Die Geschichte der Schwerkraft

Es ist kein Wunder, dass selbst die frühesten Wissenschaftler zu verstehen versuchten, warum Objekte auf den Boden fallen. Der griechische Philosoph Aristoteles hat einen der frühesten und umfassendsten Versuche unternommen, dieses Verhalten wissenschaftlich zu erklären, indem er die Idee aufstellte, dass sich Objekte in Richtung ihres "natürlichen Ortes" bewegten.

Dieser natürliche Ort für das Element Erde befand sich im Mittelpunkt der Erde (der natürlich der Mittelpunkt des Universums in Aristoteles 'geozentrischem Modell des Universums war). Die Erde war von einer konzentrischen Kugel umgeben, die das natürliche Reich des Wassers war, umgeben von dem natürlichen Reich der Luft und dann dem natürlichen Reich des Feuers darüber. So sinkt die Erde im Wasser, Wasser sinkt in der Luft und Flammen erheben sich über der Luft. Alles bewegt sich zu seinem natürlichen Platz in Aristoteles 'Vorbild, und es stimmt ziemlich gut mit unserem intuitiven Verständnis und unseren grundlegenden Beobachtungen über die Funktionsweise der Welt überein.

Aristoteles glaubte ferner, dass Objekte mit einer Geschwindigkeit fallen, die proportional zu ihrem Gewicht ist. Mit anderen Worten, wenn Sie einen Holzgegenstand und einen Metallgegenstand derselben Größe nehmen und beide fallen lassen, fällt der schwerere Metallgegenstand mit einer proportional höheren Geschwindigkeit.

Galileo und Bewegung

Aristoteles 'Philosophie über die Bewegung in Richtung des natürlichen Ortes einer Substanz hat sich etwa 2000 Jahre lang bis zur Zeit von Galileo Galilei durchgesetzt. Galileo führte Experimente durch, bei denen Objekte mit unterschiedlichem Gewicht auf geneigten Ebenen hinuntergerollt wurden (und trotz der bekannten apokryphen Geschichten nicht vom Turm von Pisa abgeworfen wurden). Dabei stellte sich heraus, dass sie unabhängig von ihrem Gewicht mit der gleichen Beschleunigungsrate fielen.

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 sind als rigorose Argumente analysierbar, oft in der Form reductio ad absurdum, bei denen man die Prämissen der Gegner übernimmt und einen formalen Widerspruch (ein absurdes Ergebnis) herleitet, der zeigt, dass nicht alle richtig sein können. Einer von meinen Favoriten ist der Beweis, der Galileo zugeschrieben wird, dass schwere Dinge nicht schneller fallen als leichtere (wenn die Reibung vernachlässigbar gering ist) A, Stein B würde als Widerstand wirken und A verlangsamen. Aber A, das an B gebunden ist, ist schwerer als A allein, daher sollten die beiden zusammen auch schneller fallen als A selbst. Wir sind zu dem Schluss gekommen, dass das B an A binden etwas bewirken würde, das dies bewirkt fiel sowohl schneller als auch langsamer als A für sich, was ein Widerspruch ist. "

Newton führt die Schwerkraft ein

Der von Sir Isaac Newton entwickelte Hauptbeitrag bestand darin, zu erkennen, dass diese auf der Erde beobachtete Fallbewegung dasselbe Bewegungsverhalten ist, das der Mond und andere Objekte erfahren und das sie in Relation zueinander an ihrem Platz hält. (Diese Erkenntnis aus Newton basierte auf der Arbeit von Galileo, aber auch auf dem heliozentrischen Modell und dem kopernikanischen Prinzip, die Nicholas Copernicus vor Galileos Arbeit entwickelt hatte.)

Newtons Entwicklung des Gesetzes der universellen Gravitation, das häufiger als Gravitationsgesetz bezeichnet wird, brachte diese beiden Konzepte in Form einer mathematischen Formel zusammen, die zur Bestimmung der Anziehungskraft zwischen zwei Objekten mit Masse zu gelten schien. Zusammen mit Newtons Bewegungsgesetzen schuf es ein formales System von Schwerkraft und Bewegung, das das wissenschaftliche Verständnis über zwei Jahrhunderte hinweg unangefochten leiten sollte.

Einstein definiert die Schwerkraft neu

Der nächste wichtige Schritt in unserem Verständnis der Schwerkraft kommt von Albert Einstein in Form seiner allgemeinen 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 ( kollektiv Raumzeit genannt). Dies verändert den Pfad von Objekten auf eine Weise, die unserem Verständnis der Schwerkraft entspricht. Daher ist das gegenwärtige Verständnis der Schwerkraft das Ergebnis von Objekten, die dem kürzesten Weg durch die Raumzeit folgen, modifiziert durch das Verziehen von nahegelegenen massiven Objekten. In den meisten Fällen, mit denen wir konfrontiert sind, stimmt dies vollständig mit Newtons klassischem Gravitationsgesetz überein. In einigen Fällen ist ein genaueres Verständnis der allgemeinen Relativitätstheorie erforderlich, um die Daten an die erforderliche Genauigkeit anzupassen.

Die Suche nach der Quantengravitation

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 nicht mit dem Verständnis der Quantenphysik vereinbar ist.

Eines der bekanntesten dieser Beispiele liegt an der Grenze eines Schwarzen Lochs, wo das glatte Gewebe der Raumzeit nicht mit der für die Quantenphysik erforderlichen Granularität der Energie vereinbar ist. Dies wurde theoretisch vom Physiker Stephen Hawking in einer Erklärung gelöst, dass vorhergesagte Schwarze Löcher Energie in Form von Hawking-Strahlung ausstrahlen.

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

Schwerkraftbedingte Geheimnisse

Zusätzlich zur Notwendigkeit einer Quantentheorie der Schwerkraft gibt es zwei experimentell motivierte Rätsel, die sich auf die Schwerkraft beziehen und die noch gelöst werden müssen. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass es eine unsichtbare Anziehungskraft (Dunkle Materie) geben muss, die Galaxien zusammenhält, und eine unsichtbare Abstoßungskraft (Dunkle Energie), die entfernte Galaxien schneller auseinanderdrückt, damit unser gegenwärtiges Verständnis der Schwerkraft auf das Universum zutrifft Preise.