Explicaciones mecánicas de la gravitación. Mechanical explanations of gravitation

Las explicaciones mecánicas de la gravitación (o teorías cinéticas de la gravitación ) son intentos de explicar la acción de la gravedad con la ayuda de procesos mecánicos básicos , como las fuerzas de presión causadas por empujones , sin el uso de ninguna acción a distancia . Estas teorías se desarrollaron desde el siglo XVI hasta el XIX en relación con el éter . Sin embargo, estos modelos ya no se consideran teorías viables dentro de la comunidad científica dominante y la relatividad general es ahora el modelo estándar para describir la gravitación sin el uso de acciones a distancia. Las hipótesis modernas de la " gravedad cuántica " también intentan describir la gravedad mediante procesos más fundamentales como los campos de partículas, pero no se basan en la mecánica clásica.

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Esta teoría es probablemente la explicación mecánica más conocida, y fue desarrollada por primera vez por Nicolas Fatio de Duillier en 1690 y reinventada, entre otros, por Georges-Louis Le Sage (1748), Lord Kelvin (1872), y Hendrik Lorentz (1900), y criticado por James Clerk Maxwell (1875) y Henri Poincaré (1908).

La teoría postula que la fuerza de la gravedad es el resultado de pequeñas partículas u ondas que se mueven a gran velocidad en todas las direcciones, en todo el universo . Se supone que la intensidad del flujo de partículas es la misma en todas las direcciones, por lo que un objeto A aislado se golpea por igual desde todos los lados, lo que genera solo una presión dirigida hacia adentro, pero no una fuerza direccional neta. Sin embargo, con un segundo objeto B presente, se intercepta una fracción de las partículas que de otro modo habrían golpeado A desde la dirección de B, por lo que B funciona como un escudo, por así decirlo, es decir, desde la dirección de B, A será golpeado por menos partículas que en la dirección opuesta. Asimismo, B será golpeado por menos partículas en la dirección de A que en la dirección opuesta. Se puede decir que A y B se están "ocultando" entre sí, y los dos cuerpos son empujados uno hacia el otro por el desequilibrio de fuerzas resultante.

Esta sombra obedece a la ley del cuadrado inverso, porque el desequilibrio del flujo de momento sobre una superficie esférica completa que encierra el objeto es independiente del tamaño de la esfera que lo encierra, mientras que el área de la superficie de la esfera aumenta en proporción al cuadrado del radio. Para satisfacer la necesidad de proporcionalidad de masa, la teoría postula que a) los elementos básicos de la materia son muy pequeños, de modo que la materia bruta consiste principalmente en espacio vacío, yb) que las partículas son tan pequeñas, que solo una pequeña fracción de ellas sería ser interceptado por materia burda. El resultado es que la "sombra" de cada cuerpo es proporcional a la superficie de cada elemento de la materia.

Crítica : Esta teoría fue rechazada principalmente por razones termodinámicas porque una sombra solo aparece en este modelo si las partículas u ondas son absorbidas al menos en parte, lo que debería conducir a un enorme calentamiento de los cuerpos. También el arrastre, es decir , la resistencia de las corrientes de partículas en la dirección del movimiento, también es un gran problema. Este problema se puede resolver asumiendo velocidades superlumínicas, pero esta solución aumenta en gran medida los problemas térmicos y contradice la relatividad especial .

Vórtice

Debido a sus creencias filosóficas, René Descartes propuso en 1644 que no puede existir ningún espacio vacío y que, en consecuencia, el espacio debe llenarse de materia . Las partes de esta materia tienden a moverse en trayectorias rectas, pero debido a que están muy juntas, no pueden moverse libremente, lo que según Descartes implica que todo movimiento es circular, por lo que el éter está lleno de vórtices . Descartes también distingue entre diferentes formas y tamaños de materia en la que la materia rugosa resiste el movimiento circular con más fuerza que la materia fina. Debido a la fuerza centrífuga , la materia tiende hacia los bordes exteriores del vórtice, lo que provoca una condensación de esta materia allí. La materia rugosa no puede seguir este movimiento debido a su mayor inercia , por lo que debido a la presión de la materia exterior condensada, esas partes serán empujadas hacia el centro del vórtice. Según Descartes, esta presión hacia adentro no es otra cosa que la gravedad. Él comparó este mecanismo con el hecho de que si se detiene un recipiente lleno de líquido en rotación, el líquido continúa girando. Ahora, si se dejan caer pequeños trozos de materia ligera (por ejemplo, madera) en el recipiente, los trozos se mueven al centro del recipiente.

Siguiendo las premisas básicas de Descartes, Christiaan Huygens diseñó entre 1669 y 1690 un modelo de vórtice mucho más exacto. Este modelo fue la primera teoría de la gravitación que se elaboró ​​matemáticamente. Supuso que las partículas de éter se están moviendo en todas direcciones, pero fueron arrojadas hacia los bordes exteriores del vórtice y esto provoca (como en el caso de Descartes) una mayor concentración de materia fina en los bordes exteriores. Así también en su modelo la materia fina presiona la materia rugosa en el centro del vórtice. Huygens también descubrió que la fuerza centrífuga es igual a la fuerza, que actúa en la dirección del centro del vórtice ( fuerza centrípeta ). También postuló que los cuerpos deben consistir principalmente en espacio vacío para que el éter pueda penetrar fácilmente en los cuerpos, lo cual es necesario para la proporcionalidad de la masa. Además, concluyó que el éter se mueve mucho más rápido que los cuerpos que caen. En este momento, Newton desarrolló su teoría de la gravitación que se basa en la atracción, y aunque Huygens estaba de acuerdo con el formalismo matemático, dijo que el modelo era insuficiente debido a la falta de una explicación mecánica de la ley de la fuerza. El descubrimiento de Newton de que la gravedad obedece a la ley del cuadrado inverso sorprendió a Huygens y trató de tener esto en cuenta asumiendo que la velocidad del éter es menor a mayor distancia.

Crítica : Newton se opuso a la teoría porque el arrastre debe conducir a desviaciones notables de las órbitas que no se observaron. Otro problema fue que las lunas a menudo se mueven en diferentes direcciones, en contra de la dirección del movimiento del vórtice. Además, la explicación de Huygens de la ley del cuadrado inverso es circular , porque esto significa que el éter obedece a la tercera ley de Kepler . Pero una teoría de la gravitación tiene que explicar esas leyes y no debe presuponerlas.

Varios físicos británicos desarrollaron la teoría del átomo de vórtice a finales del siglo XIX. Sin embargo, el físico William Thomson, primer barón Kelvin , desarrolló un enfoque bastante distinto. Mientras que Descartes había delineado tres especies de materia, cada una vinculada respectivamente a la emisión, transmisión y reflexión de la luz, Thomson desarrolló una teoría basada en un continuo unitario.

La teoría del vórtice cartesiano jugó un papel importante en la teoría copernicana centrada en el sol y en la creencia en un cosmos donde existe una pluralidad de estrellas como el sol, rodeadas por múltiples planetas que orbitan alrededor de ellas.

Corrientes

En una carta de 1675 a Henry Oldenburg , y más tarde a Robert Boyle , Newton escribió lo siguiente: [La gravedad es el resultado de] “una condensación que causa un flujo de éter con un adelgazamiento correspondiente de la densidad del éter asociada con el aumento de la velocidad de flujo. " También afirmó que dicho proceso era coherente con todos sus otros trabajos y las Leyes de movimiento de Kepler. La idea de Newton de una caída de presión asociada con una mayor velocidad de flujo se formalizó matemáticamente como el principio de Bernoulli publicado en el libro Hydrodynamica de Daniel Bernoulli en 1738.

Sin embargo, aunque más tarde propuso una segunda explicación (ver la sección a continuación), los comentarios de Newton a esa pregunta siguieron siendo ambiguos. En la tercera carta a Bentley en 1692 escribió:

Es inconcebible que la materia bruta inanimada, sin la mediación de otra cosa que no es material, opere y afecte a otra materia, sin contacto mutuo, como debe suceder si la gravitación en el sentido de Epicuro es esencial e inherente a ella. Y esta es una de las razones por las que deseaba que no me atribuyeras "gravedad innata". Que la gravedad debe ser innata, inherente y esencial a la materia, de modo que un cuerpo pueda actuar sobre otro a distancia, a través del vacío, sin la mediación de nada más, por medio de lo cual su acción y fuerza pueden ser transmitidas de uno a otro. otro, es para mí un absurdo tan grande, que creo que ningún hombre que tenga en materia filosófica una facultad de pensar competente puede caer jamás en él. La gravedad debe ser causada por un agente que actúa constantemente de acuerdo con ciertas leyes; pero si este agente es material o inmaterial, lo dejo a la consideración de mis lectores.

Por otro lado, Newton también es bien conocido por la frase Hypotheses non fingo , escrita en 1713:

Todavía no he podido descubrir la razón de estas propiedades de la gravedad a partir de los fenómenos, y no finjo hipótesis. Porque todo lo que no se deduce de los fenómenos debe llamarse hipótesis; y las hipótesis, ya sean metafísicas o físicas, o basadas en cualidades ocultas o mecánicas, no tienen cabida en la filosofía experimental. En esta filosofía, las proposiciones particulares se infieren de los fenómenos y luego se generalizan por inducción.

Y según el testimonio de algunos de sus amigos, como Nicolas Fatio de Duillier o David Gregory , Newton pensaba que la gravitación se basa directamente en la influencia divina.

Al igual que Newton, pero matemáticamente con mayor detalle, Bernhard Riemann asumió en 1853 que el éter gravitacional es un fluido incompresible y que la materia normal representa sumideros en este éter. Entonces, si el éter se destruye o se absorbe proporcionalmente a las masas dentro de los cuerpos, surge una corriente que lleva a todos los cuerpos circundantes en la dirección de la masa central. Riemann especuló que el éter absorbido se transfiere a otro mundo o dimensión.

Ivan Osipovich Yarkovsky hizo otro intento de resolver el problema de la energía en 1888. Basado en su modelo de corriente de éter, que era similar al de Riemann, argumentó que el éter absorbido podría convertirse en nueva materia, dando lugar a un aumento masivo de los cuerpos celestes.

Crítica : Como en el caso de la teoría de Le Sage, la desaparición de la energía sin explicación viola la ley de conservación de la energía . También debe surgir algo de resistencia, y no se conoce ningún proceso que conduzca a la creación de materia.

Presión estática

Newton actualizó la segunda edición de Optics (1717) con otra teoría de la gravedad del éter mecánico. A diferencia de su primera explicación (1675 - ver Corrientes), propuso un éter estacionario que se vuelve cada vez más delgado cerca de los cuerpos celestes. En la analogía del ascensor , surge una fuerza que empuja a todos los cuerpos hacia la masa central. Minimizó la resistencia al indicar una densidad extremadamente baja del éter gravitacional.

Como Newton, Leonhard Euler presupuso en 1760 que el éter gravitacional pierde densidad de acuerdo con la ley del cuadrado inverso. De manera similar a otros, Euler también asumió que para mantener la proporcionalidad de la masa, la materia consiste principalmente en espacio vacío.

Crítica : Tanto Newton como Euler no dieron ninguna razón por la cual la densidad de ese éter estático debería cambiar. Además, James Clerk Maxwell señaló que en este modelo "hidrostático" " el estado de tensión ... que debemos suponer que existe en el medio invisible, es 3000 veces mayor que el que podría soportar el acero más resistente ".

Ondas

Robert Hooke especuló en 1671 que la gravitación es el resultado de que todos los cuerpos emiten ondas en todas direcciones a través del éter. Otros cuerpos, que interactúan con estas ondas, se mueven en la dirección de la fuente de las ondas. Hooke vio una analogía con el hecho de que pequeños objetos en una superficie de agua alterada se mueven hacia el centro de la alteración.

James Challis elaboró ​​matemáticamente una teoría similar entre 1859 y 1876. Calculó que el caso de atracción ocurre si la longitud de onda es grande en comparación con la distancia entre los cuerpos gravitantes. Si la longitud de onda es pequeña, los cuerpos se repelen entre sí. Mediante una combinación de estos efectos, también trató de explicar todas las demás fuerzas.

Crítica : Maxwell objetó que esta teoría requiere una producción constante de ondas, que debe ir acompañada de un consumo infinito de energía. El propio Challis admitió que no había llegado a un resultado definitivo debido a la complejidad de los procesos.

Pulsación

Lord Kelvin (1871) y Carl Anton Bjerknes (1871) asumieron que todos los cuerpos pulsan en el éter. Esto fue en analogía con el hecho de que, si la pulsación de dos esferas en un fluido está en fase, se atraerán entre sí; y si la pulsación de dos esferas no está en fase, se repelerán entre sí. Este mecanismo también se utilizó para explicar la naturaleza de las cargas eléctricas . Entre otras, esta hipótesis también ha sido examinada por George Gabriel Stokes y Woldemar Voigt .

Crítica  : Para explicar la gravitación universal, uno se ve obligado a asumir que todas las pulsaciones del universo están en fase, lo que parece muy inverosímil. Además, el éter debe ser incompresible para garantizar que la atracción también surja a mayores distancias. Y Maxwell argumentó que este proceso debe ir acompañado de una nueva producción y destrucción permanente de éter.

Otras especulaciones históricas

En 1690, Pierre Varignon asumió que todos los cuerpos están expuestos a empujes de partículas de éter desde todas las direcciones, y que existe algún tipo de limitación a cierta distancia de la superficie de la Tierra que no pueden pasar las partículas. Supuso que si un cuerpo está más cerca de la Tierra que del límite de limitación, entonces el cuerpo experimentaría un empujón mayor desde arriba que desde abajo, provocando que cayera hacia la Tierra.

En 1748, Mikhail Lomonosov asumió que el efecto del éter es proporcional a la superficie completa de los componentes elementales de los que se compone la materia (similar a Huygens y Fatio antes que él). También asumió una enorme penetrabilidad de los cuerpos. Sin embargo, no dio una descripción clara de cómo exactamente interactúa el éter con la materia, de modo que surge la ley de la gravitación.

En 1821, John Herapath intentó aplicar su modelo co-desarrollado de la teoría cinética de los gases sobre la gravitación. Supuso que el éter es calentado por los cuerpos y pierde densidad, por lo que otros cuerpos son empujados a estas regiones de menor densidad. Sin embargo, Taylor demostró que la disminución de la densidad debida a la expansión térmica se compensa con el aumento de la velocidad de las partículas calentadas; por lo tanto, no surge ninguna atracción.

Teorización reciente

Estas explicaciones mecánicas de la gravedad nunca obtuvieron una aceptación generalizada, aunque los físicos continuaron estudiando estas ideas ocasionalmente hasta principios del siglo XX, momento en el que se consideró en general que estaba definitivamente desacreditado. Sin embargo, algunos investigadores fuera de la corriente científica mayoritaria todavía intentan resolver algunas consecuencias de esas teorías.

La teoría de Le Sage fue estudiada por Radzievskii y Kagalnikova (1960), Shneiderov (1961), Buonomano y Engels (1976), Adamut (1982), Jaakkola (1996), Tom Van Flandern (1999) y Edwards (2007). Una variedad de modelos de Le Sage y temas relacionados se analizan en Edwards, et al.

Arminjon estudió recientemente la gravedad debida a la presión estática.

Referencias

Fuentes