História gravitácie

Klaus Vedfelt/Stone/Getty Images

Jedno z najprenikavejších správaní, aké zažívame, nie je divu, že aj tí prví vedci sa snažili pochopiť, prečo predmety padajú na zem. Grécky filozof Aristoteles dal jeden z prvých a najkomplexnejších pokusov o vedecké vysvetlenie tohto správania tým, že predložil myšlienku, že objekty sa pohybujú smerom k svojmu „prirodzenému miestu“.

Toto prirodzené miesto pre živel Zeme bolo v strede Zeme (čo bolo samozrejme stredom vesmíru v Aristotelovom geocentrickom modeli vesmíru). Okolo Zeme bola sústredná guľa, ktorá bola prirodzenou ríšou vody, obklopená prirodzenou ríšou vzduchu a potom prirodzenou ríšou ohňa nad ňou. Zem sa teda potápa vo vode, voda klesá vo vzduchu a plamene stúpajú nad vzduch. Všetko sa tiahne smerom k svojmu prirodzenému miestu v Aristotelovom modeli a zdá sa, že je to celkom v súlade s naším intuitívnym chápaním a základnými pozorovaniami o tom, ako svet funguje.

Aristoteles ďalej veril, že predmety padajú rýchlosťou, ktorá je úmerná ich hmotnosti. Inými slovami, ak by ste zobrali drevený predmet a kovový predmet rovnakej veľkosti a oba spustili, ťažší kovový predmet by padal proporcionálne vyššou rýchlosťou.

Galileo a pohyb

Aristotelova filozofia o pohybe smerom k prirodzenému miestu látky platila asi 2000 rokov, až do Galileo Galilei . Galileo robil experimenty s gúľaním predmetov rôznej hmotnosti dolu naklonenými rovinami (nezhadzoval ich z veže v Pise, napriek populárnym apokryfným príbehom v tomto zmysle) a zistil, že padali rovnako. zrýchlenie rýchlosť bez ohľadu na ich hmotnosť.

Okrem empirických dôkazov vytvoril Galileo aj teoretický myšlienkový experiment na podporu tohto záveru. Takto moderný filozof opisuje Galileov prístup vo svojej knihe z roku 2013 Intuičné pumpy a ďalšie nástroje na myslenie :

„Niektoré myšlienkové experimenty možno analyzovať ako rigorózne argumenty, často vo forme reductio ad absurdum , v ktorej si človek vezme premisy svojich oponentov a vyvodí formálny rozpor (absurdný výsledok), ktorý ukazuje, že nemôžu mať všetci pravdu. Jedným z mojich obľúbených je dôkaz pripisovaný Galileovi, že ťažké veci nepadajú rýchlejšie ako ľahšie veci (keď je trenie zanedbateľné). Ak by to urobili, tvrdil, potom keďže ťažký kameň A by padol rýchlejšie ako ľahký kameň B, ak by sme priviazali B k A, kameň B by pôsobil ako ťahák a spomalil by A. Ale A viazané na B je ťažšie ako samotné A, takže dvaja spolu by tiež mali padnúť rýchlejšie ako A samo. Dospeli sme k záveru, že zviazanie B s A by spôsobilo niečo, čo by padalo rýchlejšie aj pomalšie ako A samo o sebe, čo je v rozpore.“

Newton predstavuje gravitáciu

Hlavný príspevok vyvinul Sir Isaac Newton bolo uznať, že tento klesajúci pohyb pozorovaný na Zemi je rovnaký ako pohyb Mesiaca a iných objektov, ktorý ich drží na mieste vo vzájomnom vzťahu. (Tento Newtonov pohľad bol postavený na práci Galilea, ale aj prijatím heliocentrického modelu a Kopernikov princíp , ktorý vyvinul Mikuláš Kopernik pred Galileovým dielom.)

Newtonov vývoj zákona univerzálnej gravitácie, častejšie nazývaný tzv zákon gravitácie , spojil tieto dva koncepty dohromady vo forme matematického vzorca, ktorý sa zdalo byť použiteľný na určenie sily príťažlivosti medzi akýmikoľvek dvoma objektmi s hmotnosťou. Spolu s Newtonove pohybové zákony vytvorila formálny systém gravitácie a pohybu, ktorý by viedol vedecké chápanie neohrozene viac ako dve storočia.

Einstein redefinuje gravitáciu

Ďalší významný krok v našom chápaní gravitácie pochádza z Albert Einstein , v podobe jeho všeobecná teória relativity , ktorá popisuje vzťah medzi hmotou a pohybom prostredníctvom základného vysvetlenia, že objekty s hmotnosťou v skutočnosti ohýbajú samotnú štruktúru priestoru a času (súhrnne nazývané časopriestor). To mení dráhu objektov spôsobom, ktorý je v súlade s naším chápaním gravitácie. Súčasné chápanie gravitácie je preto také, že je výsledkom objektov sledujúcich najkratšiu cestu časopriestorom, modifikovaných deformáciou blízkych masívnych objektov. Vo väčšine prípadov, na ktoré narazíme, je to v úplnom súlade s klasickým Newtonovým gravitačným zákonom. Existujú prípady, ktoré vyžadujú presnejšie pochopenie všeobecnej teórie relativity, aby sa údaje zmestili na požadovanú úroveň presnosti.

Hľadanie kvantovej gravitácie

Existujú však prípady, keď nám ani všeobecná teória relativity nemôže celkom poskytnúť zmysluplné výsledky. Konkrétne existujú prípady, keď je všeobecná relativita nezlučiteľná s chápaním kvantová fyzika .

Jeden z najznámejších z týchto príkladov je pozdĺž hranice a čierna diera , kde je hladká štruktúra časopriestoru nezlučiteľná s granularitou energie vyžadovanou kvantovou fyzikou. Teoreticky to vyriešil fyzik Stephen Hawking , vo vysvetlení, ktoré predpovedalo, že čierne diery vyžarujú energiu vo forme Hawkingovo žiarenie .

Potrebná je však komplexná teória gravitácie, ktorá dokáže plne začleniť kvantovú fyziku. Takáto teória kvantová gravitácia na vyriešenie týchto otázok. Fyzici majú veľa kandidátov na takúto teóriu, z ktorých je najobľúbenejšia teória strún , ale žiadne, ktoré poskytujú dostatočné experimentálne dôkazy (alebo dokonca dostatočné experimentálne predpovede), aby mohli byť overené a všeobecne akceptované ako správny popis fyzikálnej reality.

Záhady súvisiace s gravitáciou

Okrem potreby kvantovej teórie gravitácie existujú dve experimentálne poháňané záhady súvisiace s gravitáciou, ktoré je ešte potrebné vyriešiť. Vedci zistili, že na to, aby sa naše súčasné chápanie gravitácie vzťahovalo na vesmír, musí existovať neviditeľná príťažlivá sila (nazývaná temná hmota), ktorá pomáha držať galaxie pohromade, a neviditeľná odpudivá sila (tzv. temná energia ), ktorý oddeľuje vzdialené galaxie rýchlejšie.