Gravitacijos istorija

Klausas Vedfeltas / Stone / Getty Images

Nenuostabu, kad vienas iš labiausiai paplitusių elgesio būdų, kurį patiriame, net ankstyviausi mokslininkai bandė suprasti, kodėl objektai krenta į žemę. Graikų filosofas Aristotelis davė vieną iš ankstyviausių ir išsamiausių bandymų moksliškai paaiškinti šį elgesį, iškeldamas idėją, kad objektai juda link savo „natūralios vietos“.

Ši natūrali Žemės elemento vieta buvo Žemės centre (kas, žinoma, Aristotelio geocentriniame visatos modelyje buvo visatos centras). Žemę supa koncentrinė sfera, kuri buvo natūrali vandens sfera, apsupta natūralios oro sferos, o vėliau - natūrali ugnies karalystė. Taigi Žemė skęsta vandenyje, vanduo skęsta ore, o liepsnos pakyla virš oro. Viskas krypsta į savo natūralią vietą Aristotelio modelyje ir atrodo, kad tai gana atitinka mūsų intuityvų supratimą ir pagrindinius pastebėjimus apie tai, kaip veikia pasaulis.

Be to, Aristotelis manė, kad objektai krenta greičiu, proporcingu jų svoriui. Kitaip tariant, jei paimtumėte medinį ir vienodo dydžio metalinį daiktą ir abu numestumėte, sunkesnis metalinis objektas kris proporcingai didesniu greičiu.

Galilėjus ir judėjimas

Aristotelio filosofija apie judėjimą link natūralios medžiagos vietos išliko apie 2000 metų, iki Galilėjus Galilėjus . Galilėjus atliko eksperimentus, ridendamas skirtingo svorio objektus pasvirusiomis plokštumomis (nenumetęs jų nuo Pizos bokšto, nepaisant populiarių apokrifinių pasakojimų apie tai), ir nustatė, kad jie nukrito su tuo pačiu pagreitis norma, nepaisant jų svorio.

Be empirinių įrodymų, „Galileo“ taip pat sukūrė teorinį minties eksperimentą, patvirtinantį šią išvadą. Štai kaip šiuolaikinis filosofas apibūdina Galilėjaus požiūrį savo 2013 m Intuicijos siurbliai ir kiti mąstymo įrankiai :

„Kai kurie minties eksperimentai gali būti analizuojami kaip griežti argumentai, dažnai tokios formos reductio ad absurdum , kuriame imamasi oponentų prielaidų ir išvedamas formalus prieštaravimas (absurdiškas rezultatas), parodantis, kad ne visi jie gali būti teisūs. Vienas iš mano mėgstamiausių yra „Galileo“ priskiriamas įrodymas, kad sunkūs daiktai nekrenta greičiau nei lengvesni (kai trintis yra nereikšminga). Jis tvirtino, kad jei taip būtų, sunkusis akmuo A nukristų greičiau nei lengvasis akmuo B, jei surištume B su A, akmuo B veiktų kaip stabdymas, sulėtindamas A. Tačiau A, susietas su B, yra sunkesnis už A atskirai, todėl abu kartu taip pat turėtų kristi greičiau nei A savaime. Padarėme išvadą, kad sujungus B su A būtų kažkas, kas savaime kris ir greičiau, ir lėčiau nei A, o tai yra prieštaravimas.

Niutonas pristato gravitaciją

Didžiausią indėlį sukūrė Seras Izaokas Niutonas buvo pripažinti, kad šis Žemėje stebimas krentantis judėjimas buvo toks pat kaip Mėnulio ir kitų objektų judėjimas, kuris laiko juos vietoje vienas kito atžvilgiu. (Ši Niutono įžvalga buvo pagrįsta Galilėjaus darbais, bet taip pat apima heliocentrinį modelį ir Koperniko principas , kurį prieš Galilėjaus darbą sukūrė Nikolajus Kopernikas.)

Niutono sukurtas visuotinės gravitacijos dėsnis, dažniau vadinamas gravitacijos dėsnis , sujungė šias dvi sąvokas į matematinę formulę, kuri, atrodo, buvo taikoma norint nustatyti traukos jėgą tarp bet kurių dviejų objektų, turinčių masę. Kartu su Niutono judėjimo dėsniai , ji sukūrė formalią gravitacijos ir judėjimo sistemą, kuri daugiau nei du šimtmečius neginčijamai vadovautų moksliniam supratimui.

Einšteinas iš naujo apibrėžia gravitaciją

Kitas svarbus žingsnis mūsų supratimui apie gravitaciją yra iš Albertas Einšteinas , jo forma bendroji reliatyvumo teorija , kuriame aprašomas materijos ir judėjimo santykis per pagrindinį paaiškinimą, kad objektai, turintys masę, iš tikrųjų sulenkia patį erdvės ir laiko audinį (bendrai vadinamą erdvėlaikiu). Tai pakeičia objektų kelią tokiu būdu, kuris atitinka mūsų supratimą apie gravitaciją. Todėl dabartinis gravitacijos supratimas yra toks, kad tai yra objektų, einančių trumpiausiu keliu per erdvėlaikį, rezultatas, kurį keičia netoliese esantys masyvūs objektai. Daugeliu atvejų, su kuriais susiduriame, tai visiškai atitinka klasikinį Niutono gravitacijos dėsnį. Yra atvejų, kai reikia geriau suprasti bendrąjį reliatyvumą, kad duomenys atitiktų reikiamą tikslumo lygį.

Kvantinės gravitacijos paieška

Tačiau yra atvejų, kai net bendrasis reliatyvumas negali duoti mums reikšmingų rezultatų. Konkrečiai, yra atvejų, kai bendrasis reliatyvumas nesuderinamas su supratimu Kvantinė fizika .

Vienas iš geriausiai žinomų iš šių pavyzdžių yra palei a ribas Juodoji skylė , kur lygus erdvėlaikio audinys nesuderinamas su kvantinės fizikos reikalaujamu energijos granuliuotumu. Tai teoriškai išsprendė fizikas Stephenas Hawkingas , paaiškinime, kad prognozuojamos juodosios skylės spinduliuoja energiją tokia forma Hawkingo spinduliuotė .

Tačiau reikia išsamios gravitacijos teorijos, kuri galėtų visiškai įtraukti kvantinę fiziką. Tokia teorija kvantinė gravitacija būtų reikalingi norint išspręsti šiuos klausimus. Fizikai turi daug kandidatų tokiai teorijai, iš kurių populiariausia yra stygų teorija , tačiau nė vienas nesuteikia pakankamai eksperimentinių įrodymų (ar net pakankamai eksperimentinių prognozių), kad būtų patikrintas ir plačiai priimtas kaip teisingas fizinės tikrovės aprašymas.

Su gravitacija susijusios paslaptys

Be kvantinės gravitacijos teorijos poreikio, yra dvi eksperimentiškai pagrįstos paslaptys, susijusios su gravitacija, kurias vis dar reikia išspręsti. Mokslininkai išsiaiškino, kad tam, kad mūsų dabartinis gravitacijos supratimas būtų pritaikytas visatai, turi egzistuoti nematoma patraukli jėga (vadinama tamsiąja medžiaga), kuri padeda išlaikyti galaktikas kartu, ir nematoma atstumiančioji jėga (vadinama). tamsioji energija ), kuris greičiau išstumia tolimas galaktikas.