Gravitācijas vēsture

Klauss Vedfelts/Stons/Getty Images

Viens no visizplatītākajiem uzvedības veidiem, ko mēs piedzīvojam, nav brīnums, ka pat pirmie zinātnieki mēģināja saprast, kāpēc objekti krīt pret zemi. Grieķu filozofs Aristotelis sniedza vienu no agrākajiem un visaptverošākajiem mēģinājumiem zinātniski izskaidrot šo uzvedību, izvirzot domu, ka objekti virzās uz savu 'dabisko vietu'.

Šī dabiskā vieta Zemes elementam atradās Zemes centrā (kas, protams, Aristoteļa ģeocentriskajā Visuma modelī bija Visuma centrs). Zemi ieskauj koncentriska sfēra, kas bija dabiskā ūdens valstība, ko ieskauj dabiskā gaisa sfēra un pēc tam virs tās dabiskā uguns valstība. Tādējādi Zeme grimst ūdenī, ūdens grimst gaisā un liesmas paceļas virs gaisa. Viss virzās uz savu dabisko vietu Aristoteļa modelī, un tas ir diezgan atbilstošs mūsu intuitīvajai izpratnei un pamata novērojumiem par to, kā pasaule darbojas.

Aristotelis arī uzskatīja, ka objekti krīt ar ātrumu, kas ir proporcionāls to svaram. Citiem vārdiem sakot, ja paņemtu koka priekšmetu un vienāda izmēra metāla priekšmetu un abus nomestu, smagāks metāla priekšmets nokristu ar proporcionāli lielāku ātrumu.

Galileo un kustība

Aristoteļa filozofija par kustību uz vielas dabisko vietu pastāvēja apmēram 2000 gadu, līdz Galilejs Galilejs . Galileo veica eksperimentus, ripinot dažāda svara objektus lejup slīpās plaknēs (neizmetot tos no Pizas torņa, neskatoties uz populārajiem apokrifiem stāstiem par to), un atklāja, ka tie nokrita ar to pašu. paātrinājums likme neatkarīgi no to svara.

Papildus empīriskiem pierādījumiem Galileo arī izveidoja teorētisku domu eksperimentu, lai pamatotu šo secinājumu. Lūk, kā mūsdienu filozofs apraksta Galileja pieeju savā 2013. gada grāmatā Intuīcijas sūkņi un citi domāšanas rīki :

'Daži domu eksperimenti ir analizējami kā stingri argumenti, bieži vien pēc formas reductio ad absurdum , kurā ņem savu oponentu telpas un iegūst formālu pretrunu (absurds rezultāts), parādot, ka viņiem visiem nevar būt taisnība. Viens no maniem favorītiem ir Galileo piedēvētais pierādījums, ka smagas lietas nekrīt ātrāk nekā vieglākas (ja berze ir niecīga). Ja viņi to izdarītu, viņš iebilda, tad, tā kā smagais akmens A nokristu ātrāk nekā vieglais akmens B, ja mēs piesaistītu B pie A, akmens B darbotos kā vilkšana, palēninot A. Bet A, kas piesaistīts B, ir smagāks par A atsevišķi, tāpēc abiem kopā arī vajadzētu nokrist ātrāk nekā A pašam. Mēs esam secinājuši, ka, sasaistot B ar A, sanāktu kaut kas, kas pats nokristu gan ātrāk, gan lēnāk nekā A, kas ir pretruna.'

Ņūtons ievieš gravitāciju

Lielākais ieguldījums, ko izstrādāja Sers Īzaks Ņūtons bija atzīt, ka šī uz Zemes novērotā krītošā kustība bija tāda pati kustības uzvedība, kādu piedzīvo Mēness un citi objekti, kas tos notur savā vietā attiecībā pret otru. (Šis Ņūtona ieskats tika balstīts uz Galileo darbu, bet arī ietverot heliocentrisko modeli un Kopernika princips , kuru pirms Galileja darba izstrādāja Nikolass Koperniks.)

Ņūtona izstrādāto universālās gravitācijas likumu, ko biežāk sauc par gravitācijas likums , apvienoja šos divus jēdzienus matemātiskas formulas formā, kas, šķiet, bija piemērota, lai noteiktu pievilkšanās spēku starp jebkuriem diviem objektiem ar masu. Kopā ar Ņūtona kustības likumi , tā radīja formālu gravitācijas un kustības sistēmu, kas vairāk nekā divus gadsimtus neapšaubāmi virzītu zinātnisko izpratni.

Einšteins no jauna definē gravitāciju

Nākamais nozīmīgais solis mūsu izpratnē par gravitāciju nāk no Alberts Einšteins , viņa formā vispārējā relativitātes teorija , kas apraksta attiecības starp matēriju un kustību, izmantojot pamata skaidrojumu, ka objekti ar masu faktiski saliek telpas un laika audumu (ko kopā sauc par telpas laiku). Tas maina objektu ceļu tādā veidā, kas atbilst mūsu izpratnei par gravitāciju. Tāpēc pašreizējā gravitācijas izpratne ir tāda, ka tas ir rezultāts objektiem, kas iet īsāko ceļu cauri telpai, ko modificē tuvumā esošo masīvo objektu deformācija. Vairumā gadījumu, ar kuriem mēs saskaramies, tas pilnībā atbilst Ņūtona klasiskajam gravitācijas likumam. Dažos gadījumos ir nepieciešama precīzāka vispārējās relativitātes teorijas izpratne, lai datus pielāgotu vajadzīgajam precizitātes līmenim.

Kvantu gravitācijas meklēšana

Tomēr ir daži gadījumi, kad pat vispārējā relativitāte nevar dot mums nozīmīgus rezultātus. Konkrēti, ir gadījumi, kad vispārējā relativitāte nav savienojama ar izpratni par kvantu fizika .

Viens no zināmākajiem no šiem piemēriem ir gar a robežu melnais caurums , kur telpas laika gludais audums nav savienojams ar kvantu fizikas nepieciešamo enerģijas granularitāti. To teorētiski atrisināja fiziķis Stīvens Hokings , skaidrojumā, ka paredzamie melnie caurumi izstaro enerģiju šādā veidā Hokinga starojums .

Tomēr ir vajadzīga visaptveroša gravitācijas teorija, kas var pilnībā ietvert kvantu fiziku. Šāda teorija par kvantu gravitācija būtu nepieciešams, lai atrisinātu šos jautājumus. Fiziķiem ir daudz kandidātu šādai teorijai, no kurām populārākā ir stīgu teorija , taču neviens nesniedz pietiekamus eksperimentālus pierādījumus (vai pat pietiekamas eksperimentālas prognozes), lai tos pārbaudītu un plaši pieņemtu kā pareizu fiziskās realitātes aprakstu.

Ar gravitāciju saistīti noslēpumi

Papildus gravitācijas kvantu teorijas nepieciešamībai ir divi eksperimentāli virzīti noslēpumi, kas saistīti ar gravitāciju, kas joprojām ir jāatrisina. Zinātnieki ir noskaidrojuši, ka, lai mūsu pašreizējā gravitācijas izpratne varētu attiekties uz Visumu, ir jābūt neredzētam pievilcības spēkam (ko sauc par tumšo matēriju), kas palīdz noturēt galaktikas kopā, un neredzamam atgrūdošam spēkam (ko sauc par tumšo matēriju). tumšā enerģija ), kas ātrāk atdala attālās galaktikas.