Gravitys historia

Ett av de mest genomgripande beteenden som vi upplever, det är inte konstigt att även de tidigaste forskarna försökte förstå varför föremål faller mot marken. Den grekiska filosofen Aristoteles gav ett av de tidigaste och mest omfattande försöken på en vetenskaplig förklaring av detta beteende genom att lägga fram idén att objekt rörde sig mot deras "naturliga plats".

Denna naturliga plats för jordens element var i jordens centrum (som naturligtvis var universumets centrum i Aristoteles geocentriska modell av universum). Omkring jorden fanns en koncentrisk sfär som var den naturliga världen av vatten, omgiven av den naturliga världen av luft, och sedan den naturliga riken eld över det. Således sjunker jorden i vatten, vatten sjunker i luften och lågor stiger över luften. Allt drar mot sin naturliga plats i Aristoteles modell, och det stöter på som ganska överensstämmande med vår intuitiva förståelse och grundläggande iakttagelser om hur världen fungerar.

Aristoteles trodde vidare att föremål faller med en hastighet som är proportionell mot deras vikt. Med andra ord, om du tog ett träföremål och ett metallföremål av samma storlek och tappade båda, skulle det tyngre metallföremålet falla med en proportionellt snabbare hastighet.

Galileo och rörelse

Aristoteles filosofi om rörelse mot ett ämnes naturliga plats höll på att svänga i cirka 2000 år, fram till Galileo Galileis tid. Galileo genomförde experiment med rullande föremål med olika vikter ner lutande plan (inte släppte dem från tornet i Pisa, trots de populära apokryfiska berättelserna för detta), och fann att de föll med samma accelerationshastighet oavsett vikt.

Förutom de empiriska bevisen konstruerade Galileo också ett teoretiskt tankeexperiment för att stödja denna slutsats. Så här beskriver den moderna filosofen Galileos strategi i sin bok från 2013 Intuktionspumpar och andra verktyg för tänkande:

"Vissa tankeexperiment kan analyseras som strikta argument, ofta av formen reductio ad absurdum, där man tar sina motståndares premisser och härleder en formell motsägelse (ett absurt resultat), vilket visar att de inte alla kan vara rätt. En av mina favoriter är beviset tillskrivs Galileo att tunga saker inte faller snabbare än lättare saker (när friktion är försumbar). Om de gjorde det, hävdade han, eftersom tunga sten A skulle falla snabbare än lätt sten B, om vi band B till A, sten B skulle fungera som ett drag och bromsa ner A, men A bundet till B är tyngre än A ensam, så de två tillsammans bör också falla snabbare än A av sig själv. Vi har kommit fram till att att binda B till A skulle göra något som föll både snabbare och långsammare än A i sig, vilket är en motsägelse. "

Newton introducerar Gravity

Det huvudsakliga bidraget som utvecklats av Sir Isaac Newton var att erkänna att denna fallande rörelse som observerades på jorden var samma rörelsebeteende som månen och andra föremål upplever, vilket håller dem på plats i relation till varandra. (Denna insikt från Newton byggdes på Galileos arbete, men också genom att omfamna den heliocentriska modellen och den kopernikanska principen, som hade utvecklats av Nicholas Copernicus före Galileos arbete.)

Newtons utveckling av lagen om universell gravitation, oftare kallad tyngdlagen, förde dessa två begrepp i form av en matematisk formel som tycktes gälla för att bestämma attraktionskraften mellan alla två föremål med massa. Tillsammans med Newtons rörelselag skapade det ett formellt system av tyngdkraft och rörelse som skulle leda vetenskaplig förståelse utan tveksamhet i över två århundraden.

Einstein omdefinierar gravitationen

Nästa stora steg i vår förståelse av tyngdkraften kommer från Albert Einstein, i form av hans allmänna relativitetsteori, som beskriver förhållandet mellan materie och rörelse genom den grundläggande förklaringen att objekt med massor faktiskt böjer själva strukturen i rum och tid ( kollektivt kallade rymdtid). Detta förändrar objektens väg på ett sätt som överensstämmer med vår förståelse av tyngdkraften. Därför är den nuvarande förståelsen av tyngdkraften att det är ett resultat av föremål som följer den kortaste vägen genom rymdtid, modifierade genom förvrängning av närliggande massiva objekt. I de flesta fall som vi stöter på är detta helt överens med Newtons klassiska tyngdlag. Det finns vissa fall som kräver en mer förfinad förståelse av allmän relativitet för att anpassa data till den erforderliga precisionen.

Sökningen efter kvantitet

Men det finns vissa fall där inte ens allmän relativitet kan ge oss meningsfulla resultat. Specifikt finns det fall där allmän relativitet är oförenlig med kvantfysikens förståelse.

Ett av de mest kända av dessa exempel är längs gränsen för ett svart hål, där det släta tyget i rymdtiden är oförenligt med den granularitet av energi som krävs av kvantfysiken. Detta löstes teoretiskt av fysikern Stephen Hawking, i en förklaring som förutspådde svarta hål utstrålar energi i form av Hawking-strålning.

Det som emellertid behövs är en omfattande teori om tyngdkraften som helt kan integrera kvantfysiken. En sådan teori om kvanttyngd skulle behövas för att lösa dessa frågor. Fysiker har många kandidater för en sådan teori, den mest populära är strängteori, men ingen som ger tillräckligt experimentella bevis (eller till och med tillräckliga experimentella förutsägelser) för att verifieras och i stort sett accepteras som en korrekt beskrivning av den fysiska verkligheten.

Gravitetsrelaterade mysterier

Förutom behovet av en kvantteori om tyngdkraft finns det två experimentellt drivna mysterier relaterade till gravitation som fortfarande behöver lösas. Forskare har funnit att för att vår nuvarande förståelse av tyngdkraften ska kunna tillämpas på universum måste det finnas en osynlig attraktiv kraft (kallad mörk materia) som hjälper till att hålla galaxer ihop och en osynlig repulsiv kraft (kallad mörk energi) som skjuter bort avlägsna galaxer snabbare priser.