تاريخ الجاذبية وأرسطو

واحدة من أكثر السلوكيات انتشارًا التي نختبرها ، فلا عجب أنه حتى أقدم العلماء حاولوا فهم سبب سقوط الأشياء تجاه الأرض. الفيلسوف اليوناني أرسطو أعطت واحدة من أقرب وأشمل المحاولات لتفسير علمي لهذا السلوك من خلال طرح فكرة أن الأشياء تتحرك نحو "مكانها الطبيعي".

كان هذا المكان الطبيعي لعنصر الأرض في مركز الأرض (والذي كان بالطبع مركز الكون في نموذج الكون المتمركز حول الأرض لأرسطو). كان محاطًا بالأرض مجالًا متحد المركز هو المجال الطبيعي للمياه ، وتحيط به المجال الطبيعي للهواء ، ثم المجال الطبيعي للنار فوق ذلك. وهكذا ، تغرق الأرض في الماء ، وتغرق المياه في الهواء ، وترتفع النيران فوق الهواء. كل شيء ينجذب نحو مكانه الطبيعي في نموذج أرسطو ، ويظهر على أنه متسق إلى حد ما مع فهمنا الحدسي والملاحظات الأساسية حول كيفية عمل العالم.

يعتقد أرسطو كذلك أن الأجسام تسقط بسرعة تتناسب مع وزنها. بمعنى آخر ، إذا أخذت جسمًا خشبيًا وجسمًا معدنيًا من نفس الحجم وأسقطتهما معًا ، فسوف يسقط الجسم المعدني الثقيل بسرعة أكبر نسبيًا.

ظلت فلسفة أرسطو حول الحركة نحو المكان الطبيعي للمادة متأثرة بنحو 2000 عام ، حتى وقت

بالإضافة إلى الأدلة التجريبية ، بنى جاليليو أيضًا تجربة فكرية نظرية لدعم هذا الاستنتاج. إليك كيف يصف الفيلسوف الحديث نهج جاليليو في كتابه لعام 2013 مضخات الحدس وأدوات أخرى للتفكير:

"بعض التجارب الفكرية قابلة للتحليل كحجج صارمة ، غالبًا من النموذج اختزال عبثية، حيث يأخذ المرء مكان خصومه ويستنتج تناقضًا رسميًا (نتيجة سخيفة) ، يظهر أنه لا يمكن أن يكونوا جميعًا على صواب. أحد الأدلة المفضلة لدي هو الدليل المنسوب إلى جاليليو بأن الأشياء الثقيلة لا تسقط أسرع من الأشياء الأخف (عندما يكون الاحتكاك ضئيلاً). إذا فعلوا ذلك ، جادل ، فعندئذ لأن الحجر الثقيل A سيسقط أسرع من الحجر الخفيف B ، إذا ربطنا B بـ A ، فإن الحجر B سيكون بمثابة سحب ، مما يبطئ A لأسفل. لكن A المرتبط بـ B أثقل من A وحده ، لذلك يجب أن يسقط الاثنان معًا بشكل أسرع من A بمفردهما. لقد استنتجنا أن ربط B بـ A من شأنه أن يجعل شيئًا يسقط أسرع وأبطأ من A في حد ذاته ، وهو تناقض ".

المساهمة الرئيسية التي طورتها السير اسحق نيوتن هو إدراك أن هذه الحركة المتساقطة التي تمت ملاحظتها على الأرض هي نفس سلوك الحركة الذي يختبره القمر والأجسام الأخرى ، مما يجعلها في مكانها فيما يتعلق بعضها ببعض. (بنيت هذه الرؤية من نيوتن على عمل جاليليو ، ولكن أيضًا من خلال تبني نموذج مركزية الشمس و مبدأ كوبرنيكانالتي طورها نيكولاس كوبرنيكوس قبل عمل جاليليو).

تطور نيوتن لقانون الجاذبية الكونية ، وغالبا ما يطلق عليه قانون الجاذبيةجمعت هذين المفهومين معًا في شكل صيغة رياضية يبدو أنها تنطبق على تحديد قوة الجذب بين أي جسمين مع الكتلة. معا مع قوانين الحركة لنيوتن، خلقت نظامًا رسميًا للجاذبية والحركة من شأنه أن يوجه الفهم العلمي دون منازع لأكثر من قرنين من الزمان.

تأتي الخطوة الرئيسية التالية في فهمنا للجاذبية البرت اينشتاين، في شكل له النظرية النسبية العامة، الذي يصف العلاقة بين المادة والحركة من خلال التفسير الأساسي بأن الأجسام ذات الكتلة تحني بالفعل نسيج المكان والزمان (يُطلق عليهما مجتمعًا الزمكان). هذا يغير مسار الأشياء بطريقة تتوافق مع فهمنا للجاذبية. لذلك ، فإن الفهم الحالي للجاذبية هو أنها نتيجة لأشياء تتبع المسار الأقصر عبر الزمكان ، معدلة بتزييف الأجسام الضخمة القريبة. في معظم الحالات التي نواجهها ، هذا يتفق تمامًا مع قانون الجاذبية الكلاسيكي لنيوتن. هناك بعض الحالات التي تتطلب فهمًا أكثر دقة للنسبية العامة لتناسب البيانات مع المستوى المطلوب من الدقة.

ومع ذلك ، هناك بعض الحالات التي لا يمكن حتى للنسبية العامة أن تعطينا نتائج ذات مغزى. على وجه التحديد ، هناك حالات تكون فيها النسبية العامة غير متوافقة مع فهم فيزياء الكم.

أحد أشهر هذه الأمثلة هو على طول حدود a الثقب الأسود، حيث النسيج الملساء في الزمكان غير متوافق مع دقة الطاقة التي تتطلبها فيزياء الكم. تم حل هذا من الناحية النظرية من قبل الفيزيائي ستيفن هوكينجفي تفسير تنبأ بأن الثقوب السوداء تنبعث منها الطاقة على شكل إشعاع هوكينج.

ما هو مطلوب ، مع ذلك ، هو نظرية شاملة عن الجاذبية يمكن أن تتضمن فيزياء الكم بشكل كامل. مثل هذه النظرية جاذبية الكم ستكون هناك حاجة لحل هذه الأسئلة. لدى الفيزيائيين العديد من المرشحين لمثل هذه النظرية ، وأكثرها شيوعًا نظرية الأوتار، ولكن لا يوجد منها ما يقدم أدلة تجريبية كافية (أو حتى تنبؤات تجريبية كافية) ليتم التحقق منها وقبولها على نطاق واسع على أنها وصف صحيح للواقع المادي.

بالإضافة إلى الحاجة إلى نظرية الكم للجاذبية ، هناك لغزان مدفوعان بالتجارب يتعلقان بالجاذبية لا يزالان بحاجة إلى حل. لقد وجد العلماء أنه من أجل فهمنا الحالي للجاذبية لتطبيق الكون ، يجب أن يكون هناك قوة جذابة غير مرئية (تسمى المادة المظلمة) التي تساعد على تثبيت المجرات معًا وقوة نفور غير مرئية (اتصل الطاقة المظلمة) التي تفصل بين المجرات البعيدة بمعدلات أسرع.