Естественная механика природы - Струговец Сергей Анатольевич 5 стр.

Коэффициент пропорциональности G в формуле (1), названый гравитационной постоянной, является одной из фундаментальных (неизменных при любых обстоятельствах) констант в современной теоретической физике и в системе единиц СИ имеет размерность м

3

2

2

Сформулировав так закон всемирного тяготения, Ньютон, однако, не стал объяснять ни произведение тяжёлых масс в числителе выражающей закон математической формулы, ни физико-философскую сущность эквивалентности тяжёлой и инертной массы. Несмотря на риск потерять на этом свой научный авторитет, который, казалось бы, требовал это сделать, несмотря на то, что после того, как он сформулировал этот закон, он прожил ещё очень долго и имел время тщательно его обдумать, Ньютон остался на позиции, которую кратко своими словами можно охарактеризовать так: Я знаю, что тяготение существует, и что математически оно может быть выражено выведенной мною формулой. Закон обратных квадратов в ней может быть связан с геометрией, но причину произведения масс я не знаю, поэтому просто воспринимаю это, как данность. Резюмировал он свою позицию фразой: «Гипотез не измышляю». О вложенном Ньютоном в эту фразу смысле сегодня, конечно, можно спорить. Очень похоже, что Ньютон не без оснований опасался, что любая его ошибка будет означать возможность многочисленных тогда сторонников религиозной схоластики в науке вновь заявить о своей монополии на истину. Хотя, скорее всего, он просто считал, что необоснованная гипотеза, в которой он и сам не уверен, с большей вероятностью уведёт науку в сторону от истины, чем к ней приблизит, и строго, несмотря ни на что, придерживался таких принципов. Фразу Ньютона, таким образом, можно считать аналогом знаменитого высказывания Сократа: «Я знаю, что ничего не знаю», но, пожалуй, более точно отражающим суть дела, так как Ньютон сформулировал свою позицию без излишней категоричности, скорее как: Я знаю, что естественных причин этого не знаю, следовательно, и измышлять сверхъестественных объяснений этому не буду. Что тут сказать? Яркий пример позиции настоящего учёного. Хочется встать и отдать честь. Браво, сэр Исаак!

Со времени открытия Ньютоном закона всемирного тяготения прошло триста с лишним лет, но разве мы можем считать, что даже теперь, даже с поправками и объяснениями Эйнштейна, полностью понимаем природную сущность закона тяготения? Попробуем разобраться почему. Начнём с выражающей этот закон формулы.

Знаменатель формулы (1) r2 – это, как сейчас считается, проявление геометрического закона обратных квадратов, который был известен ещё до Ньютона и является следствием того, что площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату её радиуса. Закон обратных квадратов хорошо согласуется с представлениями ККМ об излучении и передаче всех типов взаимодействия с помощью излучения. Этому же закону подчиняется, например, и сила звука, распространяющегося в виде сферической волны от точечного источника. Значит, r2 – это прямое доказательство, что представление ККМ о формировании гравитационного взаимодействия за счёт излучения веществом частиц-волн, названных гравитонами, правильное? Да, это было бы так, если бы знаменатель формулы (1) можно было с помощью указанных представлений логично связать с её числителем.

Если бы в числителе формулы (1) была сумма масс или каких-либо ещё параметров, если бы гравитация хоть как-то была связана с геометрическими параметрами частиц вещества, то всё было бы гораздо логичнее, но произведение масс связать с лучистой природой гравитации практически невозможно. Даже если представить себе, что интенсивность излучения гравитонов пропорциональна квадрату массы, то мы получим сумму квадратов масс, а не их произведение. Задумайтесь над тем, что, увеличивая в десять раз массу каждого из двух шаров (не имеет значения – за счет их плотности или диаметра), но, не изменяя расстояния между их центрами, мы увеличиваем в сто раз (квадратично относительно массы) силу их гравитационного взаимодействия, а значит и потенциальную энергию гравитации. Немного изменим и конкретизируем эту задачу. Пусть исходная масса одного шара была 1 кг, а другого 10000 кг. Мы хотим увеличить силу их гравитационного взаимодействия в 10 раз. Для этого мы имеем возможность в 10 раз увеличить массу одного из шаров, любого. Итак, мы добиваемся одного и того же увеличения силы гравитационного взаимодействия и потенциальной энергии гравитации, в одном случае увеличивая общую массу системы из двух шаров на 9 кг, а в другом на 90000 кг. Разница в десять тысяч раз! И это лишь по конкретным условиям задачи. Можно представить и сколь угодно большую разницу. А теперь сопоставьте это с формулой Эйнштейна E = mc2, где связь между массой и энергией определена, как строго линейная. Обратите внимание, что мы рассматриваем чисто статическую задачу, конечно, идеализированную. Здесь нет движения, а значит, нет и влияния времени. Такие условия делают невозможным применение для объяснения этого противоречия эффектов СТО. Задача не зависит от конкретной величины плотности или размеров шаров, важно лишь изменение их массы. Поэтому и ОТО здесь не решает всех проблем. Например, как можно объяснить, что вещество с одной и той же массой искривляет пространство-время совершенно одинаково, как будучи сосредоточено практически в точке, так и занимая в пространстве-времени объём огромного шара, центр которого совпадает с указанной точкой. Нет в этой задаче и никаких других, кроме гравитационного, типов взаимодействия, система из двух шаров полностью изолирована от внешнего воздействия. То есть можно считать, что, кроме гравитационной, в этой задаче нет никакой другой энергии, которую мы изменяем. Получается, что никакого тождества между массой и энергией не существует даже в таких простейших мысленных опытах.

Кроме произведения масс невозможно связать с взаимодействием материальных тел посредством излучения специальных частиц и третий закон Ньютона. Ведь если гравитационное взаимодействие между телами распространяется с некоей конечной скоростью, связанной со свободным полётом в пространстве безмассовых частиц (гравитонов), которые, летя, уже никак не взаимодействуют с испустившими их телами, то направление сил взаимодействия строго по прямой линии соединяющей тела, по существу, необъяснимо.

В точности также необъяснимо произведение электрических или магнитных зарядов, а также строгая симметричность сил между взаимодействующими на расстоянии (с помощью фотонов) телами (как по величине, так и по направлению) в аналогичном закону тяготения законе Кулона. Отсутствие связи зарядов с массой ещё больше прибавляет здесь загадочности.

Таким образом, в отличие от количественного описания функциональной зависимости между параметрами физически ясных явлений (например, как во втором законе Ньютона), математические формулы в законах тяготения и Кулона (в части произведения масс и зарядов) служат не только для установления количественной взаимосвязи физических величин, но и являются единственным объяснением самой физической сущности тяготения и электромагнитного взаимодействия. То же самое касается и справедливости третьего закон Ньютона для сил гравитационного и электромагнитного взаимодействия.

Развивая тему сопоставления закона гравитации с функциональной зависимостью E = mc2, рассмотрим размерность формулы (1). Любой человек, чья деятельность связана с техническими и физическими расчётами, знает, что проверка логичности размерности физических величин является при проведении таких расчетов одним из основных способов самоконтроля на предмет допущенных ошибок. Согласно ТО, масса и энергия – это два проявления одного и того же свойства материи. Поэтому в любых расчётах, любых физических явлений мы имеем право (в рамках ККМ) заменить энергию массой, и наоборот (что сегодня и делаем в ядерной физике и теории элементарных частиц), и проверить, как это отразится на размерности результатов, не получим ли мы какого-либо абсурда. Заменить в законе гравитации массу эквивалентной ей энергией вообще было бы очень удобно и логично. Этим мы сделали бы массу только мерой инертности, а тяжелую массу заменили бы более естественной в данном случае энергией взаимодействия. Таким образом, мы с помощью релятивистской связи массы с энергией объяснили бы введённый ещё Ньютоном принцип эквивалентности тяжелой и инертной массы, что существенно упростило бы нам понимание гравитации и явилось бы очередным доказательством правильности ТО и ККМ в целом. Но, подставив в формулу (1) вместо массы энергию, мы, без учета гравитационной постоянной, получаем размерность в СИ: Дж

2

2

Мог ли это не заметить Эйнштейн? Вряд ли. Он ведь несколько последних десятилетий своей жизни занимался единой теорией поля, куда, естественно, должно было войти и поле тяготения. Альберт Эйнштейн явно умел мыслить на языке математики так, как мало кому дано (хотя и сам говорил, что мыслить формулами невозможно). Человек, который, разложив Лоренц-фактор в ряд Тейлора, смог подметить, что второй член этого ряда при умножении на mc2 приобретает вид классической формулы кинетической энергии и использовал это при выводе своей знаменитой формулы E=mc2 [3], должен был увидеть математическую загадку, которая лежит в его теории буквально на поверхности. Трудно не предположить, что её замечали и другие люди. Почему же никто (по моим сведениям) её не озвучил? Скорее всего, лишь потому, что никто, включая Эйнштейна, не смог объяснить получающуюся абсурдность размерности. Забегая вперёд, скажу, что я тоже не смог. Просто в ходе наших с вами дальнейших рассуждений эта загадка исчезнет сама собой.

Теперь перейдём к более подробному рассмотрению потенциальной энергии гравитационного взаимодействия (гравитационной энергии). В практической деятельности на Земле мы применяем упрощенное представление об этом виде энергии, принимая приближенно ускорение свободного падения за постоянную величину (g = const). В этом случае любое тело массой m будет обладать потенциальной энергией Еg=mgh, находясь на высоте h над уровнем, принятым за нулевой. За нулевой уровень всегда принимается самое нижнее (ближайшее к центру Земли) положение тела из всех возможных в каждой конкретной задаче. Например, механика движения лифтов в небоскрёбе и в стволе горной шахты рассчитывается совершенно одинаково, хотя уровень поверхности Земли приближённо соответствует в первом случае нижнему положению лифта, а во втором верхнему. При свободном (без трения) падении тел здесь всегда полная энергия равна сумме потенциальной и кинетической энергии, которые, в свою очередь, всегда положительны либо равны нулю. Всё логично. Нет никаких противоречий.

Картина кардинально изменяется, когда мы начинаем учитывать закон всемирного тяготения. Самым правильным, мне кажется, будет просто процитировать здесь позицию официальной науки. Из всех прочитанных мной одинаковых по смыслу современных определений гравитационной энергии, наиболее краткое и ясное приведено, пожалуй, в Википедии [5] (статья «Гравитационная энергия»):

«Гравитационная энергия – потенциальная энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным гравитационным тяготением… Общепринята шкала, согласно которой для любой системы тел, находящихся на конечных расстояниях, гравитационная энергия отрицательна, а для бесконечно удалённых, то есть для гравитационно не взаимодействующих тел, гравитационная энергия равна нулю. Полная энергия системы, равная сумме гравитационной и кинетической энергии постоянна. Для изолированной системы гравитационная энергия является энергией связи. Системы с положительной полной энергией не могут быть стационарными».

Следовательно, для двух тяготеющих точечных масс, исходя из данного определения и формулы (1), получается, что потенциальная энергия гравитации равна:

Эта общепринятая формула [1], [5] позволяет нам считать, что закон сохранения энергии при переходе гравитационной энергии в кинетическую формально соблюдается при нулевой полной энергии, но давайте проанализируем, что ещё из этого вытекает. Из сопоставления формулы (2) с E = mc2 (с объединением законов сохранения энергии и массы) однозначно следует необходимость введения понятия отрицательной массы. Мы можем это сделать, посчитав инертную массу положительной, а тяжёлую отрицательной и сохранив принцип их эквивалентности только по абсолютной величине. Получается, на первый взгляд, очень логично, и странно, что такой вывод в рамках ККМ до сих пор не сделан, так как для этого мировоззрения он представляется неизбежным. Только вот в целом, мнение, что полная энергия столкновения двух тел, в том числе и космических объектов, под действием гравитации всегда равна нулю, является одним из самых противоречивых, если не сказать абсурдных положений в современной физике. А понятие стационарная система? Разве оно не противоречит самому принципу эволюции мироздания?

Теперь посмотрим, что получится, если к процессу сближения двух материальных тел под действием гравитации привлечь известную функциональную зависимость СТО, что «для любого процесса в изолированной системе выполняется равенство:

согласно которому увеличение кинетической энергии пропорционально уменьшению суммы масс покоя» [1] (статья «Относительности теория», с. 511). Очевидно, что рассматриваемая нами система из двух тел изолированная (энергетически замкнутая), и что в ней явно присутствует рост кинетической энергии. Как будем уменьшать произведение тяжёлых масс покоя при расчёте тяготения? Согласно теории относительности только за счёт одного тела, тогда какого? Или за счет обоих тел, тогда как? А разве ТО разрешает уменьшать массу покоя конкретного количества вещества при отсутствии электромагнитного излучения, ведь масса покоя является для него абсолютным минимумом? Тогда, может быть, попробуем объяснить всё с помощью отрицательной потенциальной энергии гравитации и отрицательной массы, в результате чего, устраняя одни противоречия, создадим другие? А как связать всё это с тем, что рост кинетической энергии приводит к увеличению массы движения? Получается, что тяжёлая масса покоя должна уменьшаться одновременно с ростом инертной массы движения? Как же тогда при этом соблюдается принцип эквивалентности тяжёлой и инертной массы? Если же в законе всемирного тяготения не изменять массу покоя и учитывать массу движения, как тяжёлую массу, то получается, что вечный двигатель первого рода всё же возможен? Это не трудно показать, если отказаться от представлений о «нулевой» полной энергии при столкновениях тел. В ОТО и СТО [3] конкретных ответов на все эти вопросы найти я не смог. Более того, у меня сложилось впечатление, что эти разделы теории относительности логически вообще слабо взаимосвязаны и противоречат друг другу. Я могу, конечно, предположить, что ошибаюсь. Просто не смог разобраться, как и многие другие. Но почему тогда официальная наука не дает точных ответов на перечисленные вопросы в любом справочнике по физике? Они же явно напрашиваются.