Лаборатория космических исследований

Ульяновская секция Поволжского отделения Российской Академии Космонавтики им. К. Э. Циолковского

Ульяновский Государственный Университет
Топологическая квантовая теория. II. Сила, что движет мирами.

 

 

       IV. Теория гравитации Ньютона

       Квантовая механика существенным образом перевернула взгляды физиков на строение мира на малых масштабах. Выявленные свойства субатомных частиц позволили понять буквально сразу множество явлений в макромире, т.е. мире, где нам привычно жить.  Кроме этого, было понято множество явлений, происходящих в мире звезд. К концу XX века, основываясь на квантовых законах были установлены основные принципы, лежащие в основе эволюции звезд и галактик. Появилось объяснение таким звездам, как белые карлики или нейтронные звезды, свойства которых существенным образом зависят от квантовых законов, которые управляют движением частиц в них. 

 

      Однако все эти достижения в макромире были связаны с еще одним явлением - гравитационным взаимодействием или полем, которое к квантовой механике до сих пор имело мало отношения.   Понимание, что в окружающем нас мире, привычном нам, действует некая загадочная сила, которая удерживает нас на поверхности Земли, пришла в голову физикам далеко не сразу.

 

      Первым человеком, который стал изучать действие этой силы экспериментально, стал, по   всей видимости, великий Галилео Галилей - родоначальник современной физической науки! То, что на все тела вблизи Земли действует некая сила, что заставляет их падать ускоренно, если пренебречь сопротивлением воздуха, он установил с помощью прямых измерений и вычислил ускорение свободного падения тел. Объяснения этой силе он не нашел, но сам факт ее существования вошел в физику как фундаментальный факт.

 

 

        Следующий фундаментальный факт установил не менее великий ученый Исаак Ньютон! Из  опытов Галилея следовало, что все тела притягиваются к земле (именно с малой буквы!),  Но откуда берется эта сила и присуща она каким-либо другим телам Галилей не знал.

      Как говорится в историческом мифе-анекдоте, мысль, что силой притяжения обладают все тела во Вселенной пришла в голову Ньютону вместе с уларом яблока, которое упало на голову Ньютона, когда он сидел под деревом в саду. Однако эта замечательная идея пришла в голову не только Ньютону и, возможно, другим способом. Авторство этой гипотезы оспаривал у Ньютона замечательный ученый Гук. Но в историю идея о том, что все тела притягиваются к друг к другу с силой обратно пропорциональной  квадрату расстояния между ними и пропорционально произведению их масс вошла под именем закона Всемирного тяготения Ньютона.

    Этот закон можно записать в виде формулы:

$$F_{g}=G\frac{m_1 m_2}{r^2_{12}}$$

В этой формуле $m_1$ и $m_2$ - массы частиц, $r_{12}$ - расстояние между частицами, а $G$ - фундаметальная постоянная, носящая название гравитационной постоянной Ньютона. Роль этой силы в окружающем нас мире переоценить не возможно. В 60-х годах наш замечательный ученый-физик К.М. Станюкович в содружестве с журналистом М.В. Васильевым написали замечательную книгу - "Сила, что движет мирами". Трудно придумать что-то более точное, чем это определение силы тяготения - Сила, что движет мирами!

V. Что находится между тяготеющими телами или - Что такое поле?

Теория  Всемирного тяготения определила развитие физики на последующие три столетия до нашего времени.

Во-первых, из этой теории следовало, что тела влияют друг на друга не через какие-то промежуточные тела, а напрямую через пространство. Причем воздействие от одного тела к другому передается мгновенно. Это теория дальнодействия, которой придерживался сам Ньютон.

Во-вторых, из этой формулы следует, что ее величина пропорциональна массе тел - характеристике, которая к тяготению вроде бы не имеет никакого отношения! Инертная масса - это параметр, который характеризует,  как действие сил сказывается на движении тел и не характеризует сами силы. Почему же эта масса определяет и то, как все тела притягиваются?

И, в-третьих, почему сила убывает обратно пропорционально квадрату расстояния?

     Эти вопросы заставили физиков активно сравнивать силу тяготения с другими силами, наблюдаемыми в природе, и по примеру формулы Ньютона стали искать аналогичные формулы для этих сил. Так в последствии появился закон Кулона.

   Вместе с тем большие разногласия стала среди физиков вызывать теория дальнодействия.   Весь опыт физики, которая строилась на базе механики, которую построил тоже Ньютон, говорил ученым, что так не бывает, чтобы нечто мгновенно переносится в пространстве и влияет на другие тела. Во времена Ньютона или чуть позже были измерены и скорость звука и скорость света (Ремер, Бредли). Это показало, что даже загадочный свет имеет хоть и очень большую, но все же конечную скорость. Более того, свет представляет собой нечто материальное. Он может воздействовать на тела.

     Поэтому теория дальнодействия была заменена на другую концепцию - близкодействие. Основной ее смысл состоит в том, что воздействие от одного тела к другому передается всегда с помощью чего-то материального и с конечной скоростью. Но как же быть с тяготением? Ведь мы не видим ничего материального между телами. Чтобы эта кажущаяся пустота, но заполненная чем-то, что передает тяготение от тела к телу, не требовала постоянных разъяснений,  было предложено назвать это материальное нечто - полем. С тех пор мы постоянно говорим о полях, когда нам надо  сказать,  что в пространстве между телами есть взаимодействие, которое невидимо передаёт силу от одного тела к другому. Таких полей сейчас существует множество. Но самыми главными из них являются поле тяготения и электромагнитное поле. Этим полям соответствуют два фундаментальных взаимодействия - сила гравитации и силы электромагнитного взаимодействия.  Есть еще силы ядерного взаимодействия, но они не наблюдаемы на больших расстояниях, привычных нам. Однако их действие определяет то, что мы можем существовать! Но об этом мы поговорим позже.

     Понятие поля очень помогло физикам в процессе общения друг с другом. Более того, проявления некоторых простых полей можно наблюдать воочию. Так, например, железные опилки выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля постоянного магнита, что делает его видимым. Значит, понятие поля не такое уж несуразное. Однако,  само слово поле мало что прибавляет к пониманию того, что же происходит в пространстве между телами, когда они взаимодействуют между собой с помощью полей. Особенно это относится к полю тяготения.  Это поле вездесуще и пронизывает все насквозь. Оно действет на все тела и всегда только в форме притяжения. Что же это за поле?  Ответ на этот вопрос был дан Эйнштейном.

Эффект кажущего притяжения представляется не чем иным, как результат свойства материи расширяться. Ускорение одной массы к другой и является выражением массы направленно ограниченного расширения в направлении меньшей плотности потенциала Силового Поля Вселенной (СПВ), которую создаёт другая масса своим поглощением. Как видим, массу не притягивают, а сама устремляется к другой массе. Величина интенсивности её устремления (ускорения) пропорциональна величине другой массы.

Для масс с разными зарядовыми механизмами (ЗМ) притяжение является результатом их взаимного устремления друг к другу из-за возмущения СПВ своими ЗМ с наружных сторон при нейтрализации (компенсации) возмущений в промежутке. Следует отметить, что «возмущённая» (электростатическая)  форма взаимодействия является олее сильным взаимодействием, чем нейтральное («гравитационное») взаимодействие.

Инертность и электромагнетизм по Новой Теории (НТ) представляются, как результат взаимодействия масс, нейтральной или возмущённой ЗМ, и СПВ при ускорениях.

Уважаемый Исрефил!

Вы вставляете свои тексты во многие сообщения на этом сайте. Сами сообщения бессодержательны и не несут сколько-нибудь полезной информации для других. Они содержат множество Ваших собственных терминов, которые не понятны никому. Вы уже сообщили всем участникам дискуссий на этом сайте, где можно ознакомиться с Вашими взглядами на мир. Поэтому в дальнейшем Ваши сообщения будут удаляться, если они опять будут бессодержательными. Такие же меры будут применены и к другим участникам, ведущим бесплодные дискуссии ни о чем.

Полезность любых взглядов на физические явления состоит в возможности ими пользоваться всеми, кто в этом заинтересован. Вся физика за прошедшие 400 лет была направлена именно на это. Поэтому физика, тем более теоретическая, использует математику, а экспериментаторы стараются проверить любой количественный вывод теории с помощью экспериментов.  Вашими идеями просто нельзя воспользоваться. Они не содержат полезных сведений в форме пригодной для проверки количественных соотношений между измеряемыми величинами.  

Руководитель лаборатории космических исследований УлГУ

Ну что же, навязывать не стану. АИР.

Силы инерции нет как таковой. Она появляется только в некоторых системах отсчета. И в то же время инертная масса есть. Она равна гравитационной. Ярким примером сравнения гравитации и инерции является невесомость. Этот феномен легче понять, если сравнивать инертность тела и его "гравитационность" . Инерционное ускорение падающего тела тела помноженное на его инертную массу равно напряженности поля  умноженному на гравитационную массу. Разность этих величин и есть вес. Налицо невесомость. То же и при кеплеровском движении: центростремительное (инерционное) ускорение в точности равно напряженности гравитационного поля. Их разность в точности равна нулю. Можно даже сказать, что нет никакого инерционного ускорения, а одно лишь гравитационное. Но я так не скажу. Тело то движется в радиальном направлении, то приближаясь, то удаляясь от притягивающего центра.

Аналогия между гравитационным взаимодействием и электро - магнитным очевидна. Почему бы не назвать гравитационное - гравитационно-инерционным взаимодействием? Может быть пора признать инерцию вполне себе самостоятельной силой, имеющей одну природу с гравитацией? Как Вы считаете, Виктор Михайлович? Гравитационное поле всегда действует в форме притяжения. Закрученное в пространстве тело стремится удалиться от центра вращения в форме отталкивания.

Стоят двое слепых по пояс в воде, балдея, загорают. Вдруг в одного врезается небольшая лодка...

В больницу к сбитому слепому приходят друзья. Разговаривают. спрашивают, а что такое лодка, которая тебя сбила? 

Лодка, -отвечает раненный,- это такая железная штука, твердая... 

Да, нет, - говорит другой слепой,- лодка - это просто волна, она и меня сбила...

Я все понял, -перебивает третий слепой, - лодка обладает свойством дуализма...

Вот информация о практически единственной серьёзной попытке экспериментального определения скорости распространения гравитации: http://www.atheism.ru/science/science.phtml?id=814 (ещё есть информация здесь и здесь). Она была осуществлена в сентябре 2002 года. Результат: 0,95 (плюс-минус 0,25) скорости света. Интересно! Однако смущает только то, что это - не прямое измерение, а косвенное, причём основанное на расчётах по уравнениям ОТО.

А вот ещё интересные соображения отсюда: "Ещё Лаплас, анализируя движение планет и спутников Солнечной системы, сделал свой фундаментальный вывод. Если, по мере перемещения космического тела, новые значения действующей на него силы тяготения устанавливались бы с запаздыванием во времени, то законы движения космических тел отличались бы от кеплеровских: орбиты бы эволюционировали. Но такие эволюции не обнаруживаются, и Лаплас, исходя из имевшихся данных, сделал нижнюю оценку для скорости действия тяготения: эта нижняя оценка оказалась больше скорости света на восемь (!) порядков. Во времена Лапласа этот вывод мало кого удивил, поскольку находился в согласии с воззрениями Ньютона - полагавшего, что тяготение действует вообще без запаздывания во времени.

В дальнейшем появлялись данные, из которых следовало всё большее увеличение нижней границы скорости действия тяготения. Например, при обработке сигналов от пульсаров определялся текущий вектор орбитальной скорости Земли, производная же этого вектора по времени представляла собой текущий вектор центростремительного ускорения Земли. Оказалось, что Земля ускоряется не к центру мгновенного видимого положения Солнца, а к центру мгновенного истинного его положения. Свет испытывает аберрацию, а тяготение - нет! С учётом этих и других экспериментальных данных, сегодня нижняя оценка скорости действия тяготения превышает скорость света уже на десять порядков (см. обзор: T. Van Flandern. The speed of gravity - What the experiments say. Phys.Lett. A 250 (1998) 1)."

Илья! Ты совершенно прав, когда задаёшь такой вопрос - почему это поле тяготения должно распространяться с той же скоростью, что и электромагнитное. Между ними не видно ничего общего. Такой же вопрос задавал в очень интересной книге "Новый взгляд на теорию относительности" известный физик Л. Бриллюэн. Эйнштейн ввел это условие в Общую теорию относительности, опираясь на то, что Специальная теория относительности является универсальной по отношению ко всем физическим законам. Эта его гипотеза пока никак не подтверждена и не опровергнута.  Для ее подтверждения необходимо открыть гравитационные волны. Но их - то пока не удается открыть даже на современных установках.

Другой способ обосновать равенство скоростей тяготения и электромагнетизма лежит в области интерпретации электромагнетизма как проявления специфического искривления пространства. Таких теорий множество. Первую построил Эйнштейн, потом были теории Вейля, Калуцы-Клейна, Картана и другие. В таком подходе идеология выглядит следующим  образом - раз тяготение и электромагнетизм - это искривления одного и того же пространства, только немного разные, то почему скорость   распространения их возмущений должна различаться. Эта точка зрения совсем не безупречна. Известно, например, что в теории упругих волн в твердых телах скорости распространения различаются в зависимости от природы возмущений. Так что ответа на этот вопрос пока нет. При этом, если предположить, что скорости распространения электромагнитных волн отличаются от скорости распространения тяготения, то это разрушает основу всей теории относительности.

Теперь о существах различного масштаба. Наверное, это действительно очень полезный и интересный подход, чтобы излагать какие-то основы понимания действия сил. Однако я пока затрудняюсь ответить на вопрос, что такие существа должны "видеть" или "ощущать". Кое-что можно, конечно, сказать по поводу зетазверя. На масштабах галактик выполняются очень хорошо, как нам сейчас кажется, законы ньютоновской теории тяготения. А в ней поле гравитации является пассивным. Поэтому видеть с его помощью нельзя в обычном смысле. Такое существо должно было бы "видеть", а точнее ощущать другие тела, за счет того, что его рецепторы то сильнее, то слабее притягиваются к окружающим телам. Это ощущение усиливается, если тело приближается к существу, и уменьшается, когда удаляется. Такое "чувство" больше походит на наши тактильные ущущения, чем на зрение или слух. Не могу точно сказать, но мне кажется, что с помощью такого ощущения далеко "видеть" невозможно.

Что же касается  очень маленьких существ, то здесь все непонятно. В первую очередь не очень ясно, как вообще должны быть устроены их рецепторы. Поэтому трудно понять, что же они "видят".

zhvictorm пишет:
Между ними не видно ничего общего.
Сходство между ними, пожалуй, исчерпывается законом обратных квадратов и бесконечным (теоретически) радиусом взаимодействия.

zhvictorm пишет:
Такой же вопрос задавал в очень интересной книге "Новый взгляд на теорию относительности" известный физик Л. Бриллюэн.
К сожалению, я не читал эту книгу. Автор только констатирует проблему или предлагает какие-то альтернативные решения?

zhvictorm пишет:
Известно, например, что в теории упругих волн в твердых телах скорости распространения различаются в зависимости от природы возмущений.
Вы имеете в виду, к примеру, различие скоростей продольных и поперечных волн?

zhvictorm пишет:
На масштабах галактик выполняются очень хорошо, как нам сейчас кажется, законы ньютоновской теории тяготения. А в ней поле гравитации является пассивным. Поэтому видеть с его помощью нельзя в обычном смысле. Такое существо должно было бы "видеть", а точнее ощущать другие тела, за счет того, что его рецепторы то сильнее то слабее притягиваются к окружающим телам. Это ощущение усиливается, если тело приближается к существу, и уменьшается, когда удаляется. Такое "чувство" больше походит на наши тактильные ущущения, чем на зрение или слух. Не могу точно сказать, но мне кажется, что с помощью такого ощущения далеко "видеть" не возможно.
А если предположить, что гравитационные волны, всё-таки, существуют, зеттасущество сможет ли фокусировать их с помощью «гравитационных линз» и создавать «гравитационные изображения» на некой своей «гравитационной сетчатке»? Вообще, гравитационным волнам свойственны ли фаза, интерференция, суперпозиция и т.п., которые обуславливают механизм возникновения оптических изображений в случае электромагнитных волн? Я понимаю, что, поскольку гравитационные волны ещё не открыты, ответы на эти вопросы можно дать только теоретические (исходя из ОТО).

zhvictorm пишет:
Что же касается  очень маленьких существ, то здесь все непонятно. В первую очередь не очень ясно, как вообще должны быть устроены их рецепторы. Поэтому трудно понять что же они "видят".
Пожалуй, вследствие короткодействия слабого и сильного взаимодействия, соответствующие органы ощущений фемтосуществ, будут, скорее похожи на тактильные рецепторы макросуществ. Эти взаимодействия похожи на межатомное взаимодействие, которое мы ощущаем нашими тактильными рецепторами, как те или иные степени твёрдости вещей.

Виктор Михайлович, а вот такой вопрос - есть ли географически соответствие между гравитацией и электромагнитным полем Земли? Если смотреть на карты, то хорошо совпадают "спокойные" области - над Индийским  океаном, западное побережье Атлантики. Точки наибольшей активности вроде бы тоже не выглядят случайными - гравитационное поле больше  у Австралии и к востоку от Гренландии, а магнитное - чуть к западу от Гренландии и ниже Австралии, у Антарктиды. Будто бы идут попарно. Или это иллюзия? Если нет, то вроде бы налицо некоторое соответствие?

Алексей! Извини, что долго не отвечал.

Вообще, прямой связи между тяготением и магнитным полем  не видно. Однако возможны корреляции. Такие корреляции могут быть связаны с так называемыми масконами. Масконы - это области с локально увеличенной плотностью, и следовательно повышенной силой тяготения. На рисунке показано распределение поля тяготения Луны. 

Масконы, как предполагают, это остатки в теле планеты астероидов и других тел, упавших на нее. Но как известно, астероиды часто содержат железно-никилиевые сплавы, которые обладают магнитными свойствами. Поэтому масконы могут проявлять и магнитные свойства. Есть еще всякие теории гравио-магнетизма, но пока они не имеют сколько-нибудь проверенной экспериментальной базы.
(Ссылка: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BD)

Насколько я понимаю, сейчас в физике общепринято, что скорость распространения гравитации равна скорости света. Но, если подумать - почему это так? Гравитация и электромагнетизм - это разные взаимодействия, почему вдруг скорость распространения одного должна быть равна скорости распространения другого?

Будем рассуждать дальше. Наши обыденные (но затем перешедшие и в науку) представления о пространстве более, чем на 90% связаны со зрением, т.е. с электромагнитным взаимодействием. Поэтому, можно сказать, что пространство, которое мы используем в физике - это электромагнитное пространство, актуальное в нашем, человеческом макромире. На движение света (электромагнетизма) завязаны все основные представления и рассуждения, лежащие в основе СТО и ОТО.

А что если представить себе гипотетическое мегасущество размером этак с галактику (порядка 10^21 метра)? Точнее, это будет не мегасущество (мега – это 10^6), а зеттасущество (зетта – приставка, означающая 10^21). Логично предположить, что зеттасущество будет ощущать в основном гравитационное взаимодействие (включая и тёмную материю и тёмную энергию), а такую «мелочь», как электромагнетизм, будет ощущать гораздо хуже. Электромагнетизм имеет значение, в основном, для барионов и лептонов, коих в зеттасуществе всего около 4%, что имеет малое значение для его «жизнедеятельности». Как зеттасущество будет ощущать своё, так сказать, «гравитационное» пространство и какие теории оно будет о нём строить?

Рассмотрим теперь гипотетические фемтосущества (т.е., размером порядка 10^15 метра), обитающие в мире атомных ядер. Их органы ощущений могут воспринимать только сильное и/или слабое взаимодействия, но, могут в разной степени для разных фемтосуществ воспринимать электромагнетизм, в зависимости от «места обитания» этого существа. Как с точки зрения фемтосуществ будет выглядеть «сильное» и/или «слабое» и/или электромагнитное пространство? Также как и для нас? Гладким, односвязным, трёхмерным многообразием? С той же метрикой, как в нашем макромире? Я в этом не уверен.

А каким будет время для зетта- и для фемтосуществ?