Historien om tyngdekraft og Aristoteles

En af de mest gennemgribende opførsler, som vi oplever, det er ikke underligt, at selv de tidligste forskere forsøgte at forstå, hvorfor genstande falder mod jorden. Den græske filosof Aristoteles gav et af de tidligste og mest omfattende forsøg på en videnskabelig forklaring af denne opførsel ved at fremsætte ideen om, at genstande bevægede sig mod deres "naturlige sted."

Dette naturlige sted for Jordens element var i Jordens centrum (hvilket naturligvis var universets centrum i Aristoteles geocentriske model af universet). Omkring Jorden var en koncentrisk sfære, der var det naturlige rike af vand, omgivet af det naturlige luftrum og derefter det naturlige ildområde over dette. Således synker Jorden i vand, vand synker i luften, og flammer stiger over luften. Alt trækker hen mod sit naturlige sted i Aristoteles model, og det kommer på tværs af så ret overensstemmelse med vores intuitive forståelse og grundlæggende observationer om, hvordan verden fungerer.

Aristoteles mente endvidere, at genstande falder med en hastighed, der er proportional med deres vægt. Med andre ord, hvis du tog en trægenstand og et metalgenstande i samme størrelse og tabte dem begge, ville den tungere metalgenstand falde med en forholdsvis hurtigere hastighed.

Aristoteles filosofi om bevægelse mod et stofs naturlige sted holdt sig i ca. 2.000 år, indtil tidspunktet for Galileo Galilei. Galileo udførte eksperimenter med rullende genstande med forskellige vægte ned ad skråplan (ikke tabte dem væk) på trods af de populære apokryfe historier herom), og fandt, at de faldt med samme acceleration rate uanset deres vægt.

Foruden det empiriske bevis konstruerede Galileo også et teoretisk tankeeksperiment til støtte for denne konklusion. Sådan beskriver den moderne filosof Galileos tilgang i sin bog fra 2013 Intuition Pumps og andre værktøjer til tænkning:

”Nogle tankeeksperimenter kan analyseres som strenge argumenter, ofte af formen reductio ad absurdum, hvor man tager ens modstanders premisser og udleder en formel modsigelse (et absurd resultat), der viser, at de ikke alle kan stemme. En af mine favoritter er beviset, der tilskrives Galileo, at tunge ting ikke falder hurtigere end lettere ting (når friktion er ubetydelig). Hvis de gjorde det, argumenterede han, da da tunge sten A ville falde hurtigere end let sten B, hvis vi bundede B til A, ville sten B fungere som et træk og bremse A ned. Men A bundet til B er tungere end A alene, så de to sammen skal også falde hurtigere end A af sig selv. Vi har konkluderet, at det at binde B til A ville gøre noget, der faldt både hurtigere og langsommere end A i sig selv, hvilket er en modsigelse. "

Det største bidrag udviklet af Sir Isaac Newton var at erkende, at denne faldende bevægelse, der blev observeret på Jorden, var den samme bevægelsesadfærd, som Månen og andre objekter oplever, som holder dem på plads i forhold til hinanden. (Denne indsigt fra Newton blev bygget på Galileos arbejde, men også ved at omfatte den heliocentriske model og Copernican princip, der var udviklet af Nicholas Copernicus forud for Galileos arbejde.)

Newtons udvikling af loven om universal tyngdekraften, der ofte kaldes tyngdeloven, bragte disse to begreber sammen i form af en matematisk formel, der syntes at gælde for at bestemme tiltrækningskraften mellem to objekter med masse. Sammen med Newtons bevægelseslovgivning, det skabte et formelt system af tyngdekraft og bevægelse, der ville lede videnskabelig forståelse ubestridt i over to århundreder.

Det næste store skridt i vores forståelse af tyngdekraften kommer fra Albert Einstein, i form af hans generel relativitetsteori, der beskriver forholdet mellem stof og bevægelse gennem den grundlæggende forklaring, at objekter med masse faktisk bøjer selve stoffet med rum og tid (samlet kaldet rumtid). Dette ændrer objektenes vej på en måde, der er i overensstemmelse med vores forståelse af tyngdekraften. Derfor er den nuværende forståelse af tyngdekraften, at det er et resultat af genstande, der følger den korteste sti gennem rumtid, ændret ved snevning af massive genstande i nærheden. I de fleste tilfælde, som vi støder på, er dette i fuld overensstemmelse med Newtons klassiske tyngdelov. Der er nogle tilfælde, der kræver den mere raffinerede forståelse af den generelle relativitet for at tilpasse dataene til det krævede præcisionsniveau.

Der er dog nogle tilfælde, hvor ikke engang den generelle relativitet kan give os meningsfulde resultater. Specifikt er der tilfælde, hvor generel relativitet er uforenelig med forståelsen af kvantefysik.

Et af de mest kendte af disse eksempler er langs grænsen til a sort hul, hvor det glatte stof i rumtid er uforenelig med den granularitet af energi, der kræves af kvantefysikken. Dette blev teoretisk løst af fysikeren Stephen Hawking, i en forklaring, der forudsagde sorte huller udstråler energi i form af Hawking stråling.

Hvad der imidlertid er behov for, er en omfattende teori om tyngdekraft, der fuldt ud kan inkorporere kvantefysik. En sådan teori om kvantetyngdekraft ville være nødvendigt for at løse disse spørgsmål. Fysikere har mange kandidater til en sådan teori, hvoraf den mest populære er strengteori, men ingen, der giver tilstrækkeligt eksperimentelt bevis (eller endda tilstrækkelige eksperimentelle forudsigelser) til at blive verificeret og bredt accepteret som en korrekt beskrivelse af den fysiske virkelighed.

Ud over behovet for en kvanteteori om tyngdekraften er der to eksperimentelt drevne mysterier relateret til tyngdekraften, som stadig skal løses. Forskere har fundet, at for vores nuværende forståelse af tyngdekraften for at gælde for universet, må der være en uset attraktiv kraft (kaldet mørkt stof), der hjælper med at holde galakser sammen og en usynlig frastødende kraft (hedder mørk energi) der skubber fjerne galakser fra hinanden med hurtigere hastigheder.