AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie Gravitace, černé díry a fyzika

Kapitola 1
GRAVITACE A JEJÍ MÍSTO VE FYZICE
1.1. Historický vývoj poznatků o gravitaci
1.2. Newtonův gravitační zákon
1.3. Mechanická LeSageova hypothéza podstaty gravitace
1.4. Analogie mezi gravitací a elektrostatikou
1.5. Elektromagnetické pole. Maxwellovy rovnice.
1.6. Čtyřrozměrný prostoročas a speciální teorie relativity


1.3. Mechanická LeSageova hypotéza podstaty gravitace

Isaac Newton objevil tedy svůj skvělý gravitační zákon, avšak (snad v duchu svého kreda "Hypotheses non fingo" - "Hypothézy nevymýšlím") se nijak nevyslovil o příčinách gravitace. Proč se každá hmotná tělesa k sobě přitahují silou danou zákonem (1.1)? Newtonovi následovníci se přirozeně snažili vysvětlit podstatu gravitace pomocí v té době známých jevů, tj. pomocí různých mechanických či hydrodynamických modelů. Z předrelativistických (a samozřejmě neúspěšných) pokusů o vysvětlení příčiny gravitace se zde zmíníme o nejpozoruhodnějším z nich - o Le Sageově hypothéze pocházející z r.1782.


Obr.1.2. LeSageova hypothéza o mechanickém původu gravitace.
a) Na osamocené těleso narážejí částečky éteru ze všech stran se stejnou průměrnou intenzitou : výslednice sil reakce je nulová.
b) Dvě tělesa nacházející se v prostoru vyplněném chaoticky se pohybujícími částečkami éteru si vůči nim vzájemně vytvářejí "stín". Ze směru od jednoho tělesa k druhému dopadá méně částeček než z ostatních (nezastíněných) směrů, čímž vzniká výsledná síla pudící obě tělesa k sobě.

LeSage vyslovil předpoklad, že všechen prostor (celý vesmír) je vyplněn obrovským množstvím chaoticky ve všech směrech se pohybujících
částeček (éteru). Jestliže se v takovém prostředí vyskytuje jen jedno samotné těleso (obr.1.2a), narážejí na něj částečky ze všech stran s průměrně stejnou intenzitou (a frekvencí), takže celková výslednice sil je rovna nule. Jestliže se však v takovém prostředí nacházejí dvě tělesa v určité vzdálenosti od sebe (obr.1.2b), situace je jiná. Část korpuskulí, které by jinak narážely na jedno z těles, se k němu nedostanou, protože narazily již předtím na druhé těleso, od něhož se odrazily nebo jím byly pohlceny. Tělesa si tak vzájemně vytvářejí proti částečkám éteru vzájemný "stín". Vede to k tomu, že na každé z těles dopadá ze směru od druhého tělesa poněkud méně částeček než z ostatních (neodstíněných) směrů. Vzniká tak určitá výslednice sil reakce, která pudí obě tělesa k sobě. Provede-li se kvantitativní analýza pro případ dostatečně vzdálených těles (ve srovnání s jejich rozměry), vychází z jednoduché geometrické představy, že tato síla bude nepřímo úměrná čtverci jejich vzdálenosti stejně jako v Newtonově gravitačním zákoně (1.1). Velmi malé rozměry LeSageových částeček způsobují, že tyto korpuskule pronikají do nitra těles, kde nezávisle interagují s jednotlivými atomy, nebo "mezerami" mezi atomy volně procházejí ven; přitažlivá síla (síla reakce) je pak úměrná počtu atomů, tj. hmotnosti obou těles.

LeSageova hypothéza je na první pohled velmi hezká a lákavá, protože vysvětluje záhadné gravitační síly pomocí snadno pochopitelných mechanických jevů. Při podrobnějším rozboru však hned vyvstanou nepřekonatelné nedostatky, které vylučují možnost vysvětlit gravitační jevy pomocí LeSageova mechanismu.

Je jasné, že mechanistický charakter původní LeSageovy hypothézy je nepoužitelný v současné fyzice. Byly proto činěny pokusy nahradit částečky éteru nějakými skutečně existujícími částicemi nebo zářením, např. neutriny (k tomu viz niže).

Kvantitativní shoda s (dokonale ověřeným) Newtonovým zákonem (1.1) se dosahuje pouze pro malá a dostatečně vzdálená tělesa. Máme-li dvě tělesa umístěná v pevné vzdálenosti od sebe a zvyšujeme hmotnost (hustotu) jednoho z nich, bude se podle Newtonova zákona úměrně zvyšovat i gravitační síla, přičemž tato síla nemá žádnou konečnou hranici a neomezeně (lineárně) vzrůstá spolu s hmotností gravitujícího tělesa. Podle LeSageova mechanismu by však gravitační síla vykazovala stav nasycení: existuje jistá konečná mez odpovídající situaci, kdy všechny částečky éteru pohybujicí se ve směru k druhému tělesu jsou již pohlceny nebo odraženy druhým tělesem.

Další námitka spočívá v tom, že nulová výslednice sil působících na volné izolované těleso platí jen pro tělesa v klidu (vůči "éteru"). Jestliže se však těleso bude pohybovat dostatečnou rychlostí, symetrie v rozdělení hybností dopadajících částeček éteru se poruší a vznikne určitá výslednice sil působící proti směru pohybu - volné rychle pohybující se těleso by bylo brzděno, v rozporu se zákonem setvačnosti.

Nejzávažnější námitka však plyne z energetické bilance LeSageova procesu. Při své interakci s tělesem část éterových korpuskulí může volně projít, část se absorbuje a část odrazí. Absorbované částečky předají tělesu veškerou svoji kinetickou energii; rovněž odražené korpuskule předávají část své kinetické energie tělesu (pokud srážky nejsou dokonale pružné). Protože proces probíhá na mikroskopické úrovni, bude se tato předávaná energie měnit na teplo: tělesa gravitující LeSageovým mechanismem by se musela zároveň (a především!) zahřívat. Totéž platí i pro izolovaná tělesa nacházející se v LeSageově prostředí. K vysvětlení pozorované gravitační sily LeSageovým "odstiňovacím" mechanismem by příslušný tok částeček musel mít velmi značnou intenzitu *), takže každé takto bombardované těleso by se vlivem neustále předávané rázové energie muselo za krátkou dobu rozžhavit na vysokou teplotu, což se samozřejmě nepozoruje.
*) Za předpokladu absorbce bude síla F vyvolaná dopady částeček přibližně rovna F = e.pr2.sin2a, kde e je hustota energie absorbovaných částeček [J/m3], r poloměr jednoho tělesa a a zorný úhel, pod nímž se jeví druhé gravitující (odstiňující) těleso. Gravitační síla mezi Zemí (r»6,4.106 m) a Sluncem činí F»4.1022 N, úhel a » 17', takže hustota LeSageových částic by musela být zhruba 1013J/m3, což o 17 řádů převyšuje hustotu slunečního záření v okolí Země!

Tento argument ukazuje, že LeSageova teorie nemá žádnou naději na správné vysvětlení příčiny gravitace. Platí to i o různých modifikacích LeSageovy hypothézy, mají-li mít uvažované skutečné částice nebo záření (nahrazující hypotetické LeSageovy částečky) rozumné fyzikální vlastnosti. Bez předávání energie pohlcených nebo odražených částic (nebo záření) by zde prostě nebyl faktor vyvolávající kýžený "gravitační" účinek. Pokud by to měla být neutrina, pak navíc vzhledem k velmi nízkému účinnému průřezu interakce neutrin s hmotou by k vysvětlení existující gravitační síly bylo třeba o mnoho řádů větší hustoty neutrin, než se ve vesmíru pozoruje.

Lze uzavřít, že žádné mechanistické vysvětlení podstaty gravitace, které by nevedlo zároveň k neexistujícím jevům a rozporům se skutečností, se nepodařilo podat. Skutečné vysvětlení podstaty a příčiny gravitace je proto třeba hledat jinde: v důsledné relativistické teorii pole - v obecné teorii relativity (kap.2) a z ní vycházejících unitárních teoriích pole (Dodatek B). Obvyklá otázka "Proč tělesa kolem sebe budí gravitační pole?" může být v přístupu unitární teorie pole dokonce úplně postavena na hlavu: pole se považuje za primární a otázka zní: "Jak je hmota z pole vytvořena?".

1.2. Newtonův gravitační
zákon
  1.4. Analogie mezi gravitací
a elektřinou

Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu :
Gravitace ve fyzice Obecná teorie relativity Geometrie a topologie
Černé díry Relativistická kosmologie Unitární teorie pole
Antropický princip aneb kosmický Bůh
Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie

Vojtěch Ullmann