Kütle çekimi teorisi tarihi

Fizik'te, yerçekimi teorileri kütleli cisimlerin hareket mekanizmalarını kapsayan etkileşimleri esas alır. Antik zamanlardan bu yana birçok Yerçekimi teorisi ortaya atılmıştır.

Antik Çağ

M.Ö. 4. yüzyılda Yunan filozof Aristo hiçbir etki ve hareketin sebepsiz olamayacağına inanmıştır. Toprak gibi ağır cisimlerin aşağı doğru hareketi onların doğasına bağlıydı. Bu onların doğal yeri olan evrenin merkezine gitmeleri anlamına geliyordu. Tam tersi, ateş gibi hafif elementler doğaları gereği yukarı, Ay kürenin iç yüzeyine doğru hareket ediyordu. Yani Aristo'nun sisteminde ağır cisimler dışarıdan bir yerçekimi kuvvetine maruz kalmazlar ancak kendi ağırlıklarından evrenin merkezine doğru eğilim gösterirlerdi.
Romalı mimar ve mühendis Vitruvius De Architectura 'sının 7. kitabında yerçekiminin maddenin "ağırlığıyla" değil onun "doğasıyla" alakalı olduğunu ele alır.

Eğer cıva dolu bir kabın üzerine yüz pound ağırlığında bir taş koyulursa taş cıva üzerinde yüzer, onu sıkıştırmaz ya da onu kırıp geçmez. Eğer taşı kaldırıp yerine birkaç parça altın koyarsak altın yüzmez ve sıvının dibine batar. Dolayısıyla bir maddeye etki eden kütle çekiminin o maddenin ağırlığına değil doğasına bağlı olduğu reddedilemez. Antik Hint astronom ve matematikçi Brahmagupta, dünyanın küresel olduğu ve cisimleri kendine çektiği görüşüne sahipti. Hemdani ve Birûni Brahmagupta'nın sözünü şu şekilde aktarmıştır: "Bunu hiçe sayarak biz, diyoruz ki dünya bütün yüzleriyle aynı dünyadaki bütün insanlar dik duruyor ve bütün ağır cisimler doğası gereği dünyaya düşer diyoruz. Çünkü suyun doğasında akmak, ateşin doğasında yanmak, rüzgarın doğasında esmek olduğu gibi dünyanın doğasında da cisimleri çekmek vardır. Eğer bir şey dünyadan derine inmek istiyorsa bırakın denesin. Dünya alçak olan tek şeydir ve tohumları nereye atarsan at asla dünyadan yukarı çıkmazlar her zaman ona dönerler.

Newton'un Kütle Çekim Teorisi

1687'de İngiliz matematikçi Isaac Newton evrensel kütle çekiminin ters kare kuralını hipotez haline getirdiği Principia'yı yayınlamıştır.  
Newton'un teorisi en büyük başarısını, Uranüs'ün diğer gezegenlerin etkileriyle açıklanamayan hareketleri kullanılarak Neptün'ün keşfini sağlamasıyla yaşamıştır. John Couch Adams ve Urbain Le Verrier'in hesapları gezegenin genel pozisyonunu tahmin etti ve Johann Gottfried Galle'nin gezegeni keşfetmesini sağlayan bu hesaplar oldu.
Yıllar sonra Newton'un teorisinin yanılgısını gösteren de başka bir gezegenin yörüngesindeki tutarsızlık olmuştur.19. yüzyılın sonunda Merkür'ün yörüngesinin Newton'un teorisiyle tam olarak açıklanamadığı biliniyordu, ama gezegenin yörüngesini karıştıracak başka bir cisim (Güneş'e Merkür'den yakın bir gezegen gibi) içi yapılan hiçbir arama meyve vermemiştir.  Bu sorun 1915'te Albert Einstein'ın Merkür'ün yörüngesindeki tutarsızlığı da açıklayan yeni teorisi genel görelilik ile çözülmüştür 
Paul Dirac yerçekiminin evrenin tarihi boyunca yavaş ve sürekli olarak azalması gerektiği hipotezini geliştirmiştir.
Newton'un teorisinin yerini genel göreliliğe bırakmasına rağmen çoğu modern görelilik gerektirmeyen kütle çekimi hesapları hala Newton'un teorisi kullanılarak yapılmaktadır, çünkü çalışması çok daha kolay ve çoğu uygulama alanı için yeterince doğrudur.

Kütle Çekiminin Mekanik Açıklamaları

Kütle çekiminin mekanik açıklamaları (ya da kütle çekiminin kinetik teorileri) kütle çekimini, itmelerden doğmuş basınç kuvvetleri kullanarak, uzaktan etkileşim kullanmadan açıklama girişimidir. Bu teoriler lokmanruhu teorileriyle bağlantılı olarak 16. yüzyıl ile 19. yüzyıl arasında geliştirilmiştir.
René Descartes (1644) ve Christiaan Huygens (1690) kütle çekimini açıklamak girdapları kullanmıştır.
Robert Hooke (1671) ve James Challis (1869) her cismin dalgalar yaydığını ve bu dalgaların başka cisimlerin çekimini sağladığını varsaymıştır. Nicolas Fatio de Duillier (1690) ve Georges-Louis Le Sage (1748) bir çeşit tarama ve gölgeleme mekanizması kullanarak bir parçacık modeli önermiştir. Sonradan parçacık yerine elektromanyetik radyasyon kullanan benzer bir model Hendrik Lorentz tarafından tasarlanmıştır. 
Isaac Newton (1675) ve Bernhard Riemann (1853) lokmanruhu akımlarının cisimleri birbirine taşıdığını savunmuştur.
Newton (1717) ve Leonhard Euler (1760) lokmanruhunun kütlelerin yanında yoğunluk kaybettiği ve bunun da cisimlere doğru bir net kuvvet doğurduğu bir model önermiştir.
Lord Kelvin (1871) her cismin titreştiğini ve bu titreşimin kütle çekimi ve elektriksel yükleri açıklayabileceğini savunmuştur.
Ancak, bu modeller çoğu kabul edilemez miktarda gözlemlenmeyen sürüklemeye sebep olduğundan kabul edilmemiştir. Diğer modeller ise enerjinin korunumu yasasına ters düşmekte ve modern termodinamiğe uymamaktalardır.

Kütle Çekimi ve Kuantum Mekaniği

Genel göreliliğin keşfinden birkaç yıl sonra kuantum mekaniği ile uyuşmadığı için kütle çekiminin tamamlanmış teorisi olmadığı fark edilmiştir. Sonradan diğertemel kuvvetler gibi kütle çekimini de kuantum alan kuramı çerçevesinde tanımlamanın mümkün olduğu anlaşılmıştır. Bu çerçevede elektromanyetik kuvvetin sanal fotonların karşılıklı değişimden kaynaklandığı gibi kütle çekimi de sanal gravitonların karşılıklı değişiminden kaynaklanır.Bu genel göreliliği klasik limitte yeniden ele alır. Ancak bu yaklaşım Planck uzunluğu gibi kısa mesafelerde başarısız olur.
Genel görelilikte kuantum mekaniği kurallarının altında, gravitonlardan oluşması gereken kütle çekimsel radyasyonun sadece yörüngede birlikte yer alan cisimlerde olduğu gibi uzayzaman eğrisinin salınım yapıyor olduğu yerlerde meydana geldiği kayda değerdir.  Güneş sistemi tarafından yayılan kütle çekimsel radyasyon ölçüm yapabilmek için fazla zayıftır.  Ancak PSR 1913+16 ikili pulsar sisteminde dolaylı olarak görülmüştür. Nötron yıldızı birleşimlerinin ya da kara delik oluşumunun algılanabilir miktarda kütle çekimsel radyasyon yayacağına inanılmaktadır. LIGO gibi kütle çekimsel radyasyon gözlemevleri bu problemi çalışmak için kurulmuştur.Bu hipotetik radyasyonun onaylanmış bir ölçümü henüz yapılmamıştır ancak LIGO'nun arkasındaki bilim ekipmanların hassaslığı ile geliştikçe bu durum değişebilir.