Введение
Кинетическая теория гравитации
Теория гравитации Ле Сажа — кинетическая теория гравитации, первоначально предложенная Николасом Фацио де Дюилье в 1690 году и позднее Жоржем Луи Ле Сажем в 1748 году. Теория предлагала механическое объяснение силы гравитации Ньютона в терминах потоков крошечных невидимых частиц (которые Ле Саж называл ультрамундáнными корпускулами), воздействующих на все материальные объекты со всех направлений. Согласно этой модели, любые два материальных тела частично экранируют друг друга от налета корпускул, что приводит к чистому дисбалансу давления, оказываемого ударом корпускул на тела, и, как следствие, к тенденции сближения тел. Это механическое объяснение гравитации так и не получило широкого признания.
Le Sage's theory of gravitation is a kinetic theory of gravity originally proposed by Nicolas Fatio de Duillier in 1690 and later by Georges Louis Le Sage in 1748. The theory proposed a mechanical explanation for Newton's gravitational force in terms of streams of tiny unseen particles (which Le Sage called ultra mundane corpuscles) impacting all material objects from all directions. According to this model, any two material bodies partially shield each other from the impinging corpuscles, resulting in a net imbalance in the pressure exerted by the impact of corpuscles on the bodies, tending to drive the bodies together. This mechanical explanation for gravity never gained widespread acceptance.
Фацио
Николас Фацио впервые изложил свои мысли о гравитации в письме Кристиану Гюйгенсу весной 1690 года. Два дня спустя Фацио зачитал содержание письма перед Королевским обществом в Лондоне. В последующие годы Фацио составил несколько черновиков своей основной работы «De la Cause de la Pesanteur», но ни один из этих материалов не был опубликован при его жизни. В 1731 году Фацио также отправил свою теорию в виде латинской поэмы в стиле Лукреция в Парижскую академию наук, но она была отклонена. Некоторые фрагменты этих рукописей и копии поэмы позже оказались у Ле Сажа, который не смог найти издателя для работ Фацио. Так продолжалось до 1929 года, когда Карл Бопп опубликовал единственную сохранившуюся полную копию рукописи Фацио, а в 1949 году Гагнебин, используя собранные фрагменты из коллекции Ле Сажа, реконструировал статью. Издание Гагнебина включает в себя правки, внесенные Фацио вплоть до 1743 года, сорок лет спустя после создания черновика, на котором основано издание Боппа. Однако вторая половина издания Боппа содержит наиболее математически развитые части теории Фацио, которые не были включены Гагнебином в его издание. Для подробного анализа работы Фацио и сравнения изданий Боппа и Гагнебина см. работы Цехе. Следующее описание в основном основано на издании Боппа.
Принятие теории Фацио
Фацио поддерживал связь с некоторыми из самых известных ученых своего времени. В период с 1690 по 1693 год между Исааком Ньютоном и Фацио существовали тесные личные отношения. Отношение Ньютона к теории Фацио было неоднозначным. Например, после описания необходимых условий для механического объяснения гравитации, он написал в (неопубликованной) заметке на полях своей печатной копии "Математических начал натуральной философии" в 1692 году: "Единственная гипотеза, посредством которой можно объяснить гравитацию, имеет именно такой вид и была впервые предложена самым выдающимся геометром господином Н. Фацио". Далее следовал набросок теории, весьма схожей с теорией Фацио – включая представление о дискретном строении материи, аналогию со светом, эффект экранирования – но без упоминания имени Фацио. Фацио знал, что Крамер имел доступ к его основной работе, и обвинил Крамера в простом повторении его теории без понимания. Именно Крамер в 1749 году сообщил Ле Сажу о теории Фацио. В 1736 году немецкий врач Франц Альберт Редекер также опубликовал аналогичную теорию. Никакой связи между Редекером и Фацио не установлено.
Мудрый
Первое изложение его теории, "Опыт о происхождении мёртвых сил", было отправлено Ле Сажем в Академию наук в Париже в 1748 году, но так и не было опубликовано. В 1758 году он отправил более подробное изложение, "Опыт механической химии" (Essai de Chymie Mécanique), на конкурс в Академию наук в Руене. В этой работе он попытался объяснить природу гравитации и химических сродств. Более широкой публике теория стала доступна благодаря работе "Лукрецианский Ньютон" (Lucrèce Newtonien, 1784), в которой была полностью разработана связь с концепциями Лукреция. Еще одно изложение теории было опубликовано посмертно Пьером Превостом в 1818 году на основе записей Ле Сажа.
Гравитационная экранизация
Хотя в теории Фатио–Ле Сажа материя постулируется как крайне разреженная, она не может быть абсолютно прозрачной, поскольку в этом случае не существовало бы гравитационной силы. Однако отсутствие абсолютной прозрачности приводит к проблемам: при достаточной массе величина затенения, создаваемого двумя телами, становится меньше суммы затенений, которые каждое из них создавало бы по отдельности, из-за перекрытия их теней (P10, выше). Этот гипотетический эффект, называемый гравитационным экранированием, подразумевает, что добавление материи не приводит к прямо пропорциональному увеличению гравитационной массы. Поэтому, чтобы теория была жизнеспособной, Фатио и Ле Саж предположили, что эффект экранирования настолько мал, что его невозможно обнаружить, что требует чрезвычайно малого сечения взаимодействия материи (P10, ниже). Это устанавливает чрезвычайно высокую нижнюю границу интенсивности потока, необходимой для получения наблюдаемой силы гравитации. Любая форма гравитационного экранирования представляла бы собой нарушение принципа эквивалентности и была бы несовместима с крайне точным нулевым результатом, полученным в эксперименте Этвёша и его последующих повторениях, которые вместо этого подтвердили точное соответствие активной и пассивной гравитационной массы инерциальной массе, предсказанное общей теорией относительности. Более подробную историческую информацию о связи между гравитационным экранированием и теорией Ле Сажа можно найти в работах Martins и Borzeszkowski et al. Поскольку предложение Изенкраге о связи между плотностью, температурой и весом основано исключительно на ожидаемых последствиях изменения плотности материала, а температура при заданной плотности может быть как увеличена, так и уменьшена, комментарии Изенкраге не подразумевают какой-либо фундаментальной связи между температурой и гравитацией. (На самом деле связь между температурой и гравитацией, а также между энергией связи и гравитацией существует, но эти реальные эффекты не имеют отношения к предложению Изенкраге. См. раздел "Связь с энергией" ниже). Что касается предсказания связи между гравитацией и плотностью, все экспериментальные данные указывают на отсутствие такой связи.
Диапазон тяжести
Во многих моделях частиц, таких как модель Кельвина, дальность действия гравитации ограничена из-за природы взаимодействия частиц между собой. Эта дальность эффективно определяется скоростью, с которой предлагаемые внутренние моды частиц могут устранять дефекты импульса (тени), возникающие при прохождении через вещество. Прогнозы относительно эффективной дальности действия гравитации будут различаться и зависеть от конкретных аспектов и предположений относительно механизмов взаимодействия, доступных при взаимодействии частиц. Однако для этого класса моделей наблюдаемая крупномасштабная структура Вселенной ограничивает эту дисперсию значениями, допускающими формирование столь масштабных гравитационных структур.
Поглощение
Как отмечалось в историческом разделе, серьезной проблемой для каждой модели Ле Сажа является вопрос энергии и тепла. Как показали Максвелл и Пуанкаре, неэластичные столкновения приводят к испарению материи за доли секунды, а предложенные решения оказались неубедительными. Например, идея Арронсона о массовом аккреции и теория расширяющейся Земли в настоящее время не рассматриваются научным сообществом как жизнеспособные. Это связано, в частности, с тем, что согласно принципу эквивалентности массы и энергии, если бы Земля поглощала энергию ультрамирового потока с той скоростью, которая необходима для создания наблюдаемой силы гравитации (то есть, используя значения, рассчитанные Пуанкаре), её масса удваивалась бы каждую долю секунды.
Привязка к энергетике
На основании наблюдательных данных теперь установлено, что гравитация взаимодействует со всеми формами энергии, а не только с массой. Электростатическая энергия связи ядра, энергия слабых взаимодействий внутри ядра и кинетическая энергия электронов в атомах – все они вносят вклад в гравитационную массу атома, что было подтверждено с высокой точностью в экспериментах типа Этвёша. Это означает, например, что при увеличении скорости движения атомов в определенном объеме газа, возрастает и его гравитация. Более того, эксперименты по лазерной локации Луны показали, что даже гравитационная энергия связи сама подвержена гравитации, причем с силой, согласующейся с принципом эквивалентности и подтвержденной с высокой точностью, что, в свою очередь, демонстрирует, что любая успешная теория гравитации должна быть нелинейной и обладать самодействием. Теория Лесажа не предсказывает ни одного из вышеупомянутых эффектов, равно как и ни один из известных вариантов этой теории.
Последние действия
В ходе пересмотра теории Ле Сажа в XIX веке было выявлено несколько тесно связанных между собой проблем с этой теорией. Они связаны с чрезмерным нагревом, сопротивлением трения, экранированием и гравитационной аберрацией. Признание этих проблем, в сочетании с общим переходом от механистических теорий, привело к постепенной потере интереса к теории Ле Сажа. В конечном итоге, в XX веке теория Ле Сажа была вытеснена теорией общей относительности Эйнштейна. В 1965 году Ричард Фейнман исследовал механизм Фатио/Ле Сажа, прежде всего как пример попытки объяснить "сложный" физический закон (в данном случае, закон всемирного тяготения Ньютона обратных квадратов) в терминах более простых, элементарных операций без использования сложной математики, а также как пример несостоявшейся теории. Он отмечает, что механизм "отскакивающих частиц" воспроизводит закон обратных квадратов и что "странность математического соотношения будет значительно уменьшена", но затем замечает, что схема "не работает" из-за сопротивления, которое, по его прогнозам, испытывали бы движущиеся тела. Периодически предпринимаются попытки реабилитировать теорию вне основного научного течения, включая работы Радзевского и Кагальниковой (1960), Шнейдерова (1961), Буономано и Энгельса (1976), Адамута (1982), Попеску (1982), Яакколы (1996), Тома Ван Фландерна (1999) и Эдвардса (2014). Различные модели Ле Сажа и связанные с ними темы обсуждаются в Edwards и др.
Вторичные источники
Английский обзор работы Прево (1805).