Gravitația

By Nicolae Sfetcu

Prezenta lucrare abordează gravitația din punctul de vedere al fizicii fenomenlogice cu accent pe testele gravitaționale, al epistemologiei și metodologiei utilizate de oamenii de știință, și al ontologiei gravitației, spațiului și timpului.
Gravitația are un caracter universal, dar puterea sa scade rapid cu distanța, fiind cea mai slabă dintre cele patru forțe fundamentale ale fizici. După descrierea gravitației de către Newton ca forță, relativitatea generală consideră că gravitația este o consecință a curburii spațiu-timpului datorită distribuției maselor. Conform teoriei actuale principale, gravitația a apărut odată cu nașterea Universului, în perioada epocii Planck, după Big Bang. În prezent, se încearcă dezvoltarea unei teorii cuantice care să unifice gravitația cu celelalte trei forțe fundamentale din natură. Mecanica cuantică cu teoria câmpului cuantic și relativitatea generală, sunt teoriile fundamentale în cadrul cărora este abordată gravitația.
Evoluția în timp a conceptului de gravitație este împărțit în principalele perioade istorice: perioada prenewtoniană, gravitația newtoniană, relativitatea generală și gravitația cuantică (inclusiv teoria finală care unește gravitația cu celelalte forțe fundamentale). Un capitol special este dedicat rolului gravitației în cosmologie.
Relativitatea generală a apărut ca un model extrem de reușit pentru gravitație și cosmologie, care a depășit pānă acum multe teste observaționale și experimentale neechivoce. Cu toate acestea, există indicii puternice că teoria este incompletă. Problema gravitației cuantice și chestiunea realității singularităților spațiu-timp rămān deschise. Datele observaționale care sunt luate ca dovadă a energiei īntunecate și a materiei īntunecate ar putea indica nevoia unei noi fizici. Chiar și așa cum este, relativitatea generală este bogată īn posibilități de explorare ulterioară. Relativiștii matematici caută să īnțeleagă natura singularităților și proprietățile fundamentale ale ecuațiilor lui Einstein, īn timp ce relativiștii numerici rulează simulări computerizate din ce īn ce mai puternice (cum ar fi cele care descriu găurile negre care fuzionează). Un secol după introducerea sa, relativitatea generală rămāne o zonă de cercetare foarte activă.

• Language: English
• Publisher: Nicolae Sfetcu
• Release date: Aug 2, 2019
• ISBN: 9786060332503

Nicolae Sfetcu

Owner and manager with MultiMedia SRL and MultiMedia Publishing House. Project Coordinator for European Teleworking Development Romania (ETD) Member of Rotary Club Bucuresti Atheneum Cofounder and ex-president of the Mehedinti Branch of Romanian Association for Electronic Industry and Software Initiator, cofounder and president of Romanian Association for Telework and Teleactivities Member of Internet Society Initiator, cofounder and ex-president of Romanian Teleworking Society Cofounder and ex-president of the Mehedinti Branch of the General Association of Engineers in Romania Physicist engineer - Bachelor of Science (Physics, Major Nuclear Physics). Master of Philosophy.

Book preview

GRAVITAȚIA

Nicolae Sfetcu

Publicat de MultiMedia Publishing

Copyright 2019 Nicolae Sfetcu

Publicat de MultiMedia Publishing, www.telework.ro/ro/editura

ISBN: 978-606-033-250-3, DOI: 10.58679/MM12561

Cartea include texte sub licență Creative Commons cu Atribuire - Partajare în Condiții Identice 3.0, din următoarele surse de același autor:

Sfetcu, Nicolae, Fizica fenomenologică - Compendiu, Vol. 1, Multimedia Publiching, ISBN 978-606-033-186-5

Sfetcu, Nicolae, Fizica fenomenologică - Compendiu, Vol. 2, Multimedia Publiching, ISBN 978-606-033-210-7

Sfetcu, Nicolae, Mecanica fenomenologică, Multimedia Publiching, ISBN 978-606-94665-0-6

Sfetcu, Nicolae, Teoria specială a relativității, Multimedia Publiching, ISBN 978-606-9016-44-2

Sfetcu, Nicolae, Teoria generală a relativității, Multimedia Publiching, ISBN 978-606-9016-38-1

Sfetcu, Nicolae, Mecanica cuantică fenomenologică, Multimedia Publiching, ISBN 978-606-033-117-9

Sfetcu, Nicolae, Fizica simplificată, Multimedia Publiching, ISBN 978-606-033-084-4

Sfetcu, Nicolae, Buclele cauzale în călătoria în timp, SetThings (2 februarie 2018), MultiMedia Publishing (ed.), DOI: 10.13140/RG.2.2.21222.52802, ISBN 978-606-033-148-3

Sfetcu, Nicolae, Epistemologia gravitației experimentale – Raționalitatea științifică , SetThings (20 iunie 2019), MultiMedia (ed.), ISBN: 978-606-033-234-3

Sfetcu, Nicolae, Isaac Newton despre acțiunea la distanță în gravitație - Cu sau fără Dumnezeu?, SetThings (22 ianuarie 2018), MultiMedia (ed.), DOI: 10.13140/RG.2.2.24577.97122, ISBN 978-606-033-130-8

Sfetcu, Nicolae, Singularitățile ca limite ontologice ale relativității generale, SetThings (1 iunie 2018), MultiMedia (ed.), DOI: 10.13140/RG.2.2.17470.18242, ISBN 978-606-033-197-1

Teleworksub licența text CC BY-SA 3.0

Licența texte carte: CC BY-SA 3.0

Imagine copertă: Reprezentare artistică a pulsarului PSR J0348+0432 (o stea neutronică mică dar foarte grea care se rotește de 25 de ori pe secundă),  orbitat la fiecare două ore și jumătate de o stea albă pitică. Pulsarul emite unde radio care pot fi recepționate pe Pământ prin telescoape radio. Acest sistem este un laborator unic pentru testarea limitelor teoriilor fizice. Sursa: ESO/L. Calçada (http://www.eso.org/public/images/eso1319c/), Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Artist%E2%80%99s_impression_of_the_pulsar_PSR_J0348%2B0432_and_its_white_dwarf_companion.jpg, CC Attribution 4.0 International license (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.en)

Toate textele din această carte sunt sub licență Creative Commons cu Atribuire - Partajare în Condiții Identice 3.0.

DECLINARE DE RESPONSABILITATE

Având în vedere posibilitatea existenței erorii umane sau modificării conceptelor științifice, nici autorul, nici editorul și nicio altă parte implicată în pregătirea sau publicarea lucrării curente nu pot garanta în totalitate că toate aspectele sunt corecte, complete sau actuale, și își declină orice responsabilitate pentru orice eroare ori omisiune sau pentru rezultatele obținute din folosirea informațiilor conținute de această lucrare.

Cu excepția cazurilor specificate în această carte, nici autorul sau editorul, nici alți autori, contribuabili sau alți reprezentanți nu vor fi răspunzători pentru daunele rezultate din sau în legătură cu utilizarea acestei cărți. Aceasta este o declinare cuprinzătoare a răspunderii care se aplică tuturor daunelor de orice fel, incluzând (fără limitare) compensatorii; daune directe, indirecte sau consecvente, inclusiv pentru terțe părți.

Înțelegeți că această carte nu intenționează să înlocuiască consultarea cu un profesionist educațional, juridic sau financiar licențiat. Înainte de a o utiliza în orice mod, vă recomandăm să consultați un profesionist licențiat pentru a vă asigura că faceți ceea ce este mai bine pentru dvs.

Această carte oferă conținut referitor la subiecte educaționale. Utilizarea ei implică acceptarea acestei declinări de responsabilitate.

1. Gravitația pre-newtoniană

Gravitația este un fenomen natural prin care toate lucrurile cu masă sunt aduse spre (sau gravitează) unul spre altul, inclusiv obiecte variind de la atomi și particule de lumină, planete și stele. Deoarece energia și masa sunt echivalente, toate formele de energie (inclusiv lumina) provoacă gravitație și sunt sub influența ei. Pe pământ, gravitația dă greutate obiectelor fizice, iar gravitația Lunii provoacă mareele oceanului. Atracția gravitațională a materiei gazoase inițiale prezentă în Univers a determinat-o să înceapă coalescența, formând stele - și ca stelele să se unească în galaxii - astfel încât gravitația este responsabilă pentru multe dintre structurile de mari dimensiuni din Univers. Gravitația are o gamă infinită, deși efectele sale devin din ce în ce mai slabe pe obiectele mai îndepărtate.

În fizică, teoriile gravitației postulează mecanismele de interacțiune care guvernează mișcările corpurilor cu masă. Au existat numeroase teorii ale gravitației din cele mai vechi timpuri.

În secolul al IV-lea î.e.n., filosoful grec Aristotel credea că nu există efect sau mișcare fără cauză. Cauza mișcării în jos a corpurilor grele, cum ar fi elementul pământ, era legată de natura lor, ceea ce le făcea să se deplaseze spre centrul universului, care era locul lor natural. Dimpotrivă, corpurile luminoase, cum ar fi elementul de foc, se mișcă prin natura lor în sus spre suprafața interioară a sferei Lunii. Astfel, în sistemul lui Aristotel, corpurile grele nu sunt atrase de pământ de o forță exterioară a gravitației, ci tind spre centrul universului datorită gravitas interioare sau a greutății.

În Cartea VII din De Architectura, inginerul roman și arhitect Vitruvius susține că gravitația nu depinde de greutatea unei substanțe, ci mai degrabă de natura ei.

"Dacă mercurul este turnat într-un vas și o piatră care cântărește o sută de kilograme este pusă pe el, piatra plutește la suprafață și nu se poate afunda în lichid, nici nu-l poate sparge și nici să-l separe. Dacă îndepărtăm greutatea de o sută de kilograme și punem un dram de aur, acesta nu va pluti, ci se va duce la fund de la sine. Prin urmare, este incontestabil faptul că gravitația unei substanțe depinde nu de cantitatea de greutate, ci de natura ei". 

Brahmagupta, astronomul și matematicianul indian a cărui lucrare a influențat matematica arabă în secolul al IX-lea, a susținut că pământul era sferic și că atrăgea obiecte. Al Hamdānī și Al Biruni citează pe Brahmagupta spunând: "Dacă nu luăm în considerare acest lucru, spunem că pământul de pe toate părțile este același, toți oamenii de pe pământ stau în picioare și toate lucrurile grele cad pe pământ printr-o lege a naturii, pentru că este natura pământului de a atrage și de a păstra lucrurile, cum este natura apei să curgă, a focului să ardă și a vântului să pună în mișcare. Dacă un lucru dorește să meargă mai adânc decât pământul, să încerce. Pământul este singurul lucru jos, iar semințele se întorc întotdeauna la el, în orice direcție le puteți arunca, și nu se ridică niciodată de pe pământ."

Gravitația este descrisă cel mai bine de teoria generală a relativității (propusă de Albert Einstein în 1915), care descrie gravitația nu ca o forță, ci ca o consecință a curburii spațiutimpului cauzată de distribuția neuniformă a masei. Exemplul cel mai extrem al acestei curburi a spațiului este o gaură neagră, din care nimic - nici măcar lumina - nu poate scăpa odată trecut de orizontul evenimentului găurii negre. Cu toate acestea, pentru majoritatea aplicațiilor, gravitația este bine aproximată de legea lui Newton de gravitație universală, care descrie gravitația ca o forță care determină atragerea oricăror două corpuri între ele, cu forța proporțională cu produsul maselor lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.

Gravitația este forța care te trage în jos . – afirmă Merlin în The Sword in the Stone a lui Disney.

Merlin a avut dreptate, desigur, dar gravitaţia face mult mai mult decât să ne ţină în scaun. Aici a fost geniul lui Isaac Newton, în a recunoaşte aceasta . Newton a amintit într- un memoriu ulterior că în timp ce încerca să îşi dea seama ce ţine luna de pe cer, a văzut un măr căzând pe pământ în livada lui, şi aşa şi-a dat seama că Luna nu este suspendat pe cer, ci cade continuu, ca o ghiulea de tun care a fost trasă atât de rapid încât cade continuu spre Pământ dar fără să ajungă pe el datorită curburii acestuia.

Gravitația este cea mai slabă dintre cele patru forțe fundamentale ale fizicii, de aproximativ 10³⁸ ori mai slabă decât forța tare, de 10³⁶ ori mai slabă decât forța electromagnetică și de 10²⁹ ori mai slabă decât forța slabă. Ca o consecință, nu are o influență semnificativă asupra nivelului particulelor subatomice. În schimb, este forța dominantă la scară macroscopică și este cauza formării, formei și traiectoriei (orbitei) corpurilor astronomice. De exemplu, gravitația determină Pământul și celelalte planete să orbiteze Soarele, de asemenea determină Luna să orbiteze Pământul și provoacă formarea de maree, formarea și evoluția Sistemului Solar, stele și galaxii.

Cel mai timpuriu exemplu de gravitație din Univers, posibil sub forma gravitației cuantice, supergravității sau singularității gravitaționale, împreună cu spațiul și timpul obișnuit, s-a dezvoltat în timpul epocii Planck (până la 10−43 secunde după nașterea Universului) posibil dintr-o stare primitivă, cum ar fi un vid fals, un vid cuantic sau o particulă virtuală, într-o manieră necunoscută în prezent. Încercările de a dezvolta o teorie a gravitației în concordanță cu mecanica cuantică, o teorie a gravitației cuantice, care ar permite ca gravitația să fie unită într-un cadru matematic comun (o teorie a tuturor lucrurilor) cu celelalte trei forțe ale fizicii, reprezintă o arie actuală de cercetare.

1.1. Spațiul și timpul

Cea mai veche filosofie occidentală înregistrată a fost expusă de vechiul gânditor egiptean Ptahhotep (2650-2600 î.Hr.), care a spus: Nu micșora timpul după cum dorești, pentru că pierderea timpului este o urâciune pentru spirit. Vede, cele mai vechi texte despre filosofia indiană și filosofia hindusă, datează de la sfârșitul mileniului II î.e.n., descriind cosmologia hindusă veche, în care universul trece prin cicluri repetate de creație, distrugere și renaștere, și fiecare ciclu durează 4.320.000 de ani. Filosofii greci vechi, inclusiv Parmenides și Heraclitus, au scris eseuri despre natura timpului.

Incașii au privit spațiul și timpul ca un singur concept numit pacha.

Platon, în Timaeus, a identificat timpul cu perioada de mișcare a corpurilor cerești și un spațiu ca fiind cel în care lucrurile ajung să fie. Aristotel, în Cartea a IV-a a Fizicii sale, a definit timpul ca numărul de schimbări cu privire la înainte și după și locul unui obiect ca fiind cea mai intimă limită nemișcată a ceea ce îl înconjoară.

În secolul al IV-lea î.e.n., filosoful grec Aristotel credea că nu există efect sau mișcare fără cauză. Cauza mișcării în jos a corpurilor grele, cum ar fi elementul pământ, era legată de natura lor, ceea ce le făcea să se deplaseze spre centrul universului, care era locul lor natural. Dimpotrivă, corpurile luminoase, cum ar fi elementul de foc, se mișcă prin natura lor în sus spre suprafața interioară a sferei Lunii. Astfel, în sistemul lui Aristotel, corpurile grele nu sunt atrase de pământ de o forță exterioară a gravitației, ci tind spre centrul universului datorită gravitas interioare sau a greutății.

În Cartea VII din De Architectura, inginerul roman și arhitect Vitruvius susține că gravitația nu depinde de greutatea unei substanțe, ci mai degrabă de natura ei.

"Dacă mercurul este turnat într-un vas și o piatră care cântărește o sută de kilograme este pusă pe el, piatra plutește la suprafață și nu se poate afunda în lichid, nici nu-l poate sparge și nici să-l separe. Dacă îndepărtăm greutatea de o sută de kilograme și punem un dram de aur, acesta nu va pluti, ci se va duce la fund de la sine. Prin urmare, este incontestabil faptul că gravitația unei substanțe depinde nu de cantitatea de greutate, ci de natura ei". 

În Cartea 11 a Confesiunilor Sfântului Augustin, el rumnește asupra naturii timpului, întrebând: Ce este timpul? Dacă nu mă întreabă nimeni, știu: dacă vreau să-i explic acestuia care întreabă, nu știu. El continuă să comenteze dificultatea gândirii asupra timpului, subliniind inexactitatea cuvântului comun: Pentru că puține lucruri sunt despre care vorbim corect, despre cele mai multe lucruri vorbim necorespunzător, totuși lucrurile intenționate sunt înțelese. Dar Augustin a prezentat primul argument filosofic pentru realitatea creației (împotriva lui Aristotel) în contextul discuției despre timp, spunând că cunoașterea timpului depinde de cunoașterea mișcării lucrurilor și, prin urmare, timpul nu poate fi acolo unde nu sunt creaturi pentru a măsura trecerea lui (Cartea Confesiunilor XI ¶30; Orașul Cărții Bune XI ch.6)

Spre deosebire de filosofii greci antici, care credeau că universul are un trecut infinit fără început, filozofii și teologii medievali au dezvoltat conceptul de univers având un trecut finit cu un început, acum cunoscut sub numele de finitism temporal. Filosoful creștin John Philoponus a prezentat argumentele timpurii, adoptate de filozofii și teologii creștini de mai târziu ai formei argumentul din imposibilitatea existenței unui infinit real, care afirmă:

Un infinit adevărat nu poate exista.

O regresiune temporală infinită a evenimentelor este un infinit adevărat.

∴ O regresiune temporală infinită a evenimentelor nu poate exista.

La începutul secolului al XI-lea, fizicianul musulman Ibn al-Haytham (Alhacen sau Alhazen) a discutat percepția spațială și implicațiile sale epistemologice în a sa Carte de optică (1021), el a respins de asemenea definiția lui Aristotle despre topos (Fizica IV) prin demonstrații geometrice și a definit locul ca o extensie spațială matematică. Dovada experimentală a modelului de viziune introductiv a dus la schimbări în înțelegerea percepției vizuale a spațiului, spre deosebire de teoria emisiilor anterioare ale viziunii susținută de Euclid și Ptolemeu. În legarea percepției vizuale a spațiului de experiența corporală prealabilă, Alhacen a respins fără echivoc intuitivitatea percepției spațiale și, prin urmare, autonomia viziunii. Fără noțiuni tangibile de distanță și mărime pentru corelație, viziunea nu ne poate spune aproape nimic despre astfel de lucruri .

Brahmagupta, astronomul și matematicianul indian a cărui lucrare a influențat matematica arabă în secolul al IX-lea, a susținut că pământul era sferic și că atrăgea obiecte. Al Hamdānī și Al Biruni citează pe Brahmagupta spunând: "Dacă nu luăm în considerare acest lucru, spunem că pământul de pe toate părțile este același, toți oamenii de pe pământ stau în picioare și toate lucrurile grele cad pe pământ printr-o lege a naturii, pentru că este natura pământului de a atrage și de a păstra lucrurile, cum este natura apei să curgă, a focului să ardă și a vântului să pună în mișcare. Dacă un lucru dorește să meargă mai adânc decât pământul, să încerce. Pământul este singurul lucru jos, iar semințele se întorc întotdeauna la el, în orice direcție le puteți arunca, și nu se ridică niciodată de pe pământ."

Realism și anti-realism

O poziție tradițională realistă în ontologie este că timpul și spațiul au existență în afară de mintea umană. Idealiștii, prin contrast, neagă sau se îndoiesc de existența unor obiecte independente de minte. Unii antirealiști, a căror poziție ontologică este că există obiecte în afara minții, se îndoiesc totuși de existența independentă a timpului și a spațiului.

În 1781, Immanuel Kant a publicat Critica rațiunii pure, una dintre cele mai influente lucrări din istoria filozofiei spațiului și timpului. El descrie timpul ca pe o noțiune a priori care, împreună cu alte noțiuni a priori precum spațiul, ne permite să înțelegem experiența senzorială. Kant neagă că fie spațiul, fie timpul sunt substanțe, entități în sine sau învățate prin experiență; el susține mai degrabă că ambele sunt elemente ale unui cadru sistematic pe care îl folosim pentru a ne structura experiența. Măsurătorile spațiale sunt folosite pentru a cuantifica cât de departe sunt obiectele separate, iar măsurătorile temporale sunt folosite pentru a compara cantitativ intervalul dintre (sau durata) evenimentelor. Deși spațiul și timpul sunt considerate a fi ideal transcendente în acest sens, ele sunt, de asemenea, reale empiric - adică nu simple iluzii.

Scriitorii idealiști, cum ar fi J.M.E. McTaggart în Irealitatea timpului, au susținut că timpul este o iluzie.

Scriitorii discutați aici sunt, în cea mai mare parte, realiști în această privință; de exemplu, Gottfried Leibniz a susținut că monadele sale au existat, cel puțin independent de mintea observatorului.

1.2 Fizica lui Aristotel

Fizica aristoteliană este o formă de știință naturală descrisă în lucrările filosofului grec Aristotel (384-322 î.e.n.). În lucrarea sa Fizica, Aristotel a intenționat să stabilească principiile generale ale schimbării care guvernează toate corpurile naturale, atât cele vii cât și neînsuflețite, celeste și terestre - inclusiv mișcarea, schimbarea în funcție de loc, schimbarea în funcție de mărime sau număr, schimbarea calitativă de orice fel; și venind să fie (începându-și existența, generarea) și plecând (care nu mai există, corupere).

Pentru Aristotel, fizica era un domeniu amplu care cuprindea subiecte precum filozofia minții, experiența senzorială, memoria, anatomia și biologia. Aceasta constituie fundamentul gândirii care stă la baza multora dintre lucrările sale.

Metode

natura este peste tot cauza ordinii.

- Aristotel, Fizica VIII.1

În concordanță cu experiența umană obișnuită, principiile lui Aristotel nu se bazau pe experimente cantitative controlate, astfel încât, în timp ce explică multe caracteristici generale ale naturii, ele nu descriu universul nostru în mod precis, cantitativ așteptat acum de știință. Contemporanii lui Aristotel, precum Aristarh, au respins aceste principii în favoarea heliocentrismului, însă ideile lor nu au fost acceptate pe scară largă. Principiile lui Aristotel au fost greu de respins doar prin observarea obișnuită de zi cu zi, dar dezvoltarea ulterioară a metodei științifice a provocat punctele de vedere prin experimente și măsurători atente, folosind o tehnologie din ce în ce mai avansată, cum ar fi telescopul și pompa de vid.

În revendicarea noutății pentru doctrinele lor, acei filozofi naturali care au dezvoltat noua știință a secolului al șaptesprezecelea au comparat frecvent fizica aristoteliană cu a lor. Fizica de tipul anterior, așa cum au susținut, a subliniat calitativul în detrimentul matematicii cantitative, neglijate, și a rolului său adecvat în fizică (în special în analiza mișcării locale), și s-a bazat pe astfel de principii explicative suspecte ca fiind cauzele finale și oculte . Cu toate acestea, în fizica sa, Aristotel caracterizează fizica sau știința naturii" ca fiind mărimea (megethê), mișcarea (sau procesul sau schimbarea treptată - kinêsis), și timpul (chronon) (Fizica III.4 202b30–1). Într-adevăr, Fizica este în mare parte preocupată de o analiză a mișcării, în special a mișcării locale, și de celelalte concepte pe care Aristotel le consideră necesare pentru această analiză."

- Michael J. White, Aristotel pe Infinit, Spațiu și Timp, în Blackwell Companion to Aristotle

Concepte

(O reprezentare a universului în 1524, puternic influențată de ideile lui Aristotel. Sferele terestre de apă și pământ (prezentate sub formă de continente și oceane) se află în centrul universului, înconjurate imediat de sferele de aer și apoi focul , unde s-au crezut că se găsesc meteoriții și cometele. Sferele celeste din jur, de la interior la exterior, sunt cele ale Lunii, Mercur, Venus, Soare, Marte, Jupiter și Saturn, fiecare indicat printr-un simbol al planetei. A opta sferă este firmamentul stelelor fixe, care includ constelațiile vizibile. Precesiunea echinocțiilor a provocat un decalaj între divizările vizuale și noționale ale zodiacului, astfel încât astronomii creștini medievali au creat a nouă sferă, Crystallinum care deține o versiune neschimbată a zodiacului. A zecea sferă este cea a mișcării divine propusă de Aristotel (deși fiecare sferă ar avea un motor nemișcat). Deasupra tuturor, teologia creștină a plasat Imperiul lui Dumnezeu. Ceea ce nu arată această diagramă este modul în care Aristotel a explicat curbele complicate pe care planetele le fac pe cer. Pentru a păstra principiul mișcării circulare perfecte, el a propus ca fiecare planetă să fie mutată de mai multe sfere imbricate, cu polii fiecăruia conectați la următoarea, dar cu axe de rotație decalate una de alta. Deși Aristotel a lăsat numărul de sfere deschise determinării empirice, el a propus adăugarea la modelele sferelor multiple ale unor astronomi anteriori, rezultând un total de 44 sau 55 de sfere celeste.)

Elemente și sfere

Aristotel a împărțit universul său în sfere terestre, care erau coruptibile și în care oamenii trăiau și se mișcau, dar în același timp neschimbând sferele celeste.

Aristotel credea că patru elemente clasice alcătuiesc totul în sferele terestre: pământ, aer, foc și apă. De asemenea, el a susținut că cerurile sunt făcute dintr-un al cincelea element special fără greutate și incoruptibil, numit eter. Eterul se mai numește și chintesență, adică, literal, a cincea ființă.

Aristotel a considerat că substanțele grele precum fierul și alte metale constau în principal din elementul pământ, cu o cantitate mai mică de celelalte trei elemente terestre. Alte obiecte mai ușoare, credea el, au mai puțin pământ, în raport cu celelalte trei elemente din compoziția lor.

Cele patru elemente clasice nu au fost inventate de Aristotel; acestea au fost originare de la Empedocles. În timpul Revoluției Științifice, teoria antică a elementelor clasice s-a dovedit a fi incorectă și a fost înlocuită de conceptul testat empiric al elementelor chimice.

Sfere celeste

Potrivit lui Aristotel, Soarele, Luna, planetele și stelele - sunt încorporate în sfere de cristal perfect concentrice care se rotesc etern la viteze fixe. Deoarece sferele celeste sunt incapabile de orice schimbare, cu excepția rotației, sfera terestră a focului trebuie să se ocupe de căldura, lumina stelelor și meteoriții ocazionali. Sfera inferioară, lunară, este singura sferă celestă care intră de fapt în contact cu materia terestră schimbătoare a orbitei sublunare, trăgând focul și aerul rarefiate pe dedesubt în timp ce se rotește. La fel ca și eterul (αϊθήρ) lui Homer - aerul pur al Muntelui Olimp - era și omologul divin al aerului inspirat de ființele muritoare (αήρ, aer). Sferele celești sunt compuse din eterul elementului special, etern și neschimbat, a cărui singură capacitate este o mișcare circulară uniformă la o anumită viteză (relativ la mișcarea diurnă a sferei cele mai externe a stelelor fixe).

Sferele cristaline concentrice, eteriale, înfățișate de obrajii care poartă Soarele, Luna și stelele, se mișcă veșnic cu mișcare circulară nemodificată. Sferele sunt încorporate în sfere pentru a explica stelele rătăcitoare (adică planetele care, în comparație cu Soarele, Luna și stelele, par să se miște în mod haotic). Mercur, Venus, Marte, Jupiter și Saturn sunt singurele planete (inclusiv planete minore) care au fost vizibile înainte de inventarea telescopului, motiv pentru care Neptun și Uranus nu sunt incluse, și nici asteroizii. Mai târziu, convingerea că toate sferele sunt concentrice a fost abandonată în favoarea modelului epiciclic al lui Ptolemeu. Aristotel supune calculelor astronomilor numărul total de sfere și diverse calcule dau un număr în vecinătatea a cincizeci de sfere. Pentru fiecare sferă se presupune un motor nemișcat, incluzând un motor principal pentru sfera stelelor fixe. Motoarele nemișcate nu împing sferele (nici nu pot, fiind imateriale și fără dimensiuni), dar sunt cauza finală a mișcării sferelor, adică ele explică într-un mod similar cu explicația sufletul este mișcat de frumusețe.

Schimbări terestre

(Cele patru elemente terestre)

Spre deosebire de eterul ceresc etern și nemodificat, fiecare dintre cele patru elemente terestre este capabil să se transforme în oricare dintre cele două elemente cu care partajează o proprietate: apa rece și umedă se poate transforma în apă caldă și umedă (aer) sau rece și uscată (pământ) și orice schimbare aparentă în focul fierbinte și uscat (focul) este de fapt un proces în două etape. Aceste proprietăți sunt predicate de o substanță reală în raport cu munca pe care o poate face; cea al încălzirii sau a răcirii, a deshidratării sau a umezelii. Cele patru elemente există numai în ceea ce privește această capacitate și în legătură cu o anumită activitate potențială. Elementul ceresc este veșnic și neschimbător, astfel încât numai cele patru elemente terestre reprezintă venind să fie și plecând - sau, în termenii lui De Generatione et Corruptione (Περὶ γενέσεως καὶ φθορᾶς) a lui Aristotl, generarea și coruperea.

Locul natural

Explicația aristotelică a gravitației este că toate corpurile se deplasează spre locul lor natural. Pentru elementele pământ și apă, acel loc este centrul universului (geocentric); locul natural al apei este o cochilie concentrică în jurul pământului, deoarece pământul este mai greu; se scufunda în apă. Locul natural al aerului este, de asemenea, o cochilie concentrică care înconjoară pe cea a apei; bulele se dezvoltă în apă. În cele din urmă, locul natural al focului este mai mare decât cel al aerului, dar sub sfera cea mai interioară celestă (care poartă Luna).

În secțiunea Delta a cărții sale Fizica (IV.5), Aristotel definește topos (loc) în termeni de două corpuri, dintre care unul conține pe celălalt: un loc este locul în care suprafața interioară a primului (corpul care îl conține) atinge suprafața exterioară a celuilalt (corpul conținut). Această definiție a rămas dominantă până la începutul secolului al XVII-lea, chiar dacă a fost pusă la îndoială și dezbătută de filozofi încă din antichitate. Cea mai semnificativă critică timpurie a fost făcută în termeni de geometrie de către polimatul arab al secolului al XI-lea al-Hasan Ibn al-Haytham (Alhazen) în al său Discurs despre loc.

Mișcarea naturală

Obiectele terestre se ridică sau cad, într-o măsură mai mare sau mai mică, în funcție de raportul dintre cele patru elemente din care sunt compuse. De exemplu, pământul, cel mai greu element, și apa, cad spre centrul cosmosului; prin urmare, Pământul și, în cea mai mare parte, oceanele sale, au venit deja să se odihnească acolo. La extrema opusă, cele mai ușoare elemente, aerul și în special focul, se ridică și se îndepărtează de centru.

Elementele nu sunt practic substanțe în teoria aristotelică (sau în sensul modern al cuvântului). Acestea sunt abstracții utilizate pentru a explica natura și comportamentul variat al materialelor reale în termenii raporturilor dintre ele.

Mișcarea și schimbarea sunt strâns legate de fizica aristoteliană. Mișcarea, conform lui Aristotel, a implicat o schimbare de la potențialitate la actualitate. El a dat exemplul a patru tipuri de schimbare.

Aristotel a sugerat că viteza la care două obiecte în formă identică se scufundă sau cad este direct proporțională cu greutățile lor și invers proporțională cu densitatea mediului prin care se mișcă. În descrierea vitezei lor terminale, Aristotel trebuie să stipuleze că nu va exista nicio limită cu care să se compare viteza atomilor care cad prin vid (s-ar putea mișca oricât de repede pentru că nu ar exista un loc special pentru ca aceștia să se oprească în vid ). Acum însă se înțelege că în orice moment înainte de atingerea vitezei terminale într-un mediu lipsit de rezistență, cum ar fi aerul, se așteaptă ca două astfel de obiecte să aibă viteze aproape identice, deoarece ambele experimentează o forță de gravitație proporțională cu masele lor și au fost astfel accelerate la aproape aceeași viterză. Acest lucru a devenit evident mai ales din secolul al XVIII-lea, când au început să se facă experimente parțiale în vid, dar cu aproximativ două sute de ani mai devreme Galileo a demonstrat deja că obiecte de greutăți diferite ajung la pământ în momente similare.

Mișcarea nenaturală

În afară de tendința naturală de ridicare de la Pământ și cădere a obiectelor, mișcarea nenaturală sau forțată dintr-o parte în alta rezultă din coliziunea și alunecarea turbulentă a obiectelor, precum și din transmutarea elementelor (generarea coruperii).

Întâmplarea

În Fizica sa, Aristotel examinează accidentele (συμβεβιβάς, symbebekos) care nu au nicio altă cauză decât întâmplarea. Nu există nicio cauză determinată pentru un accident, ci doar întâmplarea ( τύχη, týche), și anume o cauză nedefinită (ἀόριστον, aóriston) (Metafizica V, 1025a25).

Este evident că există principii și cauze generabile și destructibile în afară de procesele actuale de generare și distrugere; căci dacă acest lucru nu este adevărat, totul va fi inevitabil: adică, dacă este necesar să existe o cauză, alta decât accidentală, a ceea ce este generat și distrus. Va fi aceasta sau nu? Da, dacă se întâmplă acest lucru; altfel nu. (Metafizica VI, 1027a29)

Continuum și vid

Aristotel argumentează împotriva indivizibililor lui Democritus (care diferă considerabil de utilizarea istorică și modernă a termenului atom). Ca loc fără să existe nimic la sau în interiorul lui, Aristotel a argumentat împotriva posibilității unui vid sau a unui gol. Deoarece a crezut că viteza mișcării unui obiect este proporțională cu forța aplicată (sau, în cazul mișcării naturale, greutatea obiectului) și invers proporțională cu vâscozitatea mediului, el a raționat că obiectele care se mișcă într-un gol s-ar mișca oricât de repede - și astfel toate obiectele care înconjoară golurile s-ar umple imediat. Prin urmare, golurile nu s-ar putea forma niciodată.

Golurile astronomiei moderne (cum ar fi Golul Local adiacent galexiei noastre) au efectul opus: în cele din urmă, corpurile excentrice sunt scoase din gol afară din cauza gravității materialului.

Viteză, greutate și rezistență

Viteza ideală a unui obiect terestru este direct proporțională cu greutatea acestuia. În natură, totuși, nu se produce vidul, materia care obstrucționează calea obiectului este un factor limitator care este invers proporțional cu vâscozitatea mediului.

Patru cauze

Potrivit lui Aristotel, există patru moduri de a explica aitia sau cauzele schimbării. El scrie că nu avem cunoștință despre un lucru până când nu ne-am înțeles de ce-ul lui, adică cauza lui.

Aristotel a afirmat că există patru tipuri de cauze.

Materială

Cauza materială a unui lucru este cea a căruia este făcută. Pentru o masă, aceasta ar putea fi lemn; pentru o statuie, ar putea fi bronz sau marmură.

"Într-un fel, spunem că aition este cea din care, ca ceva existent, ceva de genul bronzului pentru statuie, argintul pentru fiolă, și genurile lor (194b2 3-6). Prin genuri, Aristotel înțelege mijloacele mai generale de clasificare a materiei (de exemplu, metal; material"); și care vor deveni importante. Puțin mai târziu. el lărgește intervalul cauzei materială pentru a include literele (de silabe), focul și alte elemente (ale corpurilor fizice), părți (ale întregilor) și chiar premisele (ale concluziilor: Aristotel reiterează aceasta, în termeni puțin diferiți, în An. Post II. 11).

- R.J. Hankinson, Teoria fizicii din Blackwell Companion to Aristotle

Formală

Cauza formală a unui lucru este proprietatea esențială care îl face să fie tipul de lucru. În Metafizică, Cartea Α, Aristotel subliniază că forma este strâns legată de esență și de definiție. El spune, de exemplu, că raportul 2: 1, și numărul în general, este cauza octavei.

"O altă cauză este forma și exemplarul: aceasta este formula (logosul) esenței (to ti en einai) și genera ei, de exemplu raportul 2: 1 al octavei" (Phys 11.3 194b26-8 ) ... Forma nu este doar formă ... Noi cerem (și aceasta este legătura cu esența, în special în formula sa aristoteliană canonică) ce înseamnă a fi ceva. Și este o caracteristică a armonicilor muzicale (notată și chestionată pentru prima dată de către pitagoreeni) că intervalele de acest tip prezintă într-adevăr acest raport într-o anumită formă în instrumentele utilizate pentru a le crea (lungimea țevilor, a corzilor, etc.). Într-un anumit sens, raportul explică ce anume au în comun toate intervalele, de ce se dovedesc la fel.

- R.J. Hankinson, Cauza din Blackwell Companion to Aristotle

Eficientă

Cauza eficientă a unui lucru este agentul primar prin care materia sa a luat forma sa. De exemplu, cauza eficientă a unui copil este un părinte al aceleiași specii și cea a unei mese este un dulgher care cunoaște forma mesei. În Fizica II, 194b29-32, Aristotel scrie: este ceea ce este inițiatorul primar al schimbării și al încetării sale, cum ar fi deliberatorul care este responsabil  [pentru acțiune] și tatăl copilului, și, în general, producătorul lucrului produs și schimbătorul lucrului schimbat.

Exemplele lui Aristotel aici sunt instructive: un caz de mentalitate și unul de cauzalitate fizică, urmate de o caracterizare perfectă. Însă ele ascund (sau, în orice caz, nu reușesc să facă vizibilă) o trăsătură esențială a conceptului lui Aristotel de cauzalitate eficientă și una care servește la distingerea lui de cele mai moderne omonime. Pentru Aristotel, orice proces necesită o cauză în mod constant eficientă operativă, atât timp cât continuă. Acest angajament apare cel mai puternic pentru ochii moderni în discuția lui Aristotel despre mișcarea proiectilului: ce menține proiectilul în mișcare după ce părăsește mâna? Impulsul, momentul, mult mai puțină inerție, nu sunt răspunsuri posibile. Trebuie să existe un mișcător, distinct (cel puțin într-un anumit sens) de lucrul mutat, care își exercită capacitatea de mișcare în fiecare moment al zborului proiectilului (vezi Fiz. VIII 10 266b29-267a11). În mod similar, în fiecare caz de generație a animalelor, există întotdeauna ceva responsabil pentru continuitatea acelei generații, deși se poate face prin intermediul unui instrument care intervine. (Fizica II.3 194b35-195a3)

- R.J. Hankinson, Cauze în Blackwell Companion to Aristotle

Finală

Cauza finală este cea pentru care are loc ceva, scopulei sau motivul teleologic: pentru ca o sămânță să germineze, este planta adultă, pentru o minge în vârful unei rampe, este venirea să se odihnească în partea de jos, pentru ochi, să vadă, pentru un cuțit, să taie.

Scopurile au o funcție explicativă: aceasta este un lucru obișnuit, cel puțin în contextul atribuirii de cauze acțiunilori. Mai puțin obișnuit este concepția susținută de Aristotel, că finalitatea și scopul sunt găsite în întreaga natură, care pentru el este domeniul acelor lucruri care conțin în ele principii de mișcare și odihnă (adică, cauze eficiente); astfel este logic să atribui scopuri nu numai lucrurilor naturale, ci și părților lor: părțile unui întreg natural există de dragul întregului. După cum notează însuși Aristotel, locuțiunile de dragul sunt ambigui: A este de dragul lui B poate însemna că A există sau este întreprins pentru a aduce pe B undeva; sau poate însemna că A este în beneficiul lui B (An II.4 415b2-3, 20-1); dar ambele tipuri de finalitate, consideră el, joacă un rol crucial în contexte naturale și deliberative. Astfel, un om poate acționa de dragul sănătății: și astfel sănătatea, și nu doar speranța de a o realiza, este cauza acțiunii sale (această distincție nu este trivială). Dar pleoapele sunt de dragul ochiului (pentru a-l proteja: PA II.13) și ochiul de dragul animalului în ansamblu (pentru a-l ajuta să funcționeze corect: cf An II.7).

- R.J. Hankinson, Cauze în Blackwell Companion to Aristotle

1.3 Legile lui Kepler

În astronomie, legile lui Kepler despre mișcarea planetară sunt trei legi științifice care descriu mișcarea planetelor în jurul Soarelui.

(Ilustrația celor trei legi ale lui Kepler cu două orbite planetare: (1) Orbitele sunt elipse, cu puncte focale F1 și F2 pentru prima planetă și F1 și F3 pentru a doua planetă. Soarele este plasat în punctul focal F1. Cele două sectoare umbrite A1 și A2 au aceeași suprafață și timpul pentru ca planeta 1 să acopere segmentul A1 este egal cu timpul de acoperire a segmentului A2. (3) Timpii orbitali totali pentru planeta 1 și planeta 2 au un raport (a1/a2)³/². Sursa: Hankwang, https://en.wikipedia.org/wiki/File:Kepler_laws_diagram.svg, CC Attribution-Share Alike 3.0 Unported license)

Orbita unei planete este o elipsă cu Soarele îm unul dintre cele două focare.

Un segment de linie care unește o planetă și Soarele mătură suprafețe egale în intervale egale de timp.

Pătratul perioadei orbitale a unei planete este proporțional cu cubul axei semi-majore a orbitei sale.

Cele mai multe orbite planetare sunt aproape circulare, sunt necesare observarea și calcularea atentă pentru a stabili că acestea nu sunt perfect circulare. Calculele orbitei lui Marte au indicat o orbită eliptică. Din aceasta, Johannes Kepler a dedus că și alte corpuri din Sistemul Solar, inclusiv cele mai îndepărtate de Soare, au orbite eliptice.

Lucrarea lui Kepler (publicată între 1609 și 1619) a îmbunătățit teoria heliocentrică a lui Nicolaus Copernic, explicând modul în care vitezele planetelor variază pe orbite eliptice, mai degrabă decât orbite circulare cu epicicluri.

Isaac Newton a arătat în 1687 că relațiile ca Kepler s-ar aplica în sistemul solar într-o bună aproximare, ca o consecință a propriilor sale legi de mișcare și a legii gravitației universale.

(Aceeași suprafață (albastră) este măturată în perioade egale de timp. Săgeata verde este viteza. Săgeata violet îndreptată spre Soare este accelerația. Celelalte două săgeți purpurii sunt componente ale accelerației, paralelă și perpendiculară pe viteză. https://www.youtube.com/watch?v=vnvDFJx6R4k)

Comparație cu Copernicus

Legile lui Kepler au îmbunătățit modelul lui Copernic. Dacă excentricitățile orbitelor planetare sunt considerate zero, atunci Kepler este în acord cu Copernic, care afirma că:

Orbita planetara este un cerc

Soarele se află în centrul orbitei

Viteza planetei pe orbită este constantă

Excentricitățile orbitelor planetelor cunoscute de Copernic și Kepler sunt mici, astfel încât regulile de mai sus oferă aproximări corecte ale mișcării planetare, dar legile lui Kepler se potrivesc mai bine observațiilor decât modelul propus de Copernic.

Corecțiile lui Kepler nu sunt deloc evidente:

Orbita planetară nu este un cerc, ci o elipsă.

Soarele nu este în centru, ci în un punct focal al orbitei eliptice.

Nici viteza liniară, nici viteza unghiulară a planetei pe orbită nu sunt constante, dar viteza suprafeței este constantă.

Excentricitatea orbitei Pământului face ca perioada dintre echinocțiul din martie până la echinocțiul din septembrie să fie de aproximativ 186 de zile, diferită de perioada dintre echinocțiul din septembrie până la echinocțiul din martie, de aproximativ 179 de zile. Un diametru ar tăia orbita în părți egale, dar planul prin Soare paralel cu ecuatorul Pământului taie orbita în două părți cu zone în raport de 186 la 179, astfel încât excentricitatea orbitei Pământului este de aproximativ

e ≈ (π/4)((186 – 179)/(186 + 179)) ≈ 0,015,

care este aproape de valoarea corectă (0.016710219). Calculul este corect când periheliul, data la care Pământul este cel mai apropiat de Soare, cade în timpul unui solstițiu. Actualul periheliu, aproape de 3 ianuarie, este destul de aproape de solstițiul din decembrie.

Accelerația planetară

Isaac Newton a calculat în Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica accelerația unei planete care se deplasează în conformitate cu prima și a doua lege a lui Kepler.

Direcția accelerației este spre Soare.

Mărimea accelerației este invers proporțională cu distanța dintre planetă și Soare (legea pătratică inversă).

Aceasta înseamnă că Soarele poate fi cauza fizică a accelerării planetelor. Cu toate acestea, Newton afirmă în Principia că el consideră forțele din punct de vedere matematic, nu fizic, luând astfel o poziție instrumentalistă. În plus, el nu atribuie o cauză gravitației.

Newton a definit forța care acționează asupra unei planete ca produs al masei și accelerației. Astfel:

Fiecare planetă este atrasă de Soare.

Forța care acționează asupra unei planete este direct proporțională cu masa planetei și este invers proporțională cu pătratul distanței sale de Soare.

În general, pentru două corpuri cosmice din Sistemul Solar, Newton afirmă conform legii gravitației universale:

Toate corpurile din Sistemul Solar se atrag.

Forța dintre două corpuri este direct proporțională cu produsul maselor lor și în proporție inversă cu pătratul distanței dintre ele.

Pe măsură ce planetele au mase mici comparativ cu cele ale Soarelui, orbitele se conformează aproximativ legilor lui Kepler. Modelul lui Newton îmbunătățește modelul lui Kepler și se potrivește cu mai multă precizie cu observațiilor reale.

1.4 Teste gravitaționale

Allan Franklin și Slobodan Perovic , în Experiment in Physics, afirmă că teoriile în știință în general, și în fizică în special, sunt confirmate (temporar) prin experimente care verifică afirmațiile și predicțiile teoriilor, punând astfel bazele cunoașterii științifice. Francis Bacon a fost primul care a susținut conceptul de experiment crucial, care poate decide validitatea unei ipoteze sau teorii. Ulterior, Newton a susținut că teoriile științifice sunt induse direct din rezultatele experimentale și observații, excluzând ipotezele netestate. Hobbes a afirmat, dimpotrivă, că rațiunea umană a precedat tehnicile experimentale, criticând optimismul lui Boyle privind rolul metodei experimentale. În secolul 20, pozitivismul logic separă deducțiile observaționale de cele teoretice. Thomas Kuhn și Paul Feyerabend au criticat această viziune, afirmând că toate experimentele au la bază un cadru teoretic și deci nu pot confirma independent o teorie. Ian Hacking a fost de acord cu această idee, dar afirmă că observațiile rămân de încredere prin confirmări independente. În cazul unui singur sistem experimental viabil, Allan Franklin și Slobodan Perovic propun strategii specifice pentru validarea observației, care, împreună cu strategia lui Hacking, constituie o epistemologie a experimentului:

Verificarea și calibrarea experimentală, cu ajutorul fenomeneor cunoscute.

Reproducerea artefactelor cunoscute în prealabil.

Eliminarea surselor plauzibile de eroare și explicațiile alternative ale rezultatului (strategia Sherlock Holmes).

Folosirea rezultatelor pentru a argumenta validitatea lor.

Folosirea unei teorii independente bine-coroborată a fenomenelor pentru a explica rezultatele.

Folosirea unui aparat bazat pe o teorie bine coroborată.

Utilizarea argumentelor statistice.

Dar aplicarea acestor strategii nu garantează corectitudinea rezultatelor. Din această cauză, fizicienii folosesc mai multe strategii, în funcție de experiment.

Peter Galison, în How Experiments End (1987), afirmă că experimentele se încheie într-un mod subiectiv, atunci când experții cred că au ajuns la un rezultat valid. Cele mai multe experimente se bazează pe tradițiile în domeniu și experiența personală a cercetătorului (inclusiv presupozițiile sale teoretice), atât în proiectarea experimentului cât și în acceptatrea unei teorii care permite desfășurarea experimentelor. Presupozițiile teoretice ale experimentatorilor sunt acceptate.

Harry Collins a dezvoltat un argument numit regresul experimentatorilor, conform căruia nu există criterii formale pe care să le poți aplica pentru a decide dacă un aparat experimental funcționează corect sau nu. Ce contează în fapt este negocierea în cadrul comunității științifice, care depinde de factori precum interesele carierei, sociale și cognitive ale oamenilor de știință și utilitatea percepută pentru munca viitoare, dar care nu este decisă prin ceea ce putem numi criterii epistemologice sau judecată raționalizată.

Pickering susține, de asemenea, că motivele pentru acceptarea rezultatelor sunt utilitatea ulterioară a lor în practica științifică, și acordul lor cu angajamentele comunitare existente. El afirmă că un sistem experimental produce rareori rezultate experimentale valide dacă nu este ajustat în acest sens, și că teoria aparaturii, cât și teoria fenomenelor, determină producerea unui rezultat experimental valid. Ulterior, concluzionează că rezultatele depind de modul în care este lumea: Astfel, felul în care este lumea materială se infiltrează în și infectează reprezentările noastre despre ea într-un mod netrivial și consecvent. Analiza mea arată astfel un angajament intim și reactiv între cunoașterea științifică și lumea materială, care este integrantă practicii științifice.

Hacking susține că, în ciuda aparențelor, constructiviștii, precum Collins, Pickering sau Latour, nu cred că faptele nu există sau că nu există realitate. El citează pe Latour și Woolgar că rezultatul este o consecință a muncii științifice mai degrabă decât cauza ei,  într-un relativ consens cu comunitatea științifică.

Acumularea unei cantități mari de date în cadrul unui experiment poate impune o selecție, prin tehnica reducerii utilizată de fizicieni, a datelor care vor fi folosite. Aceasta poate fi o preocupare epistemologică importantă privind modul de selecție a datelor considerate utile, minimizând probabilitatea unor rezultate neexplorate. În astfel de cazuri, fizicienii aplică o analiză de robustețe în testarea ipotezelor, prin verificarea aparaturii utilizate, și stabilirea unor algoritmi de lucru.

În cazul soluțiilor ecuațiilor lui Einstein din relativitatea generală și a modelării teoriilor gravitației cuantice, datorită complexității acestor abordări se încearcă simulări ale experimentelor pe calculator. În prezent, există o dispută în curs în ce măsură aceste simulări sunt experimente, teorii sau un fel de metode hibride de a face știință.

În perioada 1965 - 1990 au fost elaborate foarte multe experimente pentru testarea teoriilor gravitaționale, inclusiv

Măsurători de înaltă precizie ale efectelor radiației electromagnetice în câmp gravitațional, confirmând TGR pentru câmpul gravitațional slab.

Detectarea interacțiunii gravitaționale neliniare a maselor la un pulsar în câmpul gravitațional al unei stele neutronice.

Confirmarea indirectă a radiației gravitaționale prin observarea a două stele neutronice apropiate, confirmând TGR.

Încercări, eșuate deocamdată, de a constata încălcarea principiului echivalenței sau existența unei a cincea forțe.

În această perioadă cele mai multe experimente au confirmat relativitatea generală cu ajutorul tehnologiilor nou dezvoltate. S-a creat o bază tehnologică pentru astronomia undelor gravitaționale. S-au construit antene barogene criogenice și antene interferometrice laser performante, asociate cu analiza teoretică a experimentelor cu masele de testare, rezultând că sensibilitatea experimentelor depinde de izolarea termică, dacă dispozitivul înregistrează continuu coordonatele sensibilitatea antenei este limitată, și se poate crește sensibilitatea dacă se folosesc proceduri cuantice. Antenele pot ajuta în observarea radiației gravitaționale de fond și testarea relativității generale în cazul ultra-nelinar.

Referitor la sensibilitatea dispozitivelor de măsurare gravitaționale, Vladimir B Braginsky afirmă că nivelul actual al cunoștințelor ne permite să sperăm că sensibilitatea antenelor poate crește, și nu s-a prevăzut nicio limită a sensibilității în experimentele gravitaționale, ea depinde de priceperea oamenilor de știință.

În prezent, gravitația experimentală este un domeniu emergent, caracterizat prin eforturi continue de a testa previziunile teoriilor gravitației.

Limita clasică sau limita de corespondență este capacitatea unei teorii fizice de a aproxima versiunea clasică atunci când este luată în considerare prin valorile speciale ale parametrilor săi. Principiul corespondenței formulat de Niels Bohr în 1920 afirmă că comportamentul sistemelor descrise de mecanica cuantică reproduce fizica clasică în limita numerelor cuantice mari. Acest principiu are două cerințe de bază: reproducerea parantezelor Poisson, și specificarea unui set complet de observabile clasice a căror operatori, când acționează prin stări semiclasice corespunzătoare, reproduc aceleași variabile clasice cu mici corecții cuantice.

1.5 Aspecte specifice

Gravitația Pământului

(Un obiect inițial staționar, care este lăsat să cadă liber sub gravitație, cade pe o distanță care este proporțională cu pătratul timpului scurs. Această imagine se întinde pe jumătate de secundă și este capturată la 20 de intermitențe pe secundă. Sursa: MichaelMaggs, https://en.wikipedia.org/wiki/File:Falling_ball.jpg, CC Attribution-Share Alike 3.0 Unported license)

Fiecare corp planetar (inclusiv Pământul) este înconjurat de propriul câmp gravitațional, care poate fi conceptualizat cu ajutorul fizicii newtoniene, exercitând o forță de atracție asupra tuturor obiectelor. Presupunând o planetă simetrică sferică, forța acestui câmp în orice punct dat deasupra suprafeței este proporțională cu masa corpului planetar și invers proporțională cu pătratul distanței de centrul corpului.

Forța câmpului gravitațional este numeric egală cu accelerația obiectelor sub influența sa. Rata de accelerare a obiectelor care se încadrează în apropierea suprafeței Pământului variază foarte puțin în funcție de latitudine, caracteristici de suprafață, cum ar fi munții, și, probabil, densități neobișnuit de mari sau scăzute ale suprafețelor. În ceea ce privește greutățile și măsurile, o valoare gravitațională standard este definită de Biroul Internațional de Masuri și Masuri, în cadrul Sistemului Internațional de Unități (SI).

Valoarea respectivă, denumită g, este g = 9,80665 m/s².

Valoarea standard de 9.80665 m/s² este cea adoptată inițial de Comitetul internațional pentru măsuri și greutăți în 1901 la 45° latitudine, chiar dacă s-a dovedit a fi mai mare cu aproximativ cinci părți din zece mii. Această valoare a persistat în meteorologie și în anumite atmosfere standard ca valoare pentru latitudinea de 45°, chiar dacă se aplică mai precis la latitudinea de 45°32'33".

Presupunând valoarea standardizată pentru g și ignorând rezistența la aer, aceasta înseamnă că un obiect care se încadrează liber în apropierea suprafeței Pământului își mărește viteza cu 9,80665 m/s pentru fiecare secundă de coborâre. Astfel, un obiect care pornește din repaos va atinge o viteză de 9.80665 m/s după o secundă, de aproximativ 19.62 m/s după două secunde și așa mai departe, adăugând 9.80665 m/s la fiecare viteză rezultată. De asemenea, ignorând din nou rezistența la aer, toate obiectele, atunci când au căzut de la aceeași înălțime, vor atinge pământul în același timp.

Conform Legii a treia a lui Newton, Pământul însuși simte o forță egală în mărime și opusă în direcția carte se exercită asupra unui obiect care cade. Aceasta înseamnă că Pământul accelerează și el spre obiect până când se ciocnesc. Deoarece masa Pamantului este imensă, accelerația Pământului datorate acestei forțe opuse este neglijabilă în comparație cu obiectul. Dacă obiectul nu sare după ce s-a ciocnit cu Pământul, fiecare dintre ele exercită apoi o forță de contact repulsivă pe cealaltă, care echilibrează efectiv forța atractivă a gravitației și împiedică accelerarea ulterioară.

Forța aparentă a gravitației pe Pământ este rezultatul (sumă vectorială) a două forțe: (a) atracția gravitațională în conformitate cu legea universală de gravitație a lui Newton și (b) forța centrifugală, care rezultă din alegerea unei legături cu pământul, cadru de referință rotativ. Forța gravitațională este cea mai slabă la ecuator din cauza forței centrifuge cauzată de rotația Pământului și deoarece punctele de pe ecuator sunt cele mai îndepărtate de centrul Pământului. Forța de gravitație variază cu latitudinea și crește de la aproximativ 9.780 m/s² la ecuator la aproximativ 9.832 m/s² la poli.

Ecuațiile pentru un corp care cade aproape de suprafața Pământului

Pentru o presupunere a atracției gravitaționale constante, legea lui Newton de gravitație universală se simplifică la F = mg, unde m este masa corpului și g este un vector constant cu o magnitudine medie de 9,81 m/s² pe Pământ. Această forță rezultantă este greutatea obiectului. Accelerația datorată gravitației este egală cu acest g. Un obiect staționar inițial care este lăsat să cadă liber sub gravitațiee scade o distanță care este proporțională cu pătratul timpului scurs. Imaginea de mai sus, care se întinde pe o jumătate de secundă, a fost capturată cu un bliț stroboscopic la 20 de intermitențe pe secundă. În primele 1/20 din secundă, mingea cade o unitate de distanță (aici, o unitate este de aproximativ 12 mm); după 2/20 secunde a căzut la un total de 4 unități; după 3/20, 9 unități și așa mai departe.

Pentru aceleași ipoteze ale gravitației constante, energia potențială, Ep, a unui corp la înălțimea h este dată de Ep = mgh (sau Ep = Wh, unde W înseamnă greutatea). Această expresie este valabilă numai pe distanțe mici de la suprafața Pământului. În mod similar, expresia h = v²/2g pentru înălțimea maximă atinsă de un corp proiectat vertical cu viteză inițială v este utilă numai pentru înălțimi mici și mici viteze inițiale.

Gravitația și astronomia

(Gravitația acționează asupra stelelor care formează Calea Lactee. Sursa: European Southern Observatory (ESO), https://en.wikipedia.org/wiki/File:Milky_Way_Emerges_as_Sun_Sets_over_Paranal.jpg, CC Attribution 4.0 International license)

Aplicarea legii gravității lui Newton a permis obținerea multor informații detaliate pe care le avem despre planetele din Sistemul Solar, masa Soarelui și detalii despre quasare; chiar și existența unei materii întunecate se deduce din legea gravității lui Newton. Deși nu am călătorit pe toate planetele și nici pe Soare, cunoaștem masele lor. Aceste mase se obțin prin aplicarea legilor gravitației la caracteristicile măsurate ale orbitei. În spațiu un obiect își menține orbita datorită forței gravitaționale care acționează asupra ei. Planeta orbitează stelele, stelele orbitează în centre galactice, galaxiile orbitează un centru de masă în grupuri și clusterele orbitează în superclustere. Forța de gravitație exercitată asupra unui obiect de către un altul este direct proporțională cu produsul maselor acestor obiecte și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.

Cea mai veche gravitație (posibil sub forma gravitației cuantice, supergravitație sau o singularitate gravitațională), împreună cu spațiul și timpul obișnuit, s-a dezvoltat în timpul perioadei Planck (până la 10-43 secunde după nașterea Universului), posibil dintr-o stare primordială (cum ar fi un vid fals, un vid cuantic sau particule virtuale), într-un mod necunoscut în prezent.

2. Gravitația newtoniană

În anumite programe de cercetare, precum teoria mecanicistă a universului conform căreia universul este un ceas uriaș (și un sistem de vârtejuri) cu împingerea ca singura cauză a mișcării, metafizica particulară carteziană a funcționat ca un principiu euristic puternic: a descurajat teorii științifice, precum versiunea esențialistă a acțiunii la distanță a lui Newton, care erau incompatibile cu ea (euristica negativă). Și a încurajat ipotezele auxiliare care ar fi putut să o salveze de contradicțiile aparente, cum ar fi elipsele kepleriene (euristica pozitivă)."

Prima ediție a Principia lui Newton conține doar două comentarii suplimentare despre metodologie: notificarea că scopul lucrării este de a explica cum să determinăm mișcările adevărate din cauzele lor, efectele și diferențele aparente și, dimpotrivă, cum să determinăm din ipoteze dacă sunt adevărate sau aparente, cauzele și efectele lor; și, în Scholiul de la sfârșitul Cărții 1, Secțiunea 11, Newton afirmă că abordarea sa distinctivă face posibilă argumentarea mai sigură în filosofia naturală.

În a doua ediție (1713) Newton introduce secțiuni separate pentru fenomene și reguli implicate în determinarea gravitației universale, iar la sfârșitul Scholiului General din cea de-a treia ediție, 1726, include cea mai faimoasă declarație metodologică:

Încă nu am putut deduce din fenomene motivul pentru aceste proprietăți ale gravitației și nu născocesc ipoteze. Căci ceea ce nu este dedus din fenomene trebuie să fie numit o ipoteză; și ipotezele, metafizice sau fizice, sau bazate pe calități oculte sau mecanice, nu au ce căuta în filosofia experimentală. În această filosofie experimentală, propozițiile sunt deduse din fenomene și sunt făcute generale prin inducție. Impenetrabilitatea, mobilitatea și impulsul corpurilor, legile mișcării și legea gravitației au fost găsite prin această metodă. Și este de ajuns gravitația să existe într-adevăr și să acționeze în conformitate cu legile pe care le-am expus și ar fi suficiente pentru toate mișcările corpurilor cerești și a mării noastre.

adăugând ulterior, în alt loc, cu excepția cazului în care presupunerile sau întrebările au fost propuse a fi examinate prin experimente.

Newton avertizează în Principia că folosește teoria matematică într-un mod nou, cu forțele tratate în mod abstract, independent de mecanism, doar din punct de vedere matematic. Clarke și Berkeley în secolul 18 afirmă că aceste pasaje exprimă un agnosticism cauzal strict. Newton scrie că, folosind termeni precum atracție, nu intenționează să definească o specie sau mod de acțiune sau o cauză sau motiv fizic.

Referitor la pretenția lui Newton de a deduce legea gravitației universale din fenomenele mișcării orbitale, Lakatos a susținut că această afirmație este cel puțin înșelătoare și, în cel mai rău caz, un subterfugiu. Doar un construct ipotetico-deductiv al demonstrației sale a gravitației universale are sens.

Conform lui Andrew Janiak, citirea antimetafizică a tratamentului matematic al forței lui Newton este una rezonabilă. Interpretarea antimetafizică poate fi susținută prin celebra declarație metodologică din Principia, "hypotheses non fingo, nu născocesc ipoteze. Așa cum tratamentul matematic al forței poate fi interpretat ca exprimând agnosticismul cauzal strict, concentrându-se exclusiv pe descrieri empirice ale mișcărilor din sistemul solar, metodologia lui Newton poate fi interpretată ca exprimând un agnosticism metafizic mai general.

Pentru Newton, știința, filosofia experimentală, presupune propoziții explicative care pot fi deduse din fenomene. Ceea ce nu poate fi dedus în acest fel este doar o ipoteză. Dar Newton nu evită ipotezele, doar că nu le încadrează în știință, considerându-le pur speculative. Locul lor este rezervat în Interogările din Optica, și în adnotații explicite în Principia. Ipotezele sunt elaborate de Newton atunci când nu dispune de un suport empiric independent pentru acele afirmații. În Scholiul General, el afirmă: Căci ceea ce nu este dedus din fenomen trebuie să fie numit o ipoteză; și ipotezele, fie metafizice sau fizice, fie bazate pe calități oculte, fie mecanice, nu au ce căuta în filosofia experimentală.

Din punctul de vedere al lui Newton, gravitația nu este mecanicistă; dar el admite și faptul că nu știe motivul proprietăților gravitației exprimate în legea gravitației universale, și anume că nu deține o explicație fizică a acestei forțe, refuzând să facă preupuneri pe această temă. Spre deosebire de Leibnitz, el afirmă în mod explicit că o anumită cauzalitate în natură este non-mecanică, contestând astfel filosofia mecanicistă predominantă în acea perioadă. În acest sens, Stein și DiSalle afirmă că Newton a fost um empirist radical în dezbaterile metafizice: el nu doar respinge filosofia mecanicistă a lui Descartes, Leibniz și Huygens, dar transformă întrebările metafizice considerate de aceștia ca pur a priori în chestiuni empirice, a căror răspunsuri depind de dezvoltarea fizicii.

Newton este dispus să susțină poziții metafizice, precum în cazul structurii spațiului și timpului sau cauzalitate, dar respinge abordările carteziene a priori, punând fizica înaintea metafizicii, ceea ce face din el, conform lui Stein și DiSalle, nu un antimetafizician, ci un metafizician empiricist, cu o atitudine empirică principială față de întrebările metafizice.

Pentru a înțelege mișcarea într-un mod în concordanță cu legile sale, Newton postulează spațiul absolut, permițându-i astfel să conceapă mișcarea ca o schimbare în spațiul absolut. Această idee permite lui Newton să salveze efectele perceptibile de accelerare ale corpurilor ca mișcări reale în spațiul absolut.

Filosofia naturală a lui Newton poate fi înțeleasă doar dacă luăm în considerare concepția lui despre Dumnezeu:

Newton a invocat pe Dumnezeu în acțiunea la distanță dintr-un motiv specific, pentru a susține gravitația în univers, avertizând împotriva unei viziuni a universului ca o simplă mașină... a încercat astfel să dezvolte un concept despre Dumnezeu care să ofere un model stabil, organizat și predictibil al lumii naturale, un Dumnezeu care proiectează pe principii raționale și universale, accesibile tuturor oamenilor... el apelează la Dumnezeu pentru a explica mecanismele pe care nu le poate explica altfel, inclusiv acțiunea la distanță.

Teoria gravitației lui Newton a fost respinsă în mod fundamental de contemporanii lui pentru încălcarea normelor filosofiei mecaniciste. Conform lui Andrew Janiak, Newton a fost forțat să-și apere tratamentul matematic al forței și mișcării pe baze metafizice fundamentale. După revoluția în fizică din secolul 17 de trecere de la filosofia neo-aristoteliană (scolastică) la cartesianism, Newton a provocat o nouă schimbare de paradigmă prin înlocuirea filosofiei mecaniciste cu filosofia naturală. Această cea de a doua schismă s-a produs în lipsa unei continuități conceptuale. Deși fără un sistem metafizic propriu, Newton s-a apărat articulând o relație convingătoare între fizica matematică și metafizică în disputele privind spațiul și timpul, materia, legile mișcării, natura forțelor și relația lui Dumnezeu cu lumea.

Principia a declanșat o discuție amplă printre contemporanii lui Newton despre metodologia care trebuie adoptată atunci când se studiază lumea naturală.

Pentru Newton, forța a fost principalul concept care explică mișcarea și cauzele ei în natură. El a conceput forțele ca niște acțiuni efemere, ca niște cantități, prin legătura dintre masă și accelerație oferind un mijloc de măsurare a forțelor. În Cartea a III-a a Principiei, Newton identifică forța centripetală care menține orbitele planetare cu forța gravitației, cea care provoacă căderea liberă a obiectelor pe pământ. De aici a tras concluzia, în Cartea a III-a, că toate corpurile sunt atrase între ele proporțional cu cantitatea lor de materie (gravitația universală). El recunoaște totuși că nu cunoaște cauza gravitației: încă nu am putut deduce din fenomene motivul aceste proprietăți ale gravitației și nu născocesc ipoteze.

Prin cea de-a șaptea propoziție a Cărții a III-a a Principiilor, Newton a ajuns la următoarea concluzie: Gravitația acționează universal asupra tuturor corpurilor și este proporțională cu cantitatea de materie din fiecare.

Metodologia Principiei de descoperire a forțelor prezente în natură era controversată, inclusiv pentru acțiunea la distanță. În a doua ediție din 1713, a adăugat alte observații metodologice, numite de el "regulae philosophandi", sau regulile filosofiei. Primele două reguli se referă la raționamentul cauzal, iar cea de-a treia regulă, foarte mult dezbătută de contemporani, făcea referire la o problemă de inducție: avem percepții și experimente pentru cunoaștere, dar pe ce bază putem generaliza? Newton dă un răspuns parțial în propunerea șapte din Cartea a III-a a Principiei, în regula 3:

Aceste calități ale corpurilor care nu pot fi intenționate și remise [adică crescute și diminuate] și care aparțin tuturor corpurilor pe care pot fi făcute experimente, ar trebui luate drept calități ale tuturor corpurilor universale.

Newton leagă această a treia regulă de legile sale de mișcare:

"Faptul că toate corpurile sunt mobile și perseverează în mișcare sau în repaus prin anumite forțe (pe care le numim forțe de inerție), deducem din găsirea acestor proprietăți în corpurile pe care le-am văzut. Extensia, duritatea, impenetrabilitatea, mobilitatea și forța inerției [Aceasta este o modalitate potențial confuză de a se referi la masa specifică, ceea ce am numi masa inerțială a unui corp. A se vedea definiția a treia în Principia .] a întregului apar din prelungirea, duritatea, impenetrabilitatea, mobilitatea și forța inerției fiecărei părți; și astfel ajungem la concluzia că fiecare dintre cele mai puține părți ale tuturor corpurilor este extinsă, tare, impenetrabilă, mobilă și dotată cu o forță de inerție. Și aceasta este fundamentul întregii filosofii naturale."

Leibniz a afirmat că spațiul euclidian tridimensional al lui Newton permite "stări distincte, dar de nedistins dacă se schimbă pur și simplu pozițiile absolute ale tuturor corpurilor materiale, păstrând în același timp pozițiile lor relative. În toate cadrele inerțiale sunt valabile aceleași legi ale mișcării, deci ar fi imposibil, aplicând legile lui Newton, să determinăm care este cadrul inerțial. Leibniz conchide că ar trebui să folosim principiul parsimoniei pentru a respinge astfel de entități metafizice".

Dar mecanica newtoniană nu satisface principiul de relativitate pentru accelerație absolută și rotație absolută, numai pentru cadre inerțiale. În sistemele accelerate sau rotite, legile newtoniene nu mai sunt valabile. Ar rezulta că accelerația și rotația absolute au semnificație fizică, rezultând o dilemă. Practic teoria combinată a spațiului și timpului newtonian și electrodinamica lui Maxwell se dovedește a fi falsă. Einstein a rezolvat acest paradox în 1905, menținând legile lui Maxwell intacte dar schimbând transformările care leagă cadrele inerțiale.

Newton a introdus termenul filosofie experimentală în 1712, într-un pasaj la Scholiul General al Principiilor unde și-a expus metodologia împotriva ipotezelor. Scopul său a fost de a-și apăra astfel teoria gravitației împotriva criticilor, în special ale lui Leibniz:

Filosofia experimentală reduce fenomenele la regulile generale și privește regulile ca fiind generale atunci când acestea sunt valabile în general pentru fenomene.... Filosofia ipotetică constă în explicații imaginare ale lucrurilor și argumente imaginare pentru sau împotriva unor astfel de explicații sau împotriva argumentelor. Filosofia experimentală este fondată pe inducție. Primul fel de filosofie este urmat de mine, cel din urmă prea mult de Descartes, Leibnitz și alții.

Termenul desemnează mai degrabă știința empirică. El a fost adăugat și la a doua ediție a Principiei în 1713, unde a afirmat că