Kütleçekimin mekanik açıklamaları

Kütleçekimin mekanik açıklamaları veya kütleçekimin kinetik teorileri, kütleçekimi, itmelerden doğmuş basınç kuvvetleri kullanarak, uzaktan etkileşim kullanmadan açıklama girişimidir. Bu teoriler lokmanruhuyla bağlantılı olarak 16. yüzyıl ile 19. yüzyıl arasında geliştirilmiştir. Ancak bu modeller günümüz bilim insanları tarafından değer görmemektedir ve genel görelilik uzaktan etkileşim kullanmadan kütleçekimi anlatan standart modeldir. Modern "kuantum kütleçekim" hipotezleri de kütleçekim parçacık alanları gibi daha temel süreçlerle açıklamaya çalışır ancak bunlar klasik mekaniği temel almaz.Bu teori büyük ihtimalle en çok bilinen mekanik açıklamadır ve ilk önce Nicolas Fatio de Duiller tarafından 1690 yılında ortaya atılıp sonradan Georges-Louis Le Sage (1748), Lord Kelvin (1872) ve Hendrik Lorentz (1900) tarafından yeniden keşfedilmiştir ve James Clerk Maxwell (1875) ve Henri Poincaré (1908) tarafından eleştirilmiştir.Bu teori kütleçekimin kuvvetinin küçük parçacıkların ya da dalgaların evrende yüksek hızda her yöne hareket etmesinden doğduğunu varsayar. Parçacıkların akısının şiddetinin her yönde aynı olduğu varsayılır, yani izole edilmiş bir A cismi her yönden eşit etkiye maruz kalır. Sonuç olarak sadece içe doğru bir basınç ve sıfır net kuvvet etkisi altındadır. İkinci bir B cisminin varlığında, B cisminin olduğu yerden gelen ve A ya çarpması gereken parçacıkların bir kısmı B tarafından engellenir. Yani B bir kalkan görevi görür, B'nin bulunduğu taraftan A ya karşı tarafından daha az parçacık çarpacaktır. Benzer olarak B'ye A'nın olduğu taraftan çarpan parçacıkların sayısı A'nın olmadığı taraftan çarpan parçacıklardan daha az olacaktır. A ve B birbirini "gölgeliyor" da denebilir ve kuvvetlerdeki bu dengesizlik sonucunda iki cisim birbirine itilir.Bu gölge ters kare kuralına uyar çünkü cismi saran küresel bir yüzeyin momentum akışının dengesizliği küresel yüzeyin boyutundan bağımsızdır oysa kürenin yüzey alanı yarıçapın karesiyle orantılı olarak artar. Kütle orantılılığını karşılamak için teori a) maddenin basit elementleri o kadar küçüktür ki brüt maddeler çoğunlukla boşluktan ibarettir, b) parçacıklar o kadar küçüktür ki sadece küçük bir kısmı brüt maddeler tarafından kesilir, varsayımlarında bulunur. Bunun sonucu olarak her cismin "gölgesi" maddenin her bir elemanıyla orantılıdır.Eleştiri: Bu teori başlıca termodinamik sebeplerden ötürü reddedilmiştir, çünkü bu modele göre bir gölge ancak parçacık ya da dalgaların en azından bir kısmı emilirse ortaya çıkar. Bu cisimlerin aşırı ısınmasına neden olmalıdır. Bunun yanında sürükleme (parçacık akışlarının hareket yönüne olan direnci) de büyük bir sorundur. Bu problem çok büyük hızlar varsayarak çözülebilir ancak bu da termal problemleri çok arttırmasının yanı sıra özel görelilikle çelişir.Felsefi görüşlerinden ötürü, René Descartes 1644 yılında Dünya kitabında boşluğun bulunamayacağını ve bunun sonucu olarak uzayın maddeyle dolu olması gerektiğini savunmuştur. Bu maddenin bir kısmı düz hareket etmeye yatkınlık gösterir ancak çok yakın bulundukları için serbest hareket edemezler ve bu Descartes'e göre her hareketin dairesel olduğunu gösterir. Yani lokmanruhu girdaplarla doludur. Descartes farklı madde türlerinin arasındaki farkı da belirler. Kaba pürüzlü maddeler dairesel harekete işlenmiş pürüzsüz maddelere göre daha çok direnç gösterir. Merkezkaç kuvvetine bağlı olarak madde girdabın dışına doğru hareket eder ve bu maddenin orada yoğunlaşmasına neden olur. Kaba maddeler eylemsizliklerinden ötürü bu hareketi takip edemezler sonuç olarak dışarıda yoğunlaşmış olan maddenin basıncıyla girdabın merkezine itilirler. Descartes'e göre bu içe doğru olan basınç kütleçekiminden başka bir şey değildir. Bu mekanizmayı dönen sıvı dolu bir kap ile karşılaştırmıştır. Eğer kap dönmeyi bırakırsa sıvı dönmeye devam edecektir.  Şimdi, eğer biri küçük parçacıklar halinde hafif maddeler (tahta gibi) atacak olursa, bu parçalar kabın merkezine hareket eder.Descartes'in basit ana maddelerini takip ederek, Christiaan Huygens 1669 ve 1690 yılları arasında çok tada kesin bir girdap modeli tasarlamıştır. Bu model matematiksel olarak çalışan ilk kütleçekim teorisidir. Descartes'in de yaptığı gibi lokmanruhu parçacıklarının her yöne hareket ettiğini ancak girdabın dışına doğru itildiğini ve bunun girdabın dışında kalan daha pürüzsüz cisimlerde daha büyük bir yoğunluk yarattığını varsaymıştır. Yani bu modelde de işlenmiş, pürüzsüz maddeler kaba maddeleri girdabın merkezine bastırır. Huygens aynı zamanda maddeleri dışarı iten merkezkaç kuvvetinin maddeleri girdabın içine çeken kuvvete eşit olduğunu bulmuştur (merkezcil kuvvet). Aynı zamanda kütle orantılılığı için gerekli olan, lokmanruhu taneciklerinin parçalardan geçebilmesi için cisimlerin çoğunlukla boşluktan ibaret olduğunu da öne sürmüştür. Dahası lokmanruhunun düşen cisimlerden çok daha hızlı hareket ettiği sonucuna varmıştır. Bu zamanda Newton, çekim üzerine kurlu kendi kütleçekim teorisini geliştirdi ve Huygens matematiksel formalitesine katıldığını söylemesine rağmen modelin mekanik eksikliğinden ötürü yetersiz olduğunu da söylemiştir. Newton'un kütleçekim teorisinin ters kare kanununa uyması Huygens'i şaşırmıştır ve lokmanruhunun hızının mesafe arttıkça azaldığını varsayarak bunu da hesaplarına katmaya çalışmıştır.Eleştiri: Newton teoriye karşı çıktı çünkü sürükleme yörüngelerde gözle görülür sapmalara neden olmalıydı ancak böyle bir durum gözlenmemiştir. Bir diğer problem ise uyduların genellikle girdap hareketi yönünün tersine farklı yönlere hareket etmesiydi. Bunun yanı sıra, lokmanruhunun Kepler'in üçüncü kanununa uyması için ters kare kanununu Huygens dairesel açıklamıştır. Ancak bir kütleçekim yasası bu kanunları açıklamalı onların varlığını varsayıp ona göre şekil almamalıdır.1675 yılında Henry Oldenburg ve sonradan Robert Boyle'a gönderdiği bir mektupta Newton şunları yazmıştır: "Yerçekimi yoğunlaşmanın sebep olduğu bir lokmanruhu akımı ve akının hızının artmasıyla lokmanruhu yoğunluğunun azalmasıdır.”. Böyle bir sürecin önceki işleriyle ve Kepler'in Hareket Kanunu'yla tutarlı olduğunu da vurgulamıştır. Newton'un akış hızı arttıkça düşen basınç fikri matematiksel olarak Bernoulli ilkesi olarak ifade edilmiş ve 1738 yılında Daniel Bernoulli'nin Hydrodynamica adlı kitabında yayınlanmıştır.Ancak, sonradan ikinci bir açıklama (aşağıya bakınız) Newton'un bu soruya yönelik yorumları belirsiz kalmıştır. 1692'de Bentley'e yazdığı üçüncü mektupta şunları yazmıştır:Hareketsiz brüt maddenin, materyal olmayan bir ortamda bir aracının varlığı olmadan başka bir madde üzerine etki etmesi, yani eğer kütleçekim Epikür'ün dediği şekildeyse olması gerekeceği gibi, akıl almazdır. Ve bu "doğal kütleçekimi" bana atfetmemenizi istememin sebeplerinden biri de budur. Kütleçekimin arada mesafe olmasına rağmen bir cisimden başka bir cisme aktarılacak şekilde maddeye özgü olması, etki kuvvetinin taşınamayacağı bir vakumda olmasına rağmen maddenin kütleçekim hissetmesi benim için o kadar büyük bir saçmalıktır ki felsefi konularda yeterli düşünme kapasitesine sahip hiçbir insanın bunu düşünemeyeceğine inanıyorum. Kütleçekim belli kurallara göre sürekli etki eden bir aracı tarafından meydana gelmelidir, ancak bunun maddesel veya ruhani olduğuna karar vermeyi okuyucularımın değerlendirmesine bıraktım.Bunun yanında Newton 1713'te yazdığı "Ben hipotez uydurmam." demeciyle de ünlüdür:Henüz olgudan neden kütleçekimin özelliklerinin böyle olduğunu keşfedemedim ve ben hipotez uydurmam.  Olgudan çıkarımda bulunulmayan kanılara hipotez denmelidir; ister metafiziksel ister fiziksel ister bilinmeyen isterse de mekanik temelli olsun bir hipotezin deneysel felsefede yeri yoktur. Bu felsefede belli önermeler olgudan çıkartılır ve tümevarımla genel kılınır.Nicolas Fatio de Duiller ya da David Gregory gibi bazı arkadaşlarının ifadesine göre Newton kütleçekimin direkt olarak ilahi etki temelli olduğunu düşünmüştür.1853'te Bernhard Riemann'ın Newton'a benzer ama matematiksel  detayı daha fazla olarak kütleçekimsel lokmanruhunun sıkıştırılamaz bir akışkan olduğunu ve normal maddenin giderleri temsil ettiğini varsaymıştır. Yani eğer lokmanruhu cisim tarafından emilir veya yok edilirse bir akım ortaya çıkar ve çevredeki cisimleri merkezdeki kütleye taşır. Riemann emilen lokmanruhunun başka bir dünya veya boyuta taşındığını tahmin etmiştir.Enerji problemini çözme adına bir deneme de Ivan Osipovich Yarkovsky tarafından 1888'de yapılmıştır. Riemann'ınkine benzeyen lokmanruhu modeline göre, gökcisimlerinin kütlesinin artmasına sebep olacak şekilde lokmanruhunu başka bir maddeye dönüşebilir.Eleştiri :Le Sage'nin teorisinde olduğu gibi enerjinin açıklamasız yok olması enerjinin korunumu yasasını ihlal etmektedir. Aynı zamanda sürükleme meydana gelmelidir ve maddenin yaradılışına giden hiçbir süreç bilinmemektedir.Newton Opticks kitabının ikinci düzenlemesini (1717) başka bir mekanik-lokmanruhu teorisiyle güncellemiştir. İlk açıklamasından farklı olarak (1675- Akım bölümüne bakınız) gökcisimlerinin yanına yaklaşıldıkça incelen hareketsiz bir lokmanruhu önermiştir. Taşımaya yapılan benzetme üzerine, cisimleri merkezdeki kütleye iten bir kuvvet doğar. Lokmanruhu yoğunluğunun çok az olduğunu belirterek sürüklemeyi en aza indirmiştir.Newton gibi Leonhard Euler de kütleçekimsel lokmanruhunun ters kare kanununa bağlı olarak yoğunluk kaybettiğini söylemiştir. Diğerlerine benzer olarak Euler de kütle oranını korumak için maddenin çoğunlukla boşluktan ibaret olduğunu varsaymıştır.Eleştiri: Newton ve Euler lokmanruhunun yoğunluğunun değişmesi için bir sebep verememiştir. Dahası James Clerk Maxwell in parmak bastığı gibi, bu "hidrostatik" modelde "...görünmez medyumda var olduğu varsaymamız gereken stres durumu en güçlü çeliğin destekleyebileceğinden üç bin kat daha fazladır."Robert Hooke 1671'de kütleçekimin bütün cisimlerin lokmanruhu içinde her yöne dalga yaymasından doğduğunu öne sürmüştür. Bu cisimlerle etkileşen diğer cisimler dalgaların kaynağına doğru hareket ederdi. Hooke, rahatsız edilmiş bir suyun yüzeyindeki küçük cisimlerin rahatsızlığın merkezine doğru yol almaları benzetmesini kullanmıştır.Benzer bir teori 1859 ve 1876 yılları arasında James Challis tarafından matematiksel olarak açıklanmıştır. He Çekme olayının meydana gelmesi için gelen dalganın dalga boyunun aradaki mesafeye oranla fazla olması gerektiğini hesaplamıştır. Eğer dalga boyu küçükse cisimler birbirini iterlerdi. Bu etkileşimlerin birleşimiyle diğer bütün kuvvetleri de açıklamaya çalışmıştır.Eleştiri: Maxwell bu teorinin sonsuz enerjiye ihtiyaç duyulacak sürekli dalga üretimi gerektirdiğini söyleyerek karşı çıkmıştır.Lord Kelvin (1871) ve Carl Anton Bjerknes (1871) bütün cisimlerin lokmanruhunda titreştiğini varsaymıştır. Bu akıcı bir madde içindeki iki titreşen kürenin belirli zamanda titreştiğinde birbirini çekmesi ancak bu titreşim farklıysa itmesi benzetmesi kullanılarak yapılmıştır. Bu mekanizma elektriksel yüklerin doğasını açıklamak için de kullanılmıştır. Bu hipotez diğerlerinin yanında George Gabriel Stokes ve Woldemar Voigt tarafından da incelenmiştir.Eleştiri: Evrensel kütleçekimi açıklamak için evrendeki titreşimlerin hepsinin belirli bir zamanda olduğunu varsaymak zorunda kalınıyor, ve bu oldukça mantıksız. Bunun yanında, çekimin çok uzak mesafelerde de olabilmesi için lokmanruhunun sıkıştırılamaz olması gerekmektedir. Maxwell bu sürecin kalıcı yeni lokmanruhu yapımı ve eski lokmanruhu yıkımı tarafından takip edilmesi gerektiğini söylemiştir.1690'da Pierre Varignon bütün cisimlerin lokmanruhu tarafından itmelere maruz kaldığını ve Dünya'nın yüzeyinden belirli bir mesafede maddelerin geçemeyeceği bir limit olduğunu varsaymıştır. He assumed that if a body is closer to the Earth than Eğer bir cisim Dünya'ya limitten daha yakınsa o zaman o cismin yukarıdan aşağıya göre daha büyük bir itme hissedeceğini, sonuç olarak Dünya'ya doğru düşeceğini söylemiştir.1748'de Mikhail Lomonosov, lokmanruhu etkisinin, maddeyi oluşturan temel bileşenlerin tüm yüzeyine başlı olduğunu varsaymıştır (ondan önce gelen Fatio ve Huygens gibi). Ayrıca cisimlerin çok büyük nüfuz edilebilirlikleri olduğunu varsaymıştır. Ancak, lokmanruhunun maddeyle nasıl etkileşime girip kütleçekim oluşturduğu hakkında açık bir açıklama yoktur.1821'de , John Herapath bir kısmını geliştirdiği gazların kinetik teorisini kütle çekimine uygulamayı denemiştir. Lokmanruhunun cisimler tarafından ısıtıldığını ve yoğunluk kaybettiğini, diğer kısımların ise bu düşük yoğunluklu bölgeler tarafından itildiğini varsaymıştır.Ancak, yoğunluğu artan parçacıkların hızının da arttığını ve bu şekilde çekimin olmadığını gösteren Taylor, bu iddiayı ortadan kaldırmıştır.These Bu tür fikirlerin tamamen yok sayıldıkları 20. yüzyılın başına kadar fizikçiler tarafından çalışılmasına rağmen, kütleçekimin mekanik açıklamaları hiçbir zaman genel kabul görmemiştir. Ancak, bilimsel ana kolun dışındaki bazı araştırmacılar hala bu teorilerin sonuçlarını çözmeye çalışmaktadır.Le Sage'ın Radzievskii ve Kagalnikova (1960) tarafından çalışılmıştır, Shneiderov (1961), Buonomano and Engels (1976), Adamut (1982), Jaakkola (1996),  Tom Van Flandern (1999), and Edwards (2007). A La Sage modellerinin bazıları Edwards'da tartartışılmıştır.