Механические объяснения гравитации (или кинетические теории гравитации ) являются попытками объяснить действие гравитации с помощью основных механических процессов, таких как силы давления , вызванные толчками , без использования какого-либо действия на расстоянии . Эти теории были разработаны с 16-го по 19-й век 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, [1] является наиболее известным механическим объяснением. Она была впервые разработана Николя Фатио де Дюилье в 1690 году и переосмыслена, среди прочих, Жоржем-Луи Ле Сажем (1748), лордом Кельвином (1872) и Хендриком Лоренцем (1900), а также подвергнута критике Джеймсом Клерком Максвеллом (1875) и Анри Пуанкаре (1908).
Теория постулирует, что сила гравитации является результатом движения крошечных частиц или волн с высокой скоростью во всех направлениях по всей Вселенной . Предполагается, что интенсивность потока частиц одинакова во всех направлениях, поэтому изолированный объект A подвергается удару одинаково со всех сторон, что приводит только к давлению, направленному внутрь , но не к чистой направленной силе. Однако при наличии второго объекта B часть частиц, которые в противном случае ударили бы по A со стороны B, перехватывается, поэтому B работает как щит, так сказать, — то есть со стороны B A будет поражено меньшим количеством частиц, чем с противоположного направления. Аналогично, B будет поражено меньшим количеством частиц со стороны A, чем с противоположного направления. Можно сказать, что A и B «затеняют» друг друга, и два тела подталкиваются друг к другу результирующим дисбалансом сил.
Эта тень подчиняется закону обратных квадратов, поскольку дисбаланс потока импульса по всей сферической поверхности, охватывающей объект, не зависит от размера охватывающей сферы, тогда как площадь поверхности сферы увеличивается пропорционально квадрату радиуса. Чтобы удовлетворить потребность в пропорциональности масс, теория постулирует, 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 малая их часть будет перехвачена грубой материей. Результатом является то, что «тень» каждого тела пропорциональна поверхности каждого отдельного элемента материи.
Критика : Эта теория была отклонена в первую очередь 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, т. е. сопротивление потоков частиц в направлении движения. Эту проблему можно решить, предположив сверхсветовые скорости, но это решение значительно увеличивает тепловые проблемы и противоречит специальной теории относительности . [2] [3]
Из-за своих философских убеждений Рене Декарт в 1644 году предположил, что пустого пространства не может существовать и что пространство, следовательно, должно быть заполнено материей . Части этой материи стремятся двигаться по прямым траекториям, но поскольку они лежат близко друг к другу, они не могут двигаться свободно, что, по Декарту, подразумевает, что каждое движение является круговым, поэтому эфир заполнен вихрями . Декарт также различает различные формы и размеры материи, в которых грубая материя сопротивляется круговому движению сильнее, чем тонкая материя. Из-за центробежной силы материя стремится к внешним краям вихря, что вызывает там конденсацию этой материи. Грубая материя не может следовать этому движению из-за своей большей инерции — поэтому из-за давления конденсированной внешней материи эти части будут вталкиваться в центр вихря. По Декарту, это внутреннее давление есть не что иное, как гравитация. Он сравнил этот механизм с тем фактом, что если вращающийся, заполненный жидкостью сосуд остановить, жидкость продолжит вращаться. Теперь, если бросить в сосуд небольшие кусочки легкой материи (например, дерева), то они переместятся в середину сосуда. [4] [5] [6] Эту идею о формировании космоса вихрями материи предшествовали древние досократовские атомисты Левкипп и Демокрит . [7]
Следуя основным положениям Декарта, Христиан Гюйгенс между 1669 и 1690 годами разработал гораздо более точную модель вихря. Эта модель была первой теорией гравитации, которая была разработана математически. Он предположил, что частицы эфира движутся во всех направлениях, но отбрасываются назад на внешних границах вихря, и это вызывает (как в случае Декарта) большую концентрацию тонкой материи на внешних границах. Так же и в его модели тонкая материя вдавливает грубую материю в центр вихря. Гюйгенс также обнаружил, что центробежная сила равна силе, которая действует 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 масс. Он также пришел к выводу, что эфир движется намного быстрее падающих тел. В это время Ньютон разработал свою теорию гравитации, которая основана на притяжении, и хотя Гюйгенс согласился с математическим формализмом, он сказал, что модель была недостаточной из-за отсутствия механического объяснения закона силы. Открытие Ньютона, что гравитация подчиняется закону обратных квадратов, удивило Гюйгенса, и он попытался принять это во внимание, предположив, что скорость эфира меньше на большем расстоянии. [6] [8] [9]
Критика : Ньютон возражал против теории, потому что сопротивление должно приводить к заметным отклонениям орбит, которые не наблюдались. [10] Другая проблема заключалась в том, что луны часто движутся в разных направлениях, против направления вихревого движения. 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. [6] [10]
Несколько британских физиков разработали вихревую теорию атома в конце девятнадцатого века. Однако физик Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин , разработал совершенно иной подход. В то время как Декарт выделил три вида материи — каждый из которых был связан соответственно с излучением, передачей и отражением света — Томсон разработал теорию, основанную на унитарном континууме. [11]
В письме 1675 года Генри Ольденбургу , а позднее Роберту Бойлю , Ньютон написал следующее: [Гравитация является результатом] «конденсации, вызывающей поток эфира с соответствующим разрежением плотности эфира, связанным с увеличением скорости потока». Он также утверждал, что такой процесс согласуется со всеми его другими работами и законами движения Кеплера. [12] Идея Ньютона о падении давления, связанном с увеличением скорости потока, была математически формализована как принцип Бернулли, опубликованный в книге Даниила Бернулли «Гидродинамика» в 1738 году.
Однако, хотя он позже предложил второе объяснение (см. раздел ниже), комментарии Ньютона по этому вопросу остались двусмысленными. В третьем письме Бентли в 1692 году он написал: [13]
Немыслимо, чтобы неодушевленная грубая материя могла, без посредничества чего-то еще, что не является материальным, воздействовать на другую материю и влиять на нее, без взаимного контакта, как это должно быть, если гравитация в смысле Эпикура существенна и присуща ей. И это одна из причин, по которой я хотел бы, чтобы вы не приписывали мне «врожденную гравитацию». То, что гравитация должна быть врожденной, присущей и существенной для материи, так что одно тело может воздействовать на другое на расстоянии, через вакуум, без посредничества чего-либо еще, посредством чего их действие и сила могут передаваться от одного к другому, для меня является таким большим абсурдом, что я считаю, что ни один человек, обладающий компетентной способностью мыслить в философских вопросах, никогда не сможет впасть в него. Гравитация должна быть вызвана агентом, действующим постоянно в соответствии с определенными законами; но является ли этот агент материальным или нематериальным, я предоставил рассмотреть моим читателям.
С другой стороны, Ньютон также хорошо известен своей фразой «Hypotheses non fingo» , написанной в 1713 году: [14]
Я пока не смог обнаружить причину этих свойств гравитации из явлений, и я не выдумываю гипотез. Ибо все, что не выводится из явлений, должно быть названо гипотезой; и гипотезы, будь то метафизические или физические, или основанные на оккультных качествах, или механические, не имеют места в экспериментальной философии. В этой философии частные предложения выводятся из явлений, а затем делаются общими посредством индукции.
И по свидетельству некоторых его друзей, таких как Николя Фатио де Дюилье или Дэвид Грегори , Ньютон считал, что гравитация основана непосредственно на божественном влиянии. [9]
Подобно Ньютону, но математически более подробно, Бернхард Риман предположил в 1853 году, что гравитационный эфир является несжимаемой жидкостью , а обычная материя представляет собой стоки в этом эфире. Таким образом, если эфир разрушается или поглощается пропорционально массам внутри тел, возникает поток, который переносит все окружающие тела в направлении центральной массы. Риман предположил, что поглощенный эфир переносится в другой мир или измерение. [15]
Еще одна попытка решить энергетическую проблему была предпринята Иваном Осиповичем Ярковским в 1888 году. Основываясь на своей модели эфирного потока, которая была похожа на модель Римана, он утверждал, что поглощенный эфир может быть преобразован в новую материю, что приведет к увеличению массы небесных тел. [16]
Критика : Как и в случае с теорией Лесажа, исчезновение энергии без объяснения нарушает закон сохранения энергии . Также должно возникнуть некоторое сопротивление, и неизвестен ни один процесс, который приводит к созданию материи.
Ньютон обновил второе издание Оптики (1717) другой механико-эфирной теорией гравитации. В отличие от своего первого объяснения (1675 – см. Потоки), он предложил неподвижный эфир, который становится все тоньше и тоньше вблизи небесных тел. 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 поддержания пропорциональности масс материя состоит в основном из пустого пространства. [17]
Критика : И Ньютон, и Эйлер не привели никаких причин, по которым плотность этого статического эфира должна была бы 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 того, которое могла бы выдержать самая прочная сталь ». [18]
Роберт Гук предположил в 1671 году, что гравитация является результатом 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 фактом, что небольшие объекты на возмущенной поверхности воды движутся к центру возмущения. [19]
Аналогичная теория была разработана математически 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 также пытался объяснить все другие силы. [20]
Критика : Максвелл возражал, что эта теория требует постоянного производства волн, которое должно сопровождаться бесконечным потреблением энергии. [21] Сам Чаллис признал, что он не достиг определенного результата из-за сложности процессов. [19]
Лорд Кельвин (1871) и Карл Антон Бьеркнес (1871) предположили, что все тела пульсируют в эфире. Это было по аналогии с тем фактом, что если пульсация двух сфер в жидкости находится в фазе, они будут притягиваться друг к другу; а если пульсация двух сфер не находится в фазе, они будут отталкиваться друг от друга. Этот механизм также использовался для объяснения природы электрических зарядов . Среди прочих, эта гипотеза также была исследована Джорджем Габриэлем Стоксом и Вольдемаром Фойгтом . [22]
Критика : Чтобы объяснить всемирное тяготение, приходится предполагать, что все пульсации во вселенной находятся в фазе, что кажется крайне неправдоподобным. Кроме того, эфир должен быть несжимаемым, чтобы гарантировать возникновение притяжения и на больших расстояниях. [22] И Максвелл утверждал, что этот процесс должен сопровождаться постоянным новым производством и разрушением эфира. [18]
В 1690 году Пьер Вариньон предположил, что все тела подвергаются толчкам со стороны частиц эфира со всех сторон, и что на определенном расстоянии от поверхности Земли существует некое ограничение, которое частицы не могут преодолеть. Он предположил, что если тело находится ближе к Земле, чем к границе ограничения, то оно будет испытывать больший толчок сверху, чем снизу, заставляя его падать к Земле. [23]
В 1748 году Михаил Ломоносов предположил, что воздействие эфира пропорционально полной поверхности элементарных компонентов, из которых состоит материя (подобно Гюйгенсу и Фатио до него). Он также предположил огромную проницаемость тел. Однако им не было дано ясного описания того, как именно эфир взаимодействует с материей, так что возникает закон тяготения. [24]
В 1821 году Джон Герапат 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 меньшей плотностью. [25] Однако Тейлор показал, что уменьшение плотности из-за теплового расширения компенсируется увеличением скорости нагретых частиц; поэтому притяжения не возникает. [19]
Эти механические объяснения гравитации так и не получили широкого признания, хотя такие идеи продолжали время от времени изучаться физиками вплоть до начала двадцатого века, к тому времени они, как правило, считались окончательно дискредитированными. Однако некоторые исследователи за пределами научного мейнстрима все еще пытаются вывести некоторые следствия из этих теорий.
Теорию Лесажа изучали Радзиевский и Кагальникова (1960), [26] Шнейдеров (1961), [27] Буономано и Энгельс (1976), [28] Адамут (1982), [29] и Эдвардс (2014). [30]
Гравитация, вызванная статическим давлением, была недавно изучена Арминжоном. [31] [32]
{{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
{{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )