Gravitacijos ir Aristotelio istorija

Vienas iš labiausiai paplitusių elgesio būdų, kurį mes patiriame, nenuostabu, kad net ankstyviausi mokslininkai bandė suprasti, kodėl objektai krenta ant žemės. Graikų filosofas Aristotelis pateikė vieną iš ankstyviausių ir išsamiausių bandymų paaiškinti tokį elgesį, iškeldamas mintį, kad objektai juda link jų „natūralios vietos“.

Ši natūrali Žemės elemento vieta buvo Žemės centre (kuris, be abejo, buvo Visatos centras Aristotelio geocentriniame visatos modelyje). Aplink Žemę buvo koncentrinė sfera, kuri buvo natūrali vandens sritis, kurią supa natūrali oro sritis, o tada natūrali ugnies karalystė. Taigi žemė nuskęsta vandenyje, vanduo nuskendo ore, o liepsnos kyla virš oro. Viskas orientuojasi į natūralią vietą Aristotelio modelyje ir atrodo gana suderinta su mūsų intuityviu supratimu ir pagrindiniais pastebėjimais apie pasaulio veikimą.

Aristotelis toliau manė, kad objektai krenta tokiu greičiu, kuris yra proporcingas jų svoriui. Kitaip tariant, jei paimtumėte tokio paties dydžio medinį daiktą ir metalinį daiktą ir numestumėte juos abu, sunkesnis metalinis daiktas kristų proporcingai greitesniu greičiu.

Aristotelio filosofija apie judėjimą link natūralios medžiagos vietos vyko maždaug 2000 metų, iki pat „Galileo Galilei“. „Galileo“ atliko eksperimentus, riedėdamas įvairaus svorio objektais žemyn pasvirusiomis plokštumomis (jų nenuleisdamas Pizos bokštą, nepaisant šiuo metu populiarių apokrifinių istorijų) ir nustatė, kad jie nukrito kartu su tas pats pagreitis norma nepriklausomai nuo jų svorio.

Be empirinių įrodymų, „Galileo“ taip pat sukonstravo teorinį minties eksperimentą, kad pagrįstų šią išvadą. Štai kaip šiuolaikinis filosofas apibūdina „Galileo“ požiūrį savo 2013 m. Knygoje Intuiciniai siurbliai ir kiti mąstymo įrankiai:

„Kai kurie minčių eksperimentai yra analizuojami kaip griežti, dažnai formos, argumentai reductio ad absurdum, kuriame imamasi priešininkų patalpų ir gaunamas formalus prieštaravimas (absurdiškas rezultatas), parodant, kad jie ne visi gali būti teisingi. Vienas iš mano mėgstamiausių yra „Galileo“ priskirtas įrodymas, kad sunkūs daiktai nenukrenta greičiau už lengvesnius daiktus (kai trintis yra nereikšminga). Jei jie tai padarytų, jis tvirtino, tada, kai sunkusis akmuo A kris greičiau nei lengvasis akmuo B, jei B pririšime prie A, akmuo B veiktų kaip kliūtis, lėtindamas A. Bet A, pririštas prie B, yra sunkesnis nei atskirai A, taigi abu kartu turėtų kristi greičiau nei A savaime. Mes padarėme išvadą, kad susiejus B į A, tai padarys tai, kas krito greičiau ir lėčiau nei A savaime, o tai yra prieštara.

Pagrindinis indėlis, kurį sukūrė Seras Izaokas Niutonas reikėjo pripažinti, kad šis žemėje stebimas krintantis judesys buvo tas pats judesys, kurį patiria Mėnulis ir kiti objektai, ir tai juos laiko vienas kito atžvilgiu. (Ši Niutono įžvalga buvo paremta ne tik „Galileo“ darbu, bet ir apimant heliocentrinį modelį ir Koperniko principas, kurį sukūrė Nikolajus Kopernikas prieš „Galileo“ darbą.)

Niutonas sukūrė visuotinės gravitacijos dėsnį, dažniau vadinamą 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 oficialią gravitacijos ir judesio sistemą, kuri vadovautųsi moksliniu supratimu, neabejotinu daugiau nei du šimtmečius.

Kitas svarbus žingsnis mūsų supratime apie sunkumą eina Albertas Einšteinas, jo pavidalu bendroji reliatyvumo teorija, kuris apibūdina materijos ir judesio santykį per pagrindinį paaiškinimą, kad objektai, kurių masė iš tikrųjų sulenkia patį erdvės ir laiko audinį (bendrai vadinamą erdvėlaikiu). Tai keičia objektų kelią taip, kad atitiktų mūsų supratimą apie sunkumą. Todėl dabartinis gravitacijos supratimas yra tas, kad tai yra objektų, einančių per trumpiausią kelią per erdvėlaikį, rezultatas, modifikuotas greta esančių masyvių objektų deformacijos. Daugeliu atvejų, su kuriais susiduriame, tai visiškai atitinka klasikinį Niutono sunkio dėsnį. Kai kuriais atvejais reikalingas išsamesnis bendrojo reliatyvumo supratimas, kad duomenys atitiktų reikiamą tikslumo lygį.

Tačiau yra atvejų, kai net ne bendras reliatyvumas gali duoti reikšmingų rezultatų. Tiksliau, yra atvejų, kai bendras reliatyvumas nesuderinamas su supratimu apie Kvantinė fizika.

Vienas žinomiausių iš šių pavyzdžių yra ties a riba Juodoji skylė, kur sklandus erdvėlaikio audinys nesuderinamas su energijos, reikalingos kvantinei fizikai, granuliuotumu. Teoriškai tai išsprendė fizikas Stephenas Hawkingas, paaiškinime, kuris numatė, kad juodosios skylės skleidžia energiją pavidalu Hawkingo radiacija.

Tačiau reikalinga išsami gravitacijos teorija, galinti visiškai įtraukti kvantinę fiziką. Tokia teorija kvantinis gravitacija būtų reikalinga norint išspręsti šiuos klausimus. Fizikai turi daug kandidatų į tokią teoriją, iš kurių pati populiariausia stygų teorija, tačiau nė vienas iš jų nesuteikia pakankamai eksperimentinių įrodymų (ar net pakankamai eksperimentinių prognozių), kad būtų patikrintas ir plačiai priimtas kaip teisingas fizinės tikrovės aprašymas.

Be kvantinės gravitacijos teorijos poreikio, yra dar dvi su gravitacija susijusios eksperimentinės paslaptys, kurias dar reikia išspręsti. Mokslininkai nustatė, kad dabartiniam gravitacijos supratimui apie visatą turi būti nematyta patraukli jėga (vadinama tamsiąja materija), padedanti kartu laikyti galaktikas, ir nematyta atstumianti jėga (vadinama tamsi energija), kuris greičiau išskiria tolimas galaktikas.