Gravitatsiooni ajalugu ja Aristoteles

Üks kõige levinumaid käitumisviise, mida me kogeme, pole ime, et isegi kõige varasemad teadlased üritasid mõista, miks objektid maapinnale langevad. Kreeka filosoof Aristoteles andis ühe varaseima ja põhjalikuma katse selle käitumise teaduslikuks selgitamiseks, esitades idee, et objektid liikusid oma "loodusliku koha" poole.

Maakera elemendi loomulik koht asus Maa keskel (mis muidugi oli Aristotelese universumi geotsentrilises mudelis universumi keskpunkt). Maakera ümbritseb kontsentrilist sfääri, mis oli vee looduslik piirkond, ümbritsetud õhu loomuliku valdkonnaga ja seejärel loodusliku tulevaldkonnaga sellest kõrgemal. Nii vajub Maa vees, vesi vajub õhus ja leegid tõusevad õhust kõrgemale. Kõik liigub Aristotelese mudelis oma loomuliku koha poole ja on üsna kooskõlas meie intuitiivsete arusaamade ja põhiliste tähelepanekutega maailma toimimisest.

Aristoteles uskus veel, et objektid kukuvad kiirusega, mis on võrdeline nende raskusega. Teisisõnu, kui võtaksite ühesuuruse puidust eseme ja metalleseme ning langetaksite mõlemad maha, kukuks raskem metallese proportsionaalselt kiiremini.

Aristotelese filosoofia aine loomuliku koha liikumise kohta kestis umbes 2000 aastat kuni aastani 2000 Galileo Galilei. Galileo viis läbi katseid, veeretades erineva raskusega objekte kaldu lennukitest allapoole (mitte neid maha laskmata vaatamata Pisa tornile, vaatamata populaarsetele apokrüüfilistele lugudele) ja leidis, et need langesid koos sama kiirendus määra sõltumata nende kaalust.

Lisaks empiirilistele tõenditele koostas Galileo selle järelduse toetuseks ka teoreetilise mõttekatse. Nii kirjeldab moodne filosoof Galileo lähenemist oma 2013. aasta raamatus Intuitsioonipumbad ja muud mõtlemisvahendid:

"Mõnda mõtteeksperimenti saab analüüsida rangete argumentidena, sageli ka vormis reductio ad absurdum, kus võetakse vastase ruumid ja leitakse formaalne vastuolu (absurdne tulemus), näidates, et kõigil ei saa kõik korras olla. Üks minu lemmikuid on Galileole omistatud tõend, et rasked asjad ei kuku kiiremini kui kergemad asjad (kui hõõrdumine on tühine). Kui nad seda teeksid, väitis ta, kuna kuna raske kivi A kukub kiiremini kui kerge kivi B, siis kui B seotakse A-ga, toimib kivi B tõmbamisena, aeglustades A-d. Kuid A, mis on seotud B-ga, on raskem kui A-ga üksi, seega peaksid ka kaks koos kukkuma A-st kiiremini. Oleme järeldanud, et B sidumine A-ga muudaks midagi, mis langeb nii kiiremini kui ka aeglasemalt kui A iseenesest, mis on vastuolu. "

Suurim panus on välja töötatud Sir Isaac Newton pidi teadvustama, et see Maal täheldatud langev liikumine oli sama liikumisharjumus, mida kogevad Kuu ja muud objektid, mis hoiab neid üksteise suhtes paigas. (See Newtoni ülevaade oli üles ehitatud Galileo tööle, aga ka heriotsentrilise mudeli ja Copernica põhimõte, mille oli välja töötanud Nicholas Copernicus enne Galileo loomingut.)

Newtoni universaalse gravitatsiooni seaduse areng, mida sagedamini nimetatakse gravitatsiooniseadus, viis need kaks mõistet kokku matemaatilise valemi kujul, mida näis rakendavat mis tahes kahe massiga objekti vahelise tõmbejõu määramiseks. Koos Newtoni liikumisseadused, lõi see formaalse gravitatsiooni- ja liikumissüsteemi, mis suunaks teaduslikku mõistmist vaidlustamata üle kahe sajandi.

Järgmine suurem samm meie mõistmisel gravitatsiooni kohta tuleb Albert Einstein, oma vormis üldine relatiivsusteooria, mis kirjeldab mateeria ja liikumise suhet läbi põhilise seletuse, mille kohaselt massiga objektid painutavad tegelikult ruumi ja aja (tegelikult ühiselt ruumiajaks) kanga. See muudab objektide teed viisil, mis on kooskõlas meie arusaamaga gravitatsiooni kohta. Seetõttu on praegune arusaam gravitatsioonist, et see on objektide tulemus, mis kulgevad läbi kosmoseaja lühima tee, mida on muudetud läheduses asuvate massiivsete objektide väändumisega. Enamikul juhtudest, millega kokku puutume, on see täielikult kooskõlas Newtoni klassikalise gravitatsiooniseadusega. Mõnel juhul on vaja üldrelatiivsuse täpsustamist, et andmed vastaksid nõutavale täpsustasemele.

Siiski on mõnel juhul isegi mitte üldine relatiivsus suhteliste tulemustega. Täpsemalt, on juhtumeid, kus üldine relatiivsus on vastuolus arusaamisega kvantfüüsika.

Nendest näidetest üks tuntumaid asub a-piiri ääres must auk, kus kosmoseaja sujuv kangas ei ühildu kvantfüüsika jaoks vajaliku energia detailsusega. Teoreetiliselt lahendas selle füüsik Stephen Hawking, selgituses, mis ennustas, et mustad augud kiirgavad energiat kujul Hawkingi kiirgus.

Vaja on aga kõikehõlmavat gravitatsiooniteooriat, mis suudaks kvantfüüsika täielikult sisse viia. Selline teooria kvantgravitatsioon oleks vaja nende küsimuste lahendamiseks. Füüsikutel on sellisele teooriale palju kandidaate, millest populaarseim on keelteooria, kuid ükski neist ei anna piisavalt eksperimentaalseid tõendeid (või isegi piisavalt eksperimentaalseid ennustusi), et seda saaks kontrollida ja laialdaselt aktsepteerida füüsilise reaalsuse õige kirjeldusena.

Lisaks gravitatsiooni kvantteooria vajadusele on veel kaks raskusjõuga seotud eksperimentaalselt juhitud müsteeriumi, mis vajavad veel lahendamist. Teadlased leidsid, et meie praeguse arusaama gravitatsiooni kohta universumis peab olema olemas nähtamatu atraktiivne jõud (nn tumeaine), mis aitab galaktikaid koos hoida, ja nähtamatu tõrjuv jõud (kutsus tume energia), mis lükkab kaugemad galaktikad kiiremini laiali.