Istoria gravitației

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

Acest loc natural pentru elementul Pământului era în centrul Pământului (care era, desigur, centrul universului în modelul geocentric al universului lui 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 cu observațiile de bază despre cum 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.

Galileo și mișcare

Filozofia lui Aristotel despre mișcarea spre locul natural al unei substanțe s-a menținut timp de aproximativ 2.000 de ani, până în vremea lui Galileo Galilei. Galileo a condus experimente prin care s-au derulat obiecte de diferite greutăți pe avioane înclinate (nu le-au aruncat de pe Turnul Pisa, în ciuda poveștilor apocrife populare în acest sens) și au descoperit că au căzut cu aceeași rată de accelerație, 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 analizate ca argumente riguroase, adesea de forma reductio ad absurdum, în care cineva ia premisele adversarului și derivă o contradicție formală (un rezultat absurd), arătând că nu pot fi toți corect. Unul meu favorit este dovada atribuită lui Galileo că lucrurile grele nu cad mai repede decât lucrurile mai ușoare (când fricțiunea este neglijabilă). Dacă s-ar întâmpla, a susținut el, atunci din moment ce piatra grea A ar cădea mai repede decât piatra ușoară B, dacă am lega B A, piatra B ar acționa ca o tracțiune, încetinind A. Însă A legată de B este mai grea 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 altfel, ceea ce este o contradicție. "

Newton introduce gravitatea

Contribuția majoră dezvoltată de Sir Isaac Newton a fost 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, ceea ce 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 heliocentric și a principiului 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 atracției între oricare două obiecte cu masă. Împreună cu legile mișcării de la Newton, a creat un sistem formal de gravitație și mișcare care ar ghida înțelegerea științifică necontestată timp de peste două secole.

Einstein redefineste gravitatia

Următorul pas major în înțelegerea gravitației vine de la Albert Einstein, sub forma teoriei sale generale despre relativitate, 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-timp). 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.

Căutarea gravitației cuantice

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 fizicii cuantice.

Unul dintre cele mai cunoscute dintre aceste exemple este de-a lungul graniței unei găuri negre, unde țesătura netedă a spațiului este incompatibilă cu granularitatea energiei cerută de fizica cuantică. Acest lucru a fost rezolvat teoretic de fizicianul Stephen Hawking, într-o explicație care a prezis că găurile negre radiază energia sub forma radiațiilor Hawking.

Ceea ce este necesar, însă, este o teorie cuprinzătoare a gravitației care poate încorpora pe deplin fizica cuantică. O astfel de teorie a gravitației cuantice ar fi necesară pentru a rezolva aceste întrebări. Fizicienii au numeroși candidați pentru o astfel de teorie, cea mai populară fiind teoria cu șiruri, dar niciunul care nu oferă dovezi experimentale suficiente (sau chiar predicții experimentale suficiente) pentru a fi verificat și acceptat pe scară largă ca o descriere corectă a realității fizice.

Mistere legate de gravitate

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 ca înțelegerea noastră actuală a gravitației să se aplice universului, trebuie să existe o forță atrăgătoare nevăzută (numită materie întunecată) care ajută la menținerea galaxiilor împreună și la o forță repulsivă nevăzută (numită energie întunecată) care împinge galaxiile îndepărtate deoparte mai repede. tarife.