Тайны Вселенной - Валерий Демин

Классическая механика установила, что массы тел не исчезают и не возникают из ничего, а физические процессы не могут протекать без сил. Кроме того, протекание физических процессов между телами является объективной реальностью и не зависит от наблюдателя, если он не оказывает силового воздействия на этот процесс. Еще одна особенность классической механики: в ней нет абсолютизации скорости движения тел, она справедлива и может быть использована для любых скоростей движения тел, без ограничения. Однако, Ньютон был деистом: первопричиной (точнее — первотолчком природы) он считал Бога.

Потому при чтении ньютоновских трудов встречаются формулировки, которые могут трактоваться различным образом. Например, такая формулировка, как «природа подчиняется математическим законам», требует специального пояснения. Дело в том, что абстрактно-математический аппарат лишь описывает объективные закономерности природы (например, тяготение) и помогает в их познании. Напрямую утверждать, что математические закономерности лежат в основе природы, нельзя. Ибо, по существу, это означает признание первичности идеальных абстракций по отношению к объективной реальности. Поэтому и приходится делать соответствующую поправку, чтобы исключительно важная роль математики все же не абсолютизировалась и не приводила тем самым научное познание к крену, чреватому далеко идущими последствиями. Но полностью избежать «волчьих ям» удается не всегда и не всем. Некоторые современные истолкования тяготения — характерный тому пример.

ДВИГАТЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ

В процессе общей работы и дискуссий с В. П. Селезневым удалось найти нетривиальный подход к пониманию природы сил тяготения и той роли, которую они играют во Вселенной. Ниже излагается данная концепция, как она впервые была представлена в нашей совместной и уже цитированной книге «Мироздание постигая: Несколько диалогов между философом и естествоиспытателем о современной научной картине мира» (М., 1989).

В классической механике небесные тела, притягиваясь взаимно с помощью гравитационных полей, движутся под действием сил тяготения и инерции по некоторым орбитам в космическом пространстве, которое отождествляется с пустотой. Однако эта идеальная картина Вселенной не согласуется с реальным состоянием космического пространства. Установлено, что это пространство содержит рассеянные молекулы веществ, атомы, ионы, электроны, фотоны и другие частицы, крупные тела — метеориты и, наконец, — множество различных полей. Плотность распределения этих частиц и полей в пространстве неравномерная, однако при движении больших небесных тел — галактик, звезд и планет — такая «запыленная» среда может оказывать сопротивление. Вследствие этого небесные тела должны постепенно терять свою кинетическую энергию и сближаться под действием сил тяготения. Для Солнечной системы это означало бы, что с течением времени Луна, например, упала бы на Землю, а Земля и другие планеты — на Солнце.

Тем не менее, несмотря на эти условия, небесные тела в течение времени, исчисляемого миллиардами лет, сохраняют параметры своих орбит практически неизменными, а Вселенная в целом существует вечно. Чтобы сохранить подобное почти стационарное состояние Вселенной, необходимо иметь какой-то источник энергии, который позволял бы скомпенсировать расходы энергии, затрачиваемые на сопротивление космической среды. Существует ли он в природе? Этот вопрос является исключительно сложным, но зато — и особенно интересным. По существу, речь идет о том, существует ли некоторый единый механизм — «Двигатель Вселенной», поддерживающий определенное ее состояние.

В первом приближении классическая небесная механика дает на это следующий ответ: Вселенная поддерживается в определенном динамическом равновесии с помощью сил тяготения небесных тел и сил инерции их масс без учета материальности космической среды. Конечно, математическая модель даже такой Вселенной чрезвычайно сложная, но принципиально ее можно описать и даже промоделировать с помощью современных ЭВМ. Однако реальная структура космического пространства создает некоторый эффект торможения движению небесных тел. Небесная механика позволяет исследовать и этот эффект, однако она не дает ответа на вопрос — почему же Вселенная преодолевает торможение движения небесных тел и откуда она находит энергетические ресурсы для восстановления расходуемой энергии? Чтобы выявить подобные энергетические ресурсы, необходимо более детально рассмотреть особенности гравитационного взаимодействия между небесными телами.

Распределенная масса небесных тел приводит к существенному изменению гравитационных взаимодействий между телами. Поскольку каждая материальная частица небесного тела является источником гравитационного поля, результирующее (или суммарное) поле жестко связано с телом и участвует в его вращении вокруг центра масс как одно целое. Это означает, что гравитационное поле не только охватывает значительное пространство вокруг тела, но и вращается вместе с телом, увлекая за собой все другие внешние взаимодействующие материальные объекты. Но вращение гравитационного поля небесного тела само по себе не может служить источником дополнительной энергии. Нужен какой-то дополнительный эффект в небесной механике. И вот здесь-то и требуется сделать еще один шаг в изучении гравитационного поля, основанный на учете влияния относительного движения тел на силу их взаимного притяжения. В статических условиях, когда тела неподвижны относительно друг друга, сила Q0 их взаимного притяжения пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (закон всемирного тяготения).

Что же произойдет с силой притяжения, если тела будут сближаться или ударяться относительно друг друга с некоторой скоростью V? Поскольку скорость распространения гравитационного поля относительно излучающего тела имеет конечную величину (обозначим С — скорость поля относительно излучающего тела), следовательно, она зависит также и от скоростей относительного движения тел (полагаем, что закон сложения скоростей справедлив для всех материальных объектов, включая и физические поля).

Благодаря этому сила Q гравитационного притяжения будет зависеть не только от масс тел и расстояний между ними, но и от величины относительной скорости V. Установлено, что при сближении тел, летящих со скоростью V, сила их взаимного притяжения Q будет несколько меньше, чем ее статическое значение Q0(Q<Q0), a при удалении эта сила будет больше (Q>Q0). Зависимость силы Q от скорости V может иметь сложный нелинейный характер.

Между тем зависимость силы взаимного тяготения тел от относительной скорости между ними в классической механике не была учтена. Однако влияние относительного движения тел на физические процессы взаимодействия между ними проявляется повсеместно в природе. В частности, при больших скоростях относительного движения, близких к скорости света, происходят релятивистские эффекты, вызванные существенным изменением сил взаимодействия. Какое же новое качество вносится в небесную механику при количественном изменении сил всемирного тяготения, вызванном скоростями относительного движения тел?

Прежде чем делать широкое обобщение о влиянии скоростей относительного движения тел в небесной механике, необходимо рассмотреть пример, позволяющий уяснить существо данной проблемы для земных условий. Предположим, что наблюдатель находится внутри космического корабля, летящего вокруг Земли в направлении ее вращения по экваториальной круговой орбите с периодом Т более суток (Т>24 часов). Земное гравитационное поле вращается вместе с Землей и совершает один оборот за сутки, обгоняя космический корабль (рис. 106). Рассматривая движение Земли, наблюдатель обнаружит, что поверхность ее восточного полушария будет удаляться от корабля, а западного — приближаться к нему вследствие вращения Земли вокруг своей оси.

Разделим мысленно массу mо Земли на западную и восточную половины полушарий и заменим эти массы на эквивалентные материальные точки (с массами 1/2m0), расположенные в центрах масс полушарий (точки О1 и O2 на расстоянии 1 друг от друга). Если соединить прямыми линиями центры масс земных полушарий и центр массы корабля (точка О с массой m), то образуется равнобедренный треугольник с углом d при вершине (точка О). Сила Q1 гравитационного тяготения западного полушария направлена по линии O1O, а восточного — (Q2) — по линии O2O.

Вследствие суточного вращения Земли с угловой скоростью массы всех частиц восточного полушария будут удаляться от корабля, а западного — приближаться. По этой причине сила тяготения эквивалентной материальной точки восточного полушария (Q2) несколько увеличится, а западного полушария (Q1) — уменьшится. Сумма проекций сил Q1 и Q2 на радиус-вектор, соединяющий центры масс всей Земли и корабля, образуют вектор радиальной силы тяготения Qр. Сумма проекций этих сил на касательную к орбите корабля Qт определяет собой тангенциальную силу. Роль таких сил в динамике движения космического корабля следующая.