Mechaniczne wyjaśnienia grawitacji

Mechaniczne wyjaśnienia grawitacji (lub kinetyczne teorie grawitacji ) to próby wyjaśnienia działania grawitacji za pomocą podstawowych procesów mechanicznych , takich jak siły nacisku wywołane pchnięciem , bez użycia jakiegokolwiek działania na odległość . Teorie te rozwijały się od XVI do XIX wieku w związku z eterem . Jednak takie modele nie są już uważane za realne teorie w głównym nurcie społeczności naukowej i ogólnej teorii względności jest obecnie standardowym modelem opisującym grawitację bez użycia działań na odległość. Współczesne hipotezy „ kwantowej grawitacji ” również próbują opisać grawitację za pomocą bardziej fundamentalnych procesów, takich jak pola cząstek, ale nie opierają się one na mechanice klasycznej.

Ekranizacja

Główny artykuł: teoria grawitacji Le Sage'a

opracowana po raz pierwszy przez Nicolasa Fatio de Duillier w 1690 r., a ponownie wynaleziona między innymi przez Georges-Louis Le Sage (1748) , i Hendrik Lorentz (1900) oraz krytykowany przez Jamesa Clerka Maxwella (1875) i Henri Poincaré (1908).

Teoria zakłada, że ​​siła grawitacji jest wynikiem małych cząstek lub fal poruszających się z dużą prędkością we wszystkich kierunkach we wszechświecie . Zakłada się, że intensywność strumienia cząstek jest taka sama we wszystkich kierunkach, więc izolowany obiekt A jest uderzany jednakowo ze wszystkich stron, co skutkuje jedynie ciśnieniem skierowanym do wewnątrz ale bez wypadkowej siły kierunkowej. 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, A zostanie uderzony mniejszą liczbą cząstek niż z przeciwnego kierunku. Podobnie w B zostanie uderzone mniej cząstek z kierunku A niż z kierunku przeciwnego. Można powiedzieć, że A i B „osłaniają” się nawzajem, a dwa ciała są do siebie popychane przez wynikającą z tego nierównowagę sił.

P5: Przepuszczalność, tłumienie i proporcjonalność masy

Ten cień jest zgodny z prawem odwrotnych kwadratów, ponieważ nierównowaga przepływu pędu po całej kulistej powierzchni otaczającej obiekt jest niezależna od rozmiaru otaczającej kuli, podczas gdy pole powierzchni kuli zwiększa się proporcjonalnie do kwadratu promienia. Aby zaspokoić potrzebę proporcjonalności masy, teoria zakłada, że ​​a) podstawowe pierwiastki materii są bardzo małe, tak że materia składa się głównie z pustej przestrzeni, oraz b) że cząstki są tak małe, że tylko niewielka ich część byłaby zostać przechwycone przez grubą materię. Rezultat jest taki, że "cień" każdego ciała jest proporcjonalny do powierzchni każdego pojedynczego elementu materii.

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

Teoria wirów

Wiry eteru wokół ciał niebieskich

Ze względu na swoje przekonania filozoficzne René Descartes zaproponował w 1644 r., 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 okrężny, więc eter jest wypełniony wirami . Kartezjusz rozróżnia również różne formy i rozmiary materii, w których szorstka materia silniej opiera się ruchowi kołowemu niż drobna materia. Wskutek siła odśrodkowa , materia dąży do zewnętrznych krawędzi wiru, co powoduje tam kondensację tej materii. Szorstka materia nie może nadążyć za tym ruchem ze względu na swoją większą bezwładność — więc pod wpływem ciśnienia skondensowanej materii zewnętrznej części te zostaną wepchnięte do środka wiru. Według Kartezjusza to wewnętrzne ciśnienie nie jest niczym innym jak grawitacją. Porównał ten mechanizm z faktem, że jeśli obracające się naczynie wypełnione cieczą zostanie zatrzymane, ciecz zacznie się obracać. Teraz, jeśli ktoś wrzuci 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 opracowaną matematycznie. Założył, że cząsteczki eteru poruszają się we wszystkich kierunkach, ale zostały odrzucone na zewnętrznych granicach wiru, co powoduje (podobnie jak w przypadku Kartezjusza) większą koncentrację drobnej materii na zewnętrznych granicach. Tak więc również w jego modelu drobna materia wciska szorstką materię w środek wiru. Huygens odkrył również, że siła odśrodkowa jest równa sile, która działa w kierunku środka wiru ( siła dośrodkowa ). Stwierdził również, że ciała muszą składać się głównie z pustej przestrzeni, aby eter mógł łatwo przenikać przez ciała, co jest niezbędne do zachowania 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 jest niewystarczający z powodu braku mechanicznego wyjaśnienia prawa siły. Odkrycie Newtona, że ​​grawitacja podlega prawu odwrotnych kwadratów zaskoczył Huygensa i próbował to uwzględnić zakładając, że prędkość eteru jest mniejsza na większej odległości.

Krytyka : Isaac 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, w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu wiru. Większość księgi II Principia Mathematica poświęca obaleniu teorii wirów Kartezjusza. Również wyjaśnienie prawa odwrotnych kwadratów przez Huygensa jest kołowe , ponieważ oznacza to, że eter jest zgodny z trzecim prawem Keplera . Ale teoria grawitacji musi wyjaśniać te prawa i nie może ich zakładać.

Kilku brytyjskich fizyków rozwinęło teorię atomów wirowych pod koniec XIX wieku. Jednak fizyk William Thomson, 1. baron Kelvin , opracował całkiem odmienne podejście. Podczas gdy Kartezjusz nakreślił trzy rodzaje materii – każdy związany odpowiednio z emisją, transmisją i odbiciem światła – Thomson rozwinął teorię opartą na jednolitym kontinuum.

Kartezjańska teoria wirów odegrała ważną rolę w kopernikańskiej teorii słońca i wierzeniach w kosmos, w którym istnieje wiele gwiazd podobnych do Słońca, 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 zmniejszeniem gęstości eteru związanym ze zwiększoną prędkością przepływu. ” Zapewnił również, że taki proces jest zgodny z wszystkimi innymi jego pracami i prawami ruchu Keplera. Pomysł Newtona na spadek ciśnienia związany ze zwiększoną prędkością przepływu został matematycznie sformalizowany jako zasada Bernoulliego opublikowana w książce Daniela Bernoulliego Hydrodynamica w 1738 roku.

Jednak chociaż później zaproponował drugie wyjaśnienie (patrz sekcja poniżej), komentarze Newtona do tego pytania pozostały niejednoznaczne. W trzecim liście do Bentleya z 1692 roku napisał:

Nie do pomyślenia jest, aby nieożywiona materia zwierzęca bez pośrednictwa czegoś innego, co nie jest materialne, oddziaływała na inną materię i wpływała na nią bez wzajemnego kontaktu, co musi się dziać, jeśli grawitacja w sensie Epikura jest jej istotna i immanentna. I to jest jeden z powodów, dla których prosiłem, abyście nie przypisywali mi „wrodzonej grawitacji”. Że grawitacja powinna być wrodzona, nieodłączna i istotna dla materii, tak aby jedno ciało mogło oddziaływać na drugie na odległość, poprzez próżnię, bez pośrednictwa czegokolwiek innego, przez co ich działanie i siła mogą być przenoszone z jednego do drugiego inny jest dla mnie absurdem tak wielkim, że nie sądzę, by ktokolwiek, kto ma kompetentną zdolność myślenia w sprawach filozoficznych, mógł kiedykolwiek w niego wpaść. Grawitacja musi być spowodowana przez agenta działającego stale zgodnie z pewnymi prawami; ale to, czy czynnik ten będzie materialny, czy niematerialny, pozostawiłem do rozważenia moim czytelnikom.

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

Nie byłem jeszcze w stanie odkryć przyczyny tych właściwości grawitacji na podstawie zjawisk i nie stawiam hipotez. Wszystko bowiem, czego nie można wydedukować ze zjawisk, musi być nazwane hipotezą; a hipotezy, czy to metafizyczne, czy fizyczne, oparte na właściwościach okultystycznych czy mechaniczne, nie mają miejsca w filozofii eksperymentalnej. W tej filozofii twierdzenia szczegółowe wyprowadza się ze zjawisk, a następnie uogólnia przez indukcję.

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

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

Kolejną próbę rozwiązania problemu energetycznego podjął Iwan Osipowicz Jarkowski w 1888 roku. Opierając się na swoim modelu strumienia eteru, podobnym 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, znikanie energii bez wyjaśnienia narusza prawo zachowania energii . Musi też powstać jakiś opór, a nie jest znany żaden proces, który prowadzi do powstania materii.

Ciśnienie statyczne

Newton zaktualizował drugie wydanie Optics (1717) o inną 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 analogii do windy powstaje siła, która popycha wszystkie ciała do centralnej masy. 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 również założył, że dla zachowania proporcjonalności masy materia składa się głównie z pustej przestrzeni.

Krytyka : Zarówno Newton, jak i Euler nie podali powodu, dla którego gęstość tego statycznego eteru miałaby się zmieniać. Co więcej, James Clerk Maxwell zwrócił uwagę, że w tym „hydrostatycznym” modelu „ stan naprężeń… który, jak przypuszczamy, istnieje w niewidzialnym ośrodku, jest 3000 razy większy niż ten, który wytrzymałaby najmocniejsza stal ”.

Fale

Robert Hooke spekulował w 1671 r., Że grawitacja jest wynikiem tego, że wszystkie ciała emitują fale we wszystkich kierunkach przez eter. Inne ciała, które oddziałują z tymi falami, poruszają się w kierunku źródła fal. Hooke dostrzegł analogię do faktu, że małe obiekty na wzburzonej powierzchni wody przesuwają 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. Poprzez połączenie tych efektów próbował również wyjaśnić wszystkie inne siły.

Krytyka : Maxwell sprzeciwił się, że teoria ta wymaga stałej produkcji fal, czemu musi towarzyszyć nieskończone zużycie energii. Sam Challis przyznał, że nie osiągnął ostatecznego wyniku 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, będą się one przyciągać; a jeśli pulsacja dwóch kul nie jest w fazie, będą się one odpychać. Mechanizm ten wykorzystano również do wyjaśnienia natury ładunków elektrycznych . Hipotezę tę zbadali między innymi George Gabriel Stokes i Woldemar Voigt .

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

Inne historyczne spekulacje

W 1690 roku Pierre Varignon założył, że wszystkie ciała są narażone na odpychanie cząstek eteru ze wszystkich kierunków i że w pewnej odległości od powierzchni Ziemi istnieje jakieś ograniczenie, którego cząstki nie mogą pokonać. Założył, że jeśli ciało znajduje się bliżej Ziemi niż granicy ograniczenia, to ciało doświadczyłoby większego pchnięcia z góry niż z dołu, powodując opadnięcie w kierunku Ziemi.

W 1748 roku Michaił Łomonosow założył, że działanie eteru jest proporcjonalne do całkowitej powierzchni elementarnych składników, z których składa się materia (podobnie jak Huygens i Fatio przed nim). Zakładał też ogromną przenikalność ciał. Jednak nie podał jasnego opisu, jak dokładnie eter oddziałuje z materią, aby powstało prawo grawitacji.

W 1821 roku John Herapath próbował zastosować swój wspólnie opracowany model kinetycznej teorii gazów do grawitacji. Założył, że eter jest ogrzewany przez ciała i traci gęstość, tak że inne ciała są wypychane do tych obszarów o mniejszej gęstości. Jednak Taylor wykazał, że zmniejszona gęstość na skutek rozszerzalności cieplnej jest kompensowana przez zwiększoną prędkość ogrzanych cząstek; dlatego nie powstaje żadna atrakcja.

Ostatnie teoretyzowanie

Te mechaniczne wyjaśnienia grawitacji nigdy nie zyskały powszechnej akceptacji, chociaż fizycy od czasu do czasu badali takie idee aż do początku XX wieku, kiedy to powszechnie uważano, że zostały ostatecznie zdyskredytowane. Jednak niektórzy badacze spoza głównego nurtu naukowego wciąż próbują wypracować 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). Różne modele Le Sage i powiązane tematy są omówione w Edwards i in.

Grawitacja spowodowana ciśnieniem statycznym była ostatnio badana przez Arminjona.

Źródła

  • Aiton, EJ (1969), „Hipoteza strumienia eteru Newtona i prawo grawitacji odwrotnych kwadratów”, Annals of Science , 25 (3): 255–260, doi : 10,1080 / 00033796900200151
  • Poincaré, Henri (1914) [1908], „Teoria Lesage'a” , Science and Method , Londyn, Nowy Jork: Nelson & Sons, s. 246–253
  • Van Lunteren, F. (2002), „Nicolas Fatio de Duillier o mechanicznej przyczynie grawitacji”, w Edwards, MR (red.), Pushing Gravity: New Perspectives on Le Sage's Theory of Gravitation , Montreal: C. Roy Keys Inc., s. 41–59
Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Mechanical_explanations_of_gravitation&oldid=1137193618 ”