Historien om tyngdkraft och Aristoteles

Ett av de mest genomgripande beteenden som vi upplever, det är inte konstigt att även de tidigaste forskarna försökte förstå varför föremål faller mot marken. Den grekiska filosofen Aristoteles gav ett av de tidigaste och mest omfattande försökna till en vetenskaplig förklaring av detta beteende genom att ta fram idén att föremål rörde sig mot deras "naturliga plats."

Denna naturliga plats för jordens element var i jordens centrum (som naturligtvis var universumets centrum i Aristoteles geocentriska modell av universum). Omkring jorden fanns en koncentrisk sfär som var den naturliga världen av vatten, omgiven av den naturliga världen av luft, och sedan den naturliga riken eld över det. Således sjunker jorden i vatten, vatten sjunker i luften och lågor stiger över luften. Allt tvingas mot sin naturliga plats i Aristoteles modell, och det möter lika överensstämmelse med vår intuitiva förståelse och grundläggande iakttagelser om hur världen fungerar.

Aristoteles trodde vidare att föremål faller med en hastighet som är proportionell mot deras vikt. Med andra ord, om du tog ett träföremål och ett metallföremål av samma storlek och tappade båda, skulle det tyngre metallföremålet falla med en proportionellt snabbare hastighet.

Aristoteles filosofi om rörelse mot ett ämnes naturliga plats höll på att svänga i cirka 2000 år, fram till tiden Galileo Galilei. Galileo genomförde experiment rullande föremål med olika vikter ner lutande plan (inte släppa dem bort trots Pisa-tornet, trots de populära apokryfiska berättelserna för detta), och fann att de föll med samma acceleration oavsett vikt.

Förutom de empiriska bevisen konstruerade Galileo också ett teoretiskt tankeexperiment för att stödja denna slutsats. Så här beskriver den moderna filosofen Galileos strategi i sin bok från 2013 Intuktionspumpar och andra verktyg för tänkande:

"Vissa tankeexperiment kan analyseras som rigorösa argument, ofta av formen reductio ad absurdum, där man tar ens motståndares förutsättningar och härleder en formell motsägelse (ett absurt resultat), vilket visar att de inte alla kan ha rätt. En av mina favoriter är beviset som tillskrivs Galileo att tunga saker inte faller snabbare än lättare saker (när friktion är försumbar). Om de gjorde det, hävdade han, eftersom tunga sten A skulle falla snabbare än lätt sten B, om vi band B till A, skulle sten B fungera som ett drag och bromsa A ner. Men A bundet till B är tyngre än A ensam, så de båda tillsammans bör också falla snabbare än A av sig själv. Vi har kommit fram till att att binda B till A skulle göra något som föll både snabbare och långsammare än A i sig, vilket är en motsägelse. "

Det stora bidraget utvecklats av Sir Isaac Newton var att inse att denna fallande rörelse som observerades på jorden var samma rörelse som månen och andra föremål upplever, som håller dem på plats i relation till varandra. (Denna insikt från Newton byggde på Galileos arbete, men också genom att omfamna den heliocentriska modellen och Copernican princip, som hade utvecklats av Nicholas Copernicus före Galileos arbete.)

Newtons utveckling av lagen om universell gravitation, som ofta kallas tyngdlagen, förde dessa två begrepp i form av en matematisk formel som tycktes gälla för att bestämma attraktionskraften mellan alla två föremål med massa. Tillsammans med Newtons rörelselagar, det skapade ett formellt system av tyngd och rörelse som skulle leda vetenskaplig förståelse utan tveksamhet i över två århundraden.

Nästa stora steg i vår förståelse av tyngdkraften kommer från Albert Einstein, i form av hans allmän relativitetsteori, som beskriver förhållandet mellan materie och rörelse genom den grundläggande förklaringen att föremål med massa faktiskt böjer själva tyget av rum och tid (tillsammans kallat rymdtid). Detta förändrar objektens väg på ett sätt som överensstämmer med vår förståelse av tyngdkraften. Därför är den nuvarande förståelsen av tyngdkraften att det är ett resultat av föremål som följer den kortaste vägen genom rymdtid, modifierade genom förvrängning av närliggande massiva föremål. I de flesta fall som vi stöter på är detta helt överens med Newtons klassiska tyngdlag. Det finns vissa fall som kräver en mer förfinad förståelse av allmän relativitet för att anpassa data till den erforderliga precisionen.

Men det finns vissa fall där inte ens allmän relativitet kan ge oss meningsfulla resultat. Specifikt finns det fall där allmän relativitet är oförenlig med förståelsen av kvantfysik.

Ett av de mest kända av dessa exempel är längs gränsen för a svart hål, där det släta tyget i rymdtid är oförenligt med den granularitet av energi som krävs av kvantfysiken. Detta löstes teoretiskt av fysikern Stephen Hawking, i en förklaring som förutspådde svarta hål utstrålar energi i form av Hawking strålning.

Det som emellertid behövs är en omfattande teori om tyngdkraften som fullt ut kan införliva kvantefysiken. En sådan teori om kvanttyngd skulle behövas för att lösa dessa frågor. Fysiker har många kandidater för en sådan teori, varav den mest populära är strängteorin, men ingen som ger tillräckligt experimentella bevis (eller till och med tillräckliga experimentella förutsägelser) för att verifieras och i stort sett accepteras som en korrekt beskrivning av den fysiska verkligheten.

Förutom behovet av en kvantteori om tyngdkraft finns det två experimentellt drivna mysterier relaterade till gravitation som fortfarande behöver lösas. Forskare har funnit att det måste finnas en för att vår nuvarande förståelse av tyngdkraften ska kunna tillämpas på universum osynlig attraktiv kraft (kallas mörk materia) som hjälper till att hålla galaxer ihop och en osynlig avvisande kraft (kallad mörk energi) som skjuter bort avlägsna galaxer snabbare.