תולדות כוח המשיכה והאריסטו

אחת ההתנהגויות הפותחות ביותר שאנו חווים, אין פלא שאפילו המדענים הקדומים ביותר ניסו להבין מדוע חפצים נופלים אל הקרקע. הפילוסוף היווני אריסטו נתן את אחד הניסיונות המוקדמים והמקיפים ביותר להסבר מדעי להתנהגות זו על ידי הצגת הרעיון שאובייקטים נעו לעבר "מקומם הטבעי".

המקום הטבעי הזה עבור יסוד כדור הארץ היה במרכז כדור הארץ (שהיה כמובן מרכז היקום במודל הגיאוצנטרי של אריסטו של היקום). סביב כדור הארץ היה תחום קונצנטרי שהיה תחום הטבעי של המים, מוקף בתחום האוויר הטבעי, ואז התחום הטבעי של האש שמעליו. כך, כדור הארץ שוקע במים, מים שוקעים באוויר, ולהבות עולה מעל האוויר. הכל משתרך לעבר מקומו הטבעי במודל של אריסטו, והוא נתקל באופן די עקבי עם ההבנה האינטואיטיבית שלנו והתצפיות הבסיסיות לגבי אופן פעולתו של העולם.

אריסטו האמין עוד כי חפצים נופלים במהירות היחסית למשקלם. במילים אחרות, אם היית לוקח חפץ מעץ וחפץ מתכת בגודל זהה ומפיל את שניהם, חפץ המתכת הכבד יותר ייפול במהירות מהירה יחסית.

הפילוסופיה של אריסטו בנוגע לתנועה לעבר המקום הטבעי של החומר הושמעה במשך כ -2,000 שנה, עד למועד גלילאו גליליי. גלילאו ביצעה ניסויים שגלגלו עצמים במשקלים שונים במורד מטוסים נוטים (לא הפילו אותם מגדל פיזה, למרות הסיפורים האפוקריפיים הפופולריים על כך), וגילו שהם נפלו עם אותו

בנוסף לראיות האמפיריות, גלילאו בנה ניסוי מחשבה תיאורטי כדי לתמוך במסקנה זו. כך מתאר הפילוסוף המודרני את גישתו של גלילאו בספרו משנת 2013 משאבות אינטואיציה וכלים אחרים לחשיבה:

"ניתן לערוך ניסויים מחשבתיים כטיעונים קפדניים, לרוב בצורה אבסורד, שבה האדם לוקח את השטח של מתנגדיו ומפיק סתירה רשמית (תוצאה אבסורדית), ומראה שכולם לא יכולים להיות בסדר. אחד האהובים עלי הוא ההוכחה המיוחסת לגלילאו שדברים כבדים לא נופלים מהר יותר מדברים קלים יותר (כאשר החיכוך הוא זניח). אם כן, הוא טען, מכיוון שאבן A כבדה תיפול מהר יותר מאבן B קלה, אם נקשר את B ל- A, אבן B הייתה פועלת כגרירה, ומאטה את A. אבל A שקשור ל B הוא כבד יותר מ- A בלבד, ולכן גם השניים יחד צריכים ליפול מהר יותר מ- A בפני עצמו. הסקנו שקשירת B ל- A תגרום למשהו שנפל מהיר ואיטי יותר מאשר A בפני עצמו, שהוא סתירה. "

התרומה העיקרית שפותחה על ידי סר איזק ניוטון היה להכיר בכך שתנועה נופלת זו שנצפתה על כדור הארץ הייתה אותה התנהגות של תנועה שהירח וחפצים אחרים חווים, המחזיקה אותם במקום ביחס זה לזה. (תובנה זו מניוטון נבנתה על יצירתו של גלילאו, אך גם על ידי חיבוק המודל ההליוצנטרי ו העיקרון הקופרניקאישפותחה על ידי ניקולס קופרניקוס לפני עבודתו של גלילאו.)

ההתפתחות של ניוטון בחוק הכבידה האוניברסאלי, המכונה לעתים קרובות יותר חוק הכובד, קירבנו את שני המושגים הללו בצורה של נוסחה מתמטית שנראה כי היא חלה כדי לקבוע את כוח המשיכה בין שני אובייקטים עם מסה. ביחד עם חוקי התנועה של ניוטוןזה יצר מערכת רשמית של כוח משיכה ותנועה שתנחה את ההבנה המדעית ללא עוררין במשך למעלה משתי מאות שנים.

השלב העיקרי הבא בהבנתנו את כוח המשיכה מגיע אלברט איינשטיין, בצורה שלו תורת היחסות הכללית, המתאר את הקשר בין חומר לתנועה דרך ההסבר הבסיסי לכך שאובייקטים בעלי מסה מכופפים למעשה את מרקם המרחב והזמן (ביחד נקרא זמן חלל). זה משנה את מסלול האובייקטים בצורה שתואמת את הבנתנו את כוח הכבידה. לפיכך, ההבנה הנוכחית של כוח הכבידה היא שהיא תוצאה של עצמים העוקבים אחר הדרך הקצרה ביותר דרך חלל, ששונו על ידי עוויתת חפצים מסיביים סמוכים. ברוב המקרים בהם אנו נתקלים, מדובר בהסכמה מוחלטת עם חוק הכובד הקלאסי של ניוטון. ישנם מקרים הדורשים הבנה מעודנת יותר של היחסות הכללית בכדי להתאים את הנתונים לרמת הדיוק הנדרשת.

עם זאת, ישנם מקרים שבהם אפילו תורת היחסות הכללית לא יכולה בהחלט לספק לנו תוצאות משמעותיות. באופן ספציפי, ישנם מקרים בהם היחסות הכללית אינה מתיישבת עם ההבנה של פיזיקה קוונטית.

אחת הידועות מהדוגמאות הללו היא בגבול א חור שחור, שם המרקם החלק של חלל אינו תואם את גרגריות האנרגיה הנדרשת על ידי פיזיקת הקוונטים. זה נפתר תיאורטית על ידי הפיזיקאי סטיבן הוקינג, בהסבר שניבא כי חורים שחורים מקרינים אנרגיה בצורה של קרינת הוקינג.

אולם, מה שנדרש הוא תיאוריה מקיפה של כוח הכבידה שיכולה לשלב במלואה את פיזיקת הקוונטים. תיאוריה כזו של כוח הכבידה הקוונטי יהיה צורך בכדי לפתור את השאלות הללו. לפיסיקאים מועמדים רבים לתיאוריה כזו, שהפופולרי שבהם הוא תיאוריית המיתריםאך אין כאלה שמניחים עדויות ניסיוניות מספיקות (או אפילו תחזיות ניסיוניות מספיקות) כדי לאמת ולהתקבל באופן נרחב כתיאור נכון של המציאות הפיזית.

בנוסף לצורך בתורת הכבידה הקוונטית, ישנם שני תעלומות מונעות ניסוי הקשורות לכוח הכבידה שעדיין יש לפתור. מדענים גילו שלשם הבנתנו את כוח הכבידה הנוכחי שיחול על היקום, חייבים להיות כוח אטרקטיבי בלתי נראה (נקרא חומר אפל) המסייע להחזיק גלקסיות יחד וכוח דוחה שלא נראה (שקוראים לו אנרגיה שחורה) שמרחיק גלקסיות רחוקות זו מזו בקצב מהיר יותר.