Электромагнитная теория тяготения в физике¶

Электромагнитная теория тяготения — совокупность физических гипотез и моделей, предпринимавших попытки объяснить гравитационное притяжение через электромагнитное взаимодействие, существовавших преимущественно в XIX — начале XX века и окончательно отвергнутых современной физикой после создания общей теории относительности.

¶Исторический контекст

После открытия законов электродинамики в первой половине XIX века, в особенности работ Андре-Мари Ампера и Майкла Фарадея, возникло естественное стремление свести все известные силы к единой природе. Гравитация, обладающая удивительным свойством универсальности, рассматривалась как возможный электромагнитный эффект. Ключевым стимулом стало обнаружение в 1846 году Урбеном Леверье аномалий в движении Меркурия, которые не объяснялись ньютоновской механикой.

¶Основные гипотезы

¶Теория Вильгельма Вебера

Немецкий физик Вильгельм Вебер в 1846–1870-х годах развивал теорию, согласно которой гравитация возникает вследствие взаимодействия электрических зарядов, составляющих материю. Он предположил, что силы притяжения и отталкивания между зарядами зависят не только от расстояния, но и от их относительной скорости и ускорения. Вебер пытался объяснить таким образом и гравитацию, и электромагнитные явления единой силой.

¶Эфирные вихревые модели

Значительная часть попыток опиралась на представление о мировом эфире. Уильям Томсон (лорд Кельвин) и Джеймс Клерк Максвелл рассматривали возможность того, что тяготение есть результат давления или вихревых движений эфирной среды, имеющей электромагнитную природу. Максвелл, однако, в своей «Трактате об электричестве и магнетизме» (1873) показал, что любая теория, объясняющая тяготение давлением среды, сталкивается с непреодолимыми противоречиями: среда должна обладать чудовищной плотностью и одновременно не оказывать сопротивления движению планет.

¶Теория Оливера Хевисайда

В 1893 году английский физик Оливер Хевисайд, развивая электродинамику Максвелла, математически показал, что если бы гравитация была электромагнитным явлением, то существовали бы гравитационные аналоги электрических и магнитных полей — «гравитационное магнитное поле». Он рассчитал, что для тела массой Земли, движущегося со скоростью 30 км/с, это поле было бы чрезвычайно малым — порядка 10⁻¹⁰ от основного поля тяготения. Хевисайд пришёл к выводу, что электромагнитная теория гравитации не может объяснить наблюдаемые эффекты, в частности аномальную прецессию Меркурия.

¶Критика и противоречия

К началу XX века накопились экспериментальные и теоретические возражения против электромагнитной природы тяготения:

• Отсутствие экранирования. Электрические поля экранируются проводниками; гравитация — нет. Никакие экраны не ослабляют силу тяжести.
• Независимость от заряда. Гравитация действует одинаково на нейтральные и заряженные тела, что несовместимо с электромагнитным механизмом.
• Одноимённость знака. Электромагнитные силы бывают притяжением и отталкиванием; гравитация — только притяжением.
• Проверка Этвеша. Эксперименты Лоранда Этвеша (1889–1908) с крутильными весами показали с высокой точностью (до 10⁻⁸) равенство инертной и гравитационной масс, что исключает зависимость гравитации от электромагнитных свойств вещества.
• Скорость распространения. Электромагнитные волны распространяются со скоростью света; для гравитации требовалось объяснить мгновенное действие, что противоречило электродинамике.

¶Окончательное опровержение

Решающий удар по электромагнитным теориям тяготения нанесла общая теория относительности (ОТО), созданная Альбертом Эйнштейном в 1915 году. ОТО описывает гравитацию не как силу, а как проявление искривления пространства-времени. В 1919 году наблюдения Артура Эддингтона за отклонением света в поле Солнца подтвердили предсказания ОТО. Кроме того, ОТО точно объяснила аномальную прецессию перигелия Меркурия (43 угловые секунды в столетие), которую не могли объяснить электромагнитные модели.

Попытки построения единой теории поля, объединяющей гравитацию и электромагнетизм, предпринимались Эйнштейном и Теодором Калуцей (теория Калуцы — Клейна, 1921–1926), однако они носили принципиально иной характер: речь шла не о сведении гравитации к электромагнетизму, а о поиске более глубокой геометрической структуры, объединяющей оба взаимодействия.

¶Современное состояние

В современной физике гравитация и электромагнетизм рассматриваются как два независимых фундаментальных взаимодействия. Объединение их в рамках квантовой теории поля остаётся нерешённой проблемой; гипотезы о единой природе (теории струн, петлевая квантовая гравитация) не предполагают сведения тяготения к электромагнитным явлениям. Электромагнитная теория тяготения представляет исключительно исторический интерес как пример тупикового направления в развитии физики.

¶Источники

• Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме. — М.: Наука, 1989.
• Хевисайд О. Электромагнитная теория гравитации // The Electrician. — 1893.
• Паули В. Теория относительности. — М.: Наука, 1983.
• Уиттекер Э. История теорий эфира и электричества. — Ижевск: РХД, 2001.