Российский государственный социальный университет
Общая теория ускоренных движений и ньютоновская гравитационная теория
Юровицкий В.М.
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 (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,
Оглавление
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 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 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 соотношение:
где сила веса, - 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 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.