重力の力学的説明

重力の力学的説明（または重力の運動理論）は、遠隔作用を使用せずに、押すことによって生じる圧力などの基本的な機械的プロセスの助けを借りて重力の作用を説明しようとする試みです。これらの理論は、エーテルに関連して 16 世紀から 19 世紀にかけて開発されました。しかし、このようなモデルは主流の科学コミュニティでは実行可能な理論とは見なされておらず、現在では一般相対性理論が遠隔作用を使用せずに重力を説明する標準モデルとなっています。現代の「量子重力」仮説も、粒子場などのより基本的なプロセスによって重力を説明しようとしていますが、古典力学に基づいていません。

この理論はおそらく^[1]最もよく知られている力学的説明であり、1690年にニコラ・ファティオ・ド・デュイリエによって初めて開発され、ジョルジュ・ルイ・ル・サージュ（1748年）、ケルビン卿（1872年）、ヘンドリック・ローレンツ（1900年）らによって再発明され、ジェームズ・クラーク・マクスウェル（1875年）、アンリ・ポアンカレ（1908年）によって批判されました。

この理論では、重力は宇宙全体であらゆる方向に高速で移動する小さな粒子または波によって生じると仮定しています。粒子の流れの強さはすべての方向で同じであると想定されているため、孤立した物体 A はすべての方向から均等に衝突し、内向きの圧力のみが発生し、方向を示す力は発生しません。ただし、2 番目の物体 B が存在すると、B の方向から A に衝突するはずだった粒子の一部が遮断されるため、B はいわばシールドとして機能します。つまり、B の方向から A に衝突する粒子は、反対方向から衝突する粒子よりも少なくなります。同様に、B に衝突する粒子は、A の方向から衝突する粒子よりも、反対方向から衝突する粒子が少なくなります。A と B は互いに「影を落としている」と言え、その結果生じる力の不均衡によって 2 つの物体が互いに押し付けられます。

この影は反二乗の法則に従います。なぜなら、物体を囲む球面全体にわたる運動量の流れの不均衡は、囲む球のサイズとは無関係であるのに対し、球の表面積は半径の二乗に比例して増加するからです。質量比例の必要性を満たすために、理論では、a) 物質の基本要素は非常に小さいため、総物質はほとんどが空の空間で構成され、b) 粒子は非常に小さいため、それらのほんの一部だけが総物質に遮られると仮定しています。その結果、各物体の「影」は、物質のあらゆる単一要素の表面に比例します。

批判：この理論は主に熱力学的な理由で却下された。なぜなら、このモデルでは粒子または波が少なくとも部分的に吸収された場合にのみ影が現れ、それが物体の膨大な加熱につながるからである。また、抗力、つまり運動方向の粒子流の抵抗も大きな問題である。この問題は超光速を仮定することで解決できるが、この解決策は熱問題を大幅に増加させ、特殊相対性理論と矛盾する。^{[2] [3]}

ルネ・デカルトは、その哲学的信念から、1644年に、空の空間は存在できず、したがって空間は物質で満たされなければならないと提唱しました。この物質の部分は直線的に動く傾向がありますが、互いに接近しているため自由に動くことはできません。デカルトによれば、これはすべての運動が円運動であることを意味し、したがってエーテルは渦で満たされています。デカルトはまた、物質のさまざまな形と大きさを区別しており、粗い物質は細かい物質よりも円運動に強く抵抗します。遠心力により、物質は渦の外縁に向かう傾向があり、そこでこの物質が凝縮します。粗い物質は慣性が大きいためこの動きについていくことができず、凝縮した外側の物質の圧力により、それらの部分は渦の中心に押し込まれます。デカルトによれば、この内向きの圧力は重力に他なりません。彼はこのメカニズムを、回転している液体で満たされた容器を止めても液体は回転し続けるという事実と比較しました。さて、容器の中に軽い物質（例えば木）の小片を落とすと、その小片は容器の中央へと移動します。^{[4] [5] [6]}物質の渦によって宇宙が形成されるというこの考えは、古代 ソクラテス以前の 原子論者 レウキッポスとデモクリトスによって提唱されていました。^[7]

デカルトの基本前提に従い、クリスティアーン・ホイヘンスは1669 年から 1690 年にかけて、はるかに正確な渦モデルを設計しました。このモデルは、数学的に解明された最初の重力理論でした。彼は、エーテル粒子はあらゆる方向に動いているが、渦の外側の境界で跳ね返され、これが (デカルトの場合と同様に) 外側の境界で微細物質の集中を引き起こすと仮定しました。したがって、彼のモデルでも、微細物質が粗い物質を渦の中心に押し付けます。ホイヘンスは、遠心力が渦の中心方向に作用する力 (求心力) に等しいことも発見しました。彼はまた、エーテルが物体に容易に浸透できるように、物体は大部分が空間で構成されているに違いないと仮定しました。これは質量比例に必要です。彼はさらに、エーテルは落下する物体よりもはるかに速く移動すると結論付けました。この頃、ニュートンは引力に基づく重力理論を展開し、ホイヘンスはその数学的形式論には同意したものの、力の法則の力学的説明がないためモデルは不十分であると述べた。重力が逆二乗則に従うというニュートンの発見はホイヘンスを驚かせ、彼はエーテルの速度が距離が長くなるほど遅くなると仮定してこれを考慮に入れようとした。^{[6] [8] [9]}

批判: ニュートンは、抗力によって軌道が著しくずれるはずなのにそれが観測されないとして、この理論に反対した。 ^[10]もう一つの問題は、月が渦の運動の方向とは反対の方向に動くことが多いということである。また、ホイヘンスの逆二乗則の説明は循環的である。これはエーテルがケプラーの第三法則に従うことを意味するからである。しかし、重力理論はこれらの法則を説明しなければならないのであって、それらを前提とすべきではない。^{[6] [10]}

19世紀後半、イギリスの物理学者数名が原子の渦理論を発展させた。しかし、物理学者ウィリアム・トムソン（初代ケルビン男爵）は全く異なるアプローチを開発した。デカルトが物質の3つの種類（それぞれ光の放射、透過、反射に関連する）を概説したのに対し、トムソンは単一連続体に基づく理論を展開した。^[11]

1675年にヘンリー・オルデンバーグに宛てた手紙、後にロバート・ボイルに宛てた手紙の中で、ニュートンは次のように書いている。「[重力は]凝結によってエーテルの流れが生じ、流れの速度が増すとエーテルの密度が薄くなる結果である。」また、このようなプロセスは彼の他のすべての研究やケプラーの運動の法則と一致していると主張した。^[12]ニュートンの流速の増加に伴う圧力低下の考えは、 1738年にダニエル・ベルヌーイの著書『流体力学』でベルヌーイの原理として数学的に定式化された。

しかし、後に彼は2番目の説明（以下のセクションを参照）を提案したにもかかわらず、その質問に対するニュートンのコメントは曖昧なままでした。1692年にベントレーに宛てた3番目の手紙で彼は次のように書いています：^[13]

エピクロスの言う重力が本質的かつ内在的であるなら、無生物の物質が、物質ではない何か他のものの媒介なしに、相互接触なしに他の物質に作用し影響を及ぼすことは考えられません。これが、私が「生来の重力」を私に帰属させないでほしいと思った理由の 1 つです。重力が物質に生来的、内在的、かつ本質的であるはずなので、ある物体が真空を通じて遠く離れた別の物体に作用し、その作用と力が一方から他方に伝達される他の何かの媒介なしに作用するというのは、私にとってはあまりにも不合理であり、哲学的な事柄について有能な思考力を持つ人なら、決してそれに陥ることはないと思います。重力は、一定の法則に従って常に作用するエージェントによって発生するはずですが、このエージェントが物質的であるか非物質的であるかは、読者の検討に委ねます。

一方、ニュートンは1713年に書いた「仮説は存在しない」というフレーズでもよく知られています。 ^[14]

私はまだ現象から重力のこれらの特性の理由を発見することができていませんし、仮説を偽造するつもりもありません。なぜなら、現象から演繹されないものはすべて仮説と呼ばなければならないからです。そして、形而上学的であろうと物理的であろうと、あるいは神秘的な性質や機械的な性質に基づくものであろうと、仮説は実験哲学には存在しません。この哲学では、特定の命題が現象から演繹され、その後、帰納法によって一般化されます。

ニコラ・ファティオ・ド・デュイリエやデイヴィッド・グレゴリーといった友人たちの証言によれば、ニュートンは重力は神の影響に直接基づいていると考えていたという。^[9]

ニュートンと似ているが、数学的にはより詳細に、ベルンハルト・リーマンは1853年に、重力エーテルは非圧縮性流体であり、通常の物質はこのエーテルの沈み込みを表すと仮定した。したがって、エーテルが物体内の質量に比例して破壊または吸収されると、流れが発生し、周囲のすべての物体を中心質量の方向に運ぶ。リーマンは、吸収されたエーテルは別の世界または次元に転送されると推測した。^[15]

エネルギー問題を解決するためのもう一つの試みは、1888年にイヴァン・オシポヴィッチ・ヤルコフスキーによってなされた。彼はリーマンのモデルに似たエーテル流モデルに基づいて、吸収されたエーテルが新しい物質に変換され、天体の質量が増加する可能性があると主張した。^[16]

批判: ル・サージュの理論の場合と同様に、説明のないエネルギーの消失はエネルギー保存則に違反している。また、何らかの抗力も発生するはずであり、物質の生成につながるプロセスは知られていない。

ニュートンは光学の第 2 版(1717) を別の機械的エーテル重力理論で更新しました。最初の説明 (1675 – Streams を参照) とは異なり、彼は静止エーテルを提唱し、天体の近くではどんどん薄くなります。揚力のアナロジーで、すべての物体を中心質量に押し付ける力が発生します。彼は重力エーテルの密度が極めて低いことを述べることで抗力を最小化しました。

ニュートンと同様に、レオンハルト・オイラーは1760年に、重力エーテルは反二乗則に従って密度を失うと仮定した。他の研究者と同様に、オイラーも質量比例を維持するために、物質は主に空の空間で構成されていると仮定した。^[17]

批判: ニュートンもオイラーも、静的エーテルの密度が変化する理由を何も示していない。さらに、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、この「静水圧」モデルでは「目に見えない媒体に存在すると想定される応力状態は、最も強い鋼鉄が支えられる応力の3000倍である」と指摘した。^[18]

ロバート・フックは1671年に、重力はすべての物体がエーテルを通じてあらゆる方向に波を発した結果であると推測しました。これらの波と相互作用する他の物体は、波の発生源の方向に移動します。フックは、乱れた水面上の小さな物体が乱れの中心に移動するという事実との類似点を見出しました。^[19]

同様の理論は、1859年から1876年にかけてジェームズ・チャリスによって数学的に解明された。彼は、重力を受ける物体間の距離に比べて波長が大きい場合に引力が発生すると計算した。波長が小さい場合、物体は互いに反発する。彼はこれらの効果を組み合わせることで、他のすべての力も説明しようとした。^[20]

批判：マクスウェルは、この理論は波の安定した生成を必要とし、それには無限のエネルギー消費が伴わなければならないと反論した。^[21] チャリス自身も、プロセスの複雑さのために明確な結果には達していないことを認めた。^[19]

ケルビン卿（1871）とカール・アントン・ビャークネス（1871）は、すべての物体はエーテルの中で脈動していると仮定した。これは、流体中の2つの球の脈動が同位相であれば互いに引き合い、同位相でなければ反発し合うという事実と類似していた。このメカニズムは電荷の性質を説明するためにも使用された。この仮説は、ジョージ・ガブリエル・ストークスとウォルデマー・フォークトによっても検証されている。^[22]

批判 ：万有引力を説明するには、宇宙のすべての脈動が同位相であると仮定せざるを得ないが、これは非常に信じ難い。さらに、引力が遠距離でも発生するようにするためには、エーテルは非圧縮性でなければならない。^[22]そしてマクスウェルは、このプロセスはエーテルの永続的な新たな生成と破壊を伴うはずだと主張した。^[18]

1690年、ピエール・ヴァリニョンは、すべての物体はあらゆる方向からエーテル粒子の圧力にさらされており、地球の表面から一定の距離に粒子が通過できない何らかの制限があると仮定しました。彼は、物体が制限境界よりも地球に近い場合、物体は下からよりも上からより大きな圧力を受け、地球に向かって落下するだろうと仮定しました。^[23]

1748年、ミハイル・ロモノソフは、エーテルの効果が物質を構成する基本成分の完全な表面積に比例すると仮定した（彼以前のホイヘンスやファティオと同様）。彼はまた、物体の巨大な透過性も仮定した。しかし、エーテルが物質とどのように相互作用して重力の法則が生じるのかについては、彼は明確な説明を与えなかった。^[24]

1821年、ジョン・ヘラパスは、共同で開発した気体の運動理論のモデルを重力に適用しようとした。彼は、エーテルが物体によって加熱されて密度が下がり、他の物体が密度の低い領域に押しやられると仮定した。^{[25]しかし、テイラーは、}熱膨張による密度の低下は加熱された粒子の速度の増加によって補われるため、引力は発生しないこと を示した。 ^[19]

重力に関するこうした機械的な説明は、広く受け入れられることはなかったが、20 世紀初頭まで物理学者によって時折研究され続け、その頃には、その説明は決定的に信用を失ったと一般に考えられていた。しかし、科学界の主流から外れた研究者の中には、今でもこうした理論の帰結を解明しようとしている者もいる。

ル・サージュの理論は、ラジエフスキーとカガルニコワ（1960）、^[26]シュナイデロフ（1961）、^[27]ブオノマーノとエンゲルス（1976）、^[28]アダムット（1982）、^{[29]エドワーズ（2014） [30]}によって研究されました。

静圧による重力は最近アルミンジョンによって研究された。^{[31] [32]}

• 重力理論の歴史
• ル・サージュの重力理論

Wikisource には、運動重力に関連する原文がいくつかあります 。