Механические объяснения гравитации

Механические объяснения гравитации (или кинетические теории гравитации ) представляют собой попытки объяснить действие гравитации с помощью основных механических процессов, таких как силы давления , вызванные толчками , без использования какого-либо действия на расстоянии . Эти теории развивались с 16 по 19 век в связи с эфиром . Однако такие модели больше не считаются жизнеспособными теориями в основном научном сообществе, и общая теория относительности теперь является стандартной моделью для описания гравитации без использования действий на расстоянии. Современные гипотезы « квантовой гравитации » также пытаются описать гравитацию с помощью более фундаментальных процессов, таких как поля частиц, но они не основаны на классической механике.

Скрининг

Основная статья: теория гравитации Лесажа

Эта теория, вероятно, самое известное механическое объяснение, впервые разработанное Николя Фатио де Дюйе в 1690 году и заново изобретенное, среди прочих, Жоржем-Луи Лесажем (1748 год), лордом Кельвином (1872 год) и Хендриком Лоренцем ( 1900 г.) и подвергся критике со стороны Джеймса Клерка Максвелла (1875 г.) и Анри Пуанкаре (1908 г.).

Теория утверждает, что сила гравитации является результатом движения крошечных частиц или волн, движущихся с высокой скоростью во всех направлениях по всей Вселенной . Предполагается, что интенсивность потока частиц одинакова во всех направлениях, поэтому изолированный объект A подвергается одинаковому удару со всех сторон, в результате чего возникает только давление, направленное внутрь , но не результирующая направленная сила. Однако при наличии второго объекта B часть частиц, которые в противном случае поразили бы A со стороны B, перехватывается, поэтому B работает как, так сказать, щит, то есть со стороны B. В точку A попадет меньше частиц, чем в противоположную сторону. Аналогично, в точку B попадет меньше частиц со стороны A, чем с противоположного направления. Можно сказать, что A и B «затеняют» друг друга, и два тела подталкиваются друг к другу в результате возникающего дисбаланса сил.

P5: Проницаемость, затухание и пропорциональность массы

Эта тень подчиняется закону обратных квадратов, поскольку дисбаланс потока импульса по всей сферической поверхности, охватывающей объект, не зависит от размера охватывающей его сферы, тогда как площадь поверхности сферы увеличивается пропорционально квадрату радиуса. Чтобы удовлетворить потребность в пропорциональности масс, теория утверждает, что а) основные элементы материи очень малы, так что грубая материя состоит в основном из пустого пространства, и б) что частицы настолько малы, что только небольшая часть из них может быть перехваченной грубой материей. В результате «тень» каждого тела пропорциональна поверхности каждого отдельного элемента материи.

Критика : Эта теория была отклонена прежде всего по термодинамическим причинам, поскольку тень в этой модели появляется только в том случае, если частицы или волны хотя бы частично поглощаются, что должно привести к огромному нагреву тел. Также большой проблемой является сопротивление, то есть сопротивление потоков частиц в направлении движения. Эту проблему можно решить, предположив сверхсветовые скорости, но такое решение значительно усугубляет тепловые проблемы и противоречит специальной теории относительности .

Вихрь

Эфир вращается вокруг небесных тел.

Благодаря своим философским убеждениям Рене Декарт в 1644 году предположил, что пустого пространства не может существовать и, следовательно, пространство должно быть заполнено материей . Части этой материи имеют тенденцию двигаться по прямым траекториям, но поскольку они лежат близко друг к другу, они не могут двигаться свободно, что, по мнению Декарта, подразумевает, что каждое движение является круговым, поэтому эфир наполнен вихрями . Декарт также различает различные формы и размеры материи, в которых грубая материя сопротивляется круговому движению сильнее, чем тонкая материя. За счет центробежной силы вещество стремится к внешним краям вихря, что вызывает там конденсацию этого вещества. Грубая материя не может следовать этому движению из-за своей большей инерции — поэтому из-за давления конденсированной внешней материи эти части будут выталкиваться в центр вихря. По Декарту, это внутреннее давление есть не что иное, как гравитация. Он сравнил этот механизм с тем фактом, что если остановить вращающийся сосуд, наполненный жидкостью, жидкость продолжит вращаться. Теперь, если бросить в сосуд небольшие кусочки легкой материи (например, дерева), кусочки переместятся в середину сосуда.

Следуя основным предпосылкам Декарта, Христиан Гюйгенс между 1669 и 1690 годами разработал гораздо более точную модель вихря. Эта модель была первой теорией гравитации, разработанной математически. Он предполагал, что частицы эфира движутся во всех направлениях, но отбрасываются назад у внешних границ вихря, и это вызывает (как и в случае Декарта) большую концентрацию тонкого вещества у внешних границ. Также и в его модели тонкая материя прижимает грубую материю к центру вихря. Гюйгенс также установил, что центробежная сила равна силе, действующей в направлении центра вихря ( центростремительная сила ). Он также утверждал, что тела должны состоять в основном из пустого пространства, чтобы эфир мог легко проникать в тела, что необходимо для пропорциональности массы. Далее он пришел к выводу, что эфир движется гораздо быстрее, чем падающие тела. В это время Ньютон разработал свою теорию гравитации, основанную на притяжении, и хотя Гюйгенс согласился с математическим формализмом, он заявил, что модель недостаточна из-за отсутствия механического объяснения закона силы. Открытие Ньютона о том, что гравитация подчиняется закону Закон обратных квадратов удивил Гюйгенса, и он попытался принять это во внимание, предположив, что скорость эфира тем меньше на большем расстоянии.

Критика : Ньютон возражал против теории, поскольку сопротивление должно приводить к заметным отклонениям орбит, которых не наблюдалось. Другая проблема заключалась в том, что спутники часто движутся в разных направлениях, против направления вихревого движения. Кроме того, объяснение Гюйгенсом закона обратных квадратов является круговым , поскольку это означает, что эфир подчиняется третьему закону Кеплера . Но теория гравитации должна объяснять эти законы, а не предполагать их.

Несколько британских физиков разработали вихревую теорию атома в конце девятнадцатого века. Однако физик Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин , разработал совершенно особый подход. В то время как Декарт выделил три вида материи, каждый из которых связан соответственно с излучением, передачей и отражением света, Томсон разработал теорию, основанную на унитарном континууме.

Потоки

В письме 1675 года Генри Ольденбургу , а позже Роберту Бойлю , Ньютон написал следующее: [Гравитация является результатом] «конденсации, вызывающей поток эфира с соответствующим разжижением плотности эфира, связанным с увеличением скорости потока. » Он также утверждал, что такой процесс согласуется со всеми его другими работами и законами движения Кеплера. Идея Ньютона о падении давления, связанном с увеличением скорости потока, была математически формализована как принцип Бернулли , опубликованный в книге Даниэля Бернулли «Гидродинамика» в 1738 году.

Однако, хотя позже он предложил второе объяснение (см. раздел ниже), комментарии Ньютона на этот вопрос остались неоднозначными. В третьем письме Бентли в 1692 году он писал:

Немыслимо, чтобы неодушевленная грубая материя могла без посредничества чего-то еще, что нематериально, воздействовать на другую материю и воздействовать на нее без взаимного контакта, как это должно было бы происходить, если бы гравитация в смысле Эпикура была существенна и присуща ей. И это одна из причин, почему я хотел, чтобы вы не приписывали мне «врожденную гравитацию». Эта гравитация должна быть врожденной, присущей и существенной для материи, чтобы одно тело могло воздействовать на другое на расстоянии, через вакуум, без посредничества чего-либо еще, посредством чего их действие и сила могут передаваться от одного к другому. другое, по моему мнению, настолько абсурдно, что я верю, что ни один человек, обладающий в философских вопросах компетентным мышлением, никогда не сможет впасть в него. Гравитация должна быть вызвана агентом, постоянно действующим по определенным законам; но будет ли этот агент материальным или нематериальным, я предоставил на рассмотрение моих читателей.

С другой стороны, Ньютон также хорошо известен благодаря фразе «Hypotheses non fingo» , написанной в 1713 году:

Причину этих свойств гравитации мне еще не удалось обнаружить из явлений и гипотез я не строю. Ибо все, что не выведено из явлений, должно быть названо гипотезой; а гипотезам, будь то метафизическим или физическим, основанным на оккультных качествах или механическим, нет места в экспериментальной философии. В этой философии частные положения выводятся из явлений, а затем посредством индукции делаются общими.

А по свидетельствам некоторых его друзей, таких как Николя Фатио де Дюйе или Давид Грегори , Ньютон думал, что гравитация основана непосредственно на божественном влиянии.

Подобно Ньютону, но математически более детально, Бернхард Риман в 1853 году предположил, что гравитационный эфир представляет собой несжимаемую жидкость и нормальная материя представляет собой раковины в этом эфире. Итак, если эфир разрушается или поглощается пропорционально массам внутри тел, возникает поток, увлекающий все окружающие тела в направлении центральной массы. Риман предположил, что поглощенный эфир переносится в другой мир или измерение.

Еще одну попытку решить энергетическую проблему предпринял Иван Осипович Ярковский в 1888 году. На основе своей модели эфирного потока, сходной с моделью Римана, он утверждал, что поглощенный эфир может превратиться в новую материю, что приведет к увеличению массы небесные тела.

Критика : Как и в случае с теорией Лесажа, исчезновение энергии без объяснения причин нарушает закон сохранения энергии . Также должно возникнуть некоторое сопротивление, а процесс, ведущий к созданию материи, неизвестен.

Статическое давление

Ньютон дополнил второе издание «Оптики» (1717 г.) еще одной механико-эфирной теорией гравитации. В отличие от своего первого объяснения (1675 г. – см. «Потоки»), он предложил неподвижный эфир, который становится все тоньше и тоньше вблизи небесных тел. По аналогии с подъемной силой возникает сила, которая толкает все тела к центральной массе. Он минимизировал сопротивление, заявив о чрезвычайно низкой плотности гравитационного эфира.

Как и Ньютон, Леонард Эйлер в 1760 году предположил, что гравитационный эфир теряет плотность в соответствии с законом обратных квадратов. Подобно другим, Эйлер также предположил, что для сохранения пропорциональности массы материя состоит в основном из пустого пространства.

Критика : И Ньютон, и Эйлер не объяснили, почему плотность статического эфира должна измениться. Более того, Джеймс Клерк Максвелл указывал, что в этой «гидростатической» модели « состояние напряжения... которое, как мы должны предполагать, существует в невидимой среде, в 3000 раз превышает то, которое может выдержать самая прочная сталь ».

Волны

Роберт Гук в 1671 году предположил, что гравитация — это результат того, что все тела излучают волны во всех направлениях через эфир. Другие тела, взаимодействующие с этими волнами, движутся в направлении источника волн. Гук видел аналогию с тем, что мелкие предметы на возмущенной поверхности воды движутся к центру возмущения.

Похожая теория была математически разработана Джеймсом Чаллисом с 1859 по 1876 год. Он рассчитал, что случай притяжения имеет место, если длина волны велика по сравнению с расстоянием между гравитирующими телами. Если длина волны мала, тела отталкиваются друг от друга. Комбинацией этих эффектов он пытался объяснить и все остальные силы.

Критика : Максвелл возражал, что эта теория требует постоянного образования волн, которое должно сопровождаться бесконечным потреблением энергии. Сам Чаллис признался, что не добился определенного результата из-за сложности процессов.

Пульсация

Лорд Кельвин (1871 г.) и Карл Антон Бьеркнес (1871 г.) предположили, что все тела пульсируют в эфире. Это было по аналогии с тем, что если пульсация двух сфер в жидкости находится в фазе, они будут притягиваться друг к другу; и если пульсация двух сфер не совпадает по фазе, они отталкиваются друг от друга. Этот механизм был использован также для объяснения природы электрических зарядов . Среди прочих, эту гипотезу также исследовали Джордж Габриэль Стоукс и Вольдемар Фойгт .

Критика : Чтобы объяснить вселенскую гравитацию, приходится предполагать, что все пульсации во Вселенной находятся в одной фазе, что кажется очень неправдоподобным. Кроме того, эфир должен быть несжимаемым, чтобы притяжение возникало и на больших расстояниях. А Максвелл утверждал, что этот процесс должен сопровождаться постоянным новым производством и разрушением эфира.

Другие исторические предположения

В 1690 году Пьер Вариньон предположил, что все тела подвергаются толчкам частиц эфира со всех направлений и что на определенном расстоянии от поверхности Земли существует своего рода ограничение, которое частицы не могут преодолеть. Он предположил, что если тело находится ближе к Земле, чем к границе ограничения, то тело испытает больший толчок сверху, чем снизу, что заставит его упасть к Земле.

В 1748 году Михаил Ломоносов предположил, что действие эфира пропорционально полной поверхности элементарных компонентов, из которых состоит материя (аналогично Гюйгенсу и Фатио до него). Он также предполагал огромную проницаемость тел. Однако он не дал четкого описания того, как именно эфир взаимодействует с материей, в результате чего возникает закон тяготения.

В 1821 году Джон Херапат попытался применить разработанную им совместно модель кинетической теории газов к гравитации. Он предположил, что эфир нагревается телами и теряет плотность, так что другие тела выталкиваются в эти области меньшей плотности. Однако Тейлор показал, что снижение плотности из-за теплового расширения компенсируется увеличением скорости нагретых частиц; следовательно, никакого притяжения не возникает.

Недавние теоретизирования

Эти механические объяснения гравитации так и не получили широкого признания, хотя такие идеи продолжали время от времени изучаться физиками до начала двадцатого века, когда в целом они считались окончательно дискредитированными. Однако некоторые исследователи, не входящие в научное русло, все еще пытаются выяснить некоторые следствия этих теорий.

Теорию Лесажа изучали Радзиевский и Кагальникова (1960). Шнейдеров (1961), Буономано и Энгельс (1976), Адамут (1982), и Эдвардс (2014).

Гравитацию, возникающую из-за статического давления, недавно изучал Арминджон.

Источники

• Эйтон, Э.Дж. (1969), «Гипотеза эфирного потока Ньютона и закон обратных квадратов гравитации», Annals of Science , 25 (3): 255–260, doi : 10.1080/00033796900200151

• Кэррингтон, Херевард (1913), Сагден, Шервуд Дж. Б. (ред.), «Ранние теории гравитации» , The Monist , 23 (3): 445–458, doi : 10.5840/monist19132332

• Друде, Пол (1897), «Ueber Fernewirkwungen» , Annalen der Physik , 298 (12): I – XLIX, Бибкод : 1897AnP...298D...1D , doi : 10.1002/andp.18972981220

• Холл, Томас Проктор (1895), «Физические теории гравитации» , Труды Академии наук Айовы , 3 : 47–52

• Хельм, Георг (1881), «О посредничестве отдаленных эффектов через эфир» , Annals of Physics , 250 (9): 149–176, Бибкод : 1881AnP...250..149H , doi : 10.1002/andp.18812500912

• Изенкраге, Каспар (1892), «О сведении гравитации к поглощению и вытекающих из этого законах» , «Трактаты по истории математики» , том. 6, Лейпциг, стр. 161–204. {{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

• Максвелл, Джеймс Клерк (1878), «Атом» , в Бейнсе, TS (редактор), Британская энциклопедия , том. 3 (9-е изд.), Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера, стр. 36–49.

• Максвелл, Джеймс Клерк (1878), «Притяжение» , в Бейнсе, TS (редактор), Британская энциклопедия , том. 3 (9-е изд.), Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера, стр. 63–65.

• Пек, Дж.В. (1903), «Корпускулярные теории гравитации» , Труды Королевского философского общества Глазго , 34 : 17–44.

• Пуанкаре, Анри (1914) [1908], «Теория Лесажа» , «Наука и метод» , Лондон, Нью-Йорк: Nelson & Sons, стр. 246–253.

• Престон, Сэмюэл Толвер (1895), «Сравнительный обзор некоторых динамических теорий гравитации» , Philosophical Magazine , 5-я серия, 39 (237): 145–159, doi : 10.1080/14786449508620698

• Тейлор, Уильям Бауэр (1876), «Кинетические теории гравитации» , Отчет Смитсоновского института : 205–282.

• Ван Лунтерен, Ф. (2002), «Николя Фатио де Дюйе о механической причине гравитации», в книге Эдвардса, М.Р. (редактор), « Надвигая гравитацию: новые перспективы теории гравитации Лесажа» , Монреаль: C. Roy Keys Inc. ., стр. 41–59.

• Зехе, Хорст (1980), «Теория гравитации Николя Фатио де Дюйе», Архив истории точных наук , 28 (1), Хильдесхайм: Герстенберг: 1–23, Бибкод : 1983AHES...28.... 1Z , номер домена : 10.1007/BF00327787 , ISBN  3-8067-0862-2 , S2CID   123509380

• Зеннек, Джонатан (1903), «Гравитация», Энциклопедия математических наук, включая их приложения , том. 5, стр. 25–67, doi : 10.1007/978-3-663-16016-8_2 , ISBN.  978-3-663-15445-7