L'histoire de la gravité et d'Aristote

L'un des comportements les plus répandus que nous connaissons, il n'est pas étonnant que même les premiers scientifiques aient essayé de comprendre pourquoi les objets tombent vers le sol. Le philosophe grec Aristote a donné l'une des tentatives les plus anciennes et les plus complètes d'explication scientifique de ce comportement en mettant en avant l'idée que les objets se déplaçaient vers leur «endroit naturel».

Cet endroit naturel pour l'élément de la Terre était au centre de la Terre (qui était, bien sûr, le centre de l'univers dans le modèle géocentrique d'Aristote de l'univers). Autour de la Terre se trouvait une sphère concentrique qui était le domaine naturel de l'eau, entouré par le domaine naturel de l'air, puis le domaine naturel du feu au-dessus. Ainsi, la Terre coule dans l'eau, l'eau coule dans l'air et les flammes s'élèvent au-dessus de l'air. Tout gravite vers sa place naturelle dans le modèle d'Aristote, et il semble assez cohérent avec notre compréhension intuitive et nos observations de base sur le fonctionnement du monde.

Aristote croyait en outre que les objets tombent à une vitesse proportionnelle à leur poids. En d'autres termes, si vous preniez un objet en bois et un objet métallique de la même taille et les déposiez tous les deux, l'objet métallique plus lourd tomberait à une vitesse proportionnellement plus rapide.

La philosophie d'Aristote sur le mouvement vers le lieu naturel d'une substance a régné pendant environ 2000 ans, jusqu'à l'époque de Galilée. Galileo a mené des expériences en roulant des objets de différents poids sur des plans inclinés (sans les déposer) la Tour de Pise, malgré les histoires apocryphes populaires à cet effet), et a constaté qu'ils sont tombés avec le même accélération quel que soit leur poids.

En plus des preuves empiriques, Galileo a également construit une expérience de pensée théorique pour étayer cette conclusion. Voici comment le philosophe moderne décrit l'approche de Galilée dans son livre de 2013 Pompes à intuition et autres outils de réflexion:

"Certaines expériences de pensée sont analysables comme des arguments rigoureux, souvent de la forme reductio ad absurdum, dans lequel on prend les prémisses de ses adversaires et dérive une contradiction formelle (un résultat absurde), montrant qu'ils ne peuvent pas tous avoir raison. L'une de mes préférées est la preuve attribuée à Galileo que les objets lourds ne tombent pas plus vite que les objets plus légers (lorsque le frottement est négligeable). S'ils le faisaient, at-il soutenu, alors comme la pierre lourde A tomberait plus vite que la pierre légère B, si nous attachions B à A, la pierre B agirait comme une traînée, ralentissant A vers le bas. Mais A lié à B est plus lourd que A seul, donc les deux ensemble devraient également chuter plus vite que A seul. Nous avons conclu que lier B à A ferait quelque chose qui serait à la fois plus rapide et plus lent que A en soi, ce qui est une contradiction. "

La contribution majeure développée par Monsieur Isaac Newton était de reconnaître que ce mouvement de chute observé sur Terre était le même comportement de mouvement que la Lune et les autres objets, qui les maintient en place les uns par rapport aux autres. (Cet aperçu de Newton a été construit sur le travail de Galileo, mais aussi en embrassant le modèle héliocentrique et Principe copernicien, qui avait été développé par Nicholas Copernicus avant les travaux de Galileo.)

Le développement par Newton de la loi de la gravitation universelle, plus souvent appelée la loi de la gravité, a réuni ces deux concepts sous la forme d'une formule mathématique qui semblait s'appliquer pour déterminer la force d'attraction entre deux objets de masse. Ensemble avec Les lois du mouvement de Newton, il a créé un système formel de gravité et de mouvement qui guiderait la compréhension scientifique incontestée depuis plus de deux siècles.

La prochaine étape majeure dans notre compréhension de la gravité vient de Albert Einstein, sous la forme de son théorie générale de la relativité, qui décrit la relation entre la matière et le mouvement à travers l'explication de base que les objets de masse plient réellement le tissu même de l'espace et du temps (collectivement appelé espace-temps). Cela change le chemin des objets d'une manière qui est en accord avec notre compréhension de la gravité. Par conséquent, la compréhension actuelle de la gravité est qu'elle résulte du fait que les objets suivent le chemin le plus court dans l'espace-temps, modifié par la déformation des objets massifs voisins. Dans la majorité des cas que nous rencontrons, cela est en parfait accord avec la loi de gravité classique de Newton. Certains cas nécessitent une compréhension plus fine de la relativité générale pour ajuster les données au niveau de précision requis.

Cependant, il y a des cas où même la relativité générale ne peut tout à fait nous donner des résultats significatifs. Plus précisément, il existe des cas où la relativité générale est incompatible avec la compréhension de la physique quantique.

L'un des plus connus de ces exemples se situe le long de la frontière d'un trou noir, où le tissu lisse de l'espace-temps est incompatible avec la granularité de l'énergie requise par la physique quantique. Cela a été théoriquement résolu par le physicien Stephen Hawking, dans une explication qui prédit que les trous noirs rayonnent de l'énergie sous la forme de Rayonnement Hawking.

Ce qu'il faut, cependant, c'est une théorie complète de la gravité qui puisse intégrer pleinement la physique quantique. Une telle théorie de gravité quantique serait nécessaire pour résoudre ces questions. Les physiciens ont de nombreux candidats pour une telle théorie, dont le plus populaire est la théorie des cordes, mais aucune qui fournit suffisamment de preuves expérimentales (ou même des prédictions expérimentales suffisantes) pour être vérifiée et largement acceptée comme une description correcte de la réalité physique.

En plus du besoin d'une théorie quantique de la gravité, il y a deux mystères expérimentaux liés à la gravité qui doivent encore être résolus. Les scientifiques ont découvert que pour que notre compréhension actuelle de la gravité s'applique à l'univers, il doit y avoir force d'attraction invisible (appelée matière noire) qui aide à maintenir les galaxies ensemble et une force répulsive invisible (appelé énergie noire) qui sépare les galaxies éloignées à des vitesses plus rapides.