Explicações mecânicas da gravitação - Mechanical explanations of gravitation

Explicações mecânicas da gravitação (ou teorias cinéticas da gravitação ) são tentativas de explicar a ação da gravidade por meio de processos mecânicos básicos , como forças de pressão causadas por impulsos , sem o uso de qualquer ação à distância . Essas teorias foram desenvolvidas do século 16 ao século 19 em relação ao éter . No entanto, esses modelos não são mais considerados teorias viáveis ​​dentro da comunidade científica dominante e a relatividade geral é agora o modelo padrão para descrever a gravitação sem o uso de ações à distância. As hipóteses modernas de " gravidade quântica " também tentam descrever a gravidade por processos mais fundamentais, como campos de partículas, mas não são baseadas na mecânica clássica.

Triagem

Esta teoria é provavelmente a explicação mecânica mais conhecida, e foi desenvolvida pela primeira vez por Nicolas Fatio de Duillier em 1690, e reinventada, entre outros, por Georges-Louis Le Sage (1748), Lord Kelvin (1872), e Hendrik Lorentz (1900), e criticado por James Clerk Maxwell (1875) e Henri Poincaré (1908).

A teoria postula que a força da gravidade é o resultado de minúsculas partículas ou ondas que se movem em alta velocidade em todas as direções, em todo o universo . A intensidade do fluxo de partículas é considerada a mesma em todas as direções, então um objeto isolado A é atingido igualmente de todos os lados, resultando em apenas uma pressão direcionada para dentro, mas nenhuma força direcional líquida. Com um segundo objeto B presente, no entanto, uma fração das partículas que de outra forma teriam atingido A na direção de B é interceptada, então B funciona como um escudo, por assim dizer - isto é, da direção de B, A será atingido por menos partículas do que na direção oposta. Da mesma forma, B será atingido por menos partículas da direção de A do que da direção oposta. Pode-se dizer que A e B estão se "escondendo" e os dois corpos são empurrados um em direção ao outro pelo desequilíbrio de forças resultante.

P5: Permeabilidade, atenuação e proporcionalidade de massa

Esta sombra obedece à lei do inverso do quadrado, porque o desequilíbrio do fluxo de momento sobre toda a superfície esférica que envolve o objeto é independente do tamanho da esfera envolvente, enquanto a área da superfície da esfera aumenta em proporção ao quadrado do raio. Para satisfazer a necessidade de proporcionalidade de massa, a teoria postula que a) os elementos básicos da matéria são muito pequenos, de modo que a matéria bruta consiste principalmente de espaço vazio, eb) que as partículas são tão pequenas, que apenas uma pequena fração delas seria ser interceptado por matéria grosseira. O resultado é que a "sombra" de cada corpo é proporcional à superfície de cada elemento da matéria.

Crítica : Esta teoria foi rejeitada principalmente por razões termodinâmicas porque uma sombra só aparece neste modelo se as partículas ou ondas forem pelo menos parcialmente absorvidas, o que deve levar a um enorme aquecimento dos corpos. Além disso, o arrasto, ou seja , a resistência dos fluxos de partículas na direção do movimento, também é um grande problema. Este problema pode ser resolvido assumindo velocidades superluminais, mas esta solução aumenta amplamente os problemas térmicos e contradiz a relatividade especial .

Vórtice

Vórtices de éter em torno de corpos celestes

Por causa de suas crenças filosóficas, René Descartes propôs em 1644 que nenhum espaço vazio pode existir e que o espaço deve, conseqüentemente, ser preenchido com matéria . As partes desta matéria tendem a se mover em caminhos retos, mas por estarem próximas umas das outras, não podem se mover livremente, o que, de acordo com Descartes, implica que todo movimento é circular, de modo que o éter está cheio de vórtices . Descartes também distingue entre diferentes formas e tamanhos de matéria em que a matéria áspera resiste ao movimento circular com mais força do que a matéria fina. Devido à força centrífuga , a matéria tende para as bordas externas do vórtice, o que causa uma condensação dessa matéria ali. A matéria áspera não pode seguir este movimento devido à sua maior inércia - então, devido à pressão da matéria externa condensada, essas partes serão empurradas para o centro do vórtice. De acordo com Descartes, essa pressão interna nada mais é do que a gravidade. Ele comparou esse mecanismo com o fato de que, se um recipiente em rotação cheio de líquido for interrompido, o líquido continuará a girar. Agora, se alguém soltar pequenos pedaços de matéria leve (por exemplo, madeira) no vaso, os pedaços se movem para o meio do vaso.

Seguindo as premissas básicas de Descartes, Christiaan Huygens, entre 1669 e 1690, projetou um modelo de vórtice muito mais exato. Este modelo foi a primeira teoria da gravitação elaborada matematicamente. Ele presumiu que as partículas de éter estão se movendo em todas as direções, mas foram jogadas de volta nas bordas externas do vórtice e isso causa (como no caso de Descartes) uma maior concentração de matéria fina nas bordas externas. Da mesma forma, em seu modelo, a matéria fina pressiona a matéria áspera no centro do vórtice. Huygens também descobriu que a força centrífuga é igual à força, que atua na direção do centro do vórtice ( força centrípeta ). Ele também postulou que os corpos devem consistir principalmente de espaço vazio para que o éter possa penetrar nos corpos facilmente, o que é necessário para a proporcionalidade da massa. Ele concluiu ainda que o éter se move muito mais rápido do que os corpos em queda. Nessa época, Newton desenvolveu sua teoria da gravitação que se baseia na atração e, embora Huygens concordasse com o formalismo matemático, disse que o modelo era insuficiente devido à falta de uma explicação mecânica da lei da força. A descoberta de Newton de que a gravidade obedece à lei do inverso do quadrado surpreendeu Huygens e ele tentou levar isso em consideração assumindo que a velocidade do éter é menor em distâncias maiores.

Crítica : Newton se opôs à teoria porque o arrasto deve levar a desvios perceptíveis das órbitas que não foram observados. Outro problema é que as luas geralmente se movem em direções diferentes, contra a direção do movimento do vórtice. Além disso, a explicação de Huygens da lei do inverso do quadrado é circular , porque isso significa que o éter obedece à terceira lei de Kepler . Mas uma teoria da gravitação deve explicar essas leis e não deve pressupô-las.

Vários físicos britânicos desenvolveram a teoria do átomo de vórtice no final do século XIX. No entanto, o físico William Thomson, 1º Barão Kelvin , desenvolveu uma abordagem bastante distinta. Enquanto Descartes havia delineado três espécies de matéria - cada uma ligada respectivamente à emissão, transmissão e reflexão da luz - Thomson desenvolveu uma teoria baseada em um continuum unitário.

A teoria do vórtice cartesiana desempenhou um papel importante na teoria centrada no sol de Copérnico e na crença em um cosmos onde existe uma pluralidade de estrelas como o sol, rodeadas por vários planetas orbitando ao redor delas.

Streams

Em uma carta de 1675 para Henry Oldenburg , e mais tarde para Robert Boyle , Newton escreveu o seguinte: [A gravidade é o resultado de] “uma condensação causando um fluxo de éter com um afinamento correspondente da densidade do éter associado ao aumento da velocidade do fluxo. ” Ele também afirmou que tal processo era consistente com todos os seus outros trabalhos e as Leis do Movimento de Kepler. A ideia de Newton de uma queda de pressão associada ao aumento da velocidade do fluxo foi matematicamente formalizada como o princípio de Bernoulli publicado no livro de Daniel Bernoulli Hydrodynamica em 1738.

No entanto, embora ele posteriormente tenha proposto uma segunda explicação (ver seção abaixo), os comentários de Newton a essa questão permaneceram ambíguos. Na terceira carta a Bentley em 1692, ele escreveu:

É inconcebível que a matéria bruta inanimada deva, sem a mediação de outra coisa que não seja material, operar e afetar outra matéria, sem contato mútuo, como deve fazer se a gravitação no sentido de Epicuro for essencial e inerente a ela. E esta é uma das razões pelas quais desejei que você não atribuísse 'gravidade inata' a mim. Essa gravidade deve ser inata, inerente e essencial à matéria, de modo que um corpo possa atuar sobre outro à distância, por meio de um vácuo, sem a mediação de qualquer outra coisa, por meio do qual sua ação e força podem ser transmitidas de um para o outro, é para mim um absurdo tão grande, que acredito que nenhum homem que tenha em questões filosóficas uma faculdade de pensamento competente possa jamais cair nela. A gravidade deve ser causada por um agente agindo constantemente de acordo com certas leis; mas seja esse agente material ou imaterial, deixei à consideração de meus leitores.

Por outro lado, Newton também é conhecido pela frase Hypotheses non fingo , escrita em 1713:

Ainda não fui capaz de descobrir a razão dessas propriedades da gravidade a partir dos fenômenos, e não finjo hipóteses. Pois tudo o que não é deduzido dos fenômenos deve ser chamado de hipótese; e as hipóteses, sejam metafísicas ou físicas, ou baseadas em qualidades ocultas ou mecânicas, não têm lugar na filosofia experimental. Nessa filosofia, proposições particulares são inferidas dos fenômenos e posteriormente tornadas gerais por indução.

E de acordo com o testemunho de alguns de seus amigos, como Nicolas Fatio de Duillier ou David Gregory , Newton pensava que a gravitação se baseava diretamente na influência divina.

Semelhante a Newton, mas matematicamente em maiores detalhes, Bernhard Riemann assumiu em 1853 que o éter gravitacional é um fluido incompressível e a matéria normal representa sumidouros neste éter. Portanto, se o éter é destruído ou absorvido proporcionalmente às massas dentro dos corpos, surge uma corrente que carrega todos os corpos circundantes na direção da massa central. Riemann especulou que o éter absorvido é transferido para outro mundo ou dimensão.

Outra tentativa de resolver o problema de energia foi feita por Ivan Osipovich Yarkovsky em 1888. Com base em seu modelo de corrente de éter, que era semelhante ao de Riemann, ele argumentou que o éter absorvido poderia ser convertido em nova matéria, levando a um aumento de massa de os corpos celestes.

Crítica : Como no caso da teoria de Le Sage, o desaparecimento da energia sem explicação viola a lei de conservação de energia . Além disso, alguma resistência deve surgir, e nenhum processo que leva à criação da matéria é conhecido.

Pressão estática

Newton atualizou a segunda edição de Optics (1717) com outra teoria da gravidade do éter mecânico. Ao contrário de sua primeira explicação (1675 - veja Streams), ele propôs um éter estacionário que fica cada vez mais fino próximo aos corpos celestes. Na analogia do elevador , surge uma força que empurra todos os corpos para a massa central. Ele minimizou o arrasto afirmando uma densidade extremamente baixa do éter gravitacional.

Como Newton, Leonhard Euler pressupôs em 1760 que o éter gravitacional perde densidade de acordo com a lei do inverso do quadrado. Da mesma forma que outros, Euler também presumiu que, para manter a proporcionalidade da massa, a matéria consiste principalmente de espaço vazio.

Críticas : Newton e Euler não deram nenhuma razão para que a densidade desse éter estático mudasse. Além disso, James Clerk Maxwell apontou que neste modelo "hidrostático" " o estado de tensão ... que devemos supor que existe no meio invisível, é 3000 vezes maior do que aquele que o aço mais forte poderia suportar ".

Ondas

Robert Hooke especulou em 1671 que a gravitação é o resultado de todos os corpos emitindo ondas em todas as direções através do éter. Outros corpos, que interagem com essas ondas, se movem na direção da origem das ondas. Hooke viu uma analogia com o fato de que pequenos objetos em uma superfície perturbada de água movem-se para o centro da perturbação.

Uma teoria semelhante foi elaborada matematicamente por James Challis de 1859 a 1876. Ele calculou que o caso de atração ocorre se o comprimento de onda for grande em comparação com a distância entre os corpos gravitantes. Se o comprimento de onda for pequeno, os corpos se repelem. Por uma combinação desses efeitos, ele também tentou explicar todas as outras forças.

Crítica : Maxwell objetou que esta teoria requer uma produção constante de ondas, que deve ser acompanhada por um consumo infinito de energia. O próprio Challis admitiu que não havia alcançado um resultado definitivo devido à complexidade dos processos.

Pulsação

Lord Kelvin (1871) e Carl Anton Bjerknes (1871) presumiram que todos os corpos pulsam no éter. Isso era uma analogia ao fato de que, se a pulsação de duas esferas em um fluido estiver em fase, elas se atrairão; e se a pulsação de duas esferas não estiver em fase, elas se repelirão. Este mecanismo também foi usado para explicar a natureza das cargas elétricas . Entre outros, essa hipótese também foi examinada por George Gabriel Stokes e Woldemar Voigt .

Crítica  : para explicar a gravitação universal, somos forçados a presumir que todas as pulsações do universo estão em fase - o que parece muito implausível. Além disso, o éter deve ser incompressível para garantir que a atração também surja a distâncias maiores. E Maxwell argumentou que esse processo deve ser acompanhado por uma nova produção e destruição permanente do éter.

Outras especulações históricas

Em 1690, Pierre Varignon assumiu que todos os corpos estão expostos a impulsos por partículas de éter de todas as direções, e que existe algum tipo de limitação a uma certa distância da superfície da Terra que não pode ser ultrapassada pelas partículas. Ele presumiu que se um corpo estivesse mais perto da Terra do que do limite de limitação, o corpo experimentaria um impulso maior vindo de cima do que de baixo, fazendo com que ele caísse em direção à Terra.

Em 1748, Mikhail Lomonosov assumiu que o efeito do éter é proporcional à superfície completa dos componentes elementares de que consiste a matéria (semelhante a Huygens e Fatio antes dele). Ele também assumiu uma enorme penetrabilidade dos corpos. No entanto, nenhuma descrição clara foi dada por ele sobre como exatamente o éter interage com a matéria, de modo que a lei da gravitação surge.

Em 1821, John Herapath tentou aplicar seu modelo co-desenvolvido da teoria cinética dos gases na gravitação. Ele presumiu que o éter é aquecido pelos corpos e perde densidade, de modo que outros corpos são empurrados para essas regiões de densidade mais baixa. No entanto, foi mostrado por Taylor que a densidade diminuída devido à expansão térmica é compensada pelo aumento da velocidade das partículas aquecidas; portanto, nenhuma atração surge.

Teorização recente

Essas explicações mecânicas para a gravidade nunca foram amplamente aceitas, embora tais idéias continuassem a ser estudadas ocasionalmente por físicos até o início do século XX, época em que foi geralmente considerado como definitivamente desacreditado. No entanto, alguns pesquisadores fora do mainstream científico ainda tentam trabalhar algumas consequências dessas teorias.

A teoria de Le Sage foi estudada por Radzievskii e Kagalnikova (1960), Shneiderov (1961), Buonomano e Engels (1976), Adamut (1982), Jaakkola (1996), Tom Van Flandern (1999) e Edwards (2007). Uma variedade de modelos Le Sage e tópicos relacionados são discutidos em Edwards, et al.

A gravidade devido à pressão estática foi recentemente estudada por Arminjon.

Referências

Fontes

  • Aiton, EJ (1969), "Newton's Aether-Stream Hypothesis and the Inverse Square Law of Gravitation", Annals of Science , 25 (3): 255–260, doi : 10.1080 / 00033796900200151
  • Poincaré, Henri (1914) [1908], "Teoria de Lesage"  , Ciência e Método , Londres, Nova York: Nelson & Sons, pp. 246-253
  • Van Lunteren, F. (2002), "Nicolas Fatio de Duillier sobre a causa mecânica da Gravitação", em Edwards, MR (ed.), Pushing Gravity: New Perspectives on Le Sage's Theory of Gravitation , Montreal: C. Roy Keys Inc ., pp. 41-59