La storia della gravità e di Aristotele

Uno dei comportamenti più pervasivi che sperimentiamo, non c'è da meravigliarsi che anche i primi scienziati hanno cercato di capire perché gli oggetti cadono verso il suolo. Il filosofo greco Aristotele ha dato uno dei primi e più completi tentativi di una spiegazione scientifica di questo comportamento, dando l'idea che gli oggetti si sono spostati verso il loro "luogo naturale".

Questo luogo naturale per l'elemento della Terra era al centro della Terra (che era, ovviamente, il centro dell'universo nel modello geocentrico dell'universo di Aristotele). Intorno alla Terra c'era una sfera concentrica che era il regno naturale dell'acqua, circondato dal regno naturale dell'aria, e quindi il regno naturale del fuoco sopra di esso. Pertanto, la Terra affonda nell'acqua, l'acqua affonda nell'aria e le fiamme si alzano sopra l'aria. Tutto gravita verso il suo posto naturale nel modello di Aristotele, e risulta abbastanza coerente con la nostra comprensione intuitiva e osservazioni di base su come funziona il mondo.

Aristotele credeva inoltre che gli oggetti cadessero a una velocità proporzionale al loro peso. In altre parole, se prendessi un oggetto di legno e un oggetto di metallo delle stesse dimensioni e li lasci cadere entrambi, l'oggetto di metallo più pesante cadrà a una velocità proporzionalmente più elevata.

La filosofia di Aristotele sul moto verso il luogo naturale di una sostanza ha influenzato per circa 2000 anni, fino al tempo di Galileo Galilei. Galileo condusse esperimenti facendo rotolare oggetti di pesi diversi su piani inclinati (senza farli cadere la Torre di Pisa, nonostante le popolari storie apocrife in tal senso), e scoprirono che caddero con il stesso accelerazione tasso indipendentemente dal loro peso.

Oltre alle prove empiriche, Galileo ha anche costruito un esperimento teorico di pensiero per supportare questa conclusione. Ecco come il filosofo moderno descrive l'approccio di Galileo nel suo libro del 2013 Pompe per intuizione e altri strumenti per pensare:

"Alcuni esperimenti di pensiero sono analizzabili come argomenti rigorosi, spesso della forma reductio ad absurdum, in cui si prendono le premesse dei propri avversari e si ricava una contraddizione formale (un risultato assurdo), dimostrando che non possono avere tutti ragione. Uno dei miei preferiti è la prova attribuita a Galileo che le cose pesanti non cadono più velocemente delle cose più leggere (quando l'attrito è trascurabile). Se lo facessero, argomentava, allora poiché la pietra pesante A sarebbe caduta più velocemente della pietra leggera B, se avessimo legato B ad A, la pietra B avrebbe agito da resistenza, rallentando A. Ma A legato a B è più pesante di A da solo, quindi i due insieme dovrebbero anche cadere più velocemente di A da solo. Abbiamo concluso che legare B ad A farebbe qualcosa che è caduto più velocemente e più lentamente di A da solo, il che è una contraddizione ".

Il contributo maggiore sviluppato da Sir Isaac Newton era riconoscere che questo movimento discendente osservato sulla Terra era lo stesso comportamento del moto che la Luna e altri oggetti sperimentano, che li tiene in posizione uno rispetto all'altro. (Questa intuizione di Newton fu costruita sull'opera di Galileo, ma anche abbracciando il modello eliocentrico e Principio copernicano, che era stato sviluppato da Nicholas Copernicus prima del lavoro di Galileo.)

Lo sviluppo di Newton della legge di gravitazione universale, più spesso chiamato il legge di gravità, ha riunito questi due concetti sotto forma di una formula matematica che sembrava applicarsi per determinare la forza di attrazione tra due oggetti qualsiasi con massa. Insieme a Le leggi del moto di Newton, ha creato un sistema formale di gravità e movimento che avrebbe guidato la comprensione scientifica incontrastata per oltre due secoli.

Il prossimo grande passo nella nostra comprensione della gravità viene Albert Einstein, nella sua forma teoria generale della relatività, che descrive la relazione tra materia e movimento attraverso la spiegazione di base secondo cui gli oggetti con massa in realtà piegano il tessuto stesso dello spazio e del tempo (collettivamente chiamato spaziotempo). Questo cambia il percorso degli oggetti in un modo che è in accordo con la nostra comprensione della gravità. Pertanto, l'attuale comprensione della gravità è che è il risultato di oggetti che seguono il percorso più breve attraverso lo spaziotempo, modificato dalla deformazione di oggetti voluminosi vicini. Nella maggior parte dei casi che incontriamo, questo è in completo accordo con la legge di gravità classica di Newton. Ci sono alcuni casi che richiedono una comprensione più raffinata della relatività generale per adattare i dati al livello richiesto di precisione.

Tuttavia, ci sono alcuni casi in cui nemmeno la relatività generale può darci risultati significativi. In particolare, ci sono casi in cui la relatività generale è incompatibile con la comprensione di fisica quantistica.

Uno dei più noti di questi esempi è lungo il confine di a buco nero, dove il tessuto liscio dello spaziotempo è incompatibile con la granularità dell'energia richiesta dalla fisica quantistica. Ciò è stato teoricamente risolto dal fisico Stephen Hawking, in una spiegazione che prevede che i buchi neri irradiano energia sotto forma di Radiazione di Hawking.

Ciò che è necessario, tuttavia, è una teoria della gravità completa che possa incorporare completamente la fisica quantistica. Tale teoria di gravità quantistica sarebbe necessario per risolvere queste domande. I fisici hanno molti candidati per tale teoria, la più popolare delle quali è teoria delle stringhe, ma nessuno che fornisca prove sperimentali sufficienti (o anche sufficienti previsioni sperimentali) per essere verificato e ampiamente accettato come una descrizione corretta della realtà fisica.

Oltre alla necessità di una teoria quantistica della gravità, ci sono due misteri guidati sperimentalmente relativi alla gravità che devono ancora essere risolti. Gli scienziati hanno scoperto che affinché la nostra attuale comprensione della gravità si applichi all'universo, ci deve essere un forza attraente invisibile (chiamata materia oscura) che aiuta a tenere insieme le galassie e una forza repulsiva invisibile (chiamato energia oscura) che allontana le galassie distanti a velocità più elevate.