общая теория ускоренных движений
advertisement
УДК 531.16 ОБЩАЯ ТЕОРИЯ УСКОРЕННЫХ ДВИЖЕНИЙ И НЬЮТОНОВСКАЯ ГРАВИТАЦИОННАЯ ТЕОРИЯ Юровицкий В.М.i Российский государственный социальный университет, Москва Аннотация В работе приводятся примеры ошибочности значительного количества представлений ньютоновской гравитационной теории. Таковы движение Луны, движение звезд в галактиках, движение Меркурия и др. И главный порок этой теории, обнаружившийся только с началом эры космоса ─ отсутствие в ней самого феномена невесомости. Показывается, что попытки описания этого феномена в рамках ньютоновской теории неудовлетворительны. Анализ ньютоновской теории осуществляется на базе введения нового фундаментального понятия механики ─ понятия механического состояния с двумя главными видами состояний ─ весомым и невесомым. Вводится характеристика механического состояния в виде векторной физической величины, которой предложено название «весомость». Показано, что эту физическую величину измеряют такие приборы как гравиметры и акселерометры. Для последних предложено наименование «весомометры», так как нынешнее название научно порочно. Введен модернизированный закон (постулат) динамики, определяющий связь между состоянием тела и его движением в инерциальной системе отсчета. Разработана общая теория ускоренных движений. Показано существование двух типов ускоренных движений: ньютоновский, представляющее собой движение тела в инерциальной системе отсчета под действием силы, и даламберовский ─ движение свободного тела в неинерциальной системе отсчета. Ньютоновский тип ускоренного движения характеризует движение весомого тела, даламберовский ─ невесомого. Отсюда вытекает, что гравитационные ускоренные движения носят даламберовский тип и, следовательно, гравитационных сил, всемирного тяготения в природе не существует, и высшее достижение классической (ньютоновской) механики ─ так называемый, закон Всемирного тяготения ─ ложен. Показано, что первым догадку о даламберовском типе гравитационных движений высказал Эйнштейн в 1907 году в виде «принципа эквивалентности». Однако, развить этот подход к гравитационной теории, требовавший отказа от ньютоновской теории всемирного тяготения, он не смог. Этим самым показана концептуальная неверность ньютоновской гравитационной теории, которая дает совершенно неверное описание механических состояний гравитирующих объектов. В результате возникает главный парадокс ньютоновской гравитационной теории: как при неверном описании состояний она во многих случаях дает относительно верные кинематические описания. Анализ показывает, что ньютоновская механика дает сравнительно адекватное кинематическое описание задач двух тел. Таковы, к примеру, задачи движения планет в Солнечной системе, которые явились решающим аргументом ньютоновской гравитационной теории, и космических аппаратов в окрестности планет и Луны ─ основных задач космонавтики на ее начальном этапе. Но кинематические задачи многих тел эта теория описывает, как правило, неверно, что отражается в задачах движения Луны, звезд в галактиках, в задачах космической навигации в межпланетном пространстве и др. Показано, что новая гравитационная теория способна решить одну из главных задач баллистики космических кораблей ─ создание единой универсальной системы космического отсчета 1 (наблюдения), которая позволила бы иметь единственную систему отсчета (наблюдения) от старта космического корабля до финиша для любого полетного задания, используя в качестве таковой систему самого космического корабля. Создание новой гравитационной теории даст в руки астрономии, астрофизики и космонавтики новые инструменты научного познания и реальной практики, и по значимости будет соотноситься с коперникианско-ньютоновской революцией в понимания мироздания Ключевые слова: механика, гравитация, ускоренное движение, механическое состояние, весомость, невесомость, сила, Ньютон, Библ. 7, рис.нет. Оглавление НЬЮТОНОВСКАЯ ГРАВИТАЦИОННАЯ ТЕОРИЯ В СВЕТЕ КОСМИЧЕСКОГО ОПЫТА ПОНЯТИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ ВТОРОЙ ЗАКОН МЕХАНИКИ ОБЩАЯ ТЕОРИЯ УСКОРЕННЫХ ДВИЖЕНИЙ ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ И ФЕНОМЕН ГРАВИТАЦИИ ГЛАВНЫЙ ПАРАДОКС НЬЮТОНОВСКОЙ ГРАВИТАЦИОННОЙ ТЕОРИИ РАЗВИТИЕ ГРАВИТАЦИОННОЙ ТЕОРИИ ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Ньютоновская гравитационная теория в свете космического опыта В настоящее время все больше появляется фактов о расхождении ньютоновской гравитационной теории с наблюдательными данными. Многие такие факты известны издавна и привлекали внимание крупнейших механиков в попытке преодоления этих противоречий. Но после начала космической эры и особенно после выхода в космос самого наблюдателя ─ человека. ─ количество таких фактов увеличивается лавинообразно. Вот только некоторые факты: 1. Движение нашего ближайшего небесного тела никак не вписывается в ньютоновскую гравитационную теорию. Луна находится, согласно ньютоновской теории, под воздействием двух центров силы ─ Солнца и Земли. Причем притяжение Солнца превышает таковое же от Земли в два с половиной раза. По всем законам механики именно Солнце должно было бы стать главным управляющим объектом для Луны, но никак не Земля, силой воздействия которой в первом приближении можно было бы вообще пренебречь. Парадокс Луны настолько очевиден, что о нем даже не принято уже в научной литературе говорить. А все имеющиеся многочисленные теории Луны являются ничем иным как системами предсказаний будущего движения Луны на опыте прошлых наблюдательных фактов. При этом используются приближения поистине астрономического масштаба, включающие тысячи поправочных членов. Луна есть нагляднейший, каждую ночь глядящий на механиков, пример неадекватности ньютоновской гравитационной теории. 2. При рассмотрении коллективного движения гравитирующих тел сравнимой массы ньютоновская теория потерпела полный крах. Согласно этой теории линейная скорость звезд в движении вокруг центра галактик должна убывать по корню квадратному из радиуса. Наблюдения же дают абсолютно иное ─ возрастание пропорциональное радиусу. Спасение ньютоновской теории через введение неких «скрытых масс» и «темных энергий» есть очень опасный путь, ведущий к разрушению самой системы научного познания, введение в нее спекулятивного и даже 2 шарлатанского начала, так как через введение невидимых сущностей можно объяснить любое явление и обосновывать любые лженаучные теории. 3. В целом ряде космических проектов ньютоновская теория показала, как минимум, недостаточную адекватность. Особенно обескураживающими были две попытки ─ американский проект Эрос и японский ХАЯБУСА-Итокава ─ создать искусственные спутники вокруг астероидов, закончившиеся полным провалом, который можно целиком отнести на теоретическое обоснование этих проектов на базе ньютоновской теории. Был и ряд других нестыковок, приводившие нередко срывам, пролетам или потерям космических аппаратов. 4. Движение ближайшей к Солнцу планеты ─ Меркурия ─ также не может быть объяснено на базе ньютоновской теории. Это движение есть существенно нерелятивистское, поэтому попытка объяснения его на базе эйнштейновской общей теории относительности вряд ли правомерно. Отметим, что эффекты движения перигелия наблюдаются у орбит Венеры, Земли и Марса, но в меньшем значении и также не имеют объяснения в ньютоновской теории гравитации. 5. Но главным ударом по ньютоновской механике было обнаружение в середине прошлого столетия неизвестного в течение всех предшествующих веков развития ньютоновской механики феномена. Мы имеем ввиду центральный для космонавтики феномен невесомости (хотя были и предвидения, преимущественно непризнанных ученых и фантастов, например, К.Э.Циолковского). Достаточно сказать, что самого слова «невесомость» еще в пятидесятых годах прошлого века не было ни в БСЭ, ни в других энциклопедиях и справочниках и учебниках. Имеющиеся в настоящее время попытки объяснения этого феномена поражают своей антинаучностью и отсутствием связи с теоретическими основами механики. Наиболее распространенное объяснение этого феномена состоит в предположении об уравновешивании веса (гравитационной силы) тела на орбите центробежной силой инерции, возникающей от движения этого тела по окружности. Но центробежная сила инерции есть сила противодействия по отношению к активной силе веса ─ ньютоновской гравитационной силы. Эти силы строго равны по третьему закону Ньютона. но приложена к разным объектам. Гравитационная сила приложена к телу, центробежная ─ к связи, фактически, к Земле. Уравновеситься они никак не могут. Таким образом, по Ньютону тело на орбите находится под действием единственной нескомпенсированной силы ─ гравитационной силы всемирного тяготения ─ потому никак не может быть в невесомости. А вот тело, находящееся на поверхности Земли, находится одновременно под действием двух противоположно направленных и равных сил: силы веса, действующей вниз, и силы реакции опоры, направленной вверх. Их полная компенсация должна приводить к невесомости. Таким образом, ньютоновская теория тяготения приводит к парадоксу: тела на поверхности Земли должны быть невесомыми, а на орбите – «неневесомыми» (можно назвать их «весомыми»). Итак, мы видим, что ньютоновская гравитационная теория приводит к парадоксам и в значительном количестве случаев противоречит практике или не дает объяснений наблюдаемым фактам. Но в то же время на основе ньютоновской теории всемирного тяготения дано описание коперникианской модели Солнечной системы, на ее базе открывались новые планеты, предсказывалось движение комет и решались многочисленные задачи астрономии. Она используется в космонавтике для описания движения спутников и космических кораблей. Сама космонавтика во многом возникла под влиянием представлений ньютоновской гравитационной теории. Конечно, можно на основе формальной логики возразить на это, что из ошибочных предпосылок могут следовать как верные, так и неверные умозаключения. Но ньютоновская теория настолько серьезно вошла в плоть современных научных представлений, авторитет ее, подтвержденный работами виднейших ученых нашего времени и прошедших веков и 3 практикой использования, настолько велик, что просто сослаться на этот формальный логический вывод недостаточно. Необходимо ясно ответить и четко показать в чем причина, с одной стороны, верности многих утверждений ньютоновской теории и ее предсказательной силы, а, с другой стороны, где источник ее ошибок и парадоксов. Итак, в чем же причина этой неадекватности ньютоновских гравитационных представлений? Где источник этой ошибки? Ошибка в использовании наглядной, но ошибочной аналогии между движением камня по кругу на веревке и движением планет вокруг Солнца в коперникианской модели Солнечной системы. Ньютон предположил, что там и там имеют место центростремительные силы. В веревке силы упругости. А между планетами и Солнцем и даже более того, между любыми телами имеют место особые силы, которые Ньютон назвал силами всемирного тяготения (притяжения). Но лишь космонавтика наглядно показала некорректность этой аналогии. Для теоретического исследования проблемы ньютоновской гравитационной теории требуется детальный анализ некоторых основных понятий механики. Понятие механического состояния Центральным моментом этого механического анализа должно стать введение в состав базисных представлений механики явления невесомости. Все имеющиеся попытки описания этого явления однозначно трактуют его как некое «механическое состояние». Причем в космонавтике это понятие возникает буквально на каждом шагу и имеет основополагающее значение. Но парадокс заключается в том, что такого понятия в современной теоретической механике не существует. Следовательно, описанию феномена невесомости должно предшествовать введение в число основных понятий механики понятия механического состояния. Мы дадим определение механического состояния элементарных механических объектов, т.е. того, что в современной механике определяется как материальная точка. Для материальной точки механическое состояние имеет два вида: весомое и невесомое. Состояние человека на орбите – это невесомое состояние. Но состояние этого же человека на поверхности земли, или в ракете на взлете, или в спускаемом аппарате уже не есть невесомое. Это не-невесомое состояние мы будем обозначать как «весомое» состояние. Итак, имеем два вида механических состояний ─ весомое и невесомое. Для их описания мы введем понятие о новой механической характеристике, которую назовем «весомостью». Невесомое и весомое механические состояния отличаются величиной этой физической характеристики. Невесомое состояние имеет нулевое значение весомости, весомое состояние обладает ненулевой весомостью. Сама по себе характеристика весомости имеет простой смысл. Это удельная сила веса, сила веса на единицу массы. Но сила веса есть сила реакции, сила противодействия по отношению к активной силе, приложенной к телу, Она равна этой силе по третьему закону Ньютона, но имеет противоположное направление, Можно записать для вектора весомости W соотношение: G F W , (1) m m где G сила веса, F ─ активная сила, приложенная к телу, m ─ масса тела. Отсюда и следует, что тело, к которому не приложена сила или равнодействующая приложенных сил равна нулю, будет невесомым. Другое название для невесомого тела – свободное тело. Единица весомости в СИ есть Н/кг. В гравиметрии возникает эта единица и ей уже присвоено название «Галилео», сокращенно Гл. Весомость на поверхности Земли 4 составляет 9.81 Гл, на поверхности Луны ─ около 4 Гл, в космическом аппарате на стадии выведения доходит до 60 Гл, а в орбитальной лаборатории может иметь значение 5 мкГл. Мы получаем научную терминологию для важной механической характеристики. А важность хорошей терминологии в науке трудно переоценить. Приборы для измерения весомости хорошо известны и широко используются. В гравиметрии они носят название гравиметров, в остальных приложениях их называют акселерометрами. Название «акселерометр», т.е. «ускорениеметр», вряд ли отвечает требованиям к научной терминологии. Этот прибор измеряет состояние тела, а отнюдь не его кинематическую характеристику, Правильней было бы его называть «весометром». В механике создается новый раздел, могущий иметь многочисленные научные и практические приложения. Это раздел механики, исследующий механические состояния механических объектов. Его можно назвать весомикой. Весомика может использоваться в космонавтике, авиации, планетологии, гравиметрии, в описании иных средств транспорта ─ морских судов, автомашин и железнодорожного транспорта, в медицине и биологии, в науке о прочности, теории машин и механизмов, в системе проектирования парковых аттракционов, в спорте и т.д. В живой природе фактор весомости играет важнейшую роль. Растения растут и располагают свои части в определенном отношении к вектору земной весомости и потому имеют соответствующие рецептора. Человеческий организм и организм животных обладает целым набором весомометрических устройств, создающих вестибулярный аппарат, используемый для целей ориентации в пространстве и управления движением. Фактически, это шестой орган чувств животных. К сожалению, устройство и работа вестибулярного аппарата и весометрических устройств животных и человека, а также весометрические рецептора растений не стали предметом механической науки, как это имеет место в отношении устройства и функционирования глаза в физической оптике. Модернизированный Второй закон механики В механике центральную роль играет закон механики, соединяющий статику (науку о силах) с кинематикой (наукой о движении) и создающий новый раздел механики – динамику. Этот закон известен как Второй закон Ньютона. В новой механике динамика объединяет уже весомику и кинематику в главном законе (постулате) динамики. Этот закон связывает механическое состояние элементарного механического объекта с его движением в особой, выделенной системе отсчета ─ инерциальной системе отсчета (наблюдения) ─ ИСО. Этот закон имеет вид: w kW . (2) где w ускорение тела в ИСО, k ─ коэффициент. В СИ k=1 м*кг/с2*Н. Сравнивая уравнения (1) и (2) мы видим, что произведена тривиальная, на первый взгляд, операция расчленения закона Ньютона на два уравнения с введением промежуточной характеристики ─ весомости. На самом деле смысл этого разделения гораздо глубже. Дело в том, что уравнения (1) и (2) имеют различные области применимости. Уравнение (2) есть закон кинематики, оно зависит от системы наблюдения и справедливо исключительно в инерциальной системе отсчета. Уравнение (1) есть уравнение состояния и связывает факторы вообще не зависящие от систем наблюдения. Это позволяет развязать связанные друг с другом во Втором законе механики факторы и исследовать их по отдельности. Этим разделением создается, фактически, новая механика, которая должна придти на смену ньютоновской механики, 5 учитывающая многовековой опыт последней и даже включающей в себя большую часть ее понятий, аксиом и значительные ее фрагменты. Отметим, что если в качестве фундаментальной, неопределяемой механической характеристики принять именно весомость, то уравнение (1) будет определением понятия «сила», а уравнение (2) есть закон, постулат. Определению силе дает третий закон (постулат) Ньютона. А определение массы дается в уравнениях гравитационного поля. Таким образом дуализм массы тяготеющей и инертной исчезает. Общая теория ускоренных движений Наиболее важным разделом механики является кинематика движений в гравитационном поле. Все движения можно разделить на неускоренные и ускоренные,. Неускоренные – равномерные и прямолинейные ─ описывают движение свободных невесомых тел в негравитационном пространстве в инерциальной системе отсчета. Гравитация всегда связана с ускоренными движениями. Поэтому представляет интерес рассмотреть общую теорию ускоренных движений. Рассмотрим инерциальную систему отсчета S с наблюдателем N. В пространстве инерциальной системы S гравитационное поле отсутствует. Так как наблюдатель в инерциальной системе покоится, то он является свободным и невесомым. Пусть в этой системе отсчета движется под действием внешней силы некоторое тело, например, ракета с работающим двигателем, с весомостью равной W . Тогда ракета движется с ускорением w W . (2a) Этот тип ускоренного движения назовем ньютоновским, так как он соответствует второму закону механики Ньютона. Ньютоновский тип ускоренного движения является весомостным. Объект ньютоновского ускоренного движения является весомым, в весомом состоянии находятся космонавты на ракете в активном режиме полета. Рассмотрим теперь наблюдателя K, размещенного в ракете. Этот наблюдатель является весомым с весомостью, равной весомости ракеты. Пусть наблюдатель К создает свою собственную систему наблюдения и отсчета R. Система отсчета R уже является неинерциальной. Пусть он рассматривает движение инерциального невесомого свободного наблюдателя S. Движение наблюдателя будет ускоренным. Уравнение его движения в общем можно записать в виде: w H 0. (3) Здесь H ─ некоторый функционал, зависящий, в общем случае, от свойств системы отсчета R и от кинематических характериcтик наблюдателя N в системе отсчета R. А уравнение (3) определяет ускоренное движение свободного, невесомого тела в неинерциальной системе отсчета. Назовем этот тип движения «даламберовским», так как именно Даламбер первым предпринял попытку описать движение тел в неинерциальной системе отсчета еще в середине XVIII века. Пространство, в котором можно ввести инерциальную систему отсчета, назовем галилеевым. А функционал H назовем весомостно-галиеевым функционалом. Его общее описание достаточно сложно, и мы пока не будем его приводить Опишем весомостно-галилеевый функционал для однородного весомостного поля. Он равен весомости неинерциального (ракетного) наблюдателя W0 , взятой с обратным знаком: H W0 , (4) откуда ускорение всех свободных (невесомых) тел в этой системе отсчета будет равно: 6 w W0 . (5) Общий вид весомостно-галилеева функционала может быть гораздо сложнее. Конечно, возможен и общий тип движения ─ движение весомого тела в неинерциальной системе отсчета согласно уравнениям: w H W . (6) Но рассмотренные два первых движения являются ключевыми в кинематике. В микро, макро и мегамеханики рассматривается два источника ускоренного движения. Это электромагнитные воздействия и гравитационные влияния. Легко видеть, что электромагнитные воздействия характеризуются первым типом движений – ньютоновским типом движения. Электромагнитные воздействия сводятся к силам и создают весомостные движения. Наглядные примеры ньютоновских макродвижений ─ реактивное движение и движение под действием сил упругости (например, струна), имеющие в своей основе электромагнетизм. А каков же тип движения гравитационный. Ньютон предположил, что и это движение является движением ньютоновского типа. Аналогично тому, как центростремительная сила веревки, приложенной к камню, вращает камень, так и некая центростремительная сила, которую он назвал силой всемирного тяготения, исходящая от Солнца и приложенная к планетам, вращает планеты вокруг Солнца в коперникианской модели Солнечной системы. И в течение нескольких сотен лет это считалось непререкаемой истиной. Ведь на основе теории Ньютона открывались новые планеты, рассчитывались движения комет и астероидов. Триумф теории Ньютона был полный. и сам Ньютона был признан величайшим в истории ученым. Хотя отдельные пятна на этой теории наблюдались уже давно, но все эти пятна были ничтожны по сравнению с величием созданной на базе ньютоновской теории и универсального закона Природы ─ закона всемирного тяготения ─ картины мироздания и не могли поколебать саму теорию. И только создание космонавтики, и особенно выход в космос человека, с наглядностью показало, что гравитационные движения относятся к несиловым, даламберовым ускоренным движениям. Действительно, при движениях в гравитационном поле при отсутствии электромагнитных воздействий мы всегда имеем невесомое состояние. Отсюда как раз и следует концептуальная неверность ньютоновской теории гравитации. Хотя это не мешает в некоторых частных случаях описывать гравитационные движения достаточно близко к наблюдаемым. Первым в своей ранней работе 1907 года указал на даламберовский характер гравитационных движений Эйнштейн. Это было им сформулировано в виде принципа эквивалентности ─ гравитационные движения подобны (эквивалентны) движениям свободных тел в неинерциальной системе отсчета. «…мы будем предполагать полную физическую равноценность гравитационного поля и соответствующего ускорения системы отсчета» [1]. Это было гениальной догадкой, сделанной еще до открытия феномена невесомости и за 50 лет до начала космической эры, которая дала большой опытный материал. На этом фундаменте можно было строить новую неньютоновскую гравитационную теорию. Но отбросить Закон всемирного тяготения и феномен гравитационных сил он не посмел. И в 1913 году он публикует совместно с М.Гроссманом работу по обобщенному принципу относительности, в которой гравитация рассматривается уже не как кинематический, а как метрический феномен [2]. Причина этого по нашему мнению состоит в том, что новую гравитационную теорию на базе принципа эквивалентности можно было создать на фундаменте развитой теории неинерциальных систем отсчета. Но ее не было тогда. Нет и до 7 настоящего времени. Общая теория неинерциальных систем отсчета, о которых впервые начал говорить еще Даламбер в середине XVIII века, до сих пор не создана. Например, даже такое простое, но очень важное движение как движение света во вращающейся системе отсчета, до сих пор не описано. Принцип эквивалентности и феномен гравитации На основе принципа эквивалентности мы можем сразу записать уравнение ускоренного движения тела в гравитационном поле, на которое не действуют какиелибо силы и влияния: w V 0. ( 7 ) В правой части стоит нуль, что соответствует невесомости тела. А V есть гравитационно-весомостный функционал. Но так как от системы отсчета (наблюдения) ускорение очень сильно зависит, то мы должны сразу указать, в какой системе отсчета он определен. В гравитационном поле введение инерциальной системы отсчета невозможно. В инерциальной системе отсчета центр масс движется равномерно и прямолинейно или покоится. Но центр масс есть математическая точка. А механика имеет дело с реальными телами. Поэтому для фиксации данного места в центр масс необходимо разместить некоторое тело, которое и будет двигаться равномерно и прямолинейно или покоиться. Но понятно, что если мы поместим в центр масс тело, имеющее взаимодействие с другими телами, то изменится взаимодействие в самой наблюдаемой системе. Чтоб этого не произошло, в центр масс взаимодействующих тел необходимо поместить невзаимодействующее тело. И такие тела должны существовать. Отсюда прямо следует, что инерциальная система отсчета может существовать в системе взаимодействующих тел, в которой существуют невзаимодействующие объекты. Именно такой объект произвольной массы и может находиться в центре масс системы. Как известно для электромагнитных взаимодействий существуют невзаимодействующие объекты. Например, в случае электрических сил существуют нейтральные тела. В случае магнитных взамодействий существуют немагнитные материалы. Таким образом, для электромагнитных взаимодействий концепция инерциальных систем отсчета актуальна. Но совсем иная ситуация с гравитационным влиянием. Гравитация воздействует на движение всех без исключения тел, материалов и объектов. Это первым показал Галилей опытами по бросания тел с Пизанской башни. Поэтому если мы и определим математический центр масс гравитирующей системы тел, зафиксировать его с помощью тел невозможно, так как все тела являются «гравитационно-активными» и размещение тела в центр масс изменит автоматически этот центр масс. Таким образом, в системы гравитирующих тел центра масс как физически выделенной точки пространства, с которой можно связать выделенную систему отсчета, не существует. А следовательно в гравитационном пространстве и ИСО не существует. Отсюда следует еще одно подтверждение неверности ньютоновской гравитационной теории, которая основана на существовании инерциальных систем отсчета, в которой и имеет место второй закон Ньютона. Отсутствие инерциальных систем отсчета в гравитационном пространстве делает использование этого закона неправомерным. А этим самым и неправомерным представление о существовании ньютоновских кинематических движений тел в гравитационном пространстве. В гравитационном пространстве мы не можем создать такую систему отсчета, в которой свободные тела двигались бы равномерно и прямолинейно или покоились. Это пространство не галилеево, мы его так и будем называть «негалилеево пространство». 8 Но в негалилеевом пространстве можно ввести аналог инерциальной системы отсчета. Это гармоническая система отсчета. Гармоническая система отсчета является невращающейся системой отсчета с началом на свободном (невесомом) теле (со свободным, невесомым наблюдателем). И именно для такой системы отсчета мы и будем определять гравитационно-весомостный функционал. Его можно назвать и напряженностью гравитационного поля. Гармонических систем отсчета в гравитационном пространстве можно ввести неограниченное количество как и инерциальной системы отсчета в галилеевом пространстве. С любым свободным телом можно связать гармоническую систему отсчета. И гравитационно-весомостные функционалы будут различны в различных гармонических системах отсчета. Отсюда следует, что гравитационное поле не абсолютно. Оно зависит от системы отсчета. Для каждого наблюдателя оно имеет свой вид. Например, для земного наблюдателя мысленно связанного с центром Земли оно одно, а для космонавта, летающего свободно по орбите, оно совсем другое в соответствии с его гравитационно-весомостным функционалом.. В простейшем случае одиночного гравитирующего тела с массой M гравитационно-весомостный функционал в системе отсчета центра гравитирующего тела имеет вид: kM V 3 r , (8) r где k ─ гравитационная постоянная. И соответственно уравнение для ускорения будет иметь вид: kM w V w 3 r ; 0; r kM w 3 r. (9) r Если мы сравним выражение (9) с ньютоновское (силовым) выражением для ускорения пробных тел в гравитационном поле одиночного гравитирующего тела, то они полностью совпадают. Но мы должны видеть сугубо различное их происхождение. Уравнение для ньютоновского ускорения происходит из выражения: kM w W 3 r . (10) r Здесь W уже есть весомость пробных тел. А само уравнение записано в предполагаемой инерциальной системе отсчета. Которая предполагает, что есть другие свободные тела, на которые гравитация не действует, и они движутся равномерно и прямолинейно. Но таких тел не существует и инерциальную систему отсчета ввести невозможно. А все тела свободные от электромагнитных воздействий являются свободными, невесомыми. Таким образом, формула (10) концептуально ошибочна. Хотя для ускорений пробных (малых) тел и дает верные результаты, например, для движения планет в Солнечной системе. Главный парадокс ньютоновской гравитационной теории Именно в этом и состоит главный парадокс ньютоновской концепции гравитации. То, что эта концепция неверна, стало очевидным с появлением в космосе человека. Из неправильной концепции следует неправильный результат для состояния, но, поразительно, правильный для движения. Для внешнего наблюдателя эта неправильность незаметна. Заметна лишь правильность движения. Только нахождение на самом пробном теле позволила обнаружить неверность ньютоновской теории. Этим 9 и объясняется факт использования ньютоновской теории в течение столетий и лишь космонавтика смогла показать ее неверность. Но означает ли, что ньютоновская теория, пусть неверная концептуально, дает всегда верные кинематические описания? Нет, Это не так. Переход к системе многим гравитирующим телам полностью меняет это сходство. Система многих тел в ньютоновской теории использует инерциальную систему отсчета. Эта система отсчета основана на третьем законе Ньютона, который существенно опирается на силы. Но если сил нет, нет и третьего закона Ньютона, нет и инерциальной системы отсчета, соответственно, и сами системы отсчета в ньютоновской теории существенно отличаются от гармонической системы отсчета, которая связана со свободными телами в гравитационном поле, а не с некоторой воображаемой точкой центра масс, которая в полевой теории гравитации не является выделенной, и удержать в ней пробное тело, в общем случае, можно, только приложив некоторые силы, т.е. она является весомой. Таким образом, совпадение кинематик ньютоновской гравитационной теории и полевой имеет ограниченный характер. И в более сложных случаях это расхождение дает о себе знать в полной мере. Таково расхождение в описании движения Луны или звезд в галактике и т.д. Покажем это на простом модельном примере. Пусть имеется свободный наблюдатель в негалилеевом пространстве. Тогда он может построить ИСО. Пусть в этом пространстве движется ракета в активной фазе по прямой с точкой начала отсчета в качестве точки старта. Ракетный наблюдатель может построить собственную неинерциальную систему отсчета с направлением одной из осей на инерциального наблюдателя. Тогда инерциальный наблюдатель будет двигаться в этой системе отсчета с тем же ускорением, с которым движется ракета в ИСО. Здесь мы видим совпадение кинематик в инерциальной и неинерциальной системах отсчета. Но пусть теперь в ИСО движется еще один объект ─ свободное невесомое тело с постоянной скоростью в направлении перпендикулярном движению ракеты. Тогда в ИСО имеем два прямолинейных перпендикулярно направленных движения, одно ускоренное, другое ─ равномерное. Перейдем теперь в систему отсчета неинерциального ракетного наблюдателя. В его системе отсчета имеются два свободных невесомых наблюдателя. Один из них движется по прямой с ускорением (наблюдатель ИСО), а второе тело исходит из начала системы отсчета ракетного наблюдателя под прямым углом к траектории наблюдателя ИСО и затем движется по параболе, аналогично свободному движению брошенного камня под углом к вертикали. В результате мы приходим к центральной теореме теории ускоренных движений. Пусть в инерциальной системе отсчета движется под действием силы тело с ускорением. Введем наблюдателя связанного с ускоренно движущимся телом, система отсчета которого будет уже неинерциальной. Неинерциальную систему отсчета всегда можно выбрать так, чтобы движение инерциального наблюдателя совпало mc движением неинерциального наблюдателя с системе отсчета инерциального наблюдателя. Но любое третье тело будет в этих системах отсчета иметь уже различные кинематические описания. Итак, мы видим, что если в системе двух тел движения в обеих системах отсчета аналогичны и не зависят от их состояний, то в системе нескольких тел аналогия исчезает и движения уж полностью определяются их состояниями. Именно поэтому теория Ньютона так долго представлялась истинной. Ведь основные задачи наблюдетельной астрономии были связаны с движениями двух тел, например, Солнца и планет, Солнца и комет и т.д. и проблема состояний не имела значения для кинематики. Космонавтика на начальном этапе также решала преимущественно задачи двух тел ─ 10 движение космических аппаратов вокруг Земли или Луны. Но в задачах наблюдательной астрономии, в которых важен учет влияния нескольких тел, расхождения и порой чрезвычайно существенные между наблюдетельными данными и кинематическими расчетами по ньютоновской теории наблюдались чрезвычайно часто. Нагляднейшие примеры ─ расчеты движения Луны в области влияния Земли и Солнца, Для движение Солнца и других звезд в системе галактического звездного скопления несовпадение с теорией требовало прежде всего пересмотра теории и лишь в самом последнем случае вводить представление о невидимой и необнаружимой темной материи и темных энергиях. Наконец, были многочисленные примеры несовпадения расчетов по движению космических кораблей в межпланетном пространстве, в которых должно было учитываться влияние третьих тел, с результатами натурного эксперимента. Именно этот момент совпадения ньютоновской теории с наблюдениями над движениями планет в Солнечной системе и определило столь длительный, многовековый характер представлений об истинности этой теории. И только космонавтика, обнаружив явный порок ньютоновской теории ─ отсутствие невесомости ─ делает полное концептуальное переформатирование ее совершенно необходимым для дальнейшего развития как науки механики, так и ее важнейшего приложения ─ кинематики космических и астрономических объектов (небесной и космической механики). Развитие гравитационной теории Мы записали уравнение движения в гармонической системе отсчета. Но в практической космонавтике имеется необходимость в использовании и других систем отсчета, например, вращающихся или связанных с несвободным телом. И это может быть сравнительно легко осуществлено по уравнению: w V H 0. (11) Здесь H есть ангарманическая компонента, совпадающая с весомостногалилеевым функционалом. Можно также рассматривать и движение весомостного объекта, например, ракеты на активной фазе полета в гравитационном поле в произвольной системе отсчета: w V H W . (11) Важнейшее практическое значение этого расширения состоит в следующем: Современная космонавтика при решении полетных задач вынуждена использовать большое количество систем отсчета. Например, земную на старте, систему отсчета фазы выведения, систему отсчета свободного полета, систему отсчета для фазы стыковки, систему отсчета фазы выхода за пределы земного тяготения, систему отсчета, связанную с Солнцем, Луной, другими планетами и т.д. Но каждый такой переход из одной системы отсчета в другую создает риски повышенных ошибок, требует много ресурсов и очень нежелателен. Желательно было бы использовать одну систему отсчета от старта и до финиша. Очевидно, что такой системой отсчета может быть только система отсчета самого космического корабля. Но космический корабль имеет сам по себе сложнейшую кинематику и проходит через различные типы состояний. С такими сложными системами отсчета современная механика работать не умеет. И только новая механика может дать в руки космонавтики новые навигационные инструменты. Их использование не только упростит навигационные расчеты, но и может дать существенную выгоду в использовании лучших навигаций (более экономичных, более быстрых и т.д.), Таким образом, переход от ньютоновской теории к новой теории гравитации есть уже вопрос самого развития космонавтики. 11 Заключение Космонавтика показала концептуальную неверность гравитационной теории Ньютона. Одновременно раскрыт главный парадокс ньютоновской гравитационной теории – каким образом при неверной концепции она дает тем ни менее правильные результаты. Показана ограниченность сферы этой «верности». Показаны пути создания новой гравитационной теории и те задачи, которые она может решать в общенаучном плане и практики, в том числе для космонавтики. Более детальные рассмотрения практических приложений новой механики см. [3] ─ [8]. 12 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. A. Einstein. Ṻber das Relativitatsprinzip und die aus demselben gezogenen Folgerungen. Jahrb. d. Radioaktivitat u. Elektronik, 1907, 4, 411—462. Альберт Эйнштейн. О принципе относительности и его следствиях. Опубликовано в Альберт Эйнштейн Собрание научных трудов в четырех томах под редакцией И. Е. Тамма, Я. А. Смородинского, Б. Г. Кузнецова, Издательство «НАУКА», Москва, 1965, т.1, с. 65─114 2. A. Einstein. Entwurf einer verallgemeinerten Relativitdtstheorie und Theorie der Gravitation. Z. Math, und Phys., 1913, 62, 225—261. (Mit M. Grossmann). Альберт Эйнштейн. Проект обобщенной теории относительности и теории тяготения. (совместно с М.Гроссманном). Опубликовано в Альберт Эйнштейн Собрание научных трудов в четырех томах под редакцией И. Е. Тамма, Я. А. Смородинского, Б. Г. Кузнецова, Издательство «НАУКА», Москва, 1965, т.1, с. 65─114 3. В.М.Юровицкий. Третья механика ─ механика мегамира// Монография. М., 1995, Из-во автора, 199 с. 4. В.М.Юровицкий. Неоптолемеевская механика - механика эры космоса// Доклад на семинаре Института космических исследований. М., 26.04.2007, http://arc.iki.rssi.ru/seminar/20070426/abstract2.htm 5. В.М.Юровицкий. Проблемы колонизации Солнечной системы// Тезисы доклада на 1-ой Международной конференции МАА-РАКЦ «КОСМОС ‒ ЧЕЛОВЕЧЕСТВУ» , г.Королев Московской обл. 2008. 6. Yurovitsky V.M. The problems of colonizing the Solar System. Modern Science and modern ideas for Astronautics// Space For Security And Prosperity Of The Peoples. Сборник избранных докладов на 1-й Международной конференции МАА-РАКЦ, 2008. Editors: J.-I. Contant and V.A. Menshikov, 2009. p.77-99. 7. В.М.Юровицкий. Три этапа развития космонавтики// Доклад на Международной конференции, посвященной пятидесятилетию полета Юрия Гагарина. «ЧЕЛОВЕК ‒ ЗЕМЛЯ ‒ КОСМОС», Калуга, 2011. 8. В.М.Юровицкий. Перспективы космонавтики// Сборник статей под редакцией академика РАН Б.Е.Чертока. «Космонавтика XXI века. Попытка прогноза развития до 2101 года» М., РДСофт, 2010, 867 с. 13 Юровицкий Владимир Михайлович ─ кандидат экономических наук, член Международной академии информатизации, ведущий научный сотрудник Российского государственного социального университета, доцент Московского физико-технического института (технического университета) . i 14
