Explicaciones mecánicas de la gravitación

Las explicaciones mecánicas de la gravitación (o teorías cinéticas de la gravitación ) intentan explicar la acción de la gravedad mediante procesos mecánicos básicos , como las fuerzas de presión causadas por empujes , sin recurrir a ninguna acción a distancia . Estas teorías se desarrollaron entre los siglos XVI y XIX en relación con el éter . Sin embargo, estos modelos ya no se consideran teorías viables dentro de la comunidad científica convencional, dado que la relatividad general es ahora el modelo estándar para describir la gravitación sin recurrir a acciones a distancia. Las hipótesis modernas de la " gravedad cuántica " también intentan describir la gravedad mediante procesos más fundamentales, como los campos de partículas, pero no se basan en la mecánica clásica.

Esta teoría es probablemente ^{[ 1 ]} la explicación mecánica más conocida, y fue desarrollada por primera vez por Nicolas Fatio de Duillier en 1690, y reinventada, entre otros, por Georges-Louis Le Sage (1748), Lord Kelvin (1872) y Hendrik Lorentz (1900), y criticada por James Clerk Maxwell (1875) y Henri Poincaré (1908).

La teoría postula que la fuerza de la gravedad es el resultado de diminutas partículas u ondas que se mueven a gran velocidad en todas direcciones a lo largo del universo . Se supone que la intensidad del flujo de partículas es la misma en todas las direcciones, por lo que un objeto aislado A recibe impactos por igual desde todos los lados, lo que resulta únicamente en una presión dirigida hacia adentro , pero sin una fuerza direccional neta. Sin embargo, con un segundo objeto B presente, una fracción de las partículas que de otro modo habrían impactado a A desde la dirección de B son interceptadas, por lo que B actúa como un escudo, por así decirlo; es decir, desde la dirección de B, A recibirá menos impactos de partículas que desde la dirección opuesta. De igual manera, B recibirá menos impactos de partículas desde la dirección de A que desde la dirección opuesta. Se puede decir que A y B se "protegen" mutuamente, y los dos cuerpos son empujados el uno hacia el otro por el desequilibrio de fuerzas resultante.

Esta sombra obedece la ley del inverso del cuadrado, ya que el desequilibrio del flujo de momento sobre toda la superficie esférica que encierra el objeto es independiente del tamaño de la esfera, mientras que el área de la superficie de la esfera aumenta en proporción al cuadrado del radio. Para satisfacer la necesidad de proporcionalidad de masa, la teoría postula que a) los elementos básicos de la materia son muy pequeños, de modo que la materia bruta consiste principalmente en espacio vacío, y b) que las partículas son tan pequeñas que solo una pequeña fracción de ellas sería interceptada por la materia bruta. El resultado es que la "sombra" de cada cuerpo es proporcional a la superficie de cada elemento de materia.

Crítica : Esta teoría fue rechazada principalmente por razones termodinámicas , ya que en este modelo solo aparece una sombra si las partículas u ondas se absorben al menos parcialmente, lo que provocaría un calentamiento enorme de los cuerpos. Además, la resistencia, es decir, la resistencia de los flujos de partículas en la dirección del movimiento, también representa un gran problema. Este problema puede resolverse asumiendo velocidades superlumínicas, pero esta solución incrementa considerablemente los problemas térmicos y contradice la relatividad especial . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Debido a sus creencias filosóficas, René Descartes propuso en 1644 que no puede existir el espacio vacío y que, por consiguiente, el espacio debe estar lleno de materia . ^{[ 4 ]} Las partes de esta materia tienden a moverse en líneas rectas, pero como están muy juntas, no pueden moverse libremente, lo que, según Descartes, implica que todo movimiento es circular, por lo que el éter está lleno de vórtices . Descartes también distingue entre diferentes formas y tamaños de materia, en los que la materia gruesa resiste el movimiento circular con mayor fuerza que la materia fina. Debido a la fuerza centrífuga , la materia tiende hacia los bordes exteriores del vórtice, lo que provoca una condensación de esta materia allí. La materia gruesa no puede seguir este movimiento debido a su mayor inercia ; por lo tanto, debido a la presión de la materia exterior condensada, esas partes serán empujadas hacia el centro del vórtice. Según Descartes, esta presión hacia adentro no es otra cosa que la gravedad. Comparó este mecanismo con el hecho de que si se detiene un recipiente giratorio lleno de líquido, el líquido continúa girando. Ahora bien, si se dejan caer pequeños trozos de materia ligera (por ejemplo, madera) en el recipiente, los trozos se mueven hacia el centro del recipiente. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} Esta idea sobre la formación del cosmos por vórtices de materia fue precedida por los antiguos atomistas presocráticos Leucipo y Demócrito . ^{[ 8 ]}

Partiendo de las premisas básicas de Descartes, Christiaan Huygens diseñó, entre 1669 y 1690, un modelo de vórtice mucho más preciso. Este modelo fue la primera teoría de la gravitación desarrollada matemáticamente. Huygens supuso que las partículas del éter se mueven en todas direcciones, pero que son repelidas en los bordes exteriores del vórtice, lo que provoca (al igual que en el caso de Descartes) una mayor concentración de materia fina en dichos bordes. Así, en su modelo, la materia fina empuja la materia gruesa hacia el centro del vórtice. Huygens también descubrió que la fuerza centrífuga es igual a la fuerza que actúa en la dirección del centro del vórtice ( fuerza centrípeta ). Además, postuló que los cuerpos deben consistir principalmente en espacio vacío para que el éter pueda penetrarlos fácilmente, lo cual es necesario para la proporcionalidad de masas. Concluyó, asimismo, que el éter se mueve mucho más rápido que los cuerpos en caída. En ese momento, Newton desarrolló su teoría de la gravitación, basada en la atracción, y aunque Huygens coincidió con el formalismo matemático, afirmó que el modelo era insuficiente debido a la falta de una explicación mecánica de la ley de la fuerza. El descubrimiento de Newton de que la gravedad obedece la ley del inverso del cuadrado sorprendió a Huygens, quien intentó tenerlo en cuenta asumiendo que la velocidad del éter es menor a mayor distancia. ^{[ 7 ] [ 9 ] [ 10 ]}

Crítica : Newton objetó la teoría porque el arrastre debía provocar desviaciones notables de las órbitas, las cuales no se observaron. ^{[ 11 ]} Otro problema era que las lunas a menudo se movían en direcciones diferentes, en contra de la dirección del movimiento del vórtice. Además, la explicación de Huygens de la ley del inverso del cuadrado es circular , porque esto implica que el éter obedece la tercera ley de Kepler . Pero una teoría de la gravitación debe explicar esas leyes y no debe presuponerlas. ^{[ 7 ] [ 11 ]}

A finales del siglo XIX, varios físicos británicos, entre los que destaca William Thomson, primer barón Kelvin , desarrollaron una teoría de vórtices del átomo . Mientras que Descartes había descrito tres tipos de materia —cada uno vinculado respectivamente a la emisión, transmisión y reflexión de la luz—, Thomson desarrolló una teoría basada en un continuo unitario. Esta teoría de vórtices buscaba explicar la materia y, por ende, la gravedad, además de proporcionar un modelo alternativo para átomos y moléculas. Tras debates que duraron menos de cuarenta años, el modelo fue abandonado por falta de avances. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

En una carta de 1675 a Henry Oldenburg , y posteriormente a Robert Boyle , Newton escribió lo siguiente: [La gravedad es el resultado de] “una condensación que provoca un flujo de éter con una disminución correspondiente de la densidad del éter asociada al aumento de la velocidad del flujo”. También afirmó que dicho proceso era coherente con todos sus demás trabajos y con las leyes del movimiento de Kepler. ^{[ 14 ]} La idea de Newton de una caída de presión asociada al aumento de la velocidad del flujo se formalizó matemáticamente como el principio de Bernoulli, publicado en el libro Hydrodynamica de Daniel Bernoulli en 1738.

Sin embargo, aunque posteriormente propuso una segunda explicación (véase la sección siguiente), los comentarios de Newton sobre esa cuestión siguieron siendo ambiguos. En la tercera carta a Bentley en 1692 escribió: ^{[ 15 ]}

Es inconcebible que la materia inanimada, sin la mediación de algo no material, pueda actuar sobre otra materia y afectarla sin contacto mutuo, como debe ocurrir si la gravitación, en el sentido epicúreo, fuera esencial e inherente a ella. Y esta es una de las razones por las que deseaba que no me atribuyeran la «gravedad innata». Que la gravedad sea innata, inherente y esencial a la materia, de modo que un cuerpo pueda actuar sobre otro a distancia, a través del vacío, sin la mediación de nada más que transmita su acción y fuerza, me parece un absurdo tan grande que creo que ningún hombre con capacidad de razonamiento filosófico competente puede caer en él. La gravedad debe ser causada por un agente que actúa constantemente según ciertas leyes; pero si este agente es material o inmaterial, lo dejo a la consideración de mis lectores.

Por otro lado, Newton también es bien conocido por la frase Hypotheses non fingo , escrita en 1713: ^{[ 16 ]}

Aún no he podido descubrir la razón de estas propiedades de la gravedad a partir de los fenómenos, y no pretendo formular hipótesis. Pues todo aquello que no se deduce de los fenómenos debe considerarse una hipótesis; y las hipótesis, ya sean metafísicas, físicas, basadas en cualidades ocultas o mecánicas, no tienen cabida en la filosofía experimental. En esta filosofía, las proposiciones particulares se infieren de los fenómenos y, posteriormente, se generalizan mediante inducción.

Y según el testimonio de algunos de sus amigos, como Nicolas Fatio de Duillier o David Gregory , Newton pensaba que la gravitación se basa directamente en la influencia divina. ^{[ 10 ]}

De forma similar a Newton, pero con mayor detalle matemático, Bernhard Riemann postuló en 1853 que el éter gravitacional es un fluido incompresible y que la materia ordinaria representa sumideros en este éter. Así, si el éter se destruye o absorbe proporcionalmente a las masas de los cuerpos, surge una corriente que arrastra todos los cuerpos circundantes hacia la masa central. Riemann especuló que el éter absorbido se transfiere a otro mundo o dimensión. ^{[ 17 ]}

En 1888, Ivan Osipovich Yarkovsky realizó otro intento de resolver el problema energético. Basándose en su modelo de corriente de éter, similar al de Riemann, argumentó que el éter absorbido podría convertirse en nueva materia, lo que provocaría un aumento de la masa de los cuerpos celestes. ^{[ 18 ]}

Crítica : Al igual que en la teoría de Le Sage, la desaparición de energía sin explicación viola la ley de conservación de la energía . Además, debe existir algún tipo de resistencia, y no se conoce ningún proceso que dé lugar a la creación de materia.

Newton actualizó la segunda edición de su obra Óptica (1717) con otra teoría mecánica del éter sobre la gravedad. A diferencia de su primera explicación (1675 – véase Corrientes), propuso un éter estacionario que se vuelve cada vez más tenue cerca de los cuerpos celestes. Siguiendo la analogía de un ascensor , surge una fuerza que empuja todos los cuerpos hacia la masa central. Minimizó la resistencia al postular una densidad extremadamente baja del éter gravitacional.

Al igual que Newton, Leonhard Euler presupuso en 1760 que el éter gravitacional pierde densidad de acuerdo con la ley del inverso del cuadrado. De forma similar a otros, Euler también asumió que, para mantener la proporcionalidad de la masa, la materia consiste principalmente en espacio vacío. ^{[ 19 ]}

Crítica : Ni Newton ni Euler dieron razón alguna de por qué debería cambiar la densidad de ese éter estático. Además, James Clerk Maxwell señaló que en este modelo "hidrostático", " el estado de tensión... que debemos suponer que existe en el medio invisible, es 3000 veces mayor que el que podría soportar el acero más resistente ". ^{[ 20 ]}

En 1671, Robert Hooke especuló que la gravitación es el resultado de que todos los cuerpos emitan ondas en todas direcciones a través del éter. Otros cuerpos, al interactuar con estas ondas, se mueven en la dirección de la fuente de las mismas. Hooke vio una analogía con el hecho de que los objetos pequeños sobre una superficie de agua agitada se mueven hacia el centro de la agitación. ^{[ 21 ]}

Una teoría similar fue desarrollada matemáticamente por James Challis entre 1859 y 1876. Calculó que la atracción se produce si la longitud de onda es grande en comparación con la distancia entre los cuerpos gravitantes. Si la longitud de onda es pequeña, los cuerpos se repelen. Mediante la combinación de estos efectos, también intentó explicar todas las demás fuerzas. ^{[ 22 ]}

Crítica : Maxwell objetó que esta teoría requiere una producción constante de ondas, que debe ir acompañada de un consumo infinito de energía. ^{[ 23 ]} El propio Challis admitió que no había llegado a un resultado definitivo debido a la complejidad de los procesos. ^{[ 21 ]}

Lord Kelvin (1871) y Carl Anton Bjerknes (1871) supusieron que todos los cuerpos pulsan en el éter. Esto era análogo al hecho de que, si la pulsación de dos esferas en un fluido está en fase, se atraerán entre sí; y si la pulsación de dos esferas no está en fase, se repelerán. Este mecanismo también se utilizó para explicar la naturaleza de las cargas eléctricas . Entre otros, esta hipótesis también ha sido examinada por George Gabriel Stokes y Woldemar Voigt . ^{[ 24 ]}

Crítica  : Para explicar la gravitación universal, uno se ve obligado a suponer que todas las pulsaciones del universo están en fase, lo cual parece muy improbable. Además, el éter debería ser incompresible para asegurar que la atracción también surja a mayores distancias. ^{[ 24 ]} Y Maxwell argumentó que este proceso debe ir acompañado de una producción y destrucción permanente de éter. ^{[ 20 ]}

En 1690, Pierre Varignon postuló que todos los cuerpos están expuestos a empujes de partículas de éter desde todas las direcciones, y que existe una especie de límite a cierta distancia de la superficie terrestre que las partículas no pueden traspasar. Supuso que si un cuerpo está más cerca de la Tierra que del límite, experimentará un empuje mayor desde arriba que desde abajo, lo que provocará su caída hacia la Tierra. ^{[ 25 ]}

En 1748, Mikhail Lomonosov supuso que el efecto del éter es proporcional a la superficie total de los componentes elementales que conforman la materia (de forma similar a Huygens y Fatio antes que él). También supuso una enorme penetrabilidad de los cuerpos. Sin embargo, no ofreció una descripción clara de cómo interactúa exactamente el éter con la materia para dar lugar a la ley de la gravitación. ^{[ 26 ]}

En 1821, John Herapath intentó aplicar su modelo de teoría cinética de los gases, desarrollado en colaboración con otros autores, a la gravitación. Supuso que el éter se calienta por la acción de los cuerpos y pierde densidad, de modo que otros cuerpos son empujados hacia estas regiones de menor densidad. ^{[ 27 ]} Sin embargo, Taylor demostró que la disminución de la densidad debida a la expansión térmica se compensa con el aumento de la velocidad de las partículas calentadas; por lo tanto, no se produce atracción. ^{[ 21 ]}

Estas explicaciones mecánicas de la gravedad nunca alcanzaron una aceptación generalizada, aunque los físicos continuaron estudiándolas ocasionalmente hasta principios del siglo XX, momento en el que se las consideró definitivamente desacreditadas. Sin embargo, algunos investigadores ajenos a la corriente científica principal aún intentan dilucidar algunas consecuencias de dichas teorías.

La teoría de Le Sage fue estudiada por Radzievskii y Kagalnikova (1960), ^{[ 28 ]} Shneiderov (1961), ^{[ 29 ]} Buonomano y Engels (1976), ^{[ 30 ]} Adamut (1982), ^{[ 31 ]} y Edwards (2014). ^{[ 32 ]}

La gravedad debida a la presión estática fue estudiada recientemente por Arminjon. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

• Historia de la teoría gravitacional
• La teoría de la gravitación de Le Sage