Az egyik legáthatóbb viselkedés, amelyet megtapasztalunk, nem csoda, hogy még a legkorábbi tudósok megpróbálták megérteni, hogy miért esnek a tárgyak a földre. A görög filozófus Arisztotelész az egyik legkorábbi és legátfogóbb kísérletet tett e viselkedés tudományos magyarázatára, azzal az elképzeléssel, hogy a tárgyak "természetes helyük felé" mozognak.
A Föld elemének ez a természetes hely a Föld központjában volt (amely természetesen az univerzum központja volt Arisztotelész geocentrikus univerzum-modelljében). A Föld körül egy koncentrikus gömb volt, amely a víz természetes birodalma volt, amelyet a levegő természetes birodalma körülvett, majd a fenti tűz természetes birodalma. Így a Föld vízbe süllyed, a víz a levegőbe süllyed, és a lángok a levegő fölé emelkednek. Arisztotelész modelljében a természetes hely felé mutat, és eléggé összhangban áll intuitív megértésünkkel és alapvető megfigyeléseinkkel a világ működéséről.
Arisztotelész azt is hitte, hogy a tárgyak olyan sebességgel esnek le, amely arányos a súlyukkal. Más szavakkal, ha egy azonos méretű fa tárgyat és fém tárgyat elvet, és mindkettőt eldobná, a nehezebb fém tárgy arányosan gyorsabban esne le.
Galileo és mozgás
Arisztotelész filozófiája az anyag természetes helyéhez vezető mozgásról körülbelül 2000 évig megingatott, egészen addig Galileo Galilei. A Galileo kísérleteket hajtott végre különböző súlyú tárgyak lejtős síkokkal történő lefelé történő leeresztésével (nem ejtette le őket a pisa toronyját, annak ellenére, hogy a népszerű apokrif titkos történetek ennek megfelelõek), és megállapította, hogy ezekkel együtt estek azonos gyorsulás arány, súlyuktól függetlenül.
Az empirikus bizonyítékok mellett Galileo elméleti gondolkodási kísérletet készített e következtetés alátámasztására. Így írja le a modern filozófus Galileo megközelítését 2013-as könyvében Intuitív szivattyúk és más eszközök a gondolkodáshoz:
"Néhány gondolatkísérlet szigorú, gyakran formai érvekként elemezhető reductio ad absurdum, amelyben az ellenfél helyiségeit veszi fel, és formális ellentmondást eredményez (abszurd eredmény), amely azt mutatja, hogy nem lehetnek mindennek igaza. Az egyik kedvencem a Galileo-nak tulajdonított bizonyíték, hogy a nehéz dolgok nem esnek gyorsabban, mint a könnyebb dolgok (amikor a súrlódás elhanyagolható). Ha igen, akkor azt állította: mivel az A nehéz kő gyorsabban esik le, mint a B könnyű kő, ha B-t kötünk A-hoz, akkor a B kő húzódik, és lelassítja A-t. De a B-hez kötött nehezebb, mint egyedül A, tehát a kettőnek együtt is gyorsabban kell esnie, mint önmagában. Megállapítottuk, hogy a B-nek az A-hez kötése olyasmit eredményez, amely gyorsabban és lassabban esik le, mint az A önmagában, ami ellentmondás.
Newton bemutatja a gravitációt
A fő hozzájárulás a Sir Isaac Newton fel kellett ismernie, hogy ez a Földön megfigyelt zuhanó mozgás ugyanaz a viselkedés, amelyet a Hold és más tárgyak tapasztalnak meg, amely egymáshoz viszonyítva tartja őket. (Ez a Newtonból származó betekintés a Galileo munkájára épült, hanem a heliócentrikus modell és a A kopernikusi elv, amelyet Nicholas Copernicus fejlesztett ki Galileo munkája előtt.)
Newton fejlesztette az egyetemes gravitációs törvényt, amelyet gyakran hívnak a gravitáció törvénye, összehozta ezt a két fogalmat egy matematikai képlet formájában, amelyet úgy látszott alkalmazni, hogy meghatározzák a két objektum közötti tömegű vonzóerőt. Együtt Newton mozgási törvényei, létrehozott egy formális gravitációs és mozgási rendszert, amely a tudományos megértést vezette két évszázadig nem vitatott módon.
Einstein újradefiniálja a gravitációt
A gravitáció megértésének következő fontos lépése az Albert Einstein, az ő formájában általános relativitáselmélet, amely az anyag és a mozgás kapcsolatát írja le annak az alapvető magyarázatnak a segítségével, hogy a tömegű tárgyak valóban meghajolják a tér és az idő szövetét (együttesen téridőnek nevezik). Ez megváltoztatja a tárgyak útját oly módon, hogy összhangban álljon a gravitáció megértésével. Ezért a gravitáció jelenlegi megértése szerint az objektumok eredményeként a legrövidebb utat hajtják végre az űridőn keresztül, módosítva a közeli hatalmas tárgyak eltorzulásával. Az esetek többségében, amelybe belemegyünk, ez teljes mértékben összhangban van Newton klasszikus gravitációs törvényével. Vannak olyan esetek, amikor az általános relativitáselmélet finomabb megértése szükséges ahhoz, hogy az adatok megfeleljenek a kívánt pontossági szintnek.
A kvantum gravitáció keresése
Vannak azonban olyan esetek, amikor még az általános relativitáselmélet sem adhat értelmes eredményeket. Pontosabban vannak olyan esetek, amikor az általános relativitáselmélet nem összeegyeztethető a kvantumfizika.
A példák közül az egyik legismertebb az a határa fekete lyuk, ahol a téridő sima szövete nem összeegyeztethető a kvantumfizika által megkövetelt energia szemcséjével. Ezt elméletileg a fizikus oldotta meg Stephen Hawking, egy magyarázatban, amely szerint a fekete lyukak előre jelezték az energia sugárzását Hawking sugárzás.
Szükség van azonban a gravitáció átfogó elméletére, amely teljes mértékben beépítheti a kvantumfizikát. Egy ilyen elmélet kvantum gravitáció szükség lenne e kérdések megoldására. A fizikusoknak sok jelölt van egy ilyen elméletre, amelyek közül a legnépszerűbb húrelmélet, de egyik sem nyújt elegendő kísérleti bizonyítékot (vagy akár elegendő kísérleti előrejelzést) ahhoz, hogy ellenőrizhető és széles körben elfogadható legyen a fizikai valóság helyes leírása.
Gravitációval kapcsolatos rejtélyek
A gravitáció kvantumelméletének szükségessége mellett két, a gravitációval kapcsolatos, kísérletileg vezérelt rejtély létezik, amelyeket még meg kell oldani. A tudósok úgy találták, hogy ahhoz, hogy a gravitáció jelenlegi értelmezése alkalmazható legyen az univerzumra, szükség van egy láthatatlan vonzó erő (úgynevezett sötét anyag), amely segít összetartani a galaxisokat, és egy láthatatlan visszatükröző erő (hívott sötét energia), amely gyorsabban távolítja el a távoli galaxiseket.