Smaguma un Aristoteļa vēsture

Tā ir viena no visizplatītākajām uzvedībām, kādu mēs piedzīvojam, tāpēc nav brīnums, ka pat vissenākie zinātnieki mēģināja saprast, kāpēc objekti nokrīt zemes virzienā. Grieķu filozofs Aristotelis sniedza vienu no agrākajiem un visaptverošākajiem mēģinājumiem zinātniski izskaidrot šo uzvedību, izvirzot ideju, ka objekti virzās uz viņu “dabisko vietu”.

Šī dabiskā vieta Zemes elementam atradās Zemes centrā (kas, protams, bija Visuma centrs Aristoteļa Visuma ģeocentriskajā modelī). Apkārt Zemei bija koncentriska sfēra, kas bija dabiskā ūdens sfēra, ko ieskauj dabiskais gaisa apgabals, un pēc tam dabiskā uguns sfēra virs tā. Tādējādi Zeme nogrimst ūdenī, ūdens nogrimst gaisā, un liesmas paceļas virs gaisa. Viss virzās uz savu dabisko vietu Aristoteļa modelī, un tas ir diezgan saderīgs ar mūsu intuitīvo izpratni un pamata novērojumiem par pasaules darbību.

Aristotelis tālāk uzskatīja, ka objekti nokrīt ar ātrumu, kas ir proporcionāls viņu svaram. Citiem vārdiem sakot, ja jūs paņemat koka priekšmetu un tāda paša izmēra metāla priekšmetu un nokritīsit tos abus, smagāks metāla priekšmets kritīsies proporcionāli ātrāk.

Aristoteļa filozofija par kustību pret vielas dabisko vietu notika apmēram 2000 gadus līdz pat Galileo Galilei. Galileo veica eksperimentus, ripinot dažāda svara objektus slīpās plaknes (nepametot tos nost) Pizas torni, neraugoties uz populārajiem apokrifiskajiem stāstiem šajā sakarā), un atklāja, ka tie krita kopā ar tas pats paātrinājums likme neatkarīgi no viņu svara.

Papildus empīriskajiem pierādījumiem Galileo arī izveidoja teorētisko domu eksperimentu, lai pamatotu šo secinājumu. Lūk, kā mūsdienu filozofs apraksta Galileo pieeju savā 2013. gada grāmatā Intuīcijas sūkņi un citi domāšanas rīki:

"Daži domu eksperimenti ir analizējami kā stingri argumenti, bieži vien formas reductio ad absurdum, kurā cilvēks ieņem pretinieka telpas un iegūst formālu pretrunu (absurdu rezultātu), parādot, ka ar viņiem visiem nevar būt taisnība. Viens no maniem favorītiem ir Galileo piedēvētais pierādījums, ka smagas lietas nekrīt ātrāk nekā vieglākas lietas (kad berze ir niecīga). Ja viņi to darītu, viņš iebilda, tad, tā kā smagais akmens A nokristu ātrāk nekā gaišais akmens B, ja mēs piesaistītu B pie A, akmens B darbotos kā vilkme, palēninot A darbību. Bet A, kas piesaistīts B, ir smagāks nekā A atsevišķi, tāpēc arī diviem kopā vajadzētu krist ātrāk nekā A pats par sevi. Mēs esam secinājuši, ka, sasaistot B ar A, kaut kas notiktu gan ātrāk, gan lēnāk nekā pats A, kas ir pretruna. "

Lielākais ieguldījums, ko izstrādājusi Sers Īzaks Ņūtons bija jāatzīst, ka šī krītošā kustība, kas novērota uz Zemes, bija tāda pati kustības izturēšanās, kādu piedzīvo Mēness un citi objekti, kas viņus tur savā vietā attiecībā pret otru. (Šis ieskats no Ņūtona tika veidots pēc Galileo darba, bet arī iekļaujot heliocentrisko modeli un Kopernika princips, kuru pirms Galileo darba izstrādāja Nikolass Koperniks.)

Ņūtona izstrādātais universālās gravitācijas likums, ko biežāk sauc par gravitācijas likums, apvienoja šos divus jēdzienus matemātiskas formulas veidā, kas šķita piemērota, lai noteiktu pievilkšanās spēku starp jebkuriem diviem objektiem ar masu. Kopā ar Ņūtona kustības likumi, tas izveidoja formālu gravitācijas un kustības sistēmu, kas vadīs zinātnisko izpratni, kas nav apstrīdēta vairāk nekā divus gadsimtus.

Nākamais nozīmīgais solis mūsu izpratnē par smagumu nāk no Alberts Einšteins, viņa formā vispārējā relativitātes teorija, kas apraksta attiecības starp matēriju un kustību, izmantojot pamata skaidrojumu, ka objekti ar masu faktiski saliek pats telpas un laika audumu (kopīgi sauktu par telpas laiku). Tas maina objektu ceļu tādā veidā, kas saskan ar mūsu izpratni par smaguma pakāpi. Tāpēc pašreizējā gravitācijas izpratne ir tāda, ka tas ir priekšmetu rezultāts, kas atrodas pa īsāko ceļu caur kosmosa laiku, un ko modificē tuvumā esošo masīvo objektu deformācija. Lielākajā daļā gadījumu, ar kuriem mēs sastopamies, tas pilnīgi saskan ar Ņūtona klasisko gravitācijas likumu. Dažos gadījumos nepieciešama precīzāka vispārējās relativitātes izpratne, lai datus pielāgotu vajadzīgajam precizitātes līmenim.

Tomēr dažos gadījumos pat vispārīga relativitāte nevar dot mums jēgpilnus rezultātus. Konkrēti, ir gadījumi, kad vispārējā relativitāte nav savienojama ar izpratni par kvantu fizika.

Viens no pazīstamākajiem no šiem piemēriem atrodas gar robežu melnais caurums, kur vienmērīgais kosmosa laika audums nav savienojams ar enerģijas kvantitāti, kas nepieciešama kvantu fizikā. To teorētiski atrisināja fiziķis Stīvens Hokings, skaidrojumā, kurā prognozēja, ka melnie caurumi izstaro enerģiju Hawking starojums.

Tomēr ir nepieciešama visaptveroša gravitācijas teorija, kas pilnībā iekļauj kvantu fiziku. Tāda teorija kvantu gravitācija būtu nepieciešami, lai atrisinātu šos jautājumus. Fizikiem ir daudz kandidātu šādai teorijai, no kurām populārākā ir stīgu teorija, bet neviens no tiem nesniedz pietiekamus eksperimentālos pierādījumus (vai pat pietiekami daudz eksperimentālo prognožu), lai tos pārbaudītu un plaši pieņemtu kā pareizu fiziskās realitātes aprakstu.

Papildus nepieciešamībai pēc gravitācijas kvantu teorijas ir vēl divi eksperimentāli virzīti noslēpumi, kas saistīti ar gravitācijas jomu, kas vēl jāatrisina. Zinātnieki ir secinājuši, ka mūsu pašreizējai gravitācijas izpratnei, kas attiecas uz Visumu, ir jābūt neredzēts pievilcīgs spēks (saukts par tumšo matēriju), kas palīdz turēt galaktikas kopā, un neredzēts atbaidošs spēks (sauca tumšā enerģija), kas ātrāk atdala attālās galaktikas.