www.ASTROLAB.ru

ASTROLAB.ruСтатьиО гравитации и волнах [Часть 1]
ГлоссарийФото космосаИнтернет магазинКосмос видео



О гравитации и волнах [Часть 1]
Версия для печати

«Движенья нет» - сказал мудрец брадатый.
Другой смолчал и стал пред ним ходить.
Сильнее бы не мог он возразить…
Но, господа, забавный случай сей
Другой пример на память мне приводит:
Ведь каждый день пред нами солнце ходит,
Однако ж прав упрямый Галилей.
(А.С.Пушкин из ст. «Движение», 1825 г.)

Человеческая цивилизация существует относительно недолго. Не смотря на это, познания человечества простираются очень далеко и охватывают множество разнообразных сторон жизни человека. Наука физика описывает законы природы и объясняет многие явления природы. Однако еще очень многие наблюдаемые человеком явления остаются непонятыми, закрытыми завесой тайны. Но более всего настораживает тот факт, что практически все законы физики - феноменологические. Т.е. такие, которые получены на основании обработки статистических данных с последующей подстановкой подходящих математических функций, без выяснения причин и следствий. Поэтому практически все законы неполные, ущербные. И эта ущербность выражается в наличии коэффициентов непонятного происхождения, которые принято называть «постоянными чего-то там» или константами. И таких констант в физике не один десяток и даже не одна сотня - кто-то насчитал их больше трехсот! Это может характеризовать ученых как великих тружеников, экспериментаторов, упорно накапливающих статистические данные, без которых невозможно изучение окружающего нас мира. Но этого мало, надо же искать и логическое объяснение исследуемых феноменов. Причина того, что до сих пор не была объяснена ни одна константа и не получили обяснения многие явления, указывает на то что в основе самой физики, в самом ее фундаменте заложены неверные посылки или принципы. Не обижайтесь на такие слова, но это от горечи, от обиды за ученых, которые основываясь на каких-то зыбких понятиях пытаются понять четкие и однозначные законы развития окружающего мира.

Последнее утверждение отнюдь не голословное. Подумайте сами - основными единицами измерения, которыми оперитрует физика, являются кг, м, сек - масса, длина, время. Что такое масса и где она находится толком неизвестно. Физика умеет только сравнивать массу разных объектов, а объяснить почему одинаковые кубики олова и золота имеют разную массу не могут - это что же - кубик золота изнутри больше, чем снаружи?.. Длина - этот параметр более наглядный но и он оказывается непостоянным - особенно если смотреть на него с точки зрения общей теории относительности А. Энштейна. Ну а для времени так и вообще нет никаких определений - даже философы не справились с этьой загадкой! Так может быть, настал момент, когда надо остановиться, оглянуться вокруг и попытаться осмыслить, что же лежит в основе этих основных единиц измерения. Может быть, тогда совсем в ином свете предстанут перед нами многие законы физики, которые считаются основополагающими. 

Например, раздел физики, который описывает явления гравитации. На сегодняшний день наука о гравитации ограничивается констатацией фактов и совершенно отсутствует теория, которая могла бы объяснить феномен гравитации. Мне могут возразить, что существует закон всемирного тяготения, что есть законы Кеплера и Хаббла. Но могу лишь повторить, что это все феноменологические законы, которые пытаются просто систематизировать известные факты наблюдений, но отнюдь не объясняют их. Теории, объясняющей существующие явления гравитации, на сегодняшний день нет. А ведь от теории гравитации зависит понимание многих явлений не только макромира, но и микромира. Да и вообще взгляд на понимание строения нашей вселенной целиком зависит от этой теории, потому что все вокруг нас, и все мы находимся под воздействием сил гравитации. Поэтому разобраться с этими силами, понять их происхождение, узнать законы, которым они подчиняются, это очень важно для понимания человечеством своего положения и своего места в нашем мире, во вселенной. Причем настоящий уровень развития наук и огромные массивы данных наблюдений за окружающим нас миром позволяют несколько иначе взглянуть на вопросы гравитации и по-новому представить уже сегодня и сейчас суть этого загадочного и до сих пор непонятого явления.

Почему загадочного? - Потому что очень много загадок гравитации остались невыясненными. Если посмотреть, например, на схему расположения планет в солнечной системе, которые вращаются по орбитам вокруг солнца, то возникает очень много вопросов, которые физикой не объясняются. Почему у планет именно такие орбиты, и именно на том расстоянии от солнца, а не на другом каком-то? Почему некоторые из них вращаются вокруг своей оси, а другие - не вращаются? Почему вращение планет вокруг своей оси разное: одни вращаются в одну сторону, а другие - в противоположную? Почему оси вращения планет, да и самого солнца находятся под разными углами? Из-за чего колеблются, хоть и незначительно, углы наклона осей вращения? Почему..?

Вопросов много, но ответов на них пока нет. И это не смотря на то, что в своих познаниях человечество ушло очень далеко за пределы нашей Галактики. А вот, что происходит в собственной солнечной системе остается невыясненным до сих пор. В знаниях о ближнем космосе, о причинах поведения планет солнечной системы, солнца, да и нашей планеты существует много пробелов. Чтобы разобраться в этих вопросах начнем с самого начала - посмотрим, какие законы в современной физике описывают это явление.

Немного о гравитации или «О гравитации известно мало»

Известно, что основным законом теории гравитации является закон всемирного тяготения Ньютона [6,7,11]. Он был сформулирован великим ученым в конце 17-ого века. Это первый и единственный на сегодняшний день закон, описывающий гравитационные силы. Он гласит, что две материальные точки, имеющие массы m1 и m2, взаимодействуют между собой с силой, модуль которой равен

F = γ m1 m2 / R2

где R -это расстояние между точками, γ - гравитационная постоянная.

Этот закон был сформулирован на основе исследования сил притяжения разных объектов вблизи земли к ее поверхности, а также сил притяжения луны землей. Обратите внимание - изучалась сила притяжения предметов к поверхности! земли, а посчитали, что притягивает центр земли. Изучалась  сила притяжения луны землей, а посчитали, что и остальные объекты космоса будут вести себя так же. И на основе этих наблюдений были сделаны выводы о «всемирности» действия закона притяжения. Возможно, в те времена весь мир ограничивался только этими объектами, а все остальное в расчет не бралось - все может быть. Но тот факт, что поверхность земли в силах притяжения играет роль более значительную тоже надо учесть. Потому что притяжение к поверхности земли существует не только в направлении сверху-вниз, но и снизу-вверх. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить сетования жителей горных районов: из года в год при возделывании своих садов и огородов они собирают камни, которые «вырастают» на их участках. Да-да именно «вырастают», т.е. поднимаются откуда-то снизу на поверхность земли. Вы же не думаете, что камни легче грунта, который возделывают горцы. А ведь их приходится убирать ежегодно и во всех горных районах - значит, это не какое-то местное явление - это также общая для земной поверхности закономерность…

А вы знаете, что согласно закону всемирного тяготения сила притяжения луны солнцем в 2,6 раза сильнее, чем землей - так записано в учебнике астрономии для вузов, число точное - можете пересчитать… Так почему же она преспокойно вращается вокруг земли, а не устремляется прямиком к солнцу? - Это что же получается, где-то закон действует прямо, непосредственно, а где-то с какими-то поправками?

А вы знаете, что на некоторых участках пространства орбиты нептуна и плутона пересекаются между собой, если смотреть перпендикулярно плоскости эклиптики, -  просто они проходят одна над другой - и, заметьте, никаких космических катастроф это не вызывает.. - Перестает действовать закон всемирного тяготения, или опять как-то хитро себя проявляет?

Почему планеты солнечной системы в своем движении по орбитам вокруг солнца, даже находясь очень далеко от центрального светила, не отстают от него? Это вопрос очень интересный. Дело в том, что расстояния от солнца до планет огромные. Например, если бы солнце имело размер футбольного мяча, то земля должна иметь размер точки ● и находиться на расстоянии 30 м от солнца-мяча, а юпитер на расстоянии 150 м, а нептун на расстоянии больше 1 км! Это, какие же силы должно иметь солнце-мяч, чтобы на таком расстоянии от себя удерживать планеты и не прогибать плечо - 1 км!? Совершенно непонятно каким образом солнце может удерживать свои планеты на таких расстояниях  в плоскости близкой к плоскости своего экватора. И при этом скорость перемещения всех! объектов солнечной системы по вселенной одинаковая, т.е. никакой объект не отстает!

Наверняка существует еще множество интересных необъяснимых существующим законом всемирного тяготения явлений на нашей планете, в ближнем и дальнем космосе а также в микромире. Но это еще не все. Об ущербности этого закона заговорили уже в 19-м веке. Поскольку в этом законе идет речь о «взаимном» притяжении, то это сразу же делает его не объективной закономерностью, а описанием субъективного наблюдения, выражением эгоцентрической точки зрения. Такая точка зрения сразу же вылилась в гравитационный парадокс.

Гравитационный парадокс впервые был сформулирован Х.Зелингером в 1895 году. Вот как записана суть этого парадокса в учебнике астрономии: «…в бесконечной вселенной, равномерно заполненной веществом, пользуясь законом Ньютона, нельзя однозначно рассчитать силу гравитации в заданной точке. Так, например, если ее вычислить, суммируя силы, действующие на пробную массу в этой точке, и создаваемые концентрическими слоями с центром в этой точке, то очевидно, что получится 0. Если же подсчет вести для концентрических слоев с центром в некоторой другой удаленной точке, то сила тяготения окажется равной силе, с которой шар радиуса r притягивает точку на его поверхности» [7]. Все эти факты и рассуждения заставляют задуматься о правильности распространения закона всемирного тяготения на весь мир….

Что делать?

Для начала обратимся к историческим фактам. Следует вспомнить, что совершенно другой подход к измерению параметров гравитационного поля высказывал сам Ньютон еще до того как сформулировал закон всемирного тяготения. Исследуя поведение планет солнечной системы, он сформулировал следующую теорему: «силы, которыми главные планеты постоянно отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к солнцу, и обратно пропорциональны квадратам расстояний от его центра» [7].

Как видите, между первой и второй формулировками или теоремами большая разница. Может быть поспешил Ньютон со всемирным обобщением? По всей видимости, да. С одной стороны официально принятый закон всемирного тяготения имеет существенный изъян в виде гравитационного парадокса. С другой стороны он вполне дееспособен на поверхности земли и окрестностях вокруг нее, поэтому полностью от него отказываться не стоит. Давайте более внимательно приглядимся к формулировке теоремы о силах, удерживающих планеты на орбитах вокруг солнца.

В этой формулировке явно указывается на наличие, по крайней мере, двух сил гравитационного поля:

- одной силы, которая заставляется планеты двигаться прямолинейно

- и другой силы, которая отклоняет планеты от прямолинейного движения.

Для того, чтобы происходило отклонение движения планеты от прямолинейного, необходимо, чтобы эти две силы были ортогональными. Только в этом случае будет происходить перемещение планет и других объектов по почти круговым орбитам. Значит, эта формулировка говорит, что у гравитационного поля обязательно должны быть две ортогональные силы, а не одна, как гласит официально принятый закон. Кроме того, эта теорема - более общая, и о взаимном притяжении нет ни слова. В ней отсутствует эгоцентризм официально принятой формулировки закона всемирного тяготения и, соответственно, не будет гравитационного парадокса создаваемого им. Это означает, что силы притяжения, которые создают гравитационное поле и создают его потенциальную энергию Е,  как и в любые другие силы, могут изменяться от нулевого уровня до какой-то максимальной величины. А это означает, что  потенциальная энергия также может изменяться от нулевого уровня Е0=0 до какой-то максимальной величины. Причем за нулевой уровень потенциальной энергии Е0 можно принять любой ее уровень, относительно которого будут  проводиться измерения.

Т.е. необходимо измерять параметры поля гравитации относительно некоторого их уровня, который принимается за нулевой: нулевого потенциала гравитационного поля φ0, нулевой напряженности гравитационного поля G0 и т.д. За нулевую величину можно принять любое значение параметра при условии, что измерение параметров ведется от ее уровня.

Это новый поход в изучении сил гравитационного поля, и как покажет дальнейшее изложение правильный (по крайней мере, на данный момент), потому что он помогает объяснить очень многие явления в окружающем нас мире. Но это не все! Необходимо  дополнение теории гравитационного поля теорией волн. Это  поможет объяснить не только форму и параметры орбит планет и их расположение вокруг центрального светила, но и многие другие явления и не только для астрономии, но и в других областях знаний.

О том, что гравитационные волны должны существовать высказывались предположения более ста лет назад многими выдающимися физиками, в частности и А. Эйнштейном. Однако считается, что до сих пор их не почему-то смогли обнаружить [10]. Мы с вами начнем наши изыскания, опираясь только лишь на фактические данные наблюдений за планетами солнечной системы и их спутниками и рассуждая об их поведении. Гравитационные волны можно найти без каких-либо экспериментов или опытов, только сопоставив известные факты или просто посмотрев на них глазами стороннего наблюдателя - со стороны. Итак, приступим!

Сначала выясним, откуда берутся и где распространяются гравитационные волны или колебания гравитационного поля. Их существование предсказывалось многими теоретиками физики. Даже создавались детекторы гравитационных волн. Но почему-то гравитационные волны так и не находились. И по сей день считается, что их пока не нашли, или просто не смогли идентифицировать.

С другой стороны, не смотря на такие заявления, гравитационные волны, излучаемые нашей планетой, давно и активно изучаются. Потому что с самого начала широкого изучения сейсмической активности планеты земля - это конец 19-го начало 20-го века - приборами постоянно фиксируются собственные гравитационные колебания на поверхности и в толще нашей планеты. Эти данные не секрет, с ними можно ознакомиться, например, из книги В. Н. Жаркова «Внутреннее строение Земли и планет» [4].

Колебания гравитационного поля земли, или гравитационные волны земли, хорошо изучены. Выделены два типа гравитационных волн - поперечные и продольные. Вообще-то объемные продольные и поперечные волны были открыты теоретически Пуассоном еще в 1828 году при создании теории упругости. Поэтому считают, что продольные волны - это упругие волны сжатия, а поперечные волны - упругие волны сдвига. Много позже, в 1901 году эти типы волн были идентифицированы на сейсмографах английским исследователем Олдгемом. Причем  все теоретические предположения относительно собственных гравитационных колебаний земли нашли практическое подтверждение. На сегодня исследованиями выявлен целый ряд собственных колебаний земли, с периодами длительностью начиная от 8,4 минут [4]. Точно такие же волны обнаружены и на поверхности солнца, это так называемы пятиминутные колебания, а также моды длинноволновых колебаний, описание которых есть в учебниках астрономии для вузов [1,7].

Вполне естественно предположить, что гравитационные волны, наблюдаемые на земле, а также на солнце, должны иметь продолжение в космосе. Поэтому напрашивается вывод, что гравитационные волны в космосе существуют, и в первую очередь их следует искать как продолжение тех волн, что зарождаются внутри космических объектов - звезд, планет, и т.д. Если представить, что существуют волны потенциальной энергии гравитационного поля вокруг каждого из объектов солнечной системы, то вся система будет иметь примерно такой вид как на рис.1.



Как видно на рис.1, потенциальная энергия гравитационного поля отмечается относительно некоторой величины Е0, принятой за нулевой уровень. Поэтому по-другому предстает уровень потенциальной энергии объектов - чем крупнее объект, тем меньший у него потенциал гравитационного поля и тем более глубоко он «проваливается» на поверхности гравитационных волн. Значит, из двух ближайших объектов, больший всегда будет иметь меньший потенциал. Более мелкие объекты точно так же стремятся попасть в области с меньшим потенциалом, но могут задерживаться в более мелких волнах, которые создают более крупные объекты. Т.е. меньший объект будет удерживаться неким центральным объектом дальше от области с минимум потенциальной энергии. Поэтому можно сказать, что большие объекты на волновой поверхности гравитационного поля задерживаются большими волнами, а меньшие - меньшими.

Как возникают гравитационные волны

Колебания не могу возникнуть сами по себе. Чтобы возникли какие-либо колебания необходимо, чтобы существовал источник этих волн. Гравитационные волны, как и любые другие, также подчиняются этому правилу. Логично предположить, что колебания гравитационного поля будут создаваться объектами, которые движутся. Потому что неподвижный объект никаких изменений на волновой поверхности гравитационного поля создавать не может.

Поэтому источником гравитационных колебаний может быть любой объект, скорость перемещения которого отличается от скорости перемещения окружающей среды. Чтобы лучше это понять представим себе лодку, которая находится на поверхности реки (рис.1). Река имеет некоторую скорость течения v. Если скорость перемещения лодки такая же, как и скорость течения реки - то вокруг лодки никаких волн наблюдаться не будет. Но в случае, если лодка начинает двигаться, то сразу же появляются волны. Они будут расходиться по обе стороны от лодки (рис.2б, 2в).



Значит, все объекты, которые движутся относительно среды, в которой находятся, создают вокруг себя волны, в том числе и гравитационные, если окружающая среда - это волновая поверхность гравитационного поля. Очевидно, что чем больший по величине объект, тем большие по амплитуде и длине будут создаваемые им волны. Все объекты космоса движутся, значит, все они создают волны гравитационного поля вокруг себя. Для примера рассмотрим объекты солнечной системы: планеты и солнце. Очевидно, что движущееся и вращающееся вокруг своей оси солнце создает вокруг себя волны гравитационного поля. Движущиеся и вращающиеся вокруг своей оси планеты также создают вокруг себя волны гравитационного поля, но меньшие по амплитуде и длительности, чем солнце. Планеты, как более мелкие объекты, будут находиться в гравитационном поле, которое создает солнце и подвергаться действию его колебаний. Точнее, планеты будут находиться на волновой поверхности гравитационного поля, создаваемого колебаниями гравитационного поля солнца. Поэтому положение планет будет зависеть от колебаний гравитационного поля солнца.

Тот факт, что планеты вращаются вокруг солнца по орбитам близким по форме к круговым, указывает на то, что солнце создает волновую поверхность в виде плоской волновой поверхности. Такой вывод напрашивается потому, что окружность (или эллипс) - относятся к плоским фигурам. Поэтому колебания гравитационного поля, которые определяют положение планет солнечной системы, по всей видимости, должны напоминать волны на поверхности воды от брошенного камня, расходящиеся от некоторого центра - источника гравитационных колебаний.

Волновая поверхность гравитационного поля в реальных условиях не обязательно должна выглядеть как кольца на поверхности воды от брошенного предмета. Но обязательно волнами будет изменяться амплитуда параметров гравитационного поля. В каком виде вокруг солнца будут расходиться волны гравитационного поля сказать трудно. В реальных условиях видимых волн, которые можно пощупать, или сфотографировать, мы можем не найти, но попытаться найти результаты их действий должны. И в этом нам поможет то, что вокруг солнца должны чередоваться кольца с более высоким и более низким потенциалом гравитационного поля относительно некоторого нулевого уровня - это обязательно должно быть. И планеты солнечной системы, как и любые другие объекты, будут скатываться в области с низким потенциалом, т.е. находиться в кольцах малого потенциала гравитационного поля.

Не стоит забывать, что солнце не стоит на месте - оно вместе с планетами солнечной системы вращается вокруг центра галактики. Поэтому солнце в свою очередь также будет находиться в кольце малого потенциала. Но это кольцо будет создаваться центром галактики, поэтому его параметры будут во много раз превосходить параметры колебаний гравитационного поля солнца. По всей видимости, размеры солнечной системы будут определяться параметрами гравитационной волны центра галактики. А солнце как наиболее тяжелый, «весомый» объект солнечной системы будет находиться в точке с наименьшим уровнем потенциальной энергии.






??????.???????