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 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 - 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).
ньютоновская гравитационная теория
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:
Здесь есть ангарманическая компонента, совпадающая с весомостно-галилеевым функционалом.
Можно также рассматривать и движение весомостного объекта, например, ракеты на активной фазе полета в гравитационном поле в произвольной системе отсчета:
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.
1. A. Einstein. ?ber 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.