De geschiedenis van de zwaartekracht

Een van de meest doordringende 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 tot een wetenschappelijke verklaring van dit gedrag door het idee naar voren te brengen dat objecten naar hun 'natuurlijke plaats' bewogen.

Deze natuurlijke plaats voor het element aarde was in het centrum van de aarde (wat natuurlijk het centrum van het universum was in het geocentrische model van het universum van Aristoteles). Rondom de aarde was een concentrische bol die het natuurlijke rijk van water was, omringd door het natuurlijke rijk van lucht, en vervolgens het natuurlijke rijk van vuur daarboven. De aarde zinkt dus in water, water zinkt in de lucht en vlammen stijgen boven lucht. Alles wordt aangetrokken naar zijn natuurlijke plaats in het model van Aristoteles en het komt redelijk consistent over met ons intuïtieve begrip en fundamentele observaties over hoe de wereld werkt.

Aristoteles geloofde verder dat objecten vallen met een snelheid die evenredig is aan hun gewicht. Met andere woorden, als u een houten object en een metalen object van dezelfde grootte zou nemen en ze beide zou laten vallen, zou het zwaardere metalen object met een relatief hogere snelheid vallen.

Galileo en beweging

Aristoteles filosofie over beweging in de richting van de natuurlijke plaats van een substantie bleef ongeveer 2000 jaar gelden, tot de tijd van Galileo Galilei. Galileo voerde experimenten uit met objecten met verschillende gewichten naar beneden hellende vlakken (ze niet van de toren van Pisa laten vallen, ondanks de populaire apocriefe verhalen hierover) en ontdekte dat ze met dezelfde versnellingssnelheid vielen, ongeacht hun gewicht.

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

"Sommige gedachte-experimenten kunnen worden geanalyseerd als rigoureuze argumenten, vaak van de vorm reductio ad absurdum, waarin je je tegenstanders neemt en een formele contradictie (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 te verwaarlozen is). Als ze dat wel deden, betoogde hij, omdat zware steen A sneller zou vallen dan lichte steen B, als we B aan A, steen B zou werken als een weerstand, die A vertraagt. Maar A gebonden aan B is zwaarder dan alleen A, dus de twee samen zouden ook sneller moeten vallen dan A. Op zichzelf hebben we geconcludeerd dat het binden van B aan A iets zou zijn dat viel zowel sneller als langzamer dan A alleen, wat een tegenstelling is. "

Newton introduceert zwaartekracht

De belangrijkste bijdrage ontwikkeld door Sir Isaac Newton was om te erkennen dat deze vallende beweging waargenomen op aarde 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 was gebaseerd op het werk van Galileo, maar ook door het heliocentrische model en het Copernicaanse principe te omarmen, dat voorafgaand aan Galileo's werk door Nicholas Copernicus was ontwikkeld.)

Newtons ontwikkeling van de wet van universele zwaartekracht, vaker de wet van de zwaartekracht genoemd, bracht deze twee concepten samen in de vorm van een wiskundige formule die leek te gelden 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 wetenschappelijk begrip gedurende meer dan twee eeuwen onbetwist zou leiden.

Einstein herdefinieert zwaartekracht

De volgende belangrijke 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 fundamentele verklaring dat objecten met massa daadwerkelijk de structuur 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 resultaat is van objecten die het kortste pad door ruimtetijd volgen, aangepast door het kromtrekken van nabije 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 verfijnder begrip van de algemene relativiteitstheorie vereist om de gegevens op het vereiste precisieniveau te brengen.

Het zoeken naar kwantumzwaartekracht

Er zijn echter enkele gevallen waarin zelfs geen algemene relativiteit ons behoorlijk betekenisvolle resultaten kan geven. In het bijzonder zijn er gevallen waarin algemene relativiteitstheorie onverenigbaar is met het begrip van de kwantumfysica.

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

Wat nodig is, is echter een uitgebreide zwaartekrachttheorie die de kwantumfysica volledig kan incorporeren. Een dergelijke theorie van kwantumzwaartekracht zou nodig zijn om deze vragen op te lossen. Natuurkundigen hebben veel kandidaten voor een dergelijke theorie, waarvan de meest populaire snaartheorie is, maar geen enkele die voldoende experimenteel bewijs (of zelfs voldoende experimentele voorspellingen) oplevert om te worden geverifieerd en algemeen aanvaard als een correcte beschrijving van de fysieke realiteit.

Aan zwaartekracht gerelateerde mysteries

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