Tyngdekraftens historie

Klaus Vedfelt/Stone/Getty Images

En av de mest gjennomgripende atferdene vi opplever, det er ikke rart at selv de tidligste forskerne prøvde å forstå hvorfor objekter faller mot bakken. Den greske filosofen Aristoteles ga et av de tidligste og mest omfattende forsøkene på en vitenskapelig forklaring på denne oppførselen ved å fremsette ideen om at objekter beveget seg mot deres 'naturlige sted.'

Dette naturlige stedet for jordelementet var i midten av jorden (som selvfølgelig var universets sentrum i Aristoteles sin geosentriske modell av universet). Rundt jorden var en konsentrisk sfære som var det naturlige riket av vann, omgitt av det naturlige riket av luft, og deretter det naturlige riket av ild over det. Dermed synker jorden i vann, vann synker i luften og flammer stiger over luften. Alt graviterer mot sin naturlige plass i Aristoteles' modell, og det fremstår som ganske konsistent med vår intuitive forståelse og grunnleggende observasjoner om hvordan verden fungerer.

Aristoteles mente videre at gjenstander faller med en hastighet som er proporsjonal med deres vekt. Med andre ord, hvis du tok en tregjenstand og en metallgjenstand av samme størrelse og mistet dem begge, ville den tyngre metallgjenstanden falle med en proporsjonalt høyere hastighet.

Galileo og Motion

Aristoteles sin filosofi om bevegelse mot et stoffs naturlige sted holdt til i omtrent 2000 år, frem til tiden Galileo Galilei . Galileo utførte eksperimenter med å rulle gjenstander med forskjellig vekt ned skråplan (ikke slippe dem fra tårnet i Pisa, til tross for de populære apokryfe historiene om dette), og fant ut at de falt med de samme akselerasjon rate uavhengig av vekt.

I tillegg til de empiriske bevisene, konstruerte Galileo også et teoretisk tankeeksperiment for å støtte denne konklusjonen. Her er hvordan den moderne filosofen beskriver Galileos tilnærming i sin bok fra 2013 Intuisjonspumper og andre verktøy for å tenke :

«Noen tankeeksperimenter kan analyseres som strenge argumenter, ofte av formen reductio ad absurdum , der man tar sine motstanderes premisser og utleder en formell motsigelse (et absurd resultat), som viser at de ikke alle kan ha rett. En av mine favoritter er beviset som tilskrives Galileo på at tunge ting ikke faller raskere enn lettere ting (når friksjonen er ubetydelig). Hvis de gjorde det, hevdet han, så siden tung stein A ville falle raskere enn lett stein B, hvis vi knyttet B til A, ville stein B fungere som et drag, og bremse A ned. Men A bundet til B er tyngre enn A alene, så de to sammen bør også falle raskere enn A av seg selv. Vi har konkludert med at å knytte B til A ville gjøre noe som falt både raskere og langsommere enn A i seg selv, noe som er en selvmotsigelse.'

Newton introduserer tyngdekraften

Det store bidraget utviklet av Sir Isaac Newton var å erkjenne at denne fallende bevegelsen observert på jorden var den samme bevegelsesadferden som månen og andre objekter opplever, som holder dem på plass i forhold til hverandre. (Denne innsikten fra Newton ble bygget på arbeidet til Galileo, men også ved å omfavne den heliosentriske modellen og Kopernikansk prinsipp , som hadde blitt utviklet av Nicholas Copernicus før Galileos arbeid.)

Newtons utvikling av loven om universell gravitasjon, oftere kalt tyngdeloven , brakte disse to konseptene sammen i form av en matematisk formel som så ut til å gjelde for å bestemme tiltrekningskraften mellom to objekter med masse. Sammen med Newtons bevegelseslover skapte det et formelt system av tyngdekraft og bevegelse som ville lede vitenskapelig forståelse uimotsagt i over to århundrer.

Einstein omdefinerer tyngdekraften

Det neste store trinnet i vår forståelse av tyngdekraften kommer fra Albert Einstein , i form av hans generell relativitetsteori , som beskriver forholdet mellom materie og bevegelse gjennom den grunnleggende forklaringen at objekter med masse faktisk bøyer selve stoffet av rom og tid (samlet kalt romtid). Dette endrer veien til objekter på en måte som er i samsvar med vår forståelse av tyngdekraften. Derfor er den nåværende forståelsen av tyngdekraften at den er et resultat av at objekter følger den korteste veien gjennom romtiden, modifisert av forvrengning av nærliggende massive objekter. I de fleste tilfellene vi støter på, er dette helt i samsvar med Newtons klassiske tyngdelov. Det er noen tilfeller som krever en mer raffinert forståelse av generell relativitet for å tilpasse dataene til det nødvendige presisjonsnivået.

Jakten på kvantetyngdekraften

Imidlertid er det noen tilfeller der ikke engang generell relativitet kan gi oss meningsfulle resultater. Spesielt er det tilfeller der generell relativitetsteori er uforenlig med forståelsen av kvantefysikk .

Et av de mest kjente av disse eksemplene er langs grensen til en svart hull , der romtidens glatte stoff er uforenlig med granulariteten til energi som kreves av kvantefysikk. Dette ble teoretisk løst av fysikeren Stephen Hawking , i en forklaring som spådde sorte hull utstråler energi i form av Hawking-stråling .

Det som imidlertid trengs er en omfattende teori om tyngdekraften som fullt ut kan inkorporere kvantefysikk. En slik teori om kvantegravitasjon vil være nødvendig for å løse disse spørsmålene. Fysikere har mange kandidater for en slik teori, den mest populære er strengteori , men ingen som gir tilstrekkelig eksperimentelt bevis (eller til og med tilstrekkelige eksperimentelle spådommer) til å bli verifisert og bredt akseptert som en korrekt beskrivelse av den fysiske virkeligheten.

Gravity-relaterte mysterier

I tillegg til behovet for en kvanteteori om gravitasjon, er det to eksperimentelt drevne mysterier knyttet til gravitasjon som fortsatt må løses. Forskere har funnet ut at for at vår nåværende forståelse av tyngdekraften skal gjelde for universet, må det være en usett tiltrekningskraft (kalt mørk materie) som hjelper til med å holde galakser sammen og en usett frastøtende kraft (kalt mørk energi ) som skyver fjerne galakser fra hverandre i raskere hastighet.