Критика теории гравитации Ле Сажа

Теория гравитации Ле Сажа прекрасно изложена в Википедии, включая вспомогательные рисунки. Хотя его работа имела предшественника (Фатио), но Ле Саж разработал её столь детально, что её можно рассматривать как прототип.


Итак в 1756 году Жорж Луи Ле Саж предложил простую кинетическую теорию гравитации, которая дала механическое объяснение закону всемирного тяготения Ньютона. Это механическое объяснение гравитации не получило широкого признания, и к началу XX века теория в целом считалась опровергнутой, в основном из-за проблем, поднятых Максвеллом, Пуанкаре. Кроме того, во втором десятилетии XX века Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности.


Хотя теория Ле Сажа всё ещё изучается некоторыми исследователями, она обычно не рассматривается основным научным сообществом как жизнеспособная теория. Действительно, даже краткий список множества её слабых мест показал, что в модели Ле Сажа энергия непременно перейдёт в теплоту и быстро расплавит любое тело. Анри Пуанкаре подсчитал (1908), что скорость корпускул должна быть на много порядков выше скорости света, и их энергия испепелила бы все планеты. Были отмечены и непреодолимые логические трудности. Поэтому стоит, не вдаваясь в детали, перечислить их, чтобы иметь представление о сложности внедрения идеи приталкивания.


1. Если тяготение вызвано экранированием, то Луна в те моменты, когда она находится между Землёй и Солнцем, должна существенно влиять на силу притяжения этих тел и, соответственно, на траекторию Земли, однако ничего подобного в реальности не наблюдается.


2. Быстро движущееся тело должно испытывать спереди избыточное давление со стороны корпускул.


3. Пористость материи является основным предсказанием теории. Как предполагали Фатио и Ле Саж в 1690/1758 гг. (а до них Гюйгенс), материя должна состоять в основном из пустого пространства, чтобы очень маленькие частицы могли проникать в тела почти без возмущения, и, следовательно, каждая отдельная часть материи могла принимать участие в гравитационном взаимодействии. Это предсказание было (в некотором отношении) подтверждено с течением времени. Действительно, материя состоит в основном из пустого пространства, и некоторые частицы, такие как нейтрино, могут проходить сквозь нее почти беспрепятственно. Однако представление об элементарных частицах как о классических сущностях, взаимодействующих непосредственно, определяемых их формой и размерами (в смысле сетчатой структуры, предложенной Фатио/Ле Сажем, и равновесных сфер Изенкраэ/Дарвина), не согласуется с современным пониманием элементарных частиц. Предположение Лоренца-Томсона об электрических заряженных частицах как основных составляющих материи также не согласуется с современной физикой.


4. Космическая радиация


Модель типа Ле Сажа предполагает существование заполняющего пространство изотропного потока или излучения огромной интенсивности и проникающей способности. Это имеет некоторое сходство с космическим микроволновым фоновым излучением (CMBR), открытым в 20 веке. Реликтовое излучение действительно является заполняющим пространство и довольно изотропным потоком, но его интенсивность крайне мала, как и его проникающая способность.

Поток нейтрино, исходящий, например, от Солнца, обладает проникающими свойствами, предусмотренными Ле Сажем для его сверхземных корпускул, но этот поток не изотропен (так как основными источниками нейтрино являются отдельные звёзды) и его интенсивность ещё меньше, чем у реликтового излучения. Конечно, ни реликтовое излучение, ни нейтрино не распространяются со сверхсветовыми скоростями, что является еще одним необходимым свойством частиц Ле Сажа. С более современной точки зрения, отбросив простую концепцию «толчка» Ле Сажа, предположение о том, что нейтрино (или какая-либо другая частица, подобная нейтрино) может быть частицей-посредником в квантовой полевой теории гравитации, было рассмотрено и опровергнуто Фейнманом.


5. Гравитационное экранирование


Хотя в теории Фатио-Ле Сажа материя постулируется как очень разреженная, она не может быть абсолютно прозрачной, потому что в этом случае не существовало бы никакой гравитационной силы. Однако отсутствие идеальной прозрачности приводит к проблемам: при достаточной массе количество затенения, производимого двумя кусками материи, становится меньше, чем сумма затенения, которое каждый из них производил бы по отдельности, из-за перекрытия их теней. Этот гипотетический эффект, называемый гравитационным экранированием, подразумевает, что добавление материи не приводит к прямому пропорциональному увеличению гравитационной массы.
Таким образом, для того, чтобы быть жизнеспособным, постулировалось, что экранирующий эффект настолько мал, что его невозможно обнаружить, что требует, чтобы сечение взаимодействия вещества было чрезвычайно малым. Это накладывает чрезвычайно высокую нижнюю границу интенсивности потока, необходимого для создания наблюдаемой силы гравитации.


Любая форма гравитационного экранирования представляла бы собой нарушение принципа эквивалентности и была бы несовместима с чрезвычайно точным нулевым результатом, наблюдаемым в эксперименте Этвеша и его последующих экспериментах, которые вместо этого подтвердили точную эквивалентность активной и пассивной гравитационной массы инертной массе, предсказанную общей теорией относительности.


6. Скорость гравитации


Согласно теории Ле Сажа, изолированное тело подвержено лобовому сопротивлению, если оно находится в движении относительно единственной изотропной системы координат сверхобыденного потока (т.е. системы, в которой скорость сверхземных корпускул одинакова во всех направлениях). Это связано с тем, что, если тело находится в движении, частицы, ударяющиеся о тело спереди, имеют более высокую скорость (относительно тела), чем те, которые ударяются о тело сзади – этот эффект будет действовать на уменьшение расстояния между Солнцем и Землей. Величина этого сопротивления пропорциональна vu, где v — скорость частиц, а u — скорость тела, тогда как характеристическая сила тяжести пропорциональна квадрату  v, поэтому отношение лобового сопротивления к гравитационной силе пропорционально u/v.

Таким образом, при заданной характерной силе гравитации величину лобового сопротивления при данной скорости можно сделать сколь угодно малой, увеличив скорость v сверхземных корпускул. Однако для того, чтобы снизить лобовое сопротивление до приемлемого уровня (т.е. согласующегося с точки зрения наблюдения) с точки зрения классической механики, скорость v должна быть на много порядков больше скорости света. Это делает теорию Ле Сажа принципиально несовместимой с современной наукой механики, основанной на специальной теории относительности, согласно которой ни одна частица (или волна) не может превышать скорость света. Кроме того, даже если бы сверхсветовые частицы были возможны, эффективной температуры такого потока было бы достаточно, чтобы сжечь всю обычную материю за доли секунды.


7. Аберрация


Как показал Лаплас, другим возможным эффектом Ле Сажа является орбитальная аберрация из-за конечной скорости гравитации. Если частицы Ле Сажа не движутся со скоростями, намного превышающими скорость света, как предполагали Ле Саж и Кельвин, то во взаимодействиях между телами существует временная задержка (время прохождения). В случае орбитального движения это приводит к тому, что каждое тело реагирует на запаздывающее положение другого, что создает ведущую компоненту силы. В отличие от эффекта лобового сопротивления, этот компонент будет ускорять оба объекта вдали друг от друга. Для того, чтобы поддерживать стабильные орбиты, действие гравитации должно либо распространяться намного быстрее скорости света, либо не должно быть чисто центральной силой. Это было предложено многими как окончательное опровержение любой теории Ле Сажа. В противоположность этому, общая теория относительности согласуется с отсутствием заметной аберрации, выявленной Лапласом, поскольку, несмотря на то, что гравитация распространяется со скоростью света в общей теории относительности, ожидаемая аберрация почти точно компенсируется зависимыми от скорости членами взаимодействия.


8. Диапазон гравитации


Во многих моделях элементарных частиц, таких как модель Кельвина, диапазон гравитации ограничен из-за природы взаимодействий частиц между собой. Диапазон эффективно определяется скоростью, с которой предложенные внутренние моды частиц могут устранить дефекты импульса (тени), которые создаются при прохождении через вещество. Такие предсказания относительно эффективного диапазона гравитации будут варьироваться и зависеть от конкретных аспектов и предположений относительно способов взаимодействий, доступных во время взаимодействия частиц. Однако для этого класса моделей наблюдаемая крупномасштабная структура космоса ограничивает такую дисперсию теми, которые позволяют агрегировать такие огромные гравитационные структуры.


9. Поглощение энергии


Основной проблемой для каждой модели Ле Сажа является проблема энергии и тепла. Как показали Максвелл и Пуанкаре, неупругие столкновения приводят к испарению вещества за доли секунды, и предложенные решения оказались неубедительными.


Точно так же недопустимо предложенное Изенкрае нарушение закона сохранения энергии, и применение теоремы Клаузиуса Кельвином приводит (как отмечал сам Кельвин) к некоему механизму вечного двигателя. Предположение о механизме вторичного переизлучения для волновых моделей привлекло внимание Дж. Дж. Томсона, но не было воспринято всерьез ни Максвеллом, ни Пуанкаре, поскольку оно влечет за собой грубое нарушение второго закона термодинамики (огромное количество энергии самопроизвольно переходит из более холодной формы в более горячую), который является одним из наиболее твердо установленных из всех физических законов.

10. Связывание энергии.

Основываясь на данных наблюдений, теперь известно, что гравитация взаимодействует со всеми формами энергии, а не только с массой. Электростатическая энергия связи ядра, энергия слабых взаимодействий в ядре и кинетическая энергия электронов в атомах вносят свой вклад в гравитационную массу атома, что было подтверждено с высокой точностью в экспериментах типа Этвеша. Это означает, например, что, когда атомы какого-либо количества газа движутся быстрее, гравитация этого газа увеличивается. Более того, эксперименты с лунной лазерной локацией показали, что даже сама гравитационная энергия связи также гравитирует с силой, соответствующей принципу эквивалентности высокой точности, что, кроме того, демонстрирует, что любая успешная теория гравитации должна быть нелинейной и самосвязанной. Теория Ле Сажа не предсказывает ни один из этих вышеупомянутых эффектов, как и ни один из известных вариантов теории Ле Сажа.

11. Негравитационные приложения и аналогии

Лайман Спитцер в 1941 году подсчитал, что поглощение излучения между двумя частицами пыли приводит к суммарной силе притяжения, которая изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния (очевидно, он не знал о теневом механизме Ле Сажа и особенно о соображениях Лоренца о давлении излучения и гравитации). Георгий Гамов, назвавший этот эффект «имитацией гравитации», в 1949 году предположил, что после Большого взрыва температура электронов падала быстрее, чем температура фонового излучения. Поглощение излучения привело к возникновению механизма Ле Сажа между электронами, который, возможно, сыграл важную роль в процессе формирования галактик вскоре после Большого взрыва. Однако это предположение было опровергнуто Филдом в 1971 году, который показал, что этот эффект был слишком мал, потому что электроны и фоновое излучение находились почти в тепловом равновесии. В 1986 году Хоган и Уайт предположили, что имитация гравитации могла влиять на формирование галактик путем поглощения догалактического звёздного света. Но Ван и Филд показали, что любая форма имитации гравитации не способна создать достаточно силы, чтобы повлиять на формирование галактик.

12. Плазма

Механизм Ле Сажа также был идентифицирован как значимый фактор в поведении пылевой плазмы. А.М. Игнатов показал, что между двумя пылевыми частицами, взвешенными в изотропной бесстолкновительной плазме, возникает сила притяжения из-за неупругих столкновений ионов плазмы с частицами пыли. Эта сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния между пылевыми частицами и может уравновешивать кулоновское отталкивание между пылевыми частицами.

13. Энергия вакуума

В квантовой теории поля предполагается существование виртуальных частиц, которые приводят к так называемому эффекту Казимира. Казимир рассчитал, что между двумя пластинами при расчете энергии вакуума следует учитывать только частицы с определенными длинами волн. Таким образом, плотность энергии между пластинами меньше, если пластины расположены близко друг к другу, что приводит к суммарной силе притяжения между пластинами. Однако концептуальная основа этого эффекта сильно отличается от теории Фатио и Ле Сажа.

14. Недавние исследования

Пересмотр теории Ле Сажа в 19 веке выявил несколько тесно связанных с теорией проблем. Они связаны с чрезмерным нагревом, сопротивлением трения, экранированием и гравитационной аберрацией. Признание этих проблем в сочетании с общим отходом от теорий, основанных на механике, привело к постепенной потере интереса к теории Ле Сажа. В конечном счете, в 20-м веке теорию Ле Сажа затмила общая теория относительности Эйнштейна.

В 1965 году Ричард Фейнман рассмотрел механизм Фатио-Ле Сажаа, прежде всего, как пример попытки объяснить «сложный» физический закон (в данном случае закон обратных квадратов Ньютона) в терминах более простых примитивных операций без использования сложной математики, а также как пример неудачной теории. Он отмечает, что механизм «отскакивающих частиц» воспроизводит закон обратных квадратов и что «странность математического соотношения будет очень сильно уменьшена», но затем замечает, что схема «не работает» из-за сопротивления, которое, как она предсказывает, будет испытывать движущиеся тела.