Dějiny gravitace a aristotela

Jedno z nejvíce pronikavých chování, které zažíváme, není divu, že i nejstarší vědci se pokusili pochopit, proč předměty padají k zemi. Řecký filozof Aristoteles dal jeden z prvních a nejkomplexnějších pokusů o vědecké vysvětlení tohoto chování tím, že předložil myšlenku, že objekty se posunuly směrem k jejich „přirozenému místu“.

Toto přirozené místo pro prvek Země bylo ve středu Země (což byl samozřejmě střed vesmíru v Aristotelově geocentrickém modelu vesmíru). Okolní Země byla soustředná koule, která byla přirozenou říší vody, obklopená přirozenou říší vzduchu a poté přirozenou říší ohně nad ní. Země tak klesá ve vodě, voda klesá ve vzduchu a plameny stoupají nad vzduch. Všechno přitahuje své přirozené místo v Aristotelově modelu a zdá se, že je v souladu s naším intuitivním porozuměním a základními pozorováními o tom, jak svět funguje.

Aristoteles dále věřil, že předměty padají rychlostí, která je úměrná jejich hmotnosti. Jinými slovy, kdybyste vzali dřevěný předmět a kovový předmět stejné velikosti a shodili je oba, těžší kovový předmět by padal úměrně rychlejší rychlostí.

Aristotelesova filosofie o pohybu směrem k přirozenému místu látky se houpala asi 2 000 let, až do doby Galileo Galilei. Galileo provedl experimenty válcování předmětů různých hmotností dolů po nakloněných rovinách (nikoli je svrhávat) věž v Pise, navzdory populárním apokryfním příběhům v tomto smyslu), a zjistili, že padli s stejný akcelerace sazba bez ohledu na jejich hmotnost.

Kromě empirických důkazů vytvořil Galileo také experiment teoretického myšlení, který tento závěr podporuje. Takto popisuje moderní filozof Galileův přístup ve své knize z roku 2013 Intuiční čerpadla a další nástroje pro myšlení:

„Některé myšlenkové experimenty lze analyzovat jako přísné argumenty, často podoby reductio ad absurdum, ve kterém někdo vezme soupeřovy prostory a vyvozuje formální rozpor (absurdní výsledek), což ukazuje, že všichni nemohou mít pravdu. Jednou z mých oblíbených je důkaz připsaný Galileu, že těžké věci nespadají rychleji než lehčí věci (když je tření zanedbatelné). Pokud ano, tvrdil, pak, protože těžký kámen A padne rychleji než lehký kámen B, pokud bychom vázali B k A, kámen B by působil jako tažení a zpomalil A dolů. Ale A vázané na B je těžší než samotné A, takže oba spolu by také měli padnout rychleji než A sami. Došli jsme k závěru, že vázání B na A by způsobilo něco, co by samo o sobě klesalo rychleji a pomaleji než A, což je protiklad. “

Hlavní příspěvek, který vytvořil Sir Isaac Newton bylo uznat, že tento klesající pohyb pozorovaný na Zemi byl stejným pohybovým chováním, jaké zažívá Měsíc a další objekty, které je drží na svém místě ve vzájemném vztahu. (Tento pohled z Newtonu byl postaven na práci Galileo, ale také přijetím heliocentrického modelu a Kopernikův princip, který vyvinul Nicholas Copernicus před Galileovou prací.)

Newtonův vývoj zákona univerzální gravitace, častěji nazývaný Zákon gravitace, spojil tyto dva pojmy dohromady ve formě matematického vzorce, který, jak se zdálo, použil k určení síly přitažlivosti mezi jakýmkoli dvěma objekty s hmotností. Dohromady s Newtonovy zákony pohybu, vytvořil formální systém gravitace a pohybu, který by vedl vědecké porozumění bez zpochybnění po více než dvě století.

Další významný krok v našem chápání gravitace pochází Albert Einstein, ve formě jeho obecná teorie relativity, který popisuje vztah mezi hmotou a pohybem prostřednictvím základního vysvětlení, že objekty s hmotou skutečně ohýbají samotnou strukturu prostoru a času (souhrnně nazývané spacetime). Tím se mění cesta objektů způsobem, který je v souladu s naším chápáním gravitace. Proto současné chápání gravitace je to, že je to výsledek předmětů, které sledují nejkratší cestu časoprostorem, modifikovanou deformací blízkých masivních objektů. Ve většině případů, se kterými se setkáváme, je to zcela v souladu s Newtonovým klasickým zákonem gravitace. Existují případy, které vyžadují propracovanější pochopení obecné relativity, aby se data přizpůsobila požadované přesnosti.

Existují však případy, kdy ani obecná relativita nám nemůže poskytnout smysluplné výsledky. Konkrétně existují případy, kdy je obecná relativita neslučitelná s porozuměním kvantová fyzika.

Jeden z nejznámějších z těchto příkladů je podél hranice a Černá díra, kde je hladká struktura časoprostoru neslučitelná s granularitou energie vyžadovanou kvantovou fyzikou. To bylo teoreticky vyřešeno fyzikem Stephen Hawking, ve vysvětlení, které předpovídalo, že černé díry vyzařují energii ve formě Hawking záření.

Potřebujeme však komplexní teorii gravitace, která dokáže plně začlenit kvantovou fyziku. Taková teorie kvantová gravitace k vyřešení těchto otázek bude zapotřebí. Fyzici mají mnoho kandidátů na takovou teorii, z nichž nejoblíbenější je teorie strun, ale žádný, který neposkytuje dostatečné experimentální důkazy (nebo dokonce dostatečné experimentální předpovědi), které by bylo možné ověřit a obecně akceptovat jako správný popis fyzické reality.

Kromě potřeby kvantové teorie gravitace existují ještě dvě experimentálně řízená tajemství související s gravitací, která je stále třeba vyřešit. Vědci zjistili, že aby se naše současné chápání gravitace mohlo vztahovat na vesmír, musí existovat neviditelná atraktivní síla (zvaná temná hmota), která pomáhá držet galaxie pohromadě a neviditelnou odpudivou sílu (volal temná energie), která tlačí vzdálené galaxie od sebe rychleji.