De geschiedenis van de zwaartekracht en Aristoteles

Een van de meest alomtegenwoordige gedragingen die we ervaren, het is geen wonder dat zelfs de eerste wetenschappers probeerden te begrijpen waarom objecten op de grond vallen. De Griekse filosoof Aristoteles gaf een van de vroegste en meest uitgebreide pogingen om dit gedrag wetenschappelijk te verklaren door het idee naar voren te brengen dat objecten naar hun 'natuurlijke plaats' bewogen.

Deze natuurlijke plaats voor het element aarde bevond zich in het centrum van de aarde (wat natuurlijk het centrum van het universum was in Aristoteles 'geocentrische model van het universum). De aarde omringde een concentrische bol die het natuurlijke rijk van water was, omgeven door het natuurlijke rijk van lucht, en vervolgens het natuurlijke rijk van vuur daarboven. Zo zakt de aarde in water, zinkt water in de lucht en stijgen vlammen boven de lucht. Alles trekt naar zijn natuurlijke plaats in het model van Aristoteles en het komt redelijk overeen met ons intuïtieve begrip en basiswaarnemingen over hoe de wereld werkt.

Aristoteles geloofde verder dat objecten met een snelheid vallen die evenredig is met hun gewicht. Met andere woorden, als u een houten voorwerp en een metalen voorwerp van dezelfde grootte nam en beide liet vallen, zou het zwaardere metalen voorwerp verhoudingsgewijs sneller vallen.

De filosofie van Aristoteles over beweging in de richting van de natuurlijke plaats van een stof heeft ongeveer 2000 jaar lang geduurd, tot de tijd van Galileo Galilei. Galileo voerde experimenten uit waarbij objecten van verschillende gewichten over hellende vlakken naar beneden werden gerold (zonder ze af te zetten) de Toren van Pisa, ondanks de populaire apocriefe verhalen in die zin), en ontdekten dat ze vielen met de dezelfde versnelling tarief ongeacht hun gewicht.

Naast het empirische bewijs bouwde Galileo ook een theoretisch gedachte-experiment om deze conclusie te ondersteunen. Hier is hoe de moderne filosoof de benadering van Galileo beschrijft in zijn boek uit 2013 Intuïtiepompen en andere denkinstrumenten:

'Sommige gedachte-experimenten zijn te analyseren als rigoureuze argumenten, vaak in de vorm reductio ad absurdum, waarin men het terrein van zijn tegenstanders inneemt en een formele tegenstrijdigheid (een absurd resultaat) afleidt, waaruit blijkt dat ze niet allemaal gelijk kunnen hebben. Een van mijn favorieten is het bewijs dat aan Galileo wordt toegeschreven dat zware dingen niet sneller vallen dan lichtere dingen (wanneer wrijving verwaarloosbaar is). Als ze dat deden, betoogde hij, dan zou, aangezien zware steen A sneller zou vallen dan lichte steen B, als we B aan A zouden binden, steen B zou werken als een belemmering, waardoor A zou vertragen. Maar A gebonden aan B is zwaarder dan A alleen, dus de twee samen moeten ook sneller vallen dan A alleen. We hebben geconcludeerd dat het binden van B aan A iets zou maken dat zowel sneller als langzamer zou vallen dan A op zichzelf, wat een tegenspraak is. "

De belangrijkste bijdrage ontwikkeld door Meneer Isaac Newton was om te erkennen dat deze vallende beweging die op aarde werd waargenomen hetzelfde bewegingsgedrag was dat de maan en andere objecten ervaren, waardoor ze op hun plaats worden gehouden in relatie tot elkaar. (Dit inzicht van Newton is gebaseerd op het werk van Galileo, maar ook door het heliocentrische model te omarmen en Copernicaans principe, die was ontwikkeld door Nicholas Copernicus voorafgaand aan het werk van Galileo.)

Newton's ontwikkeling van de wet van universele zwaartekracht, vaker de wet van de zwaartekracht, bracht deze twee concepten samen in de vorm van een wiskundige formule die leek toe te passen om de aantrekkingskracht tussen twee willekeurige objecten met massa te bepalen. Samen met De bewegingswetten van Newton, creëerde het een formeel systeem van zwaartekracht en beweging dat het wetenschappelijk begrip gedurende meer dan twee eeuwen onbetwist zou sturen.

De volgende grote stap in ons begrip van zwaartekracht komt van Albert Einstein, in de vorm van zijn algemene relativiteitstheorie, die de relatie tussen materie en beweging beschrijft door de basisuitleg dat objecten met massa eigenlijk het weefsel van ruimte en tijd buigen (gezamenlijk ruimtetijd genoemd). Dit verandert het pad van objecten op een manier die in overeenstemming is met ons begrip van zwaartekracht. Daarom is het huidige begrip van zwaartekracht dat het een gevolg is van objecten die het kortste pad door de ruimtetijd volgen, gewijzigd door het kromtrekken van nabijgelegen massieve objecten. In de meeste gevallen die we tegenkomen, is dit volledig in overeenstemming met de klassieke zwaartekrachtwet van Newton. In sommige gevallen is een meer verfijnd begrip van de algemene relativiteit nodig om de gegevens op het vereiste nauwkeurigheidsniveau af te stemmen.

Er zijn echter gevallen waarin zelfs de algemene relativiteitstheorie ons niet echt zinvolle resultaten kan opleveren. In het bijzonder zijn er gevallen waarin algemene relativiteit niet verenigbaar is met het begrip van kwantumfysica.

Een van de bekendste van deze voorbeelden is langs de grens van a zwart gat, waar het gladde weefsel van de ruimtetijd onverenigbaar is met de granulariteit van energie die de kwantumfysica vereist. Dit werd theoretisch opgelost door de natuurkundige Stephen Hawking, in een verklaring die voorspelde zwarte gaten energie uitstralen in de vorm van Hawking straling.

Wat nodig is, is echter een uitgebreide theorie van de zwaartekracht die de kwantumfysica volledig kan integreren. Zo'n theorie van kwantumzwaartekracht zou nodig zijn om deze vragen op te lossen. Natuurkundigen hebben veel kandidaten voor zo'n theorie, waarvan de meest populaire is snaartheorie, maar geen daarvan levert voldoende experimenteel bewijs (of zelfs maar voldoende experimentele voorspellingen) op om te worden geverifieerd en algemeen aanvaard als een correcte beschrijving van de fysieke realiteit.

Naast de behoefte aan een kwantumtheorie van zwaartekracht, zijn er nog twee experimenteel aangedreven mysteries met betrekking tot zwaartekracht die nog moeten worden opgelost. Wetenschappers hebben ontdekt dat er voor ons huidige begrip van de zwaartekracht een toepassing op het universum moet zijn ongeziene aantrekkingskracht (donkere materie genaamd) die helpt om sterrenstelsels bij elkaar te houden en een ongeziene afstotende kracht (genoemd donkere energie) die verre melkwegstelsels sneller uit elkaar duwt.