Painovoiman ja Aristoteleen historia

Yksi yleisimmistä kokemuksistamme, ei ole ihme, että jopa varhaisimmat tutkijat yrittivät ymmärtää, miksi esineet putoavat maahan. Kreikkalainen filosofi Aristoteles antoi yhden varhaisimmista ja kattavimmista yrityksistä tämän käytöksen tieteelliseen selitykseen esittämällä ajatuksen, että esineet siirtyivät kohti "luonnollista paikkaa".

Tämä maapallon elementin luonnollinen paikka oli maan keskellä (joka oli tietenkin maailmankaikkeuden keskipiste Aristoteleen geosentrisessä maailmankaikkeusmallissa). Maapallon ympärillä oli samankeskinen pallo, joka oli veden luonnollinen valtakunta, jota ympäröi ilman luonnollinen valtakunta, ja sen jälkeen tulen luonnollinen valtakunta. Siten Maa uppoaa veteen, vesi vajoaa ilmaan ja liekit nousevat ilman yläpuolelle. Kaikki suuntautuu kohti luonnollista asemaansa Aristoteleen mallissa, ja se on yhtä johdonmukainen intuitiivisen ymmärryksemme ja maailman havaintojen kanssa siitä, miten maailma toimii.

Aristoteles uskoi edelleen, että esineet putoavat nopeudella, joka on verrannollinen niiden painoon. Toisin sanoen, jos otat samankokoisen puisen esineen ja metalliesineen ja pudotat ne molemmat, raskaampi metalli esine putoaa suhteellisesti nopeammin.

Aristoteleen filosofia liikkeestä kohti aineen luonnollista paikkaa pysyi vauhdissa noin 2000 vuotta, kunnes Galileo Galilei. Galileo suoritti kokeita liikkuen eripainoisia esineitä kalteviin tasoihin alas (ei pudonnut niitä pois) Pisan torni, huolimatta suosituista apokryfaalisista tarinoista), ja totesi, että ne putosivat sama kiihtyvyys korko riippumatta heidän painostaan.

Empiirisen näytön lisäksi Galileo rakensi myös teoreettisen ajatuskokeen tämän päätelmän tueksi. Näin nykyaikainen filosofi kuvaa Galileon lähestymistapaa vuoden 2013 kirjassaan Intuitiopumput ja muut ajatteluvälineet:

"Jotkut ajatuskokeet ovat analysoitavissa tarkkoina perusteina, usein muodoltaan reductio ad absurdum, jossa otetaan vastustajan tilat ja saadaan muodollinen ristiriita (absurdi tulos) osoittaen, että he eivät voi kaikki olla oikein. Yksi suosikeistani on Galileolle osoitettu todiste siitä, että raskaat asiat eivät pudota nopeammin kuin kevyemmät (kun kitka on vähäinen). Jos he niin tekivät, hän väitti, koska koska raskas kivi A putoaa nopeammin kuin vaalea kivi B, jos sitoudumme B A: han, kivi B toimisi hidastumisena, hidastaen A: ta. Mutta A, joka on sidottu B: hen, on raskaampaa kuin A yksin, joten näiden kahden yhdessä pitäisi myös pudota nopeammin kuin A itsessään. Olemme päätellyt, että B: n sitominen A: ksi tekisi jotain, joka putosi sekä nopeammin että hitaammin kuin A itsessään, mikä on ristiriita. "

Suurin panos, jonka on kehittänyt Sir Isaac Newton oli ymmärtää, että tämä maapallolla havaittu liikkuvuus oli samaa liikkeen käyttäytymistä, jota Kuu ja muut esineet kokevat, mikä pitää ne paikoillaan suhteessa toisiinsa. (Tämä Newtonin käsitys rakennettiin Galileon työhön, mutta myös omaksumalla heliosentrinen malli ja Kopernikalainen periaate, jonka Nicholas Copernicus oli kehittänyt ennen Galileon työtä.)

Newtonin kehitys yleisen painovoiman laista, jota kutsutaan useammin painovoimalaki, toi nämä kaksi käsitettä yhteen matemaattisen kaavan muodossa, jota näytti olevan sovellettavissa vetovoiman määrittämiseksi minkä tahansa kahden massan kohteen välillä. Yhdessä Newtonin liikelait, se loi muodollisen paino- ja liikkumisjärjestelmän, joka ohjaa tieteellistä ymmärrystä, jota ei ole kiistetty yli kahden vuosisadan ajan.

Seuraava suuri askel painovoiman ymmärtämisessämme tulee Albert Einstein, hänen muodossaan yleinen suhteellisuusteoria, joka kuvaa aineen ja liikkeen välistä suhdetta perusselityksen kautta, jonka mukaan massan kanssa esineet taivuttavat itse asiassa tilaa ja aikaa (yhdessä kutsutaan avaruusaikaksi). Tämä muuttaa esineiden polkua tavalla, joka on sopusoinnussa sen käsityksen kanssa painovoimasta. Siksi nykyinen käsitys painovoimasta on, että se on seurausta esineistä, jotka kulkevat lyhin tie avaruuden ajan läpi, jota muokata läheisten massiivisten esineiden vääntymisellä. Suurimmassa osassa tapauksia, joihin joudumme, tämä on täysin Newtonin klassisen painolain mukainen. Jotkut tapaukset vaativat yleisen suhteellisuuden suhteen tarkempaa ymmärtämistä tietojen sovittamiseksi vaaditulle tarkkuustasolle.

On kuitenkin joitain tapauksia, joissa edes yleinen suhteellisuusteoria voi aivan antaa meille tarkoituksenmukaisia ​​tuloksia. Erityisesti on tapauksia, joissa yleinen suhteellisuusteoria on ristiriidassa ymmärryksen kanssa kvanttifysiikka.

Yksi tunnetuimmista näistä esimerkeistä on a: n rajalla musta aukko, jossa avaruuden ajan sileä kangas ei ole yhteensopiva kvanttifysiikan vaatiman energian rakeisuuden kanssa. Fyysikko ratkaisi tämän teoriassa Stephen Hawking, selityksessä, jonka mukaan ennustetut mustat aukot säteilevät energiaa muodossa Hawking-säteily.

Tarvitaan kuitenkin kattava painovoiman teoria, joka voi täysin sisällyttää kvanttifysiikan. Tällainen teoria kvanttipaino olisi tarpeen näiden kysymysten ratkaisemiseksi. Fyysikolla on monia ehdokkaita tällaiseen teoriaan, joista suosituin on säieteoria, mutta mikään niistä ei anna riittävää kokeellista näyttöä (tai edes riittävästi kokeellisia ennusteita) todentamiseksi ja laajasti hyväksyttäväksi fyysisen todellisuuden oikeaksi kuvaukseksi.

Painovoiman kvantiteorian tarpeen lisäksi on olemassa kaksi painovoimaan liittyvää kokeellisesti johdettua mysteeriä, jotka on vielä ratkaistava. Tutkijat ovat havainneet, että nykyisen ymmärryksemme painovoimasta voidaan soveltaa maailmankaikkeuteen, on oltava näkymätön houkutteleva voima (nimeltään pimeä aine), joka auttaa pitämään galaksit yhdessä, ja näkymätön karkottava voima (nimeltään tumma energia), joka työntää kaukaiset galaksit toisistaan ​​nopeammin.