التفسيرات الميكانيكية للجاذبية

التفسيرات الميكانيكية للجاذبية (أو النظريات الحركية للجاذبية ) هي محاولات لشرح فعل الجاذبية بالاستعانة بعمليات ميكانيكية أساسية ، مثل قوى الضغط الناتجة عن الدفع ، دون استخدام أي تأثير عن بُعد . طُوّرت هذه النظريات بين القرنين السادس عشر والتاسع عشر في سياق الأثير . مع ذلك، لم تعد هذه النماذج تُعتبر نظريات مقبولة في الأوساط العلمية السائدة، لأن النسبية العامة هي الآن النموذج القياسي لوصف الجاذبية دون استخدام تأثيرات عن بُعد. كما تحاول فرضيات " الجاذبية الكمومية " الحديثة وصف الجاذبية بعمليات أكثر جوهرية، مثل حقول الجسيمات، لكنها لا تستند إلى الميكانيكا الكلاسيكية.

ربما تكون هذه النظرية ^{[ 1 ]} هي التفسير الميكانيكي الأكثر شهرة، وقد تم تطويرها لأول مرة بواسطة نيكولاس فاتيو دي دويلييه في عام 1690، وأعيد ابتكارها، من بين آخرين، بواسطة جورج لويس لو ساج (1748)، واللورد كلفن (1872)، وهندريك لورنتز (1900)، وانتقدها جيمس كليرك ماكسويل (1875)، وهنري بوانكاريه (1908).

تفترض هذه النظرية أن قوة الجاذبية ناتجة عن جسيمات أو موجات صغيرة تتحرك بسرعة عالية في جميع الاتجاهات عبر الكون . ويُفترض أن شدة تدفق الجسيمات متساوية في جميع الاتجاهات، لذا فإن الجسم المعزول (أ) يتعرض لضربات متساوية من جميع الجهات، مما ينتج عنه ضغط داخلي فقط دون قوة اتجاهية صافية. أما بوجود جسم ثانٍ (ب)، فإن جزءًا من الجسيمات التي كانت ستصطدم بـ (أ) من اتجاه (ب) يُحجب، فيعمل (ب) كحاجز، إن صح التعبير؛ أي أن (أ) سيتعرض لضربات من اتجاه (ب) بعدد أقل من الجسيمات مقارنةً بالضربات القادمة من الاتجاه المعاكس. وبالمثل، سيتعرض (ب) لضربات من اتجاه (أ) بعدد أقل من الجسيمات مقارنةً بالضربات القادمة من الاتجاه المعاكس. ويمكن القول إن (أ) و(ب) "يحجبان" بعضهما البعض، ويدفع الجسمان باتجاه بعضهما البعض نتيجةً لاختلال توازن القوى الناتج.

يخضع هذا الظل لقانون التربيع العكسي، لأن عدم توازن تدفق الزخم على سطح كروي كامل يحيط بالجسم لا يعتمد على حجم الكرة المحيطة، بينما تزداد مساحة سطح الكرة بما يتناسب مع مربع نصف قطرها. ولتلبية شرط تناسب الكتلة، تفترض النظرية أن: أ) العناصر الأساسية للمادة صغيرة جدًا بحيث تتكون المادة الإجمالية في معظمها من فراغ، و ب) أن الجسيمات صغيرة جدًا لدرجة أن جزءًا صغيرًا منها فقط سيُحجب بواسطة المادة الإجمالية. والنتيجة هي أن "ظل" كل جسم يتناسب مع مساحة سطح كل عنصر من عناصر المادة.

الانتقادات : رُفضت هذه النظرية لأسباب ديناميكية حرارية في المقام الأول ، إذ لا يظهر الظل في هذا النموذج إلا إذا امتُصت الجسيمات أو الموجات جزئيًا على الأقل، مما يؤدي إلى تسخين هائل للأجسام. كما أن مقاومة الهواء، أي مقاومة تيارات الجسيمات في اتجاه الحركة، تُشكل مشكلة كبيرة أيضًا. يمكن حل هذه المشكلة بافتراض سرعات تفوق سرعة الضوء، لكن هذا الحل يزيد من المشاكل الحرارية بشكل كبير ويتعارض مع النسبية الخاصة . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

انطلاقًا من معتقداته الفلسفية، اقترح رينيه ديكارت عام ١٦٤٤ أنه لا يمكن أن يوجد فراغ، وبالتالي لا بد أن يكون الفضاء مليئًا بالمادة . ^{[ ٤ ]} تميل أجزاء هذه المادة إلى الحركة في مسارات مستقيمة، ولكن نظرًا لتقاربها، لا يمكنها الحركة بحرية، مما يعني، وفقًا لديكارت، أن كل حركة دائرية، وبالتالي فإن الأثير مليء بالدوامات . كما ميّز ديكارت بين أشكال وأحجام المادة المختلفة، حيث تقاوم المادة الخشنة الحركة الدائرية بقوة أكبر من المادة الناعمة. وبسبب قوة الطرد المركزي ، تميل المادة نحو الحواف الخارجية للدوامة، مما يؤدي إلى تكثفها هناك. لا تستطيع المادة الخشنة مواكبة هذه الحركة بسبب قصورها الذاتي الأكبر ، لذا، وبسبب ضغط المادة الخارجية المتكثفة، تُدفع تلك الأجزاء إلى مركز الدوامة. ووفقًا لديكارت، فإن هذا الضغط الداخلي ليس سوى الجاذبية. وقد شبّه هذه الآلية بحقيقة أنه إذا توقف وعاء مملوء بسائل يدور، فإن السائل يستمر في الدوران. الآن، إذا أسقطنا قطعًا صغيرة من مادة خفيفة (مثل الخشب) في الإناء، فإن القطع ستتحرك إلى منتصف الإناء. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} وقد سبق هذه الفكرة حول تكوين الكون بواسطة دوامات المادة كلٌ من ليوكيبوس وديموقريطس ، وهما من علماء الذرة القدماء قبل سقراط . ^{[ 8 ]}

انطلاقًا من المبادئ الأساسية لديكارت، صمّم كريستيان هويغنز ، بين عامي 1669 و1690، نموذجًا أكثر دقة للدوامة. كان هذا النموذج أول نظرية للجاذبية تُصاغ رياضيًا. افترض هويغنز أن جزيئات الأثير تتحرك في جميع الاتجاهات، لكنها تُقذف عائدةً إلى الحدود الخارجية للدوامة، مما يُسبب (كما في حالة ديكارت) تركيزًا أكبر للمادة الدقيقة عند تلك الحدود. لذا، في نموذجه أيضًا، تضغط المادة الدقيقة على المادة الخشنة باتجاه مركز الدوامة. كما اكتشف هويغنز أن قوة الطرد المركزي تُساوي القوة المؤثرة في اتجاه مركز الدوامة ( قوة الجذب المركزي ). وافترض أيضًا أن الأجسام يجب أن تتكون في معظمها من فراغ حتى يتمكن الأثير من اختراقها بسهولة، وهو أمر ضروري لتناسب الكتلة. وخلص كذلك إلى أن الأثير يتحرك بسرعة أكبر بكثير من الأجسام الساقطة. في ذلك الوقت، وضع نيوتن نظريته في الجاذبية القائمة على التجاذب، ورغم موافقة هيغنز على الصيغة الرياضية، إلا أنه رأى أن النموذج غير كافٍ لافتقاره إلى تفسير ميكانيكي لقانون القوة. وقد أثار اكتشاف نيوتن أن الجاذبية تخضع لقانون التربيع العكسي دهشة هيغنز، فحاول مراعاة ذلك بافتراض أن سرعة الأثير تقل كلما زادت المسافة. ^{[ 7 ] [ 9 ] [ 10 ]}

الانتقادات : اعترض نيوتن على النظرية لأن مقاومة الهواء تؤدي حتمًا إلى انحرافات ملحوظة في المدارات لم تُلاحظ. ^{[ 11 ]} مشكلة أخرى هي أن الأقمار غالبًا ما تتحرك في اتجاهات مختلفة، عكس اتجاه حركة الدوامة. كذلك، فإن تفسير هيغنز لقانون التربيع العكسي دائري ، لأنه يعني أن الأثير يخضع لقانون كبلر الثالث . لكن نظرية الجاذبية يجب أن تفسر هذه القوانين ولا يجب أن تفترضها مسبقًا. ^{[ 7 ] [ 11 ]}

في أواخر القرن التاسع عشر، وضع عدد من الفيزيائيين البريطانيين، وعلى رأسهم ويليام طومسون، البارون الأول لكلفن ، نظرية الدوامة الذرية . فبينما حدد ديكارت ثلاثة أنواع من المادة - يرتبط كل منها على التوالي بانبعاث الضوء وانتقاله وانعكاسه - طور طومسون نظرية قائمة على متصل موحد. سعت نظرية الدوامة هذه إلى تفسير المادة، وبالتالي الجاذبية، فضلاً عن تقديم نموذج بديل للذرات والجزيئات. وبعد مناقشات استمرت أقل من أربعين عامًا، تم التخلي عن هذا النموذج بسبب عدم إحراز تقدم. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

في رسالةٍ كتبها نيوتن عام ١٦٧٥ إلى هنري أولدنبورغ ، ثم لاحقًا إلى روبرت بويل ، كتب ما يلي: [الجاذبية هي نتيجة] "تكثف يُسبب تدفق الأثير مع انخفاضٍ مُقابل في كثافة الأثير مُرتبط بزيادة سرعة التدفق". كما أكد أن هذه العملية تتوافق مع جميع أعماله الأخرى وقوانين كبلر للحركة. ^{[ ١٤ ]} وقد تمّت صياغة فكرة نيوتن عن انخفاض الضغط المُصاحب لزيادة سرعة التدفق رياضيًا في مبدأ برنولي الذي نُشر في كتاب دانيال برنولي "الهيدروديناميكا" عام ١٧٣٨.

مع ذلك، ورغم أنه اقترح لاحقًا تفسيرًا ثانيًا (انظر القسم أدناه)، ظلت تعليقات نيوتن على هذا السؤال غامضة. في رسالته الثالثة إلى بنتلي عام 1692 كتب: ^{[ 15 ]}

من غير المعقول أن تؤثر المادة الجامدة، دون وسيط غير مادي، على مادة أخرى وتؤثر فيها دون تلامس مباشر، كما لو كانت الجاذبية، بمفهوم إبيقور، جوهرية ومتأصلة فيها. وهذا أحد الأسباب التي دفعتني لطلب عدم نسب "الجاذبية الفطرية" إليّ. إن فكرة أن تكون الجاذبية فطرية ومتأصلة وجوهرية في المادة، بحيث يؤثر جسم على آخر عن بُعد، عبر الفراغ، دون وسيط، تنتقل من خلاله قوتهما وتأثيرهما، تبدو لي ضربًا من العبث، ولا أظن أن أي شخص يمتلك ملكة تفكير فلسفية كفؤة يمكن أن يقع في هذا الفخ. لا بد أن تكون الجاذبية ناتجة عن عامل يعمل باستمرار وفقًا لقوانين معينة؛ أما ما إذا كان هذا العامل ماديًا أم غير مادي، فقد تركتُ الأمر لتقدير قرائي.

من ناحية أخرى، يشتهر نيوتن أيضًا بعبارة " Hypotheses non fingo " التي كتبها عام 1713: ^{[ 16 ]}

لم أتمكن حتى الآن من اكتشاف سبب هذه الخصائص للجاذبية من خلال الظواهر، ولا أدّعي وجود فرضيات. فكل ما لا يُستنتج من الظواهر يُعدّ فرضية؛ والفرضيات، سواء أكانت ميتافيزيقية أم فيزيائية، أو مبنية على صفات خفية، أو ميكانيكية، لا مكان لها في الفلسفة التجريبية. في هذه الفلسفة، تُستنتج قضايا محددة من الظواهر، ثم تُعمّم بالاستقراء.

وبحسب شهادة بعض أصدقائه، مثل نيكولاس فاتيو دي دويلييه أو ديفيد غريغوري ، فقد اعتقد نيوتن أن الجاذبية تستند مباشرة إلى التأثير الإلهي. ^{[ 10 ]}

على غرار نيوتن، ولكن بتفصيل رياضي أكبر، افترض برنارد ريمان في عام 1853 أن الأثير الجاذبي سائل غير قابل للانضغاط ، وأن المادة العادية تمثل مصارف في هذا الأثير. لذا، إذا فُني الأثير أو امتُصّ بما يتناسب مع كتل الأجسام، ينشأ تيار يحمل جميع الأجسام المحيطة باتجاه الكتلة المركزية. وتكهن ريمان بأن الأثير الممتص ينتقل إلى عالم أو بُعد آخر. ^{[ 17 ]}

قام إيفان أوسيبوفيتش ياركوفسكي بمحاولة أخرى لحل مشكلة الطاقة في عام 1888. واستناداً إلى نموذجه لتيار الأثير، والذي كان مشابهاً لنموذج ريمان، جادل بأن الأثير الممتص قد يتحول إلى مادة جديدة، مما يؤدي إلى زيادة كتلة الأجرام السماوية. ^{[ 18 ]}

النقد : كما هو الحال في نظرية لو ساج، فإن اختفاء الطاقة دون تفسير ينتهك قانون حفظ الطاقة . كما يجب أن تنشأ مقاومة ما، ولا توجد عملية معروفة تؤدي إلى خلق المادة.

قام نيوتن بتحديث الطبعة الثانية من كتابه "البصريات " (1717) بنظرية أخرى للجاذبية تعتمد على الأثير الميكانيكي. وخلافًا لتفسيره الأول (1675 - انظر "التيارات")، اقترح وجود أثير ثابت يتناقص سمكه تدريجيًا بالقرب من الأجرام السماوية. وعلى غرار قوة الرفع ، تنشأ قوة تدفع جميع الأجسام نحو الكتلة المركزية. وقد قلل من مقاومة الهواء بافتراض كثافة منخفضة للغاية للأثير الجاذبي.

على غرار نيوتن، افترض ليونارد أويلر في عام 1760 أن الأثير الجاذبي يفقد كثافته وفقًا لقانون التربيع العكسي. ومثل غيره، افترض أويلر أيضًا أن المادة، للحفاظ على تناسب الكتلة، تتكون في معظمها من فراغ. ^{[ 19 ]}

النقد : لم يُقدّم كلٌّ من نيوتن وأويلر أيّ سببٍ لتغيّر كثافة الأثير الساكن. علاوةً على ذلك، أشار جيمس كلارك ماكسويل إلى أنّه في هذا النموذج "الهيدروستاتيكي"، فإنّ " حالة الإجهاد... التي يجب أن نفترض وجودها في الوسط غير المرئي، أكبر بثلاثة آلاف مرّة من تلك التي يمكن أن يتحمّلها أقوى أنواع الفولاذ ". ^{[ 20 ]}

افترض روبرت هوك عام 1671 أن الجاذبية ناتجة عن انبعاث موجات من جميع الأجسام في جميع الاتجاهات عبر الأثير. وتتحرك الأجسام الأخرى، التي تتفاعل مع هذه الموجات، في اتجاه مصدرها. ورأى هوك تشابهاً بين هذه الظاهرة وحركة الأجسام الصغيرة على سطح الماء المضطرب نحو مركز الاضطراب. ^{[ 21 ]}

وضع جيمس تشاليس نظرية مشابهة رياضياً بين عامي 1859 و1876. وقد حسب أن حالة التجاذب تحدث عندما يكون طول الموجة كبيراً مقارنةً بالمسافة بين الجسمين المتأثرين بالجاذبية. أما إذا كان طول الموجة صغيراً، فإن الجسمين يتنافران. وبمزيج من هذه التأثيرات، حاول أيضاً تفسير جميع القوى الأخرى. ^{[ 22 ]}

الانتقادات : اعترض ماكسويل على هذه النظرية بحجة أنها تتطلب إنتاجًا مستمرًا للأمواج، وهو ما يستلزم استهلاكًا لا نهائيًا للطاقة. ^{[ 23 ]} وقد أقر تشاليس نفسه بأنه لم يتوصل إلى نتيجة محددة نظرًا لتعقيد العمليات. ^{[ 21 ]}

افترض اللورد كلفن (1871) وكارل أنطون بيركنز (1871) أن جميع الأجسام تنبض في الأثير. ويستند هذا الافتراض إلى حقيقة أنه إذا كان نبض كرتين في سائل متوافقًا في الطور، فإنهما ستتجاذبان؛ وإذا لم يكن نبض كرتين متوافقًا في الطور، فإنهما ستتنافران. وقد استُخدمت هذه الآلية أيضًا لتفسير طبيعة الشحنات الكهربائية . ومن بين الباحثين الآخرين، درس هذه الفرضية كل من جورج غابرييل ستوكس وولديمار فويغت . ^{[ 24 ]}

الانتقادات  : لتفسير الجاذبية الكونية، يُضطر المرء إلى افتراض أن جميع النبضات في الكون متوافقة في الطور، وهو أمر يبدو غير معقول. إضافةً إلى ذلك، يجب أن يكون الأثير غير قابل للانضغاط لضمان نشوء الجاذبية حتى على مسافات أبعد. ^{[ 24 ]} وقد جادل ماكسويل بأن هذه العملية يجب أن يصاحبها إنتاج وتدمير دائمين للأثير. ^{[ 20 ]}

في عام 1690، افترض بيير فارينيون أن جميع الأجسام تتعرض لقوى دفع من جسيمات الأثير من جميع الاتجاهات، وأن هناك حدًا ما عند مسافة معينة من سطح الأرض لا يمكن للجسيمات تجاوزه. وافترض أنه إذا كان الجسم أقرب إلى الأرض منه إلى حد هذا الحد، فإنه سيتعرض لقوة دفع أكبر من الأعلى مقارنة بالأسفل، مما يؤدي إلى سقوطه باتجاه الأرض. ^{[ 25 ]}

في عام 1748، افترض ميخائيل لومونوسوف أن تأثير الأثير يتناسب طرديًا مع المساحة السطحية الكاملة للمكونات الأولية التي تتكون منها المادة (على غرار ما افترضه هيغنز وفاتيو من قبله). كما افترض أيضًا نفاذية هائلة للأجسام. مع ذلك، لم يقدم وصفًا واضحًا لكيفية تفاعل الأثير مع المادة تحديدًا، بحيث ينشأ قانون الجاذبية. ^{[ 26 ]}

في عام 1821، حاول جون هيراباث تطبيق نموذجه الذي شارك في تطويره لنظرية الحركة الجزيئية للغازات على الجاذبية. افترض أن الأثير يسخن بفعل الأجسام ويفقد كثافته، مما يدفع الأجسام الأخرى إلى مناطق الكثافة المنخفضة. ^{[ 27 ]} ومع ذلك، بيّن تايلور أن انخفاض الكثافة الناتج عن التمدد الحراري يُعوَّض بزيادة سرعة الجسيمات الساخنة؛ وبالتالي، لا ينشأ أي تجاذب. ^{[ 21 ]}

لم تحظَ هذه التفسيرات الميكانيكية للجاذبية بقبول واسع النطاق، على الرغم من استمرار دراسة هذه الأفكار من قِبل الفيزيائيين بين الحين والآخر حتى مطلع القرن العشرين، حين اعتُبرت عمومًا باطلة بشكل قاطع. مع ذلك، لا يزال بعض الباحثين خارج التيار العلمي السائد يحاولون استنباط بعض نتائج هذه النظريات.

تمت دراسة نظرية لو ساج من قبل رادزيفسكي وكاغالنيكوفا (1960)، ^{[ 28 ]} وشنيديروف (1961)، ^{[ 29 ]} وبونومانو وإنجلز (1976)، ^{[ 30 ]} وأداموت (1982)، ^{[ 31 ]} وإدواردز (2014). ^{[ 32 ]}

وقد قام أرمينجون مؤخراً بدراسة الجاذبية الناتجة عن الضغط الساكن. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

• تاريخ نظرية الجاذبية
• نظرية الجاذبية للوسيج