A História da Gravidade e Aristóteles

Um dos comportamentos mais difundidos que experimentamos, não é de admirar que mesmo os primeiros cientistas tenham tentado entender por que os objetos caem no chão. O filósofo grego Aristóteles deu uma das primeiras e mais abrangentes tentativas de explicação científica desse comportamento, propondo a idéia de que os objetos se moviam em direção ao seu "lugar natural".

Esse lugar natural para o elemento Terra estava no centro da Terra (que era, obviamente, o centro do universo no modelo geocêntrico do universo de Aristóteles). Ao redor da Terra havia uma esfera concêntrica que era o reino natural da água, cercado pelo reino natural do ar, e depois o reino natural do fogo acima disso. Assim, a Terra afunda na água, a água afunda no ar e as chamas sobem acima do ar. Tudo gravita em direção ao seu lugar natural no modelo de Aristóteles, e parece bastante consistente com nossa compreensão intuitiva e observações básicas sobre como o mundo funciona.

Aristóteles acreditava ainda que os objetos caem a uma velocidade proporcional ao seu peso. Em outras palavras, se você pegasse um objeto de madeira e um objeto de metal do mesmo tamanho e os deixasse cair, o objeto de metal mais pesado cairia a uma velocidade proporcionalmente mais rápida.

A filosofia de Aristóteles sobre o movimento em direção ao lugar natural de uma substância dominou por cerca de 2.000 anos, até a época de Galileo Galilei. O Galileo conduziu experimentos rolando objetos de diferentes pesos em planos inclinados (não os deixando cair) Torre de Pisa, apesar das populares histórias apócrifas nesse sentido), e descobriram que caíam com o mesmo aceleração taxa independentemente do seu peso.

Além da evidência empírica, Galileu também construiu um experimento de pensamento teórico para apoiar esta conclusão. Aqui está como o filósofo moderno descreve a abordagem de Galileu em seu livro de 2013 Bombas da intuição e outras ferramentas para pensar:

"Alguns experimentos de pensamento são analisáveis ​​como argumentos rigorosos, geralmente da forma reductio ad absurdum, em que alguém toma as premissas de seus oponentes e deriva uma contradição formal (um resultado absurdo), mostrando que nem todos podem estar certos. Uma das minhas favoritas é a prova atribuída ao Galileu de que coisas pesadas não caem mais rápido que coisas leves (quando o atrito é insignificante). Se o fizessem, argumentou, então, como a pedra pesada A cairia mais rápido que a pedra leve B, se amarrássemos B a A, a pedra B atuaria como uma chatice, desacelerando A. Mas A amarrado a B é mais pesado que A sozinho, então os dois juntos também devem cair mais rápido que A por si só. Concluímos que amarrar B a A faria algo que caísse mais rápido e mais lentamente que A por si só, o que é uma contradição ".

A principal contribuição desenvolvida pela Sir Isaac Newton era reconhecer que esse movimento de queda observado na Terra era o mesmo comportamento de movimento que a Lua e outros objetos experimentam, o que os mantém no lugar em relação um ao outro. (Esse insight de Newton foi construído sobre o trabalho de Galileu, mas também ao abraçar o modelo heliocêntrico e Princípio copernicano, que havia sido desenvolvido por Nicholas Copernicus antes do trabalho de Galileu.)

O desenvolvimento de Newton da lei da gravitação universal, mais freqüentemente chamado de lei da gravidade, reuniram esses dois conceitos na forma de uma fórmula matemática que parecia se aplicar para determinar a força da atração entre dois objetos com massa. Junto com Leis do movimento de Newton, criou um sistema formal de gravidade e movimento que orientaria o entendimento científico sem contestação por mais de dois séculos.

O próximo passo importante em nossa compreensão da gravidade vem de Albert Einstein, sob a forma de teoria geral da relatividade, que descreve a relação entre matéria e movimento por meio da explicação básica de que objetos com massa realmente dobram o próprio tecido do espaço e do tempo (coletivamente chamado espaço-tempo). Isso muda o caminho dos objetos de acordo com a nossa compreensão da gravidade. Portanto, o entendimento atual da gravidade é que é o resultado de objetos seguindo o caminho mais curto no espaço-tempo, modificado pelo empenamento de objetos maciços próximos. Na maioria dos casos em que encontramos, isso está totalmente de acordo com a lei clássica da gravidade de Newton. Existem alguns casos que exigem uma compreensão mais refinada da relatividade geral para ajustar os dados ao nível de precisão exigido.

No entanto, existem alguns casos em que nem a relatividade geral pode nos dar resultados significativos. Especificamente, há casos em que a relatividade geral é incompatível com o entendimento de física quântica.

Um dos exemplos mais conhecidos é o limite de um buraco negro, onde o tecido liso do espaço-tempo é incompatível com a granularidade de energia exigida pela física quântica. Isso foi teoricamente resolvido pelo físico Stephen Hawking, em uma explicação que previa que buracos negros irradiam energia na forma de Radiação Hawking.

O que é necessário, no entanto, é uma teoria abrangente da gravidade que possa incorporar totalmente a física quântica. Tal teoria da gravidade quântica seria necessário para resolver essas questões. Os físicos têm muitos candidatos a essa teoria, sendo a mais popular a teoria das cordas, mas nenhuma que produza evidência experimental suficiente (ou mesmo previsões experimentais suficientes) para ser verificada e amplamente aceita como uma descrição correta da realidade física.

Além da necessidade de uma teoria quântica da gravidade, existem dois mistérios experimentalmente relacionados à gravidade que ainda precisam ser resolvidos. Os cientistas descobriram que, para que nossa compreensão atual da gravidade se aplique ao universo, deve haver uma força atraente invisível (chamada matéria escura) que ajuda a manter as galáxias unidas e uma força repulsiva invisível (chamado energia escura) que separa galáxias distantes a taxas mais rápidas.