Mechanische Erklärungen der Gravitation - Mechanical explanations of gravitation

Mechanische Erklärungen die Gravitation (oder kinetischer Theorien der Gravitation ) sind Versuche , die Wirkung zu erklären , die Schwerkraft mit Hilfe von grundlegenden mechanischen Prozessen, wie Druckkräfte verursachten durch Stöße , ohne die Verwendung irgendeiner Fernwirkung . Diese Theorien wurden vom 16. bis zum 19. Jahrhundert im Zusammenhang mit dem Äther entwickelt . Solche Modelle werden jedoch in der Mainstream-Wissenschaftsgemeinschaft nicht mehr als tragfähige Theorien angesehen, und die allgemeine Relativitätstheorie ist heute das Standardmodell zur Beschreibung der Gravitation ohne den Einsatz von Fernwirkungen. Moderne „ Quantengravitations “-Hypothesen versuchen auch, die Gravitation durch grundlegendere Prozesse wie Teilchenfelder zu beschreiben, basieren aber nicht auf der klassischen Mechanik.

Screening

Diese Theorie ist wahrscheinlich die bekannteste mechanische Erklärung und wurde erstmals 1690 von Nicolas Fatio de Duillier entwickelt und unter anderem von Georges-Louis Le Sage (1748), Lord Kelvin (1872), und Hendrik Lorentz (1900) und kritisiert von James Clerk Maxwell (1875) und Henri Poincaré (1908).

Die Theorie postuliert , dass die Kraft der Schwerkraft ist das Ergebnis von winzigen Teilchen oder Wellen mit hohen Geschwindigkeit in alle Richtungen zu bewegen, während des gesamten Universums . Die Intensität des Teilchenflusses wird in allen Richtungen als gleich angenommen, so dass ein isoliertes Objekt A von allen Seiten gleichmäßig getroffen wird, was nur einen nach innen gerichteten Druck, aber keine gerichtete Nettokraft zur Folge hat. Bei Anwesenheit eines zweiten Objekts B wird jedoch ein Bruchteil der Teilchen abgefangen, die sonst aus Richtung B auf A getroffen wären, so dass B sozusagen als Schild wirkt – also aus Richtung B, A wird von weniger Partikeln getroffen als aus der entgegengesetzten Richtung. Ebenso wird B von weniger Partikeln aus der Richtung von A getroffen als aus der entgegengesetzten Richtung. Man kann sagen, dass A und B einander „beschatten“ und die beiden Körper durch das resultierende Kräfteungleichgewicht aufeinander zu geschoben werden.

Dieser Schatten gehorcht dem inversen quadratischen Gesetz, da das Ungleichgewicht des Impulsflusses über eine gesamte das Objekt umgebende Kugelfläche unabhängig von der Größe der einschließenden Kugel ist, während die Oberfläche der Kugel proportional zum Quadrat des Radius zunimmt. Um das Bedürfnis nach Massenproportionalität zu befriedigen, geht die Theorie davon aus, dass a) die Grundelemente der Materie sehr klein sind, so dass die grobe Materie größtenteils aus leerem Raum besteht, und b) dass die Teilchen so klein sind, dass nur ein kleiner Bruchteil davon von grober Materie abgefangen werden. Das Ergebnis ist, dass der "Schatten" jedes Körpers proportional zur Oberfläche jedes einzelnen Materieelements ist.

Kritik : Diese Theorie wurde vor allem aus thermodynamischen Gründen abgelehnt, da in diesem Modell nur dann ein Schatten auftritt, wenn die Teilchen oder Wellen zumindest teilweise absorbiert werden, was zu einer enormen Erwärmung der Körper führen sollte. Auch der Widerstand, also der Widerstand der Partikelströme in Bewegungsrichtung, ist ein großes Problem. Dieses Problem kann gelöst werden, indem man Überlichtgeschwindigkeiten annimmt, aber diese Lösung vergrößert die thermischen Probleme stark und widerspricht der speziellen Relativitätstheorie .

Wirbel

Aufgrund seiner philosophischen Überzeugungen schlug René Descartes 1644 vor, dass kein leerer Raum existieren kann und dass der Raum folglich mit Materie gefüllt werden muss . Die Teile dieser Materie neigen dazu, sich auf geraden Bahnen zu bewegen, aber weil sie eng beieinander liegen, können sie sich nicht frei bewegen, was nach Descartes bedeutet, dass jede Bewegung kreisförmig ist, also der Äther mit Wirbeln gefüllt ist . Descartes unterscheidet auch verschiedene Formen und Größen von Materie, bei denen grobe Materie der Kreisbewegung stärker widersteht als feine Materie. Aufgrund der Zentrifugalkraft strebt Materie zu den äußeren Rändern des Wirbels, was dort zu einer Kondensation dieser Materie führt. Die grobe Materie kann dieser Bewegung aufgrund ihrer größeren Trägheit nicht folgen – so werden diese Teile durch den Druck der kondensierten äußeren Materie in das Zentrum des Wirbels gedrückt. Nach Descartes ist dieser Druck nach innen nichts anderes als die Schwerkraft. Er verglich diesen Mechanismus damit, dass beim Stoppen eines rotierenden, mit Flüssigkeit gefüllten Gefäßes die Flüssigkeit weiter rotiert. Wenn man nun kleine Stückchen leichter Materie (zB Holz) in das Gefäß fallen lässt, wandern die Stückchen in die Gefäßmitte.

Den grundlegenden Prämissen von Descartes folgend, entwarf Christiaan Huygens zwischen 1669 und 1690 ein viel genaueres Wirbelmodell. Dieses Modell war die erste mathematisch ausgearbeitete Gravitationstheorie. Er nahm an, dass sich die Ätherteilchen in alle Richtungen bewegen, aber an den äußeren Rändern des Wirbels zurückgeschleudert wurden und dies (wie bei Descartes) eine größere Konzentration von Feinstoff an den äußeren Rändern verursacht. So drückt auch in seinem Modell der Feinstoff den Grobstoff in das Zentrum des Wirbels. Huygens fand auch heraus, dass die Zentrifugalkraft gleich der Kraft ist, die in Richtung des Wirbelzentrums wirkt ( Zentripetalkraft ). Er postulierte auch, dass Körper größtenteils aus leerem Raum bestehen müssen, damit der Äther die Körper leicht durchdringen kann, was für die Massenproportionalität notwendig ist. Er kam weiter zu dem Schluss, dass sich der Äther viel schneller bewegt als die fallenden Körper. Zu dieser Zeit entwickelte Newton seine Gravitationstheorie, die auf Anziehung beruht, und obwohl Huygens dem mathematischen Formalismus zustimmte, sagte er, das Modell sei mangels einer mechanischen Erklärung des Kraftgesetzes unzureichend. Newtons Entdeckung, dass die Gravitation dem inversen quadratischen Gesetz gehorcht, überraschte Huygens und er versuchte dies zu berücksichtigen, indem er annahm, dass die Geschwindigkeit des Äthers in größerer Entfernung geringer ist.

Kritik : Newton widersprach der Theorie, da der Widerstand zu merklichen Abweichungen der Bahnen führen muss, die nicht beobachtet wurden. Ein weiteres Problem war, dass sich Monde oft in verschiedene Richtungen bewegen, entgegen der Richtung der Wirbelbewegung. Auch Huygens' Erklärung des inversen Quadratgesetzes ist zirkulär , denn das bedeutet, dass der Äther dem dritten Keplerschen Gesetz gehorcht . Aber eine Gravitationstheorie muss diese Gesetze erklären und darf sie nicht voraussetzen.

Mehrere britischen Physiker entwickelte Wirbelatomtheorie im späten neunzehnten Jahrhundert. Der Physiker William Thomson, 1. Baron Kelvin , entwickelte jedoch einen ganz anderen Ansatz. Während Descartes drei Materiearten skizziert hatte, die jeweils mit der Emission, Transmission und Reflexion von Licht verbunden waren, entwickelte Thomson eine Theorie, die auf einem einheitlichen Kontinuum basiert.

Die kartesische Wirbeltheorie spielte eine wichtige Rolle in der kopernikanischen sonnenzentrierten Theorie und im Glauben an einen Kosmos, in dem eine Vielzahl von Sternen wie der Sonne existiert, umgeben von mehreren Planeten, die sie umkreisen.

Streams

In einem Brief von 1675 an Henry Oldenburg und später an Robert Boyle schrieb Newton Folgendes: ” Er behauptete auch, dass ein solcher Prozess mit all seinen anderen Arbeiten und Keplers Bewegungsgesetzen vereinbar sei. Newtons Idee eines Druckabfalls, der mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit verbunden ist, wurde mathematisch als Bernoulli-Prinzip formuliert, das 1738 in Daniel Bernoullis Buch Hydrodynamica veröffentlicht wurde.

Obwohl er später eine zweite Erklärung vorschlug (siehe Abschnitt unten), blieben Newtons Kommentare zu dieser Frage jedoch mehrdeutig. Im dritten Brief an Bentley im Jahr 1692 schrieb er:

Es ist undenkbar, dass unbelebte, rohe Materie ohne Vermittlung von etwas anderem, das nicht Materiell ist, auf andere Materie einwirkt und wirkt, ohne gegenseitige Berührung, wie es dies tun muss, wenn Gravitation im Sinne von Epikur wesentlich und ihr innewohnt. Und das ist einer der Gründe, warum ich mir gewünscht habe, dass Sie mir keine „angeborene Schwerkraft“ zuschreiben. Diese Schwerkraft sollte der Materie angeboren, innewohnend und wesentlich sein, damit ein Körper aus der Ferne durch ein Vakuum auf einen anderen einwirken kann, ohne dass etwas anderes vermittelt wird, wodurch ihre Wirkung und Kraft von einem zum anderen übertragen werden kann ein anderer ist für mich eine so große Absurdität, dass ich glaube, dass kein Mensch, der in philosophischen Dingen eine fähige Denkfähigkeit besitzt, jemals darauf hereinfallen kann. Die Schwerkraft muss von einem Agenten verursacht werden, der ständig nach bestimmten Gesetzen handelt; aber ob dieses Mittel materiell oder immateriell ist, überlasse ich den Überlegungen meiner Leser.

Andererseits ist Newton auch für den Ausdruck Hypotheses non fingo aus dem Jahr 1713 bekannt:

Den Grund für diese Eigenschaften der Gravitation habe ich noch nicht aus Phänomenen entdecken können, und ich täuschte keine Hypothesen vor. Denn was nicht aus den Erscheinungen abgeleitet wird, muss Hypothese genannt werden; und Hypothesen, ob metaphysisch oder physisch, oder basierend auf okkulten Eigenschaften oder mechanisch, haben keinen Platz in der experimentellen Philosophie. In dieser Philosophie werden aus den Erscheinungen besondere Sätze gefolgert und später durch Induktion allgemein gemacht.

Und nach Aussage einiger seiner Freunde, wie Nicolas Fatio de Duillier oder David Gregory , dachte Newton, dass die Gravitation direkt auf göttlichem Einfluss beruht.

Ähnlich wie Newton, aber mathematisch detaillierter, nahm Bernhard Riemann 1853 an, dass der Gravitationsäther eine inkompressible Flüssigkeit ist und normale Materie in diesem Äther Senken darstellt. Wird also der Äther proportional zu den Massen innerhalb der Körper zerstört oder absorbiert, entsteht ein Strom, der alle umgebenden Körper in Richtung der Zentralmasse trägt. Riemann spekuliert, dass der absorbierte Äther in eine andere Welt oder Dimension überführt wird.

Ein weiterer Versuch, das Energieproblem zu lösen, wurde 1888 von Ivan Osipovich Yarkovsky unternommen . Basierend auf seinem Ätherstrommodell, das dem von Riemann ähnlich war, argumentierte er, dass der absorbierte Äther in neue Materie umgewandelt werden könnte, was zu einer Massenzunahme von die Himmelskörper.

Kritik : Wie bei der Theorie von Le Sage verstößt das Verschwinden von Energie ohne Erklärung gegen den Energieerhaltungssatz . Es muss auch ein gewisser Widerstand auftreten, und es ist kein Prozess bekannt, der zur Entstehung von Materie führt.

Statischer Druck

Newton aktualisierte die zweite Auflage von Optics (1717) mit einer anderen mechanisch-ätherischen Gravitationstheorie. Im Gegensatz zu seiner ersten Erklärung (1675 - siehe Ströme) schlug er einen stationären Äther vor, der in der Nähe der Himmelskörper immer dünner wird. In Analogie zum Auftrieb entsteht eine Kraft, die alle Körper zur Zentralmasse drückt. Er minimierte den Widerstand, indem er eine extrem niedrige Dichte des Gravitationsäthers angab.

Wie Newton ging Leonhard Euler 1760 davon aus, dass der Gravitationsäther nach dem quadratischen Umkehrgesetz an Dichte verliert. Ähnlich wie andere ging auch Euler davon aus, dass Materie zur Wahrung der Massenproportionalität hauptsächlich aus leerem Raum besteht.

Kritik : Sowohl Newton als auch Euler gaben keinen Grund an, warum sich die Dichte dieses statischen Äthers ändern sollte. Außerdem James Clerk Maxwell wies darauf hin , dass in diesem „hydrostatisches“ Modell „ der Zustand von Stress ... die wir im unsichtbaren Medium existieren annehmen müssen, 3000 mal größer ist als das , was der stärkste Stahl unterstützen könnte “.

Wellen

Robert Hooke spekulierte 1671, dass die Gravitation das Ergebnis davon ist, dass alle Körper Wellen in alle Richtungen durch den Äther aussenden. Andere Körper, die mit diesen Wellen wechselwirken, bewegen sich in Richtung der Wellenquelle. Hooke sah eine Analogie zu der Tatsache, dass kleine Objekte auf einer gestörten Wasseroberfläche zum Zentrum der Störung wandern.

Eine ähnliche Theorie wurde von James Challis von 1859 bis 1876 mathematisch ausgearbeitet . Er berechnete, dass der Fall der Anziehung eintritt, wenn die Wellenlänge im Vergleich zum Abstand der gravitierenden Körper groß ist. Ist die Wellenlänge klein, stoßen sich die Körper ab. Durch eine Kombination dieser Effekte versuchte er auch alle anderen Kräfte zu erklären.

Kritik : Maxwell wandte ein, dass diese Theorie eine stetige Erzeugung von Wellen erfordert, die mit einem unendlichen Energieverbrauch einhergehen muss. Challis selbst gab zu, dass er aufgrund der Komplexität der Prozesse noch nicht zu einem definitiven Ergebnis gekommen war.

Pulsieren

Lord Kelvin (1871) und Carl Anton Bjerknes (1871) nahmen an, dass alle Körper im Äther pulsieren. Dies war analog zu der Tatsache, dass, wenn die Pulsation zweier Kugeln in einer Flüssigkeit in Phase ist, sie sich gegenseitig anziehen; und wenn das Pulsieren zweier Kugeln nicht in Phase ist, stoßen sie sich gegenseitig ab. Dieser Mechanismus wurde auch verwendet, um die Natur elektrischer Ladungen zu erklären . Diese Hypothese wurde unter anderem auch von George Gabriel Stokes und Woldemar Voigt untersucht .

Kritik  : Um die universelle Gravitation zu erklären, muss man annehmen, dass alle Pulsationen im Universum in Phase sind – was sehr unplausibel erscheint. Außerdem sollte der Äther inkompressibel sein, damit auch in größeren Entfernungen Anziehungskraft entsteht. Und Maxwell argumentierte, dass dieser Prozess von einer permanenten Neuproduktion und Zerstörung von Äther begleitet sein muss.

Andere historische Spekulationen

1690 nahm Pierre Varignon an, dass alle Körper Stößen durch Ätherteilchen aus allen Richtungen ausgesetzt sind und dass es in einer bestimmten Entfernung von der Erdoberfläche eine Art Begrenzung gibt, die von den Teilchen nicht passiert werden kann. Er nahm an, dass, wenn ein Körper näher an der Erde ist als an der Begrenzungsgrenze, der Körper einen stärkeren Schub von oben als von unten erfahren würde, wodurch er in Richtung Erde fallen würde.

Im Jahr 1748 nahm Mikhail Lomonosov an, dass die Wirkung des Äthers proportional zur gesamten Oberfläche der Elementarkomponenten ist, aus denen die Materie besteht (ähnlich wie vor ihm Huygens und Fatio). Er ging auch von einer enormen Durchlässigkeit der Leichen aus. Allerdings wurde von ihm keine eindeutige Beschreibung gegeben, wie genau der Äther mit der Materie wechselwirkt, so dass das Gravitationsgesetz entsteht.

1821 versuchte John Herapath , sein mitentwickeltes Modell der kinetischen Gastheorie auf die Gravitation anzuwenden . Er nahm an, dass der Äther von den Körpern erwärmt wird und an Dichte verliert, so dass andere Körper in diese Regionen geringerer Dichte gedrängt werden. Taylor zeigte jedoch, dass die verringerte Dichte aufgrund der thermischen Ausdehnung durch die erhöhte Geschwindigkeit der erhitzten Partikel kompensiert wird; daher entsteht keine Anziehung.

Aktuelle Theorien

Diese mechanischen Erklärungen für die Gravitation fanden nie eine breite Akzeptanz, obwohl solche Ideen bis Anfang des 20. Einige Forscher außerhalb des wissenschaftlichen Mainstreams versuchen jedoch immer noch, einige Konsequenzen dieser Theorien herauszuarbeiten.

Die Theorie von Le Sage wurde von Radzievskii und Kagalnikova (1960), Shneiderov (1961), Buonomano und Engels (1976), Adamut (1982), Jaakkola (1996), Tom Van Flandern (1999) und Edwards (2007) untersucht. Eine Vielzahl von Le Sage-Modellen und verwandten Themen werden in Edwards et al.

Die Schwerkraft aufgrund des statischen Drucks wurde kürzlich von Arminjon untersucht.

Verweise

Quellen