Sejarah Gravitasi dan Aristoteles

Salah satu perilaku paling meresap yang kita alami, tak heran bahkan ilmuwan paling awal pun mencoba memahami mengapa benda jatuh ke tanah. Filsuf Yunani Aristoteles memberikan salah satu upaya paling awal dan paling komprehensif pada penjelasan ilmiah tentang perilaku ini dengan mengemukakan gagasan bahwa objek bergerak menuju "tempat alami" mereka.

Tempat alami untuk unsur Bumi ini berada di pusat Bumi (yang, tentu saja, pusat alam semesta dalam model geosentris Aristoteles tentang alam semesta). Mengitari Bumi adalah sebuah bola konsentris yang merupakan wilayah alami air, dikelilingi oleh alam alami udara, dan kemudian alam api alami di atasnya. Dengan demikian, Bumi tenggelam dalam air, air tenggelam di udara, dan nyala api naik di atas udara. Segala sesuatu condong ke arah tempat asalnya dalam model Aristoteles, dan tampil cukup konsisten dengan pemahaman intuitif dan pengamatan dasar kita tentang cara kerja dunia.

Aristoteles lebih lanjut percaya bahwa benda jatuh dengan kecepatan yang sebanding dengan beratnya. Dengan kata lain, jika Anda mengambil benda kayu dan benda logam dengan ukuran yang sama dan menjatuhkan keduanya, benda logam yang lebih berat akan jatuh pada kecepatan yang lebih cepat secara proporsional.

Filosofi Aristoteles tentang gerakan menuju tempat alami suatu zat terus bergoyang selama sekitar 2.000 tahun, hingga saat itu Galileo Galilei. Galileo melakukan eksperimen dengan menggulirkan benda-benda dengan bobot berbeda ke bidang miring (tidak menjatuhkannya Menara Pisa, terlepas dari cerita apokrifa yang populer mengenai efek ini), dan menemukan bahwa mereka jatuh bersama sama percepatan tingkat terlepas dari beratnya.

Selain bukti empiris, Galileo juga membangun eksperimen pemikiran teoretis untuk mendukung kesimpulan ini. Inilah cara filsuf modern menggambarkan pendekatan Galileo dalam bukunya 2013 Pompa Intuisi dan Alat Lain untuk Berpikir:

"Beberapa eksperimen pemikiran dapat dianalisis sebagai argumen yang keras, seringkali dalam bentuk reductio ad absurdum, di mana seseorang mengambil tempat lawannya dan mendapatkan kontradiksi formal (hasil yang absurd), menunjukkan bahwa mereka semua tidak mungkin benar. Salah satu favorit saya adalah bukti yang dikaitkan dengan Galileo bahwa benda-benda berat tidak jatuh lebih cepat daripada benda-benda yang lebih ringan (ketika gesekan diabaikan). Jika mereka melakukannya, dia berpendapat, maka karena batu berat A akan jatuh lebih cepat dari batu B yang ringan, jika kita mengikat B ke A, batu B akan bertindak sebagai hambatan, memperlambat A ke bawah. Tapi A yang dikaitkan dengan B lebih berat daripada A saja, jadi keduanya bersama-sama juga harus jatuh lebih cepat daripada A dengan sendirinya. Kami telah menyimpulkan bahwa mengikat B ke A akan membuat sesuatu yang jatuh lebih cepat dan lebih lambat daripada A dengan sendirinya, yang merupakan kontradiksi. "

Kontribusi utama yang dikembangkan oleh Sir Isaac Newton adalah untuk mengakui bahwa gerakan jatuh yang diamati di Bumi ini adalah perilaku gerak yang sama dengan yang dialami Bulan dan benda-benda lain, yang menahan mereka di tempatnya dalam hubungan satu sama lain. (Wawasan dari Newton ini dibangun di atas karya Galileo, tetapi juga dengan merangkul model heliosentris dan Prinsip Copernicus, yang telah dikembangkan oleh Nicholas Copernicus sebelum karya Galileo.)

Perkembangan Newton tentang hukum gravitasi universal, lebih sering disebut hukum gravitasi, menyatukan kedua konsep ini dalam bentuk rumus matematika yang tampaknya berlaku untuk menentukan kekuatan tarik-menarik antara dua benda dengan massa. Bersama dengan Hukum gerak Newton, ia menciptakan sistem gravitasi dan gerak formal yang akan memandu pemahaman ilmiah yang tidak tertandingi selama lebih dari dua abad.

Langkah besar selanjutnya dalam pemahaman kita tentang gravitasi berasal dari Albert Einstein, dalam bentuk miliknya teori relativitas umum, yang menggambarkan hubungan antara materi dan gerak melalui penjelasan dasar bahwa benda dengan massa sebenarnya menekuk struktur ruang dan waktu (secara kolektif disebut ruangwaktu). Ini mengubah jalur objek dengan cara yang sesuai dengan pemahaman kita tentang gravitasi. Oleh karena itu, pemahaman gravitasi saat ini adalah bahwa ia adalah hasil dari benda-benda yang mengikuti jalur terpendek melalui ruangwaktu, yang dimodifikasi oleh lengkungan benda-benda masif di dekatnya. Dalam sebagian besar kasus yang kita jumpai, ini sepenuhnya sesuai dengan hukum gravitasi klasik Newton. Ada beberapa kasus yang membutuhkan pemahaman relativitas umum yang lebih disempurnakan agar sesuai dengan data dengan tingkat presisi yang diperlukan.

Namun, ada beberapa kasus di mana bahkan relativitas umum tidak dapat memberikan hasil yang bermakna bagi kita. Secara khusus, ada kasus di mana relativitas umum tidak sesuai dengan pemahaman fisika kuantum.

Salah satu contoh yang paling terkenal adalah di sepanjang batas a lubang hitam, di mana struktur halus ruangwaktu tidak kompatibel dengan rincian energi yang dibutuhkan oleh fisika kuantum. Secara teori ini diselesaikan oleh ahli fisika Stephen Hawking, dalam penjelasan yang diprediksi black hole memancarkan energi dalam bentuk Radiasi Hawking.

Apa yang dibutuhkan, bagaimanapun, adalah teori gravitasi komprehensif yang dapat sepenuhnya menggabungkan fisika kuantum. Teori seperti itu gravitasi kuantum akan diperlukan untuk menyelesaikan pertanyaan ini. Fisikawan memiliki banyak kandidat untuk teori semacam itu, yang paling populer di antaranya teori string, tetapi tidak ada yang menghasilkan bukti eksperimental yang cukup (atau bahkan prediksi eksperimental yang memadai) untuk diverifikasi dan diterima secara luas sebagai deskripsi yang benar dari realitas fisik.

Selain kebutuhan akan teori gravitasi kuantum, ada dua misteri yang didorong secara eksperimental terkait dengan gravitasi yang masih perlu diselesaikan. Para ilmuwan telah menemukan bahwa agar pemahaman kita saat ini tentang gravitasi berlaku di alam semesta, harus ada suatu kekuatan menarik yang tak terlihat (disebut dark matter) yang membantu menyatukan galaksi dan kekuatan tolak yang tak terlihat (dipanggil energi gelap) yang mendorong galaksi jauh terpisah dengan kecepatan lebih cepat.