ако вземете дървен предмет и метален предмет със същия размер и ги пуснете и двете, по-тежкият метален предмет ще падне с пропорционално по-бърза скорост.

Философията на Аристотел относно движението към естественото място на веществото се задържа в продължение на около 2000 години до времето на Галилей Галилей. Галилео провежда експерименти, търкаляйки предмети с различна тежест надолу по наклонени равнини (без да ги сваля Кулата на Пиза, въпреки популярните апокрифни истории в този смисъл), и откриха, че те паднаха с един и същ ускорение процент независимо от теглото им.

В допълнение към емпиричните доказателства, Галилей също конструира теоретичен мисловен експеримент в подкрепа на това заключение. Ето как съвременният философ описва подхода на Галилей в книгата си от 2013 г. Помпи за интуиция и други инструменти за мислене:

„Някои мисловни експерименти могат да се анализират като строги аргументи, често от формата reductio ad absurdum, в който човек приема помещенията на нечии противници и извежда формално противоречие (абсурден резултат), показвайки, че не могат всички да са прави. Един от любимите ми е доказателството, приписвано на Галилео, че тежките неща не падат по-бързо от по-леките (когато триенето е незначително). Ако го направят, аргументира се той, тогава тъй като тежък камък А ще падне по-бързо от лекия камък Б, ако свържем Б с А, камък Б ще действа като влачене, забавяйки А. Но обвързаното с B е по-тежко от A, така че двете заедно също трябва да паднат по-бързо от A от само себе си. Заключихме, че обвързването с B към A би направило нещо, което пада и по-бързо и по-бавно, отколкото A, което е противоречие “.

Основният принос, разработен от Сър Исак Нютон беше да се признае, че това падащо движение, наблюдавано на Земята, е същото поведение на движението, което изпитват Луната и други обекти, което ги държи на място във връзка помежду си. (Това прозрение от Нютон е изградено върху работата на Галилео, но също така и чрез възприемането на хелиоцентричния модел и Коперничански принцип, който е разработен от Николай Коперник преди работата на Галилей.)

Нютон разработва закона за универсалното гравитация, по-често наричан " закон на гравитацията, обедини тези две понятия под формата на математическа формула, която сякаш се прилага за определяне на силата на привличане между всякакви два обекта с маса. Заедно с Законите на движението на Нютон, тя създаде формална система на гравитация и движение, която да ръководи научното разбиране безспорно за повече от два века.

Следва следващата основна стъпка в нашето разбиране за гравитацията Алберт Айнщайн, под формата на неговата обща теория на относителността, която описва връзката между материята и движението чрез основното обяснение, че обектите с маса всъщност огъват самата тъкан на пространството и времето (колективно наречена пространство-време). Това променя пътя на обектите по начин, който е в съответствие с нашето разбиране за гравитацията. Следователно, сегашното разбиране на гравитацията е, че то е резултат от обекти, следващи най-краткия път през космическото време, модифициран от изкривяването на близките масивни обекти. В по-голямата част от случаите, в които се сблъскваме, това е в пълно съгласие с класическия закон на гравитацията на Нютон. Има някои случаи, които изискват по-прецизно разбиране на общата относителност, за да приспособяват данните до необходимото ниво на точност.

Има обаче някои случаи, при които дори общата относителност не може да ни даде смислени резултати. По-конкретно, има случаи, когато общата относителност е несъвместима с разбирането за квантова физика.

Един от най-известните от тези примери е по границата на a Черна дупка, където гладката тъкан на пространството е несъвместима с гранулирането на енергията, изисквана от квантовата физика. Това теоретично беше решено от физика Стивън Хоукинг, в обяснение, че прогнозираните черни дупки излъчват енергия под формата на Хокинг радиация.

Нужно е обаче всеобхватна теория за гравитацията, която може напълно да включи квантовата физика. Такава теория за квантова гравитация ще са необходими за решаването на тези въпроси. Физиците имат много кандидати за такава теория, най-популярната от които е теория на струните, но нито едно, което не дава достатъчно експериментални доказателства (или дори достатъчно експериментални прогнози), за да бъде проверено и широко прието като правилно описание на физическата реалност.

В допълнение към необходимостта от квантова теория на гравитацията има две експериментално задвижвани мистерии, свързани с гравитацията, които все още трябва да бъдат разрешени. Учените откриха, че за нашето сегашно разбиране на гравитацията, за да се приложи към Вселената, трябва да има едно невиждана привлекателна сила (наречена тъмна материя), която помага за задържане на галактики заедно и невидима отблъскваща сила (Наречен тъмна енергия), която бута далечни галактики на разстояние с по-бързи темпове.