История Гравитации и Аристотеля

Неудивительно, что даже самые ранние ученые пытались понять, почему объекты падают на землю. Греческий философ Аристотель дал одну из самых ранних и наиболее полных попыток научного объяснения этого поведения, выдвинув идею о том, что объекты движутся к своему «естественному месту».

Это естественное место для элемента Земли находилось в центре Земли (который, конечно, был центром вселенной в геоцентрической модели Вселенной Аристотеля). Вокруг Земли была концентрическая сфера, которая была естественным царством воды, окруженным естественным царством воздуха, а затем естественным царством огня над этим. Таким образом, Земля тонет в воде, вода тонет в воздухе, а пламя поднимается над воздухом. Все тяготеет к своему естественному месту в модели Аристотеля, и это кажется достаточно совместимым с нашим интуитивным пониманием и базовыми наблюдениями о том, как устроен мир.

Аристотель также полагал, что предметы падают со скоростью, пропорциональной их весу. Другими словами, если вы возьмете деревянный предмет и металлический предмет одинакового размера и уроните их обоих, более тяжелый металлический предмет упадет с пропорционально большей скоростью.

Философия Аристотеля о движении к естественному месту вещества господствовала около 2000 лет, до времени Галилео Галилей. Галилей проводил эксперименты, катя объекты разного веса вниз по наклонным плоскостям (не сбрасывая их Пизанская башня, несмотря на популярные апокрифические истории на этот счет), и обнаружил, что они упали с одна и та же ускорение Оцените, независимо от их веса.

В дополнение к эмпирическим данным, Галилей также построил теоретический мысленный эксперимент, чтобы поддержать этот вывод. Вот как современный философ описывает подход Галилея в своей книге 2013 года Насосы для интуиции и другие инструменты для мышления:

«Некоторые мысленные эксперименты анализируются как строгие аргументы, часто в форме сокращение до абсурдав которой человек берет посыл противника и получает формальное противоречие (абсурдный результат), показывая, что они не могут быть правы. Одно из моих любимых доказательств, приписываемых Галилею, состоит в том, что тяжелые предметы не падают быстрее, чем более легкие (когда трение незначительно). Если бы они это сделали, утверждал он, тогда, поскольку тяжелый камень A падал бы быстрее, чем легкий камень B, если мы связали B с A, камень B действовал бы как сопротивление, замедляя A. Но A, привязанный к B, тяжелее, чем один A, поэтому оба вместе должны упасть быстрее, чем A сам по себе. Мы пришли к выводу, что привязка B к A приведет к тому, что что-то упадет быстрее и медленнее, чем A, что является противоречием ».

Основной вклад, разработанный Сэр Исаак Ньютон должен был признать, что это падающее движение, наблюдаемое на Земле, было таким же поведением движения, которое испытывают Луна и другие объекты, что удерживает их на месте по отношению друг к другу. (Это понимание Ньютона было основано на работе Галилея, но также и на основе гелиоцентрической модели и Принцип Коперника, который был разработан Николаем Коперником до работы Галилея.)

Развитие Ньютоном закона всемирного тяготения, чаще называемого закон гравитации, объединили эти два понятия в форме математической формулы, которая, казалось, применялась для определения силы притяжения между любыми двумя объектами с массой. Вместе с Законы движения Ньютонаона создала формальную систему гравитации и движения, которая направляла научное понимание без каких-либо сомнений на протяжении более двух столетий.

Следующим важным шагом в нашем понимании гравитации является Альберт Эйнштейнв форме его общая теория относительности, который описывает отношения между материей и движением посредством базового объяснения, что объекты с массой фактически сгибаются в самой ткани пространства и времени (все вместе называемые пространством-временем). Это меняет путь объектов таким образом, что соответствует нашему пониманию гравитации. Следовательно, современное понимание гравитации состоит в том, что она является результатом того, что объекты следуют по кратчайшему пути в пространстве-времени, измененном деформацией близлежащих массивных объектов. В большинстве случаев, с которыми мы сталкиваемся, это полностью согласуется с классическим законом тяготения Ньютона. В некоторых случаях требуется более тонкое понимание общей теории относительности, чтобы данные соответствовали требуемому уровню точности.

Однако в некоторых случаях даже общая теория относительности не может дать нам значимых результатов. В частности, есть случаи, когда общая теория относительности несовместима с пониманием квантовая физика.

Один из самых известных из этих примеров находится вдоль границы черная дырагде гладкая структура пространства-времени несовместима с гранулярностью энергии, требуемой квантовой физикой. Это было теоретически решено физиком Стивен Хокингв объяснении, что предсказанные черные дыры излучают энергию в виде Излучение Хокинга.

Однако необходима всеобъемлющая теория гравитации, которая может полностью включить квантовую физику. Такая теория квантовая гравитация будет необходимо для решения этих вопросов. У физиков есть много кандидатов на такую ​​теорию, самая популярная из которых теория струнНо ни один из них не дает достаточных экспериментальных доказательств (или даже достаточных экспериментальных предсказаний) для проверки и широкого признания в качестве правильного описания физической реальности.

В дополнение к необходимости квантовой теории гравитации, есть две загадки, основанные на эксперименте, связанные с гравитацией, которые еще предстоит решить. Ученые обнаружили, что для того, чтобы наше нынешнее понимание гравитации применимо ко вселенной, должно быть невидимая сила притяжения (называемая темной материей), которая помогает удерживать галактики вместе и невидимая сила отталкивания (называется темная энергия) который раздвигает далекие галактики с большей скоростью.