Войти
Механические объяснения гравитации (или кинетические теории гравитации) - это 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 века в связи с эфиром. Однако такие модели больше не считаются жизнеспособными теориями в рамках основного научного сообщества, 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.
Эта теория, вероятно, является наиболее известным механическим объяснением; она была впервые разработана Николя Фатио де Дуйе в 1690 году и заново изобретена, среди прочего, Жоржем-Луи Ле Сажем (1748), лордом Кельвином (1872), и Хендрик Лоренц (1900), критикуемый Джеймсом Клерком Максвеллом (1875) и Анри Пуанкаре (1908).
Теория утверждает, что сила тяжести является результатом 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 ударяется одинаково со всех сторон, что приводит только к давлению, направленному внутрь, но не к результирующей направленной силе. Однако при наличии второго объекта B часть частиц, которые в противном случае столкнулись бы с A со стороны B, перехватывается, поэтому B работает как щит, так сказать, то есть со стороны B, А будет поражено меньшим количеством частиц, чем с противоположного направления. Точно так же в B будет попадать меньшее количество частиц со стороны A, чем с противоположного направления. Можно сказать, что A и B «следят» друг за другом, и два тела подталкиваются друг к другу из-за возникающего дисбаланса сил.
P5: проницаемость, затухание и массовая пропорциональность Эта тень подчиняется закону обратных квадратов, потому что дисбаланс потока количества движения по всей сферической поверхности, окружающей объект, не зависит от размера окружающей 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) частицы настолько малы, что только малая их часть быть перехваченным грубой материей. В результате «тень» каждого тела пропорциональна поверхности каждого отдельного элемента материи.
Критика: эта теория была отклонена главным образом по термодинамическим причинам, потому что тень появляется в этой модели 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. Эта проблема может быть решена, если предположить сверхсветовые скорости, но это решение в значительной степени увеличивает тепловые проблемы и противоречит специальной теории относительности.
Эфирные вихри вокруг небесных тел Из-за своих философских убеждений Рене Декарт в 1644 году предположил, что пустое пространство не может существовать и что пространство, следовательно, 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, согласно Декарту, подразумевает, что каждое движение является круговым, поэтому эфир наполнен вихрями. Декарт также различает разные формы и размеры материи, в которой грубая материя сопротивляется круговому движению сильнее, чем тонкая материя. Из-за центробежной силы вещество стремится к внешним краям вихря, что вызывает конденсацию этого вещества там. Грубая материя не может следовать за этим движением из-за своей большей инерции - поэтому из-за давления конденсированной внешней материи эти части будут выталкиваться в центр вихря. Согласно Декарту, это внутреннее давление есть не что иное, как гравитация. Он сравнил этот механизм с тем фактом, что если вращающийся сосуд, наполненный жидкостью, останавливается, жидкость продолжает вращаться. Теперь, если бросить в сосуд маленькие кусочки легкой материи (например, дерева), они переместятся в середину сосуда.
Следуя основным посылкам Декарта, Христиан Гюйгенс между 1669 и 1690 годами разработал гораздо более точную модель вихря. Эта модель была первой теорией гравитации, разработанной математически. Он предположил, что частицы эфира движутся во всех направлениях, но отбрасываются назад к внешним границам вихря, и это вызывает (как в случае Декарта) большую концентрацию тонкой материи на внешних границах. Так и в его модели тонкая материя вдавливает грубую материю в центр вихря. Гюйгенс также выяснил, что центробежная сила равна силе, действующей в направлении центра вихря ( центростремительной силе ). Он также утверждал, что тела должны состоять в основном из пустого пространства, чтобы эфир мог легко проникать в тела, что необходимо для пропорциональности масс. Далее он пришел к выводу, что эфир движется намного быстрее падающих тел. В это время Ньютон разработал свою теорию гравитации, основанную на притяжении, и, хотя Гюйгенс согласился с математическим формализмом, он сказал, что модели было недостаточно из-за отсутствия механического объяснения закона силы. Открытие Ньютона того, что гравитация подчиняется закону обратных квадратов, удивило Гюйгенса, и он попытался учесть это, предположив, что скорость эфира меньше на большем расстоянии.
Критика: Ньютон возражал против теории, потому что сопротивление должно приводить к заметным отклонениям орбит, которые не наблюдались. Другая проблема заключалась в том, что спутники часто движутся в разных направлениях против направления движения вихря. Кроме того, объяснение Гюйгенсом закона обратных квадратов является круговым, потому что это означает, что эфир подчиняется третьему закону Кеплера. Но теория гравитации должна объяснять эти законы, а не предполагать их.
Несколько британских физиков разработали теорию вихревого атома в конце девятнадцатого века. Однако физик Уильям Томсон, первый барон Кельвин, разработал совершенно иной подход. В то время как Декарт выделил три вида материи, каждый из которых связан соответственно с излучением, пропусканием и отражением света, Томсон разработал теорию, основанную на едином континууме.
Теория декартовых вихрей сыграла важную роль в теории Коперника, центрированной на Солнце, и в вере в космос, в котором существует множество звезд, таких как Солнце, в окружении множества планет, вращающихся вокруг них.
В письме 1675 года Генри Ольденбургу, а затем Роберту Бойлю, Ньютон написал следующее: [Гравитация является результатом] «конденсации, вызывающей поток эфира с соответствующим уменьшением плотности эфира, связанным с повышенной скоростью потока. ” Он также утверждал, что такой процесс согласуется со всеми его другими работами и законами движения Кеплера. Идея Ньютона о перепаде давления, связанном с увеличением скорости потока, была математически формализована как принцип Бернулли, опубликованный в книге Даниэля Бернулли Hydrodynamica в 1738 году.
Однако, хотя позже он предложил второе объяснение (см. Раздел ниже), комментарии Ньютона к этому вопросу остались неоднозначными. В третьем письме Бентли в 1692 году он писал:
Невозможно представить, чтобы неодушевленная грубая материя без посредничества чего-то еще, что не является материальным, действовала на другую материю и влияла на нее без взаимного контакта, как это должно происходить, если гравитация в смысле Эпикура существенна и присуща ей. И это одна из причин, почему я хотел, чтобы вы не приписывали мне «врожденную гравитацию». Эта гравитация должна быть врожденной, неотъемлемой и существенной для материи, чтобы одно тело могло воздействовать на другое на расстоянии, через вакуум, без посредничества чего-либо еще, и через которые их действие и сила могут передаваться от одного к другому. другое - для меня настолько абсурдно, что я верю, что ни один человек, обладающий в философских вопросах грамотным мышлением, никогда не сможет в него попасть. Гравитация должна быть вызвана агентом, постоянно действующим в соответствии с определенными законами; но независимо от того, является ли этот агент материальным или нематериальным, я оставил на рассмотрение моих читателей.
С другой стороны, Ньютон также хорошо известен фразой Hypotheses non fingo, написанной в 1713 году:
Я еще не смог обнаружить причину этих свойств гравитации на основе явлений, и я не выдвигаю гипотезы. Ибо все, что не выводится из явлений, следует называть гипотезой; а гипотезы, будь то метафизические или физические, или основанные на оккультных качествах, или механические, не имеют места в экспериментальной философии. В этой философии частные положения выводятся из явлений, а затем с помощью индукции становятся общими.
И согласно свидетельствам некоторых из его друзей, таких как Николя Фатио де Дуйе или Давид Грегори, Ньютон считал, что гравитация основана непосредственно на божественном влиянии.
Подобно Ньютону, но математически более подробно, Бернхард Риман предположил в 1853 году, что гравитационный эфир является несжимаемой жидкостью, а нормальная материя представляет собой опускания в этом эфире. Итак, если эфир разрушается или поглощается пропорционально массам внутри тел, возникает поток и уносит все окружающие тела в направлении центральной массы. Риман предположил, что поглощенный эфир переносится в другой мир или измерение.
Еще одна попытка решить энергетическую проблему была предпринята Иваном Осиповичем Ярковским в 1888 году. Основываясь на своей модели потока эфира, аналогичной модели Римана, он утверждал, что поглощенный эфир может быть преобразован 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, приводящий к созданию материи, неизвестен.
Ньютон дополнил второе издание « Оптики» (1717 г.) другой теорией гравитации на основе механического эфира. В отличие от своего первого объяснения (1675 г. - см. «Потоки»), он предложил стационарный эфир, который становится все тоньше и тоньше рядом с небесными телами. По аналогии с лифтом возникает сила, которая толкает все тела к центральной массе. Он минимизировал сопротивление, заявив о чрезвычайно низкой плотности гравитационного эфира.
Как и Ньютон, Леонард Эйлер предположил в 1760 году, что гравитационный эфир теряет плотность в соответствии с законом обратных квадратов. Подобно другим, Эйлер также предположил, что для сохранения пропорциональности масс материя состоит в основном из пустого пространства.
Критика: И Ньютон, и Эйлер не указали причин, по которым плотность этого статического эфира должна измениться. Более того, Джеймс Клерк Максвелл указал, что в этой «гидростатической» модели « состояние напряжения... которое, как мы должны предположить, существует в невидимой среде, в 3000 раз больше, чем то, которое может выдержать самая прочная сталь ».
Роберт Гук предположил в 1671 году, что гравитация - это результат того, что все тела испускают волны во всех направлениях через эфир. Другие тела, которые взаимодействуют с этими волнами, движутся в направлении источника волн. Гук увидел аналогию с тем, что небольшие объекты на возмущенной поверхности воды перемещаются к центру возмущения.
Похожая теория была разработана математически Джеймсом Чаллисом с 1859 по 1876 год. Он подсчитал, что случай притяжения возникает, если длина волны велика по сравнению с расстоянием между гравитирующими телами. Если длина волны мала, тела отталкиваются друг от друга. Комбинацией этих эффектов он также пытался объяснить все другие силы.
Критика: Максвелл возражал, что эта теория требует постоянного производства волн, которое должно сопровождаться бесконечным потреблением энергии. Сам Чаллис признал, что не достиг определенного результата из-за сложности процессов.
Лорд Кельвин (1871) и Карл Антон Бьеркнес (1871) предположили, что все тела пульсируют в эфире. Это было аналогично тому, что, если пульсация двух сфер в жидкости синфазна, они будут притягиваться друг к другу; и если пульсация двух сфер не в фазе, они будут отталкиваться друг от друга. Этот механизм также использовался для объяснения природы электрических зарядов. Среди прочего, эту гипотезу исследовали Джордж Габриэль Стоукс и Вольдемар Фойгт.
Критика : чтобы объяснить всемирную гравитацию, нужно предположить, что все пульсации во Вселенной синфазны, что кажется очень неправдоподобным. Кроме того, эфир должен быть несжимаемым, чтобы притяжение возникало и на больших расстояниях. И Максвелл утверждал, что этот процесс должен сопровождаться постоянным новым производством и разрушением эфира.
В 1690 году Пьер Вариньон предположил, что все тела подвергаются толчкам частиц эфира со всех сторон и что на определенном расстоянии от поверхности Земли существует какое-то ограничение, которое частицы не могут пройти. Он предположил, что если тело находится ближе к Земле, чем к границе ограничения, то тело будет испытывать больший толчок сверху, чем снизу, в результате чего оно упадет на Землю.
В 1748 году Михаил Ломоносов предположил, что действие эфира пропорционально всей поверхности элементарных компонентов, из которых состоит материя (подобно Гюйгенсу и Фатио до него). Он также предполагал огромную проницаемость тел. Однако он не дал четкого описания того, как именно эфир взаимодействует с материей, так что 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 с более низкой плотностью. Однако Тейлор показал, что снижение плотности из-за теплового расширения компенсируется увеличением скорости нагретых частиц; следовательно, никакого притяжения не возникает.
Эти механические объяснения гравитации так и не получили широкого признания, хотя такие идеи продолжали время от времени изучать физики до начала двадцатого века, когда к этому времени они, как правило, считались окончательно дискредитированными. Однако некоторые исследователи, не относящиеся к основному научному направлению, все еще пытаются выяснить некоторые следствия этих теорий.
Теорию Ле Сажа изучали Радзиевский и Кагальникова (1960), Шнейдеров (1961), Буономано и Энгельс (1976), Адамут (1982), Яаккола (1996), Том Ван Фландерн (1999) и Эдвардс (2007). Различные модели Le Sage и связанные с ними темы обсуждаются в Edwards, et al.
Гравитация, вызванная статическим давлением, недавно была изучена Арминджоном.
