Mechaniczne wyjaśnienia grawitacji - Mechanical explanations of gravitation

Mechaniczne wyjaśnienia grawitacji (lub kinetyczne teorie grawitacji ) są próbami wyjaśnienia działania grawitacji za pomocą podstawowych procesów mechanicznych , takich jak siły nacisku wywołane pchnięciami , bez użycia żadnego działania na odległość . Teorie te były rozwijane od XVI do XIX wieku w związku z eterem . Jednak takie modele nie są już uważane za opłacalne teorie w głównym nurcie społeczności naukowej, a ogólna teoria względności jest obecnie standardowym modelem opisującym grawitację bez użycia działań na odległość. Współczesne hipotezy o „ grawitacji kwantowej ” również próbują opisać grawitację za pomocą bardziej fundamentalnych procesów, takich jak pola cząstek, ale nie są oparte na mechanice klasycznej.

Ekranizacja

Teoria ta jest prawdopodobnie najbardziej znanym wyjaśnieniem mechanicznym i została rozwinięta po raz pierwszy przez Nicolasa Fatio de Duillier w 1690 roku, a wymyślona na nowo m.in. przez Georges-Louis Le Sage (1748), Lord Kelvin (1872), i Hendrika Lorentza (1900) i skrytykowane przez Jamesa Clerka Maxwella (1875) i Henri Poincaré (1908).

Teoria zakłada, że siła grawitacji jest wynikiem maleńkich cząstek lub fal poruszających się z dużą prędkością we wszystkich kierunkach w całym wszechświecie . Zakłada się, że intensywność strumienia cząstek jest taka sama we wszystkich kierunkach, więc izolowany obiekt A uderza równomiernie ze wszystkich stron, co skutkuje tylko ciśnieniem skierowanym do wewnątrz, ale nie ma siły kierunkowej netto. Jednak gdy obecny jest drugi obiekt B, część cząstek, które w przeciwnym razie uderzyłyby w A z kierunku B, zostaje przechwycona, więc B działa jak tarcza, że ​​tak powiem — to znaczy z kierunku B, W A uderzy mniej cząstek niż z przeciwnego kierunku. Podobnie w B uderzy mniej cząstek z kierunku A niż z kierunku przeciwnego. Można powiedzieć, że A i B „zacieniają” się nawzajem, a oba ciała są popychane do siebie przez powstałą nierównowagę sił.

Cień ten jest zgodny z prawem odwrotnego kwadratu, ponieważ nierównowaga przepływu pędu na całej kulistej powierzchni otaczającej obiekt jest niezależna od wielkości otaczającej kuli, podczas gdy powierzchnia kuli zwiększa się proporcjonalnie do kwadratu promienia. Aby zaspokoić potrzebę proporcjonalności masy, teoria zakłada, że ​​a) podstawowe elementy materii są bardzo małe, tak że materia ogólna składa się głównie z pustej przestrzeni, oraz b) cząstki są tak małe, że tylko niewielka ich część zostać przechwycone przez grubą materię. Wynik jest taki, że "cień" każdego ciała jest proporcjonalny do powierzchni każdego pojedynczego elementu materii.

Krytyka : Ta teoria została odrzucona głównie z powodów termodynamicznych, ponieważ cień pojawia się w tym modelu tylko wtedy, gdy cząstki lub fale są przynajmniej częściowo pochłonięte, co powinno prowadzić do ogromnego ogrzewania ciał. Dużym problemem jest również opór, czyli opór strumieni cząstek w kierunku ruchu. Problem ten można rozwiązać zakładając prędkości ponadświetlne, ale to rozwiązanie znacznie zwiększa problemy termiczne i jest sprzeczne ze szczególną teorią względności .

Wir

Ze względu na swoje przekonania filozoficzne René Descartes zaproponował w 1644 roku, że nie może istnieć pusta przestrzeń i że w konsekwencji przestrzeń musi być wypełniona materią . Części tej materii mają tendencję do poruszania się po torach prostych, ale ponieważ leżą blisko siebie, nie mogą poruszać się swobodnie, co według Kartezjusza oznacza, że ​​każdy ruch jest kołowy, a więc eter jest wypełniony wirami . Kartezjusz rozróżnia również różne formy i rozmiary materii, w których szorstka materia opiera się ruchowi kołowemu silniej niż materia drobna. Pod wpływem siły odśrodkowej materia skłania się ku zewnętrznym krawędziom wiru, co powoduje kondensację tej materii w tym miejscu. Szorstka materia nie może podążać za tym ruchem ze względu na swoją większą bezwładność — więc z powodu ciśnienia skondensowanej zewnętrznej materii części te zostaną wepchnięte do środka wiru. Według Kartezjusza to wewnętrzne ciśnienie to nic innego jak grawitacja. Porównał ten mechanizm z faktem, że jeśli wirujące, wypełnione cieczą naczynie zostanie zatrzymane, ciecz zacznie się obracać. Teraz, jeśli wrzucimy do naczynia małe kawałki lekkiej materii (np. drewna), kawałki przesuną się na środek naczynia.

Kierując się podstawowymi założeniami Kartezjusza, Christiaan Huygens w latach 1669-1690 zaprojektował znacznie dokładniejszy model wiru. Model ten był pierwszą teorią grawitacji, która została opracowana matematycznie. Założył, że cząstki eteru poruszają się w każdym kierunku, ale zostały odrzucone na zewnętrzne granice wiru, a to powoduje (jak w przypadku Kartezjusza) większą koncentrację drobnej materii na zewnętrznych granicach. Tak więc również w jego modelu drobna materia wciska grubą materię do środka wiru. Huygens odkrył również, że siła odśrodkowa jest równa sile, która działa w kierunku środka wiru ( siła dośrodkowa ). Założył również, że ciała muszą składać się głównie z pustej przestrzeni, aby eter mógł łatwo przenikać ciała, co jest konieczne dla proporcjonalności masy. Doszedł do wniosku, że eter porusza się znacznie szybciej niż spadające ciała. W tym czasie Newton opracował swoją teorię grawitacji opartą na przyciąganiu i chociaż Huygens zgadzał się z formalizmem matematycznym, powiedział, że model był niewystarczający z powodu braku mechanicznego wyjaśnienia prawa siły. Odkrycie Newtona, że ​​grawitacja podlega prawu odwrotności kwadratu, zaskoczyło Huygensa i próbował wziąć to pod uwagę, zakładając, że prędkość eteru jest mniejsza na większej odległości.

Krytyka : Newton sprzeciwił się teorii, ponieważ opór musi prowadzić do zauważalnych odchyleń orbit, których nie zaobserwowano. Innym problemem było to, że księżyce często poruszają się w różnych kierunkach, przeciwnie do kierunku ruchu wirów. Również wyjaśnienie Huygensa dotyczące odwrotności kwadratu jest okrągłe , ponieważ oznacza to, że eter jest posłuszny trzeciemu prawu Keplera . Ale teoria grawitacji musi wyjaśniać te prawa i nie może ich zakładać.

Kilku fizyków brytyjskich opracowało teorię atomów wirowych pod koniec XIX wieku. Jednak fizyk William Thomson, pierwszy baron Kelvin , opracował dość wyraźne podejście. Podczas gdy Kartezjusz nakreślił trzy gatunki materii – każdy powiązany odpowiednio z emisją, transmisją i odbiciem światła – Thomson opracował teorię opartą na jednolitym kontinuum.

Teoria wirów kartezjańskich odegrała ważną rolę w teorii Kopernika, która skupiała się na słońcu oraz w wierze w kosmos, w którym istnieje wiele gwiazd, takich jak Słońce, otoczonych wieloma planetami krążącymi wokół nich.

Strumienie

W liście z 1675 roku do Henry'ego Oldenburga , a później do Roberta Boyle'a , Newton napisał co następuje: [Grawitacja jest wynikiem] „kondensacji powodującej przepływ eteru z odpowiednim rozrzedzeniem gęstości eteru, związanym ze zwiększoną prędkością przepływu. ” Twierdził również, że taki proces jest zgodny z całą jego pracą i Prawami Ruchu Keplera. Idea Newtona dotycząca spadku ciśnienia związanego ze zwiększoną prędkością przepływu została matematycznie sformalizowana jako zasada Bernoulliego opublikowana w książce Daniela Bernoulliego Hydrodynamica w 1738 roku.

Jednakże, chociaż później zaproponował drugie wyjaśnienie (patrz sekcja poniżej), komentarze Newtona do tego pytania pozostały niejednoznaczne. W trzecim liście do Bentleya w 1692 r. pisał:

Jest nie do pomyślenia, aby nieożywiona materia zwierzęca bez pośrednictwa czegoś innego, co nie jest materialna, działała na inną materię i wpływała na nią, bez wzajemnego kontaktu, jak to czyni, jeśli grawitacja w sensie epikura jest jej istotna i nieodłączna. I to jest jeden z powodów, dla których chciałem, abyś nie przypisywał mi „wrodzonej grawitacji”. Ta grawitacja powinna być wrodzona, nieodłączna i niezbędna dla materii, tak aby jedno ciało mogło oddziaływać na drugie na odległość, poprzez próżnię, bez pośrednictwa czegokolwiek innego, przez i przez które ich działanie i siła mogą być przenoszone od jednego do drugiego. inna jest dla mnie tak wielkim absurdem, że wierzę, że żaden człowiek, który ma kompetentną w sprawach filozoficznych zdolność myślenia, nie może w nią wpaść. Grawitacja musi być spowodowana przez agenta działającego nieustannie zgodnie z pewnymi prawami; ale czy ten agent jest materialny czy niematerialny, pozostawiłem do rozważenia moich czytelników.

Z drugiej strony Newton jest również dobrze znany ze sformułowania Hypotheses non fingo , napisanego w 1713 roku:

Nie udało mi się jeszcze odkryć przyczyny tych właściwości grawitacji ze zjawisk i nie stawiam hipotez. Albowiem czegokolwiek nie można wydedukować ze zjawisk, należy nazwać hipotezą; a hipotezy, czy to metafizyczne, czy fizyczne, czy oparte na cechach okultystycznych, czy też mechaniczne, nie mają miejsca w filozofii eksperymentalnej. W tej filozofii poszczególne zdania są wyprowadzane ze zjawisk, a następnie uogólniane przez indukcję.

A według zeznań niektórych jego przyjaciół, takich jak Nicolas Fatio de Duillier czy David Gregory , Newton uważał, że grawitacja opiera się bezpośrednio na boskim wpływie.

Podobnie jak Newton, ale matematycznie bardziej szczegółowo, Bernhard Riemann założył w 1853 roku, że grawitacyjny eter jest nieściśliwym płynem, a normalna materia reprezentuje zagłębienia w tym eterze. Jeśli więc eter zostanie zniszczony lub wchłonięty proporcjonalnie do mas w ciałach, powstaje strumień i przenosi wszystkie otaczające ciała w kierunku masy centralnej. Riemann spekulował, że wchłonięty eter zostaje przeniesiony do innego świata lub wymiaru.

Kolejną próbę rozwiązania problemu energetycznego podjął Iwan Osipowicz Jarkowski w 1888 roku. Opierając się na swoim modelu strumienia eteru, który był podobny do modelu Riemanna, argumentował, że zaabsorbowany eter może zostać przekształcony w nową materię, prowadząc do wzrostu masy ciała niebieskie.

Krytyka : Podobnie jak w przypadku teorii Le Sage'a, zanik energii bez wyjaśnienia narusza prawo zachowania energii . Musi też powstać pewien opór i nie jest znany żaden proces prowadzący do powstania materii.

Ciśnienie statyczne

Newton zaktualizował drugie wydanie Optics (1717) o kolejną mechaniczno-eterową teorię grawitacji. W przeciwieństwie do swojego pierwszego wyjaśnienia (1675 - patrz Strumienie), zaproponował stacjonarny eter, który staje się coraz cieńszy w pobliżu ciał niebieskich. Na podobieństwo windy powstaje siła, która popycha wszystkie ciała do masy centralnej. Zminimalizował opór, stwierdzając wyjątkowo niską gęstość eteru grawitacyjnego.

Podobnie jak Newton, Leonhard Euler założył w 1760 r., że eter grawitacyjny traci gęstość zgodnie z prawem odwrotnych kwadratów. Podobnie jak inni Euler założył również, że aby zachować proporcjonalność masy, materia składa się głównie z pustej przestrzeni.

Krytyka : Zarówno Newton, jak i Euler nie podali żadnego powodu, dla którego gęstość tego statycznego eteru miałaby się zmienić. Co więcej, James Clerk Maxwell wskazał, że w tym „hydrostatycznym” modelu „ stan naprężenia… który musimy przypuszczać, że istnieje w niewidzialnym ośrodku, jest 3000 razy większy niż ten, który jest w stanie wytrzymać najmocniejsza stal ”.

Fale

Robert Hooke spekulował w 1671 roku, że grawitacja jest wynikiem emitowania przez wszystkie ciała fal we wszystkich kierunkach przez eter. Inne ciała, które oddziałują z tymi falami, poruszają się w kierunku źródła fal. Hooke dostrzegł analogię do tego, że małe obiekty na zaburzonej powierzchni wody przemieszczają się do centrum zaburzenia.

Podobną teorię opracował matematycznie James Challis w latach 1859-1876. Obliczył, że przypadek przyciągania występuje, gdy długość fali jest duża w porównaniu z odległością między grawitującymi ciałami. Jeśli długość fali jest mała, ciała odpychają się nawzajem. Poprzez kombinację tych efektów próbował również wyjaśnić wszystkie inne siły.

Krytyka : Maxwell sprzeciwił się, że teoria ta wymaga stałej produkcji fal, której musi towarzyszyć nieskończone zużycie energii. Sam Challis przyznał, że nie osiągnął określonego rezultatu ze względu na złożoność procesów.

Pulsacja

Lord Kelvin (1871) i Carl Anton Bjerknes (1871) założyli, że wszystkie ciała pulsują w eterze. Było to analogiczne do faktu, że jeśli pulsacja dwóch kul w płynie jest w fazie, przyciągają się one wzajemnie; a jeśli pulsacja dwóch sfer nie jest w fazie, będą się odpychać. Mechanizm ten został również wykorzystany do wyjaśnienia natury ładunków elektrycznych . Hipotezę tę badali m.in. również George Gabriel Stokes i Woldemar Voigt .

Krytyka  : Aby wyjaśnić powszechną grawitację, należy założyć, że wszystkie pulsacje we wszechświecie są w fazie – co wydaje się bardzo nieprawdopodobne. Ponadto eter powinien być nieściśliwy, aby przyciąganie pojawiało się również na większych odległościach. A Maxwell argumentował, że temu procesowi musi towarzyszyć trwała nowa produkcja i niszczenie eteru.

Inne spekulacje historyczne

W 1690 Pierre Varignon założył, że wszystkie ciała są wystawione na pchnięcia cząstek eteru ze wszystkich kierunków i że istnieje pewien rodzaj ograniczenia w pewnej odległości od powierzchni Ziemi, którego cząstki nie mogą przejść. Zakładał, że jeśli ciało znajduje się bliżej Ziemi niż granicy ograniczenia, to ciało doznałoby większego nacisku z góry niż z dołu, powodując, że spadłoby w kierunku Ziemi.

W 1748 r. Michaił Łomonosow założył, że działanie eteru jest proporcjonalne do całkowitej powierzchni elementów elementarnych, z których składa się materia (podobnie jak przed nim Huygens i Fatio). Zakładał też ogromną przepuszczalność ciał. Nie podał jednak żadnego jasnego opisu tego, jak dokładnie eter oddziałuje z materią, tak że powstaje prawo grawitacji.

W 1821 r. John Herapath próbował zastosować wspólnie opracowany model kinetycznej teorii gazów grawitacyjnych. Założył, że eter jest ogrzewany przez ciała i traci gęstość, przez co inne ciała są wypychane w te obszary o mniejszej gęstości. Taylor jednak wykazał, że zmniejszona gęstość spowodowana rozszerzalnością cieplną jest kompensowana przez zwiększoną prędkość ogrzanych cząstek; dlatego nie pojawia się przyciąganie.

Ostatnie teoretyzowanie

Te mechaniczne wyjaśnienia grawitacji nigdy nie zyskały powszechnej akceptacji, chociaż takie idee były od czasu do czasu badane przez fizyków aż do początku XX wieku, kiedy to powszechnie uważano je za ostatecznie zdyskredytowane. Jednak niektórzy badacze spoza głównego nurtu naukowego wciąż próbują dopracować pewne konsekwencje tych teorii.

Teorię Le Sage'a badali Radzievskii i Kagalnikova (1960), Shneiderov (1961), Buonomano i Engels (1976), Adamut (1982), Jaakkola (1996), Tom Van Flandern (1999) i Edwards (2007). Różnorodne modele Le Sage i powiązane tematy są omawiane w Edwards, et al.

Siła grawitacji spowodowana ciśnieniem statycznym była ostatnio badana przez Arminjona.

Bibliografia

Źródła