Механические объяснения гравитации - Mechanical explanations of gravitation

Механические объяснения гравитации (или же кинетические теории гравитации) - это попытки объяснить действие сила тяжести с помощью основных механический процессы, такие как давление силы, вызванные толкает, без использования каких-либо действие на расстоянии. Эти теории развивались с 16 по 19 века в связи с эфир. Однако такие модели больше не считаются жизнеспособными теориями в рамках основного научного сообщества и общая теория относительности в настоящее время является стандартной моделью для описания гравитации без использования действий на расстоянии. Современное "квантовая гравитация «Гипотезы 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 Ле Сажа

Эта теория вероятно[1] наиболее известное механическое объяснение и было впервые разработано Николя Фатио де Дуйе в 1690 году и заново изобретен, среди прочего, Жорж-Луи Ле Саж (1748), Лорд Кельвин (1872 г.), и Хендрик Лоренц (1900) и подвергался критике со стороны Джеймс Клерк Максвелл (1875), и Анри Пуанкаре (1908).

Теория утверждает, что сила гравитации - результат крошечных частицы или же волны движется с большой скоростью во всех направлениях, вселенная. Предполагается, что интенсивность потока частиц одинакова во всех направлениях, поэтому изолированный объект A поражается одинаково со всех сторон, в результате чего возникает только направленный внутрь давление но нет чистой направленной силы. 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 «затмевают» друг друга, 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, в то время 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 в первую очередь за термодинамический Причина в том, 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 перетащите, т.е. сопротивление потоков частиц в направлении движения также является большой проблемой. Эта проблема может быть решена, если предположить сверхсветовые скорости, но это решение значительно увеличивает тепловые проблемы и противоречит специальная теория относительности.[2][3]

Вихрь

Эфирные вихри вокруг небесных тел

Из-за своих философских убеждений, Рене Декарт предложил в 1644 г., что не пусто Космос могут существовать, и, следовательно, это пространство должно быть заполнено иметь значение. 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 вихри. Декарт также различает различные формы и размеры материи, в которой грубая материя сопротивляется круговому движению сильнее, чем тонкая материя. Из-за центробежная сила, материя стремится к внешним краям вихря, что вызывает конденсацию этого вещества там. Грубая материя не может следовать за этим движением из-за его большей инерция - поэтому из-за давления сконденсированного внешнего вещества эти части будут вытолкнуты 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, заполненный жидкостью, останавливается, жидкость продолжает вращаться. Теперь, если бросить в сосуд маленькие кусочки легкой материи (например, дерева), они переместятся в середину сосуда.[4][5][6]

Следуя основным посылкам Декарта, Кристиан Гюйгенс между 1669 и 1690 годами была разработана гораздо более точная 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 (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. 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, что гравитация подчиняется закон обратных квадратов удивил Гюйгенса, и он попытался учесть это, предположив, что скорость эфира меньше на большем расстоянии.[6][7][8]

Критика: Ньютон возражал против теории, потому что тащить должно приводить к заметным отклонениям орбит, которых не наблюдалось.[9] Другая проблема заключалась в том, что луны часто движутся в разных направлениях, против направления движения вихря. Кроме того, Гюйгенс объясняет закон обратных квадратов. круговой, потому что это означает, что эфир подчиняется Третий закон Кеплера. Но теория гравитации должна объяснять эти законы, а не предполагать их.[6][9]

Несколько британских физиков разработали теория вихревого атома в конце девятнадцатого века. Однако физик, Уильям Томсон, первый барон Кельвин, разработал довольно четкий 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.[10]

Потоки

В письме 1675 г. Генри Ольденбург, а позже Роберт Бойл Ньютон писал 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.[11] Идея Ньютона о падении давления, связанном с увеличением скорости потока, была математически формализована как Принцип Бернулли опубликовано в книге Даниэля Бернулли Гидродинамика в 1738 г.

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:[12]

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 согласно определенным законам; но будет ли этот агент материальным или нематериальным, я оставил на рассмотрение моих читателей.

С другой стороны, Ньютон также известен фразой Гипотезы не финго, написано в 1713 году:[13]

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; и 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 по свидетельству некоторых его друзей, таких как Николя Фатио де Дуйе или же Дэвид Грегори, Ньютон думал, что гравитация основана непосредственно на божественном влиянии.[8]

Подобно Ньютону, но математически более подробно, Бернхард Риманн предположил в 1853 г., что гравитационный эфир является несжимаемая жидкость а обычная материя представляет собой раковины 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.[14]

Еще одну попытку решить энергетическую проблему предпринял Иван Осипович Ярковский в 1888 году. Основываясь на своей модели потока эфира, которая была похожа на модель Римана, он утверждал, что поглощенный эфир может быть преобразован в новую материю, что приведет к увеличению массы небесных тел.[15]

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.

Статическое давление

Ньютон обновил второе издание Оптика (1717) с другой теорией гравитации 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 поднимать возникает сила, которая толкает все тела к центральной массе. Он минимизировал сопротивление, заявив о крайне низкой плотности гравитационного эфира.

Как Ньютон, Леонард Эйлер предположил в 1760 г., 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.[16]

Критика: И Ньютон, и Эйлер не объяснили, почему 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".[17]

Волны

Роберт Гук В 1671 году предположил, 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 видел аналогию с тем, что небольшие объекты на возмущенной поверхности воды перемещаются к центру возмущения.[18]

Аналогичная теория была разработана математически Джеймс Чаллис 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.[19]

Критика: Максвелл возразил, что эта теория требует устойчивого производства волн, которое должно сопровождаться бесконечным потреблением энергии.[20]Сам Чаллис признал, что не достиг определенного результата из-за сложности процессов.[18]

Пульсация

Лорд Кельвин (1871) и Карл Антон Бьеркнес (1871) предположили, что все тела пульсируют в эфире. Это было аналогично тому факту, что, если пульсация двух сфер в жидкости синфазна, они будут притягиваться друг к другу; и если пульсация двух сфер равна нет по фазе они будут отталкивать друг друга. Этот механизм также использовался для объяснения природы электрические заряды. Среди прочего, эта гипотеза также была исследована Джордж Габриэль Стоукс и Вольдемар Фойгт.[21]

Критика : Чтобы объяснить универсальную 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.[21] Максвелл утверждал, что этот процесс должен сопровождаться постоянным новым производством и разрушением эфира.[17]

Другие исторические предположения

В 1690 г. Пьер Вариньон Предполагается, 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.[22]

В 1748 г. Михаил Ломоносов Предполагается, 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 гравитации.[23]

В 1821 г. Джон Герапат пытался применить разработанную им совместно модель кинетическая теория газов по гравитации. Он предположил, что эфир нагревается телами и теряет плотность, так что другие тела выталкиваются в эти области с более низкой плотностью.[24]Однако Тейлор показал, что снижение плотности из-за тепловое расширение компенсируется повышенной скоростью нагретых частиц; следовательно, никакого притяжения не возникает.[18]

Недавнее теоретизирование

Эти механические объяснения гравитации так и не получили широкого признания, хотя такие идеи продолжали время от времени изучаться физиками до начала двадцатого века, когда они, как правило, считались окончательно дискредитированными. Однако некоторые исследователи, не относящиеся к основному научному направлению, все еще пытаются выяснить некоторые следствия этих теорий.

Теория Ле Сажа исследовали Радзиевский и Кагальникова (1960),[25] Шнейдеров (1961),[26] Буономано и Энгельс (1976),[27] Адамут (1982),[28] Яаккола (1996),[29] Том Ван Фландерн (1999),[30] и Эдвардс (2007).[31] Различные модели Le Sage и связанные темы обсуждаются в Edwards, et al.[32]

Гравитация, вызванная статическим давлением, недавно была изучена Арминджоном.[33]

Рекомендации

  1. ^ Тейлор (1876 г.), Пек (1903 г.), вторичные источники
  2. ^ Пуанкаре (1908), Вторичные источники
  3. ^ Максвелл (1875, Атом), Вторичные источники
  4. ^ Декарт, Р. (1824–1826), Кузен, В. (ред.), "Принципы философии (1644 г.)", Oeuvres de Descartes, Париж: Ф.-Г. Левро, 3
  5. ^ Декарт, 1644; Zehe, 1980, стр. 65–70; Ван Люнтерен, стр. 47
  6. ^ а б c Zehe (1980), Вторичные источники
  7. ^ Гюйгенс, К. (1944), Société Hollaise des Sciences (ed.), "Discours de la Cause de la Pesanteur (1690)", Oeuvres Complètes de Christiaan Huygens, Ден Хааг, 21: 443–488
  8. ^ а б Ван Люнтерен (2002), вторичные источники
  9. ^ а б Ньютон, И. (1846), Принципы Ньютона: математические принципы натурфилософии (1687 г.), Нью-Йорк: Дэниел Ади
  10. ^ Краг, Хельге (2002). «Вихревой атом: викторианская теория всего». Центавр. 44 (1–2): 32–114. Дои:10.1034 / j.1600-0498.2002.440102.x. ISSN  0008-8994. Получено 9 марта 2019.
  11. ^ И. Ньютон, письма, подробно цитируемые в книге Эдвина Артура Бертта «Метафизические основы современной физической науки», «Двойные дневные якорные книги».
  12. ^ http://www.newtonproject.ox.ac.uk/view/texts/normalized/THEM00258 Ньютон, 1692 г., 4-е письмо Бентли
  13. ^ Исаак Ньютон (1726). Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, General Scholium. Издание третье, стр. 943 г. И. Бернард Коэн и перевод Энн Уитмен 1999 г., Калифорнийский университет Press ISBN  0-520-08817-4, 974 с.
  14. ^ Риман, Б. (1876 г.), Dedekind, R .; Вебер, W. (ред.), "Neue Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie", Bernhard Riemanns Werke und Gesammelter Nachlass, Лейпциг: 528–538
  15. ^ Ярковский, И. (1888), Hypothese cinetique de la Gravitation universelle et connexion avec la Formation des elements chimiques, Москва
  16. ^ Эйлер, Л. (1776), Briefe an eine deutsche Prinzessin, Nr. 50, 30 августа 1760 г., Лейпциг, стр. 173–176, ISBN  9785875783876
  17. ^ а б Максвелл (1875, Привлечение), Вторичные источники
  18. ^ а б c Тейлор (1876 г.), Вторичные источники
  19. ^ Чаллис, Дж. (1869), Примечания к принципам чистого и прикладного расчета, Кембридж
  20. ^ Максвелл (1875 г.), Вторичные источники
  21. ^ а б Ценнек (1903), Вторичные источники
  22. ^ Вариньон, П. (1690), Новые гипотезы о песнях, Париж
  23. ^ Ломоносов, М. (1970), Генри М. Лестер (редактор), "О соотношении количества материала и веса (1758 г.)", Михаил Васильевич Ломоносов о корпускулярной теории, Кембридж: Издательство Гарвардского университета: 224–233
  24. ^ Херапат, Дж. (1821), «О причинах, законах и явлениях тепла, газов, гравитации», Анналы философии, Париж, 9: 273–293
  25. ^ Радзиевский, В. & Кагальникова, И. (1960), «Природа гравитации», Всесоюз. Астроном.-Геодезич. Общ. Бюл., 26 (33): 3–14 Примерный перевод на английский язык появился в техническом отчете правительства США: FTD TT64 323; ТТ 64 11801 (1964), Иностранные технологии. Div., Air Force Systems Command, Wright-Patterson AFB, Огайо (перепечатано в Толкая гравитацию)
  26. ^ Шнейдеров, А. Дж. (1961), «О внутренней температуре земли», Bollettino di Geofisica Teorica ed Applicata, 3: 137–159
  27. ^ Буономано В. и Энгель Э. (1976), "Некоторые размышления о причинном объединении теории относительности, гравитации и квантовой механики", Int. J. Theor. Phys., 15 (3): 231–246, Bibcode:1976IJTP ... 15..231B, Дои:10.1007 / BF01807095, S2CID  124895055
  28. ^ Адамут, И. А. (1982), "Эффект экрана земли в TETG. Теория экранирующего эксперимента образца тела на экваторе с использованием Земли в качестве экрана", Nuovo Cimento C, 5 (2): 189–208, Bibcode:1982NCimC ... 5..189A, Дои:10.1007 / BF02509010, S2CID  117039637
  29. ^ Яаккола, Т. (1996), «Действие на расстоянии и локальное действие в гравитации: обсуждение и возможное решение дилеммы» (PDF), Апейрон, 3 (3–4): 61–75
  30. ^ Ван Фландерн, Т. (1999), Темная материя, пропавшие планеты и новые кометы (2-е изд.), Беркли: North Atlantic Books, стр. Главы 2–4.
  31. ^ Эдвардс, М.Р. (2007), «Переработка фотона и гравитона как причина гравитации» (PDF), Апейрон, 14 (3): 214–233
  32. ^ Эдвардс, М. Р., изд. (2002), Усиление гравитации: новые взгляды на теорию гравитации Лесажа, Монреаль: C. Roy Keys Inc.
  33. ^ Майель Арминджон (11 ноября 2004 г.), «Гравитация как толчок Архимеда и бифуркация в этой теории», Основы физики, 34 (11): 1703–1724, arXiv:физика / 0404103, Bibcode:2004ФоФ ... 34.1703А, Дои:10.1007 / s10701-004-1312-3, S2CID  14421710

Источники

  • Эйтон, Э.Дж. (1969), "Гипотеза потока эфира Ньютона и закон гравитации обратных квадратов", Анналы науки, 25 (3): 255–260, Дои:10.1080/00033796900200151
  • Пуанкаре, Анри (1914) [1908], "Теория Лесажа", Наука и метод, Лондон, Нью-Йорк: Nelson & Sons, стр. 246–253.
  • Ван Люнтерен, Ф. (2002), «Николя Фатио де Дуйе о механической причине гравитации», в Эдвардсе, М.Р. (ред.), Усиление гравитации: новые взгляды на теорию гравитации Лесажа, Монреаль: C. Roy Keys Inc., стр. 41–59.