Spiegazioni meccaniche della gravitazione - Mechanical explanations of gravitation

Le spiegazioni meccaniche della gravitazione (o teorie cinetiche della gravitazione ) sono tentativi di spiegare l'azione della gravità mediante l'ausilio di processi meccanici di base , come le forze di pressione causate da spinte , senza l'uso di alcuna azione a distanza . Queste teorie sono state sviluppate dal XVI al XIX secolo in connessione con l' etere . Tuttavia, tali modelli non sono più considerati teorie praticabili all'interno della comunità scientifica tradizionale e la relatività generale è ora il modello standard per descrivere la gravitazione senza l'uso di azioni a distanza. Anche le moderne ipotesi di " gravità quantistica " tentano di descrivere la gravità mediante processi più fondamentali come i campi di particelle, ma non si basano sulla meccanica classica.

Selezione

Questa teoria è probabilmente la spiegazione meccanica più conosciuta, ed è stata sviluppata per la prima volta da Nicolas Fatio de Duillier nel 1690, e reinventata, tra gli altri, da Georges-Louis Le Sage (1748), Lord Kelvin (1872), e Hendrik Lorentz (1900), e criticato da James Clerk Maxwell (1875), e Henri Poincaré (1908).

La teoria postula che la forza di gravità sia il risultato di minuscole particelle o onde che si muovono ad alta velocità in tutte le direzioni, in tutto l' universo . Si presume che l'intensità del flusso di particelle sia la stessa in tutte le direzioni, quindi un oggetto isolato A viene colpito allo stesso modo da tutti i lati, determinando solo una pressione diretta verso l'interno ma nessuna forza direzionale netta. Con un secondo oggetto B presente, invece, viene intercettata una frazione delle particelle che altrimenti avrebbero colpito A dalla direzione di B, quindi B funziona da scudo, per così dire, cioè dalla direzione di B, A sarà colpito da meno particelle che dalla direzione opposta. Allo stesso modo, B sarà colpito da un minor numero di particelle provenienti dalla direzione di A rispetto alla direzione opposta. Si può dire che A e B si "adombrano" a vicenda, ei due corpi sono spinti l'uno verso l'altro dal risultante squilibrio di forze.

P5: Permeabilità, attenuazione e proporzionalità di massa

Questa ombra obbedisce alla legge del quadrato inverso, perché lo squilibrio del flusso di moto su un'intera superficie sferica che racchiude l'oggetto è indipendente dalle dimensioni della sfera che lo racchiude, mentre l'area della superficie della sfera aumenta in proporzione al quadrato del raggio. Per soddisfare il bisogno di proporzionalità di massa, la teoria postula che a) gli elementi di base della materia siano molto piccoli, cosicché la materia grossolana consiste principalmente di spazio vuoto, e b) che le particelle siano così piccole che solo una piccola frazione di esse essere intercettato dalla materia grossolana. Il risultato è che l'"ombra" di ogni corpo è proporzionale alla superficie di ogni singolo elemento della materia.

Critica : Questa teoria è stata rifiutata principalmente per ragioni termodinamiche perché un'ombra appare in questo modello solo se le particelle o le onde sono almeno in parte assorbite, il che dovrebbe portare a un enorme riscaldamento dei corpi. Anche il trascinamento, cioè la resistenza dei flussi di particelle nella direzione del moto, è un grosso problema. Questo problema può essere risolto assumendo velocità superluminali, ma questa soluzione aumenta notevolmente i problemi termici e contraddice la relatività speciale .

Vortice

Vortici di etere attorno ai corpi celesti

A causa delle sue convinzioni filosofiche, René Descartes propose nel 1644 che non può esistere uno spazio vuoto e che lo spazio deve di conseguenza essere riempito di materia . Le parti di questa materia tendono a muoversi in percorsi diritti, ma poiché giacciono vicine, non possono muoversi liberamente, il che secondo Cartesio implica che ogni movimento è circolare, quindi l' etere è pieno di vortici . Cartesio distingue anche tra diverse forme e dimensioni della materia in cui la materia ruvida resiste al movimento circolare più fortemente della materia fine. A causa della forza centrifuga , la materia tende verso i bordi esterni del vortice, il che provoca lì una condensazione di questa materia. La materia ruvida non può seguire questo movimento a causa della sua maggiore inerzia , quindi a causa della pressione della materia esterna condensata quelle parti saranno spinte al centro del vortice. Secondo Cartesio, questa pressione interna non è altro che gravità. Ha paragonato questo meccanismo al fatto che se un recipiente rotante pieno di liquido viene fermato, il liquido continua a ruotare. Ora, se si lasciano cadere piccoli pezzi di materia leggera (ad es. legno) nel recipiente, i pezzi si spostano al centro del recipiente.

Seguendo le premesse di base di Cartesio, Christiaan Huygens tra il 1669 e il 1690 progettò un modello di vortice molto più esatto. Questo modello è stata la prima teoria della gravitazione elaborata matematicamente. Ha ipotizzato che le particelle di etere si muovano in ogni direzione, ma sono state respinte ai bordi esterni del vortice e questo provoca (come nel caso di Cartesio) una maggiore concentrazione di materia fine ai bordi esterni. Così anche nel suo modello la materia fine preme la materia ruvida al centro del vortice. Huygens ha anche scoperto che la forza centrifuga è uguale alla forza, che agisce nella direzione del centro del vortice ( forza centripeta ). Ha anche postulato che i corpi debbano consistere principalmente di spazio vuoto in modo che l'etere possa penetrare facilmente nei corpi, il che è necessario per la proporzionalità di massa. Ha inoltre concluso che l'etere si muove molto più velocemente dei corpi che cadono. A quel tempo, Newton sviluppò la sua teoria della gravitazione che si basa sull'attrazione e, sebbene Huygens fosse d'accordo con il formalismo matematico, disse che il modello era insufficiente a causa della mancanza di una spiegazione meccanica della legge della forza. La scoperta di Newton che la gravità obbedisce alla legge dell'inverso del quadrato sorprese Huygens e cercò di tenerne conto assumendo che la velocità dell'etere sia minore a una distanza maggiore.

Critica : Newton ha contestato la teoria perché la resistenza deve portare a deviazioni notevoli delle orbite che non sono state osservate. Un altro problema era che le lune si muovono spesso in direzioni diverse, contro la direzione del movimento del vortice. Inoltre, la spiegazione di Huygens della legge dell'inverso del quadrato è circolare , perché ciò significa che l'etere obbedisce alla terza legge di Keplero . Ma una teoria della gravitazione deve spiegare quelle leggi e non deve presupponerle.

Diversi fisici britannici hanno sviluppato la teoria dell'atomo vortice alla fine del XIX secolo. Tuttavia, il fisico William Thomson, primo barone Kelvin , sviluppò un approccio abbastanza distinto. Mentre Cartesio aveva delineato tre specie di materia, ciascuna legata rispettivamente all'emissione, alla trasmissione e alla riflessione della luce, Thomson sviluppò una teoria basata su un continuum unitario.

La teoria del vortice cartesiano ha giocato un ruolo importante nella teoria copernicana centrata sul sole e nella credenza in un cosmo in cui esiste una pluralità di stelle come il sole, circondate da più pianeti che orbitano attorno ad esse.

Flussi

In una lettera del 1675 a Henry Oldenburg , e in seguito a Robert Boyle , Newton scrisse quanto segue: [La gravità è il risultato di] "una condensazione che causa un flusso di etere con un corrispondente assottigliamento della densità dell'etere associato all'aumento della velocità del flusso. " Affermò anche che un tale processo era coerente con tutto il suo altro lavoro e con le leggi del moto di Keplero. L'idea di Newton di una caduta di pressione associata ad una maggiore velocità del flusso fu formalizzata matematicamente come principio di Bernoulli pubblicato nel libro di Daniel Bernoulli Hydrodynamica nel 1738.

Tuttavia, sebbene in seguito abbia proposto una seconda spiegazione (vedere la sezione seguente), i commenti di Newton a tale domanda sono rimasti ambigui. Nella terza lettera a Bentley nel 1692 scrisse:

È inconcepibile che la materia bruta inanimata, senza la mediazione di qualcos'altro che non è materiale, agisca e influenzi altra materia, senza contatto reciproco, come dovrebbe fare se la gravitazione nel senso di Epicuro fosse essenziale e inerente ad essa. E questo è uno dei motivi per cui desideravo che tu non mi attribuissi "gravità innata". Quella gravità dovrebbe essere innata, inerente ed essenziale alla materia, in modo che un corpo possa agire su un altro a distanza, attraverso un vuoto, senza la mediazione di nient'altro, per mezzo del quale la loro azione e forza possano essere trasmesse da uno a un altro, è per me un'assurdità così grande, che credo che nessun uomo che abbia in materia filosofica una facoltà di pensiero competente possa mai cadervi. La gravità deve essere causata da un agente che agisce costantemente secondo certe leggi; ma se questo agente sia materiale o immateriale, l'ho lasciato alla considerazione dei miei lettori.

D'altronde Newton è noto anche per la frase Hypotheses non fingo , scritta nel 1713:

Non ho ancora potuto scoprire la ragione di queste proprietà della gravità dai fenomeni, e non fingo ipotesi. Infatti tutto ciò che non si deduce dai fenomeni si deve chiamare ipotesi; e le ipotesi, sia metafisiche o fisiche, o basate su qualità occulte, o meccaniche, non hanno posto nella filosofia sperimentale. In questa filosofia le proposizioni particolari sono dedotte dai fenomeni, e poi rese generali per induzione.

E secondo la testimonianza di alcuni suoi amici, come Nicolas Fatio de Duillier o David Gregory , Newton pensava che la gravitazione si basasse direttamente sull'influenza divina.

Simile a Newton, ma matematicamente più dettagliato, Bernhard Riemann nel 1853 ipotizzò che l'etere gravitazionale fosse un fluido incomprimibile e che la materia normale rappresentasse i pozzi in questo etere. Quindi, se l'etere viene distrutto o assorbito in proporzione alle masse all'interno dei corpi, sorge un flusso che porta tutti i corpi circostanti nella direzione della massa centrale. Riemann ipotizzò che l'etere assorbito fosse trasferito in un altro mondo o dimensione.

Un altro tentativo di risolvere il problema energetico fu fatto da Ivan Osipovich Yarkovsky nel 1888. Basandosi sul suo modello di flusso di etere, che era simile a quello di Riemann, sostenne che l'etere assorbito poteva essere convertito in nuova materia, portando ad un aumento di massa di i corpi celesti.

Critica : Come nel caso della teoria di Le Sage, la scomparsa dell'energia senza spiegazione viola la legge di conservazione dell'energia . Deve sorgere anche qualche ostacolo, e non si conosce alcun processo che porti alla creazione della materia.

Pressione statica

Newton aggiornò la seconda edizione di Optics (1717) con un'altra teoria della gravità dell'etere meccanico. A differenza della sua prima spiegazione (1675 - vedi Streams), propose un etere stazionario che si assottigliava sempre più vicino ai corpi celesti. Sull'analogia dell'ascensore , sorge una forza che spinge tutti i corpi verso la massa centrale. Ha minimizzato la resistenza affermando una densità estremamente bassa dell'etere gravitazionale.

Come Newton, Leonhard Euler nel 1760 presupponeva che l'etere gravitazionale perdesse densità secondo la legge dell'inverso del quadrato. Analogamente ad altri, Eulero assunse anche che per mantenere la proporzionalità di massa, la materia consistesse principalmente di spazio vuoto.

Critica : Sia Newton che Eulero non hanno fornito alcun motivo per cui la densità di quell'etere statico dovrebbe cambiare. Inoltre, James Clerk Maxwell ha sottolineato che in questo modello "idrostatico" " lo stato di stress... che dobbiamo supporre che esista nel mezzo invisibile, è 3000 volte maggiore di quello che l'acciaio più resistente potrebbe sopportare ".

Onde

Robert Hooke ipotizzò nel 1671 che la gravitazione fosse il risultato di tutti i corpi che emettono onde in tutte le direzioni attraverso l'etere. Altri corpi, che interagiscono con queste onde, si muovono nella direzione della sorgente delle onde. Hooke vide un'analogia con il fatto che piccoli oggetti su una superficie d'acqua disturbata si spostano al centro del disturbo.

Una teoria simile fu elaborata matematicamente da James Challis dal 1859 al 1876. Calcolò che il caso di attrazione si verifica se la lunghezza d'onda è grande rispetto alla distanza tra i corpi gravitanti. Se la lunghezza d'onda è piccola, i corpi si respingono. Con una combinazione di questi effetti, ha anche cercato di spiegare tutte le altre forze.

Critica : Maxwell ha obiettato che questa teoria richiede una produzione costante di onde, che deve essere accompagnata da un consumo infinito di energia. Lo stesso Challis ha ammesso di non aver raggiunto un risultato definitivo a causa della complessità dei processi.

Pulsazione

Lord Kelvin (1871) e Carl Anton Bjerknes (1871) presumevano che tutti i corpi pulsassero nell'etere. Ciò era in analogia al fatto che, se la pulsazione di due sfere in un fluido è in fase, si attrarranno l'una con l'altra; e se la pulsazione di due sfere non è in fase, si respingono. Questo meccanismo è stato utilizzato anche per spiegare la natura delle cariche elettriche . Tra gli altri, questa ipotesi è stata esaminata anche da George Gabriel Stokes e Woldemar Voigt .

Critica  : per spiegare la gravitazione universale, si è costretti a presumere che tutte le pulsazioni nell'universo siano in fase, il che sembra molto poco plausibile. Inoltre, l'etere dovrebbe essere incomprimibile per garantire l'attrazione anche a distanze maggiori. E Maxwell sosteneva che questo processo doveva essere accompagnato da una nuova produzione e distruzione permanente di etere.

Altre speculazioni storiche

Nel 1690, Pierre Varignon ipotizzò che tutti i corpi fossero esposti alle spinte delle particelle di etere provenienti da tutte le direzioni e che esistesse una sorta di limitazione a una certa distanza dalla superficie terrestre che non poteva essere superata dalle particelle. Assunse che se un corpo fosse più vicino alla Terra che al confine di limitazione, allora il corpo avrebbe sperimentato una spinta maggiore dall'alto che dal basso, facendolo cadere verso la Terra.

Nel 1748, Mikhail Lomonosov ipotizzò che l'effetto dell'etere fosse proporzionale alla superficie completa dei componenti elementari di cui è costituita la materia (simile a Huygens e Fatio prima di lui). Assunse anche un'enorme penetrabilità dei corpi. Tuttavia, non è stata data da lui una chiara descrizione di come esattamente l'etere interagisca con la materia in modo che sorga la legge di gravitazione.

Nel 1821, John Herapath tentò di applicare alla gravitazione il suo modello co-sviluppato della teoria cinetica dei gas. Ha assunto che l'etere viene riscaldato dai corpi e perde densità in modo che altri corpi vengano spinti in queste regioni di densità inferiore. Tuttavia, è stato dimostrato da Taylor che la diminuzione della densità dovuta all'espansione termica è compensata dall'aumento della velocità delle particelle riscaldate; quindi, non sorge alcuna attrazione.

teorizzazione recente

Queste spiegazioni meccaniche per la gravità non ottennero mai un'accettazione diffusa, sebbene tali idee continuassero a essere studiate occasionalmente dai fisici fino all'inizio del ventesimo secolo, momento in cui era generalmente considerato definitivamente screditato. Tuttavia, alcuni ricercatori al di fuori del mainstream scientifico cercano ancora di elaborare alcune conseguenze di tali teorie.

La teoria di Le Sage è stata studiata da Radzievskii e Kagalnikova (1960), Shneiderov (1961), Buonomano ed Engels (1976), Adamut (1982), Jaakkola (1996), Tom Van Flandern (1999) e Edwards (2007). Una varietà di modelli di Le Sage e argomenti correlati sono discussi in Edwards, et al.

La gravità dovuta alla pressione statica è stata recentemente studiata da Arminjon.

Riferimenti

Fonti

  • Aiton, EJ (1969), "Ipotesi del flusso di etere di Newton e legge di gravitazione del quadrato inverso", Annals of Science , 25 (3): 255-260, doi : 10.1080/00033796900200151
  • Poincaré, Henri (1914) [1908], "Teoria di Lesage"  , Scienza e Metodo , Londra, New York: Nelson & Sons, pp. 246-253
  • Van Lunteren, F. (2002), "Nicolas Fatio de Duillier sulla causa meccanica della gravitazione", in Edwards, MR (ed.), Pushing Gravity: New Perspectives on Le Sage's Theory of Gravitation , Montreal: C. Roy Keys Inc ., pp. 41–59