Существовала ли формула-первая гипотеза гравитации?

Будучи математиком, мне интересно, была ли попытка слепо аппроксимировать формулу гравитационного притяжения, которая соответствовала бы данным , основанным на «нормальной» материи, которую мы можем видеть, плюс то, что мы не можем, но можем разумно ожидать, например, черные дыры , пыль и т.д.? Я говорю о неограниченной аппроксимации, которая может принимать отрицательное значение, независимо от того, насколько нелепым это может показаться, просто чтобы посмотреть, сможем ли мы найти подходящее и попытаться разобраться в этом.

Моему необразованному мозгу кажется, что гипотеза Темной Материи по существу идентична гипотезе планеты Вулкан, то есть мы предполагаем, что понимаем гравитацию, поэтому мы объясняем странное поведение массой, которую мы еще не обнаружили (только на этот раз мы обманываем, предположив, что масса не поддается обнаружению). ). Кроме того, мы знаем о силах, которые не подчиняются законам обратных квадратов и могут эффективно притягивать или отталкивать в зависимости от расстояния (ядерные силы). Итак, у нас есть прецедент того, как мы ошибались в отношении гравитации (несмотря на предшествующие успехи в экспериментах, например, обнаружение Нептуна) и примеры сил, которые ведут себя иначе, чем гравитация... так что, возможно, давайте просто предположим, что гравитация бросает вызов нашей интуиции, попробуем сопоставить формулу с наблюдения и посмотрим, сможем ли мы понять это оттуда?

Извините, если это не место для таких любительских вопросов - пожалуйста, дайте мне знать, куда я могу обратиться с этим. Спасибо!

РЕДАКТИРОВАТЬ

Просто чтобы уточнить, я специально спрашиваю о подходах, которые выводят уравнения не из логических интерпретаций данных, а непосредственно из данных . Как таковая, например, МОНД не подходит, потому что она вытекает из ньютоновских интерпретаций и просто добавляет дополнительную часть сверху, наследуя все ограничения ньютоновских формул (например, идея о том, что гравитация всегда притягивает, а не отталкивает).

Я буквально спрашиваю, пытался ли кто-нибудь ( недавно, когда проводятся новые измерения ) передавать объемные данные, как показано ниже, в массив алгоритмов аппроксимации, чтобы увидеть, дает ли какой-либо из них что-то, что соответствует данным:

Положение объекта Масса объекта Видимый вектор G
п 0 М 0 в 0
п 0 М 1 в 1

... где положение и вектор ускорения находятся в любой системе координат, что упрощает расчеты, а объекты агрегируются по мере необходимости (например, вместо 400 миллиардов звезд на галактику вместо этого поместите скопления звезд как отдельные объекты).

Вы когда-нибудь читали историю теоретического развития гравитации? Буквально так много людей разработали эмпирические отношения, связывающие силы и расстояния (аналогичная история для закона Кулона). Гук был современником Ньютона, но у Ньютона было математическое ноу-хау, чтобы формализовать его с символической строгостью. Ваши вопросы могут быть лучше рассмотрены в истории обмена стеками S&M, например: hsm.stackexchange.com/questions/8094/…
Кроме того, люди сделали то, что вы предлагаете для гипотезы темной материи. Многие направления исследований изучают это гораздо более сложными способами, чем вы предложили, например, см. этот старый обзор cambridge.org/core/journals/… Наконец, я добавлю, что модель, известная как MOND, — это еще один способ попытаться это сделать. изменение закона Ньютона. Скажем так, темная материя — это скорее парадигма, чем теория.
Уже Эйнштейн добавил космологическую постоянную... которая делает то же самое на больших расстояниях (но также не решает всех проблем, связанных с гравитацией)... однако к этому вопросу применялись гораздо более строгие и непредвзятые подходы. чем вы, кажется, предполагаете. Проблема в том, что теории приходится объяснять довольно много, порой даже пока противоречивых наблюдений. Это не просто поиск правильных параметров для известного типа уравнения. en.wikipedia.org/wiki/Космологическая_константа
Чтобы решить эту загадку или проблему, может даже потребоваться создать теорию квантовой гравитации — вопрос, в котором все до сих пор не нашли ответа.
Релевантный (и обязательный) xkcd xkcd.com/1758
Что означает «алгоритм аппроксимации»? Вы хотите сказать, что "представьте, что гравитация может быть представлена ​​действительно массивным полиномиальным уравнением"? В этом случае, конечно, с достаточным количеством терминов вы, вероятно, сможете подобрать что угодно, но это может быть ужасно при предсказании новых данных. И большинству людей не понравится мысль о том, что каждая галактика (или группа галактик, или скопление галактик) действует по своему собственному «уравнению», которое неприменимо к космолотии...
@DaddyKropotkin - я не спрашиваю об исторических попытках, а о недавних, которые были предприняты после того, как мы начали находить проблемы с темной материей.
@planetmaker - Космологическая постоянная была модификацией существующего набора формул. Это то, что, как я знаю, предпринималось много раз, и я не об этом спрашиваю. Если были «непредубежденные» подходы, которые потерпели неудачу, пожалуйста, дайте ссылку, это то, о чем я прошу.
@JamesK - красивая картинка, а если серьезно - я бы хотел увидеть документ, в котором говорится: «Мы попытались построить эти значения и получить глупую оценку функции без ограничений, и вот проблемы, которые мы нашли ...». Это буквально то, о чем я прошу.
@PeterErwin - Если «массивный многочлен» сходится к соединению хорошо известных степенных рядов, то мы могли бы составить формулу из того, к чему она, кажется, сходится, и проверить, работает ли это. Если действительно окажется, что каждая галактика имеет свою собственную функцию, то это будет свидетельством существования Темной Материи, т.е. того, что необходимы переменные за пределами масс, которые мы можем видеть. Вот мой вопрос: пытались ли мы позволить видимым массам объяснять все, что мы видим, но без каких-либо предположений о форме формул вообще, т.е. не отталкиваясь от уравнений Ньютона или какой-либо другой логической основы.
Как я указываю в своем ответе - именно так формулируется МОНД, путем эмпирического сопоставления «гравитации», необходимой для объяснения наблюдений за движением объектов в режиме малых ускорений. Никакая формула гравитации не будет противоречить законам Ньютона (потому что они работают), за исключением режимов очень сильной или очень слабой гравитации, так что все простые формулировки будут «основаны» на ньютоновской гравитации обратных квадратов вне этих режимов.
@ProfRob Не совсем так. МОНД, основанный на первых парах абзацев его записи в Википедии, представляет собой попытку подогнать формулу под механистическую гипотезу: «(...) Милгром заметил, что это несоответствие можно было бы разрешить, если бы гравитационная сила, испытываемая звездой ( ...) был пропорционален квадрату его центростремительного ускорения (...) или (...), если бы сила тяжести стала изменяться обратно пропорционально радиусу (...)". Иными словами, вроде бы сначала был предложен механизм, потом формула, отражающая механизм, а потом начинается поиск параметров...
@ProfRob ... но я спрашиваю: «пытались ли мы рассчитать видимое гравитационное ускорение, влияющее на звездные объекты, исходя из того, сколько массы мы можем видеть в их окрестностях, БЕЗ предположения о механизме, который диктовал бы формулу» . Я вижу это следующим образом: Ньютон вывел формулы, которые работают в некотором спектре условий, Эйнштейн, кажется, имел хорошее представление о механизме гравитации, что дало ему несколько лучшие формулы, но, возможно, мы можем найти еще лучшие формулы, просто взглянув на них. на данных, даже не пытаясь угадать механизм.

Ответы (3)

Да, именно так работает модифицированная ньютоновская динамика (МОНД) . Замечено, что ньютоновская механика очень хорошо работает при больших ускорениях, но предлагается специальная поправочная функция к ньютоновской гравитации при малых ускорениях. Эту функцию можно настроить таким образом, чтобы кривые вращения галактик можно было объяснить без необходимости в темной материи.

Изменить в ответ на отредактированный вопрос:

Обратите внимание, что объяснение кривых вращения, конечно же, является лишь одним из эмпирических ограничений. А MOND плохо справляется с другими.

Если вы ищете некий универсальный гравитационный закон, объясняющий все возможные эмпирические наблюдения за движением звезд и галактик (что является лишь одним из ограничений, которым должна удовлетворять любая теория), без темной материи, то, боюсь, его не существует (афаик ).

Любой подход к универсальной теории того, как работает гравитация, конечно же, должен быть идентичен (или, по крайней мере, очень похож) на ньютоновскую гравитацию обратных квадратов вне режима очень сильных или очень слабых ускорений (как это и есть в общей теории относительности). потому что существует множество наблюдательных данных, которые показывают, что простая ньютоновская гравитация очень хорошо работает в этих случаях.

Я отредактировал свой вопрос, чтобы уточнить, почему MOND - это не то, о чем я просил - спасибо :)
@JacekKołodziejek, но это то, о чем вы спрашиваете. Отталкивающая гравитация не требуется
Что ж, MOND не объясняет некоторых вещей, которые делает Темная Материя из того, что я слышал. Очевидно, я слишком тупой (и у меня нет времени), чтобы читать настоящие научные статьи, но я слушаю научные видео/подкасты (во время работы) и, например, на основе этого видео youtube.com/watch?v=dtfEzDAlL5k ( 9:23-12:20) кажется, что МОНД просто подменяет одну проблему другой, которую лучше решает Темная Материя. Так что не все получается. Кроме того, это очередная теория, основанная на чем-то, а не с чистого листа.

В зарождающихся теориях гравитации считается, что темная материя присуща нормальной материи и пространству-времени. Это следствие взаимодействия между конформными полями в 5-мерном пространстве-времени анти-де Ситтера и 4-мерном пространстве-времени (нашем), которое оно заключает. Эта теория (вопреки MOND) существует, даже если (предполагаемое) движение, вызванное темной материей, не наблюдалось. В этом отношении она предпочтительнее теорий темной материи, которые действительно вызывают вулканоподобные ситуации. См., например, эту статью. Так объясняется даже сама нормальная гравитация.

Эмерджентная гравитация кажется мне очень привлекательной, и мне очень нравится раздел 8.1 статьи, на которую вы ссылаетесь: «доказательства в пользу темной материи являются таким же доказательством возможного нарушения известных в настоящее время законов гравитации». Точно. Тем не менее, эта статья вызывает в воображении массивную лежащую в основе теорию, чтобы придумать набор уравнений, в то время как я спросил, была ли попытка просто получить уравнения из данных и посмотреть, возможно ли это вообще. EG также, кажется, сильно оспаривается, хотя я не имею права высказывать свое мнение по поводу аргументов (см. страницу EG на вики).

Я не уверен, уместно ли добавить еще один ответ, но, поскольку вопрос был отредактирован, чтобы сделать его намерение более ясным, я полагаю, что да.

Позвольте мне объяснить, почему это не так, как это делается. Чтобы упростить ситуацию, рассмотрим движение частицы, падающей на Землю. Можно взять некоторое количество этих частиц с различными массами и провести на них измерения.

Что-то вроде того, что когда-то сделал Галилей в своем эксперименте с башней. Галилей, сказавший, что единственный способ прочесть Вселенную — это выучить язык математики, считается, что он выбросил из Пизанской башни два массивных шара и тем самым показал, что все массы падают одинаково. Сферы достигли земли одновременно, отсюда и вывод. Эксперимент опроверг гипотезу Аристотеля о том, что падение предметов зависит от их массы. По его словам, если бросить два предмета, более тяжелый упадет на пол раньше, чем легкий. Это действительно имеет место для многих различных объектов, когда вы позволяете им падать на землю. Перо в конечном итоге будет иметь меньшую скорость, чем маленький свинцовый шарик той же массы. Тяжелые предметы, по сравнению с легкими сравнимых размеров, обычно требуется меньше времени, чтобы достичь Земли, чем легкие (из-за сопротивления воздуха). Аристотель ничего не знал о сопротивлении воздуха (как мы ничего не знаем о темной материи) и поэтому считал, что гравитация действует по-разному для разных масс.

(Предполагаемые) измерения времени падения, сделанные Галилеем, были сделаны, хотя уже ожидалось действие гравитации. Измерения были экспериментом, чтобы подтвердить (или опровергнуть) это.

Теперь он мог бы провести множество экспериментов с большим количеством падающих предметов. Он мог бы использовать разные массы и формы, разные начальные скорости и положения и проводить эксперименты в разных местах и ​​при других обстоятельствах. Это привело бы к огромному количеству данных: ряды начальных положений, начальных скоростей, ряды масс и форм, ряды времен, скоростей и положений, ряды обстоятельств и ряды местоположений. Если бы данные были упорядочены в правильном порядке (для чего не нужно делать никаких теоретических предположений о гравитации) и если бы у него были возможности, подобные квантовому суперкомпьютеру, он мог бы искать связь между данными. Как найти алгоритм? Ну, он мог бы сделать визуализацию данных. Если бы у него были сегодняшние математические знания (дифференцируемые функции увидели свет только после рождения Ньютона), он мог бы использовать свои знания о графической форме функций, чтобы увидеть, является ли какая-либо из них (или функция функции, скажем, сумма) совпало с данными. Если бы он нашел какое-либо функциональное соответствие, он мог бы начать теоретизировать о гравитации (или об обстоятельствах эксперимента).

Сомневаюсь, что это делается на практике. Теперь это именно ваш вопрос, но я просто отвечаю, чтобы заявить, что на практике этот способ действий не применяется. Чистое обнаженное наблюдение не может быть отделено от теории. То есть эмпиризм и теория не могут быть разделены. Даже в случае измерения времени, расстояний, позиций, скоростей или масс вы уже делаете теоретическое предположение (например, что все скорости относятся к перемещению в пространстве, тогда как само пространство может расширяться).

Теперь, как видно, он могбыть сделано таким образом. То есть измерение масс, скоростей и положений (и расстояний) различных небесных объектов, после чего вы ищете функциональную связь между ними, но в основном это делается наоборот. Кроме того, это заняло бы очень много времени, хотя компьютер мог бы справиться с этой работой. Так что в случае с темной материей компьютер выдаст функциональную связь между данными (тот, который лучше всего соответствует этим данным). Это соотношение будет неоспоримым (хотя это спорно!). Чтобы выяснить, как возникают эти функциональные отношения между данными, необходима теория. Это может изменить саму Природу измеряемых вами величин (таких как масса, скорость и пространство), тем самым изменив Природу ваших предположений, сделанных при измерении (например, пространство-время является Евклидом).

Итак, опять же, это можно было бы сделать, но полностью отделить эмпиризм от теории невозможно.

Вы можете использовать пустую строку для разделения абзацев, это облегчит чтение вашего ответа.
@JamesK Вы редактируете одновременно со мной! Спасибо.
Короче говоря, причина, по которой этого не делается, заключается в том, что на наши измерения влияет наше понимание предмета, т. е. на то, как мы вычисляем кажущееся гравитационное притяжение для подачи в алгоритм аппроксимации, будет влиять, например, Общая теория относительности.
продолжение, потому что я пропустил окно редактирования :P: Это справедливо, но не причина не попробовать. Применение функции к измерениям не удаляет связь. Например, если вы выберете несколько пар (X,Y), где X=Y, отношение будет приближаться к линейному. Если вы возведете в квадрат все Y и снова аппроксимируете, соотношение будет функцией квадрата. Если базовые данные находятся в строгой взаимосвязи и на них единообразно воздействует некоторая непрерывная функция, измененные данные все еще находятся в строгой взаимосвязи, просто изменены.
@JacekKołodziejek Да, именно так. вы можете составить список данных (как вы сделали в своем вопросе), но интерпретация этих данных включает в себя теоретические предположения о данных. Данные не могут существовать сами по себе. Вы можете позволить компьютеру выполнять работу по поиску данных (с помощью телескопа, подключенного к компьютеру) и поиску соответствующего алгоритма (функции), связывающего данные. Но интерпретация включает в себя нашу теорию (возможно, компьютер тоже может найти теорию, но тогда она должна быть очень продвинутой!). : Д
@JacekKołodziejek Разве этот массивный сбор данных не завершен? с компьютерами? Я не уверен, что попытка найти алгоритм завершена.
@Barbierium - я не совсем понимаю, что вы пытаетесь сказать, извините. Процесс, который я ожидаю, таков: сбор данных, выполнение неограниченной аппроксимации отношений, выдвижение гипотезы о теории, лежащей в основе отношений. Если какая-то ранее существовавшая теория искажает данные, то будет справедливо предположить, что она представлена ​​в виде какой-то более или менее регулярной функции, которая будет просто складываться поверх результирующей связи и которую можно будет распутать позже. И даже если не получится и все потерпит неудачу - я просто хочу знать, пробовали ли это. Одна бумажка, в которой написано "мы пытались - не получилось" - это все, что мне нужно.
@JacekKołodziejek Как я уже писал, зачем вам это делать, если теорию легче найти другими способами? Если это компьютер, который дает вам алгоритм, то есть функцию, которая устанавливает связь между данными (числами), тогда мы все равно наделяем данные теорией. Реальный путь не соответствует соотношению 1-1 между данными и теорией. Под этим я подразумеваю, что в реальном мире наблюдение и теория «чередуются». Вы можете наблюдать падающие тела и записывать все положения, скорости, времена, но это просто не то, как создается теория падающих тел.