Istoria gravitației și a lui Aristotel

Unul dintre cele mai omniprezente comportamente pe care le experimentăm, nu este de mirare că nici cei mai vechi oameni de știință au încercat să înțeleagă de ce obiectele cad în pământ. Filozoful grec Aristotel a oferit una dintre cele mai vechi și mai cuprinzătoare încercări de explicare științifică a acestui comportament, dând ideea că obiectele s-au mutat către „locul lor natural”.

Acest loc natural pentru elementul Pământului era în centrul Pământului (care era, desigur, centrul universului în modelul geocentric al universului Aristotel). Înconjurarea Pământului era o sferă concentrică care era tărâmul natural al apei, înconjurat de tărâmul natural al aerului, iar apoi tărâmul natural al focului deasupra. Astfel, Pământul se scufundă în apă, apa se scufundă în aer și flăcările se ridică deasupra aerului. Totul gravitează spre locul său natural în modelul lui Aristotel și vine la fel de în concordanță cu înțelegerea noastră intuitivă și observațiile de bază despre modul în care funcționează lumea.

Aristotel a crezut în continuare că obiectele cad la o viteză care este proporțională cu greutatea lor. Cu alte cuvinte, dacă ai lua un obiect din lemn și un obiect metalic de aceeași dimensiune și le-ai arunca pe amândouă, obiectul mai greu din metal ar cădea cu o viteză proporțional mai rapidă.

Filozofia lui Aristotel despre mișcarea spre locul natural al unei substanțe s-a menținut timp de aproximativ 2.000 de ani, până în momentul în care Galileo Galilei. Galileo a condus experimente prin care s-au rostogolit obiecte de diferite greutăți pe planuri înclinate (fără să le lase jos) Turnul din Pisa, în ciuda poveștilor populare apocrife în acest sens), și a constatat că au căzut odată cu la fel accelerare rata indiferent de greutatea lor.

Pe lângă dovezile empirice, Galilei a construit și un experiment de gândire teoretică pentru a susține această concluzie. Iată cum descrie filosoful modern abordarea lui Galileo în cartea sa din 2013 Pompe de intuiție și alte instrumente pentru gândire:

„Unele experimente gânditoare sunt analizabile ca argumente riguroase, adesea de formă reductio ad absurdum, în care cineva ia premisele adversarului și derivă o contradicție formală (un rezultat absurd), care arată că nu toate pot avea dreptate. Unul dintre favoriții mei este dovada atribuită lui Galileo că lucrurile grele nu cad mai repede decât lucrurile mai ușoare (când frecarea este neglijabilă). Dacă ar face acest lucru, a susținut el, atunci din moment ce piatra grea A ar cădea mai repede decât piatra ușoară B, dacă am lega B de A, piatra B ar acționa ca o tracțiune, încetinind A. Dar A legat de B este mai greu decât A singur, deci cele două împreună ar trebui să cadă și mai repede decât A de la sine. Am ajuns la concluzia că legarea lui B la A ar face ceva care a căzut atât mai repede cât și mai lent decât A de la sine, ceea ce este o contradicție. "

Contribuția majoră dezvoltată de Sir Isaac Newton trebuia să recunoască faptul că această mișcare în cădere observată pe Pământ a fost același comportament de mișcare pe care îl experimentează Luna și alte obiecte, care le ține la locul lor în relație între ele. (Această idee de la Newton a fost bazată pe opera lui Galileo, dar și prin îmbrățișarea modelului și heliocentricului Principiul copernican, care a fost dezvoltat de Nicolae Copernic înainte de opera lui Galileo.)

Dezvoltarea de Newton a legii gravitației universale, mai des numită Legea gravitației, a reunit aceste două concepte sub forma unei formule matematice care părea să se aplice pentru a determina forța de atracție între oricare două obiecte cu masă. Impreuna cu Legile mișcării lui Newton, a creat un sistem formal de gravitație și mișcare care ar ghida înțelegerea științifică necontestată timp de peste două secole.

Următorul pas major în înțelegerea gravitației vine de la Albert Einstein, sub forma lui teoria generală a relativității, care descrie relația dintre materie și mișcare prin explicația de bază că obiectele cu masă îndoaie efectiv chiar țesătura spațiului și a timpului (numit colectiv spațiu). Acest lucru schimbă calea obiectelor într-un mod care este în acord cu înțelegerea noastră despre gravitate. Prin urmare, înțelegerea actuală a gravitației este că este un rezultat al obiectelor care urmează cea mai scurtă cale prin spațiu, modificat prin deformarea obiectelor masive din apropiere. În majoritatea cazurilor în care ne confruntăm, acesta este în acord complet cu legea clasică a gravitației lui Newton. Există unele cazuri care necesită o înțelegere mai rafinată a relativității generale pentru a se încadra datele la nivelul necesar de precizie.

Cu toate acestea, există unele cazuri în care nici măcar relativitatea generală nu ne poate oferi rezultate semnificative. Mai exact, există cazuri în care relativitatea generală este incompatibilă cu înțelegerea fizică cuantică.

Unul dintre cele mai cunoscute dintre aceste exemple este de-a lungul graniței a gaură neagră, în cazul în care materialul neted al spațiului este incompatibil cu granularitatea energiei cerută de fizica cuantică. Acest lucru a fost rezolvat teoretic de către fizician Stephen Hawking, într-o explicație care a prezis că găurile negre radiază energie sub formă de Radiație neplăcută.

Ceea ce este necesar, însă, este o teorie cuprinzătoare a gravitației care poate încorpora pe deplin fizica cuantică. O astfel de teorie a gravitația cuantică ar fi nevoie pentru a rezolva aceste întrebări. Fizicienii au mulți candidați pentru o astfel de teorie, cea mai populară fiind teoria corzilor, dar niciuna care dă dovezi experimentale suficiente (sau chiar predicții experimentale suficiente) pentru a fi verificată și acceptată pe scară largă ca o descriere corectă a realității fizice.

În plus față de necesitatea unei teorii cuantice a gravitației, există două mistere conduse experimental legate de gravitație, care mai trebuie rezolvate. Oamenii de știință au descoperit că pentru actuala noastră înțelegere a gravitației pentru a se aplica universului, trebuie să existe o forță atrăgătoare nevăzută (numită materie întunecată) care ajută la menținerea galaxiilor împreună și la o forță repulsivă nevăzută (numite energie întunecată) care împing galaxiile îndepărtate la viteze mai rapide.