Die Geschichte der Schwerkraft und des Aristoteles

Als eines der am weitesten verbreiteten Verhaltensweisen, die wir erleben, ist es kein Wunder, dass selbst die frühesten Wissenschaftler zu verstehen versuchten, warum Objekte auf den Boden fallen. Der griechische Philosoph Aristoteles gab einen der frühesten und umfassendsten Versuche, dieses Verhalten wissenschaftlich zu erklären, indem er die Idee hervorbrachte, dass sich Objekte in Richtung ihres "natürlichen Ortes" bewegten.

Dieser natürliche Ort für das Element Erde befand sich im Erdmittelpunkt (der natürlich das Zentrum des Universums in Aristoteles 'geozentrischem Modell des Universums war). Um die Erde herum befand sich eine konzentrische Kugel, die das natürliche Reich des Wassers war, umgeben von dem natürlichen Reich der Luft und dann das natürliche Reich des Feuers darüber. So sinkt die Erde im Wasser, Wasser sinkt in der Luft und Flammen steigen über der Luft auf. Alles bewegt sich in Richtung seines natürlichen Platzes in Aristoteles 'Modell, und es scheint ziemlich konsistent mit unserem intuitiven Verständnis und unseren grundlegenden Beobachtungen darüber zu sein, wie die Welt funktioniert.

Aristoteles glaubte ferner, dass Objekte mit einer Geschwindigkeit fallen, die proportional zu ihrem Gewicht ist. Mit anderen Worten, wenn Sie ein Holzobjekt und ein Metallobjekt der gleichen Größe nehmen und beide fallen lassen würden, würde das schwerere Metallobjekt mit einer proportional schnelleren Geschwindigkeit fallen.

Aristoteles 'Philosophie über die Bewegung in Richtung des natürlichen Ortes einer Substanz hielt ungefähr 2.000 Jahre lang an, bis zur Zeit von Galileo Galilei. Galileo führte Experimente durch, bei denen Objekte mit unterschiedlichen Gewichten in geneigten Ebenen gerollt wurden (ohne sie fallen zu lassen) der Turm von Pisa, trotz der populären apokryphen Geschichten zu diesem Zweck), und stellte fest, dass sie mit dem fielen gleich Beschleunigung Rate unabhängig von ihrem Gewicht.

Zusätzlich zu den empirischen Beweisen konstruierte Galileo auch ein theoretisches Gedankenexperiment, um diese Schlussfolgerung zu stützen. So beschreibt der moderne Philosoph Galileos Ansatz in seinem Buch von 2013 Intuitionspumpen und andere Werkzeuge zum Denken:

"Einige Gedankenexperimente können als strenge Argumente analysiert werden, oft in der Form reductio ad absurdum, in dem man die Prämissen seiner Gegner nimmt und einen formalen Widerspruch herleitet (ein absurdes Ergebnis), der zeigt, dass sie nicht alle Recht haben können. Einer meiner Favoriten ist der Galileo zugeschriebene Beweis, dass schwere Dinge nicht schneller fallen als leichtere (wenn die Reibung vernachlässigbar ist). Wenn sie dies taten, argumentierte er, da schwerer Stein A schneller fallen würde als leichter Stein B, würde Stein B als Widerstand wirken und A verlangsamen, wenn wir B an A binden würden. Aber A, das an B gebunden ist, ist schwerer als A allein, daher sollten die beiden zusammen auch schneller fallen als A für sich. Wir sind zu dem Schluss gekommen, dass das Binden von B an A etwas bewirken würde, das sowohl schneller als auch langsamer als A an sich fällt, was ein Widerspruch ist. "

Der Hauptbeitrag von Herr Isaac Newton war zu erkennen, dass diese auf der Erde beobachtete fallende Bewegung das gleiche Bewegungsverhalten war, das der Mond und andere Objekte erfahren, was sie in Beziehung zueinander hält. (Diese Erkenntnis aus Newton wurde auf der Arbeit von Galileo aufgebaut, aber auch durch die Übernahme des heliozentrischen Modells und Kopernikanisches Prinzip, die von Nicholas Copernicus vor Galileos Arbeit entwickelt worden war.)

Newtons Entwicklung des Gesetzes der universellen Gravitation, häufiger genannt das Gesetz der Schwerkraft, brachte diese beiden Konzepte in Form einer mathematischen Formel zusammen, die zu gelten schien, um die Anziehungskraft zwischen zwei Objekten mit Masse zu bestimmen. Zusammen mit Newtons BewegungsgesetzeEs schuf ein formales System der Schwerkraft und Bewegung, das das wissenschaftliche Verständnis über zwei Jahrhunderte hinweg unangefochten leiten würde.

Der nächste große Schritt in unserem Verständnis der Schwerkraft kommt von Albert Einsteinin Form seiner allgemeine Relativitätstheorie, die die Beziehung zwischen Materie und Bewegung durch die grundlegende Erklärung beschreibt, dass Objekte mit Masse tatsächlich das Gewebe von Raum und Zeit biegen (zusammen Raumzeit genannt). Dies verändert den Weg von Objekten auf eine Weise, die unserem Verständnis der Schwerkraft entspricht. Daher ist das gegenwärtige Verständnis der Schwerkraft, dass es ein Ergebnis von Objekten ist, die dem kürzesten Weg durch die Raumzeit folgen, modifiziert durch das Verziehen nahegelegener massiver Objekte. In den meisten Fällen, auf die wir stoßen, stimmt dies vollständig mit dem klassischen Newtonschen Gravitationsgesetz überein. In einigen Fällen ist ein besseres Verständnis der allgemeinen Relativitätstheorie erforderlich, um die Daten an die erforderliche Genauigkeit anzupassen.

Es gibt jedoch einige Fälle, in denen nicht einmal die allgemeine Relativitätstheorie zu aussagekräftigen Ergebnissen führen kann. Insbesondere gibt es Fälle, in denen die allgemeine Relativitätstheorie mit dem Verständnis von unvereinbar ist Quantenphysik.

Eines der bekanntesten dieser Beispiele befindet sich entlang der Grenze von a schwarzes Loch, wo das glatte Gewebe der Raumzeit nicht mit der von der Quantenphysik benötigten Energiekörnigkeit kompatibel ist. Dies wurde vom Physiker theoretisch gelöst Stephen Hawkingin einer Erklärung, dass vorhergesagte Schwarze Löcher Energie in Form von ausstrahlen Hawking Strahlung.

Was jedoch benötigt wird, ist eine umfassende Gravitationstheorie, die die Quantenphysik vollständig einbeziehen kann. Eine solche Theorie von Quantengravitation wäre erforderlich, um diese Fragen zu lösen. Physiker haben viele Kandidaten für eine solche Theorie, von denen die beliebteste ist Stringtheorie, aber keine, die ausreichende experimentelle Beweise (oder sogar ausreichende experimentelle Vorhersagen) liefern, um verifiziert und allgemein als korrekte Beschreibung der physikalischen Realität akzeptiert zu werden.

Neben der Notwendigkeit einer Quantentheorie der Schwerkraft gibt es zwei experimentell gesteuerte Rätsel im Zusammenhang mit der Schwerkraft, die noch gelöst werden müssen. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass es eine geben muss, damit unser derzeitiges Verständnis der Schwerkraft auf das Universum angewendet werden kann unsichtbare Anziehungskraft (dunkle Materie genannt), die hilft, Galaxien zusammenzuhalten, und eine unsichtbare abstoßende Kraft (namens dunkle Energie), die entfernte Galaxien schneller auseinander drückt.