Η ιστορία της βαρύτητας και ο Αριστοτέλης

Μία από τις πιο διαδεδομένες συμπεριφορές που βιώνουμε, δεν είναι περίεργο ότι ακόμη και οι πρώτοι επιστήμονες προσπάθησαν να καταλάβουν γιατί αντικείμενα πέφτουν προς το έδαφος. Ο Έλληνας φιλόσοφος Αριστοτέλης έδωσε μία από τις πρώτες και πιο ολοκληρωμένες προσπάθειες για μια επιστημονική εξήγηση αυτής της συμπεριφοράς, θέτοντας την ιδέα ότι τα αντικείμενα κινήθηκαν προς τον "φυσικό τους τόπο".

Αυτός ο φυσικός τόπος για το στοιχείο της Γης ήταν στο κέντρο της Γης (που ήταν, φυσικά, το κέντρο του σύμπαντος στο γεωκεντρικό μοντέλο του σύμπαντος του Αριστοτέλη). Γύρω από τη Γη υπήρχε μια ομόκεντρη σφαίρα που ήταν η φυσική περιοχή του ύδατος, που περιβάλλεται από τον φυσικό χώρο του αέρα και στη συνέχεια το φυσικό βασίλειο της φωτιάς πάνω από αυτό. Έτσι, η Γη βυθίζεται στο νερό, οι νεροχύτες στον αέρα και οι φλόγες ανεβαίνουν πάνω από τον αέρα. Οτιδήποτε βαρύνει προς τη φυσική του θέση στο μοντέλο του Αριστοτέλη, και συναντάται αρκετά συστηματικά με την διαισθητική κατανόηση και τις βασικές μας παρατηρήσεις για το πώς λειτουργεί ο κόσμος.

Ο Αριστοτέλης πίστευε περαιτέρω ότι τα αντικείμενα πέφτουν με ταχύτητα ανάλογη προς το βάρος τους. Με άλλα λόγια, αν πήρατε ένα ξύλινο αντικείμενο και ένα μεταλλικό αντικείμενο του ιδίου μεγέθους και τα έπεσε και τα δύο, το βαρύτερο μεταλλικό αντικείμενο θα πέσει με μια αναλογικά μεγαλύτερη ταχύτητα.

Η φιλοσοφία του Αριστοτέλη σχετικά με την κίνηση προς τον φυσικό χώρο μιας ουσίας κρατιόταν για περίπου 2.000 χρόνια, μέχρι την εποχή του Galileo Galilei. Το Galileo διεξήγαγε πειράματα σε κυλίνδρους αντικειμένων διαφορετικών βαρών κάτω από κεκλιμένα επίπεδα (χωρίς να τα αφαιρέσει ο Πύργος της Πίζας, παρά τις δημοφιλείς αποκρυφικές ιστορίες για το σκοπό αυτό), και διαπίστωσε ότι έπεσαν με το ίδιο επιτάχυνση ανεξάρτητα από το βάρος τους.

Εκτός από τα εμπειρικά στοιχεία, το Galileo δημιούργησε επίσης ένα θεωρητικό πείραμα σκέψης για να υποστηρίξει αυτό το συμπέρασμα. Ο τρόπος με τον οποίο ο σύγχρονος φιλόσοφος περιγράφει την προσέγγιση του Galileo στο βιβλίο του για το 2013 Αντλίες διαίσθησης και άλλα εργαλεία σκέψης:

"Ορισμένα πειράματα σκέψης αναλύονται ως αυστηρά επιχειρήματα, συχνά με τη μορφή reductio ad absurdum, στην οποία κάποιος παίρνει τους χώρους των αντιπάλων του και παράγει μια επίσημη αντίφαση (ένα παράλογο αποτέλεσμα), δείχνοντας ότι δεν μπορούν όλοι να έχουν δίκιο. Ένα από τα αγαπημένα μου είναι η απόδειξη που αποδίδεται στο Galileo ότι τα βαριά πράγματα δεν πέφτουν ταχύτερα από τα ελαφριά (όταν η τριβή είναι αμελητέα). Αν το έκαναν, υποστήριξε, τότε που η βαρύς πέτρα Α θα έπεφτε ταχύτερα από την φωτεινή πέτρα Β, αν συνδέσαμε το Β προς το Α, η πέτρα Β θα ενεργούσε ως οπισθέλκουσα και θα επιβραδύνει τον Α. Αλλά ένας δεσμευμένος με Β είναι βαρύτερος από Α μόνος, οπότε οι δύο μαζί θα πρέπει επίσης να πέσουν γρηγορότερα από τον Α από μόνο του. Καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι η δέσμευση του Β προς το Α θα έκανε κάτι που έπεσε τόσο γρηγορότερα όσο και πιο αργά από τον ίδιο τον εαυτό του, πράγμα που αποτελεί αντίφαση ».

Η μεγάλη συμβολή που ανέπτυξε η Ο Sir Isaac Newton ήταν να αναγνωρίσουμε ότι αυτή η πτώση της κίνησης που παρατηρήθηκε στη Γη ήταν η ίδια συμπεριφορά κίνησης που βιώνει η Σελήνη και άλλα αντικείμενα, τα οποία τα συγκρατούν στη θέση τους σε σχέση μεταξύ τους. (Αυτή η διορατικότητα από τον Newton βασίστηκε στο έργο του Γαλιλαίου, αλλά και με το αιολικό μοντέλο και Κοπερμονική αρχή, που είχε αναπτυχθεί από τον Nicholas Copernicus πριν από το έργο του Γαλιλαίου.)

Η ανάπτυξη του νόμου της παγκόσμιας βαρύτητας από τον Newton, που ονομάζεται συχνότερα ο νόμος της βαρύτητας, έφερε αυτές τις δύο έννοιες μαζί με τη μορφή ενός μαθηματικού τύπου που φάνηκε να ισχύει για να προσδιοριστεί η δύναμη της έλξης μεταξύ οποιωνδήποτε δύο αντικειμένων με μάζα. Μαζί με Νόμοι κίνησης του Νεύτωνα, δημιούργησε ένα επίσημο σύστημα βαρύτητας και κίνησης που θα οδηγούσε την επιστημονική κατανόηση χωρίς αμφισβήτηση για πάνω από δύο αιώνες.

Το επόμενο μεγάλο βήμα στην κατανόηση της βαρύτητας προέρχεται από Albert Einstein, με τη μορφή του γενική θεωρία της σχετικότητας, που περιγράφει τη σχέση μεταξύ ύλης και κίνησης μέσω της βασικής εξήγησης ότι τα αντικείμενα με τη μάζα λυγίζουν πραγματικά τον ίδιο τον ιστό του χώρου και του χρόνου (συλλογικά ονομάζεται χωροχρόνος). Αυτό αλλάζει την πορεία των αντικειμένων κατά τρόπο που είναι σύμφωνος με την κατανόηση της βαρύτητας. Επομένως, η τρέχουσα κατανόηση της βαρύτητας είναι ότι είναι αποτέλεσμα αντικειμένων που ακολουθούν το συντομότερο μονοπάτι μέσα στο χωροχρόνο, τροποποιημένο από τη στρέβλωση των μαζικών αντικειμένων που βρίσκονται κοντά. Στην πλειονότητα των περιπτώσεων που συναντούμε, αυτό είναι σε πλήρη συμφωνία με τον κλασικό νόμο βαρύτητας του Νεύτωνα. Υπάρχουν μερικές περιπτώσεις που απαιτούν την πιο εξειδικευμένη κατανόηση της γενικής σχετικότητας για την προσαρμογή των δεδομένων στο απαιτούμενο επίπεδο ακρίβειας.

Ωστόσο, υπάρχουν μερικές περιπτώσεις όπου ούτε η γενική σχετικότητα μπορεί να μας δώσει σημαντικά αποτελέσματα. Συγκεκριμένα, υπάρχουν περιπτώσεις όπου η γενική σχετικότητα είναι ασυμβίβαστη με την κατανόηση του κβαντική φυσική.

Ένα από τα πιο γνωστά από αυτά τα παραδείγματα είναι κατά μήκος του ορίου του a μαύρη τρύπα, όπου ο ομαλός ιστός του χωροχρόνου είναι ασυμβίβαστος με την κοκκοποίηση της ενέργειας που απαιτείται από την κβαντική φυσική. Αυτό ήταν θεωρητικά επιλυμένο από το φυσικό Stephen Hawking, σε μια εξήγηση ότι οι προβλεπόμενες μαύρες τρύπες εκπέμπουν ενέργεια με τη μορφή Η ακτινοβολία Hawking.

Αυτό που χρειάζεται, ωστόσο, είναι μια ολοκληρωμένη θεωρία της βαρύτητας που μπορεί να ενσωματώσει πλήρως την κβαντική φυσική. Μια τέτοια θεωρία του κβαντική βαρύτητα θα χρειαζόταν για την επίλυση αυτών των ζητημάτων. Οι φυσικοί έχουν πολλούς υποψηφίους για μια τέτοια θεωρία, η πιο δημοφιλής από την οποία είναι θεωρία χορδών, αλλά κανένας που αποδίδει επαρκή πειραματικά στοιχεία (ή ακόμη και επαρκείς πειραματικές προβλέψεις) πρέπει να επαληθευτεί και να γίνει γενικά αποδεκτός ως σωστή περιγραφή της φυσικής πραγματικότητας.

Εκτός από την ανάγκη για μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας, υπάρχουν δυο πειραματικά μυστηριακά μυστήρια που σχετίζονται με τη βαρύτητα που πρέπει ακόμα να επιλυθούν. Οι επιστήμονες έχουν διαπιστώσει ότι για την τρέχουσα κατανόηση της βαρύτητας που ισχύει για το σύμπαν, πρέπει να υπάρχει ένα αόρατη ελκυστική δύναμη (που ονομάζεται σκοτεινή ύλη) που βοηθά να συγκρατούν τους γαλαξίες μαζί και μια αόρατη απωστική δύναμη (που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια) που σπρώχνει τους μακρινούς γαλαξίες σε πιο γρήγορους ρυθμούς.