www.ASTROLAB.ru

ASTROLAB.ruСтатьиК вопросу о физическом смысле гравитационной постоянной и массы
ГлоссарийФото космосаИнтернет магазинКосмос видео



К вопросу о физическом смысле гравитационной постоянной и массы
Версия для печати

Научно популярная статья

Наверное, все хорошо помнят своё первое знакомство с законами Ньютона. По крайней мере, я испытал незабываемое удивление, когда на уроке физики безо всяких, в общем-то, доказательств учитель написал на доске формулу:

F = m • a (1),

и сказал, что это второй закон Ньютона.

Потом пришлось рассмотреть много примеров и решить немало задач с применением этого закона, прежде чем понятие силы как-то более или менее становилось всё яснее и яснее, к тому же силу легко ощутить руками, а вот понять, что такое масса было практически невозможно.

Объяснение, что масса - это есть мера инертности физического тела, мало что проясняло, поскольку закрадывалось подозрение, что это только переиначенная формулировка всё того же второго закона Ньютона. Постепенно я привык относиться к массе просто как коэффициенту в формуле (1).

И вот пришло время изучать закон всемирного тяготения, формула которого имеет вид:

F = G • m1 • m2 / r2 (2).

В качестве доказательства учитель сообщил нам, что этот закон подтвержден многочисленными наблюдениями и расчётами, и в соответствии с ним движутся планеты и космические корабли.

Я представил себе, как расстроилась бы учительница по геометрии и, наверное, выгнала бы меня класса, если бы я в качестве доказательства теоремы Пифагора сослался бы на то, что поскольку всегда выполняется равенство 32 + 42 = 52, которое подтверждено многочисленными экспериментами при построении прямоугольных треугольников, то из этого следует, что теорема Пифагора a2 + b2 = c2 доказана.

Теорема Пифагора утверждает не менее фундаментальное свойство пространства, чем закон всемирного тяготения. И при этом, какая большая разница в обосновании и доказательстве этих закономерностей! В этом видится определенная неполнота оснований физики по сравнению с геометрией. Поэтому возникали вопросы. Почему в физике нельзя преобразовать все формулы и законы в теоремы, оставив минимальное число аксиом, как в геометрии? Почему вся физика состоит только из законов, постулатов, принципов, запретов, эффектов и определений? Ответ очевиден. Геометрия достигла своего полного развития и стала полностью аксиоматизированной теорией, а физика - наука экспериментальная. И многих такое состояние дел устраивает. Однако хотелось хотя бы классическую часть физики, как наиболее устоявшуюся и полную видеть как аксиоматизированную теорию.

В конце концов, я смирился с отсутствием элементарных физических величин, из которых можно было бы сконструировать силу и массу. Возможно, таких простых понятий, как в геометрии, в физике вообще не существует, думал я.

Но только вот гравитационная постоянная не давала мне покоя. Она совершенно портила всю картину. Я не понимал, почему нельзя записать закон всемирного тяготения без неё.

С одной стороны в научно популярной литературе ей приписывался какой-то особый фундаментальный смысл, а тем временем во всех  учебниках повторялось одно и то же:

«Физический смысл гравитационной постоянной:

гравитационная постоянная численно равна модулю силы тяготения, действующей между двумя точечными телами массой по 1 кг каждое, находящимися на расстоянии 1 м друг от друга.»

Из этого утверждения следует, что гравитационная постоянная является просто коэффициентом для согласования размерностей. Но поскольку единицы устанавливаются конвенционально, путем произвольных соглашений, тогда в чём же её глубокий фундаментальный смысл?

Если проанализировать размерность гравитационной постоянной, то можно обнаружить интересные особенности. Размерность гравитационной постоянной имеет вид:

G = L3 / T2 • I (3)

Обращает на себя внимание известная, но любопытная деталь. Выражение  L3 / T2 - это третий закон Кеплера: «квадраты периодов обращения планет вокруг солнца относятся как кубы больших полуосей планет». Математически можно записать это так: L3 / T2 = const.

В чём же причина такого постоянства для всех планет солнечной системы. Виновато Солнце. Солнце для всех одно и для каждой планеты его масса будет постоянна: Mc = const.

Поскольку массу Солнца Mc можно считать величиной постоянной, то естественно, что для любой планеты Солнечной системы величина L3 / T2 является постоянной. Таким образом, существует пропорциональная зависимость между инертной массой Солнца и соотношением L3 / T2.

Однако, третий закон Кеплера справедлив не только для Солнца и планет, но и для планет и их спутников, а, следовательно, и для любого материального тела и окружающего его физического пространства. Из этого следует, что масса может быть различной, а отношение (3) остается постоянным для любой массы в пустоте.

Если считать выражение L3 / T2 некой характеристикой гравитационного поля, то постоянство гравитационной постоянной говорит нам о том, что для любого материального тела существует свойство генерировать вокруг себя гравитационное поле, которое пропорционально его массе.

Какой вывод можно сделать из приведенного анализа. Вывод такой: гравитационная постоянная не только константа, согласующая размерности левой и правой части закона всемирного тяготения, а также и выражение фундаментального свойства инертной массы генерировать вокруг себя гравитационное поле пропорциональное по величине самой этой инертной массе.

А какое же поле генерирует вокруг себя инертная масса?

Величина, которая стоит в числителе имеет экзотический вид L3 / T2. Если в качестве основной единицы массы взять не один килограмм, а какую-то другую массу, такую, чтобы гравитационная постоянная была бы равна 1, и если считать её безразмерной, то выражение (3) можно привести к виду:

m = L3 / T2 (4)

Легко увидеть, что тогда сила будет иметь вид F = L4 / T4, энергия E = L5 / T4, массовый расход I = L3 / T3 и т.д.

Р.О.Бартини в своей работе [1] разработал таблицу размерностей физических величин в системе LT, в которой с поражающей простотой выводятся многие физические величины. По некоторым причинам Р.О. Бартини был не понят официальной наукой. Но все эти соотношения в системе LT интересны тем, что они унифицируют подход к построению системы физических величин и тем самым сигнализируют нам о том, что идея как аксиоматизировать классическую физику, где-то рядом.

Из формулы (4) следует, что выражение L3 / T2 можно уподобить или придать ему физический смысл некоторой особой массы, которую можно называть гравитационной, и переписать выражение (4) в виде:

mГ = L3Г / T2Г (5)

где LГ - обычная длина, нижний индекс «г» говорит об условной принадлежности к гравитации;

TГ - обычное время, где аналогично нижний индекс «г» также говорит об условной принадлежности к гравитации;

И тогда выражение (3) для гравитационной постоянной примет вид

G = mГ / mИ (6)

Вот теперь наступает решающий момент. Что можно сказать о выражении (6). Не стоит только вспоминать про эквивалентность инертной и гравитационной масс. Это другая проторенная дорога, мы идем в другую сторону - к основам физики. Наша задача вырисовывается так: нужно найти самые простые - элементарные унифицированные физические величины, через которые можно было бы выразить инертную массу. Но если выражение для гравитационной массы - это выражение (5), то теперь дорогой читатель, возможно, вы уже догадались, какой вид должна иметь формула для инертной массы - да, она должна быть подобна формуле гравитационной массы.

Но для этого нужно совершить мысленный скачок и подумать о том, что если величина отношения массы гравитационной и инертной для любого физического тела является фундаментальной константой, то эти массы тогда должны быть подобными. Или другими словами, выражение для инертной массы должно иметь структуру подобную выражению (5). Таким образом, мы должны подобрать в формуле (3) подстановку для массы подобную выражению L3 / T2.

Попробуем ввести некую «инерционную длину» LИ, подобную длине LГ, и ввести «инерционное время» ТИ, подобное времени ТГ. Пока неясно, какой физический смысл имеют LИ и TИ?

Это потом, а поскольку, если формула гравитационной массы имеет вид mГ = L3Г / T2Г, то подобная ей по структуре формула для инертной массы должна будет предварительно иметь вид:

mИ = L3И / T2И (7)

Вот это настоящая ЭВРИКА!!!

И не надо говорить про бритву Оккама. Ведь если, например, на экзамене нам нужно взять интеграл, то мы же готовы использовать любые идеи и довольно часто методом замены переменных пытаемся найти или угадать для упрощения задачи подходящую подстановку, то есть, мы довольно часто для решения наших проблем вводим новые сущности.

В поисках физического смысла гравитационной постоянной мы использовали принцип подобия и просто догадались до того, какой вид должна иметь формула инертной массы. И в итоге мы получили для инертной массы красивую формулу (7).

Таким образом, физический смысл гравитационной постоянной состоит в том, что она является отношением подобных физических величин характеризующих любое физическое тело - отношением его гравитационной массы к его инертной массе.

Данные идеи были положены в основу монографии [2] написанной автором и изданной на собственные средства. В монографии формула для инертной массы в окончательной трактовке приняла следующий вид:

mИ = ± i • L3И / T2И (8)

где i мнимая единица i = ± .

В монографии [2] излагается решение проблемы аксиоматизации классической физики, или решение шестой проблемы Гильберта.

Для решения проблемы аксиоматизации классической физики в монографии использованы идеи: двойственности, самоорганизации, подобия, геометризации и унификации физических объектов и их физических величин.

Всю физическую реальность, состоящую из самоорганизующихся физических систем, мы будем называть Универсумом.

В монографии [2] вводится четыре рода базисных подсистем Универсума.

1) Геометрическое пространство (ГП), состоящее из физических элементов − непрерывных многомерных полостей , которые сопоставимы с пространством классической физики и являются пространственной компонентой гравитационного и фотонного (электромагнитного) поля.

Многомерные полости могут иметь значения размерности α равные: 1, 2, 3, 4, или 5 и обладать соответствующей унифицированной физической величиной .

Унифицированную физическую величину физического элемента, а также физического комплекса, образованного взаимодействием физических элементов будем называть фреймом.

2) Вещная субстанция (ВС), состоящая из физических элементов − дискретных многомерных гранул , которые размещаются в полостях ГП и являются заполняющей полости ГП  компонентой инертной и электрической материи (электричества).

Многомерные гранулы могут иметь значения размерности δ равные: 1, 2, 3, 4, или 5 и обладать соответствующим фреймом .

3) Астрономическое время (АВ), состоящее из физических элементов − непрерывных многомерных интервалов , которые сопоставимы с временем классической физики и являются временной компонентой гравитационного поля и электрической материи.

Многомерные интервалы могут иметь значения размерности β равные: 1, 2, 3, 4, или 5 и обладать соответствующим фреймом .

4) Хрональный эфир (ХЭ), состоящий из физических элементов − дискретных многомерных импульсов , которые происходят (возникают, длятся и заканчиваются) в интервалах АВ и являются проистекающей в интервалах АВ компонентой фотонного поля и инертной материи.

Многомерные импульсы могут иметь значения размерности γ равные: 1, 2, 3, 4, или 5 и обладать соответствующим фреймом .

Вводится понятие физического комплекса.

Физическим комплексом будем называть объект, образующийся в результате системной интеграции физических элементов разного рода.

В результате системной ортогональной интеграции физических элементов базисных подсистем образуются четыре вида физических комплексов:



Вводятся две аксиомы.

Аксиома №1

Отношение является фундаментальной системной константой.

Аксиома №2

Отношение является фундаментальной системной константой.

Тогда гравитационная постоянная будет иметь вид: .

Электрическая постоянная будет иметь вид: .

Из формулы (8) следует, что физический смысл массы заключается в том, что она является фреймом физического комплекса инерциона , состоящего из взаимодействующих друг с другом физических элементов: трёхмерной гранулы вещной субстанции и двухмерного обратного импульса хронального эфира.

Физическая реальность в монографии рассматривается как единая самоорганизующаяся система, которая образована путем взаимодействия многомерных базисных подсистем: геометрического пространства, астрономического времени, вещной субстанции и хронального эфира. Результатом взаимодействия этих подсистем являются гравитационное и электромагнитное поля, электрическая и инертная материя.

Разработана система унифицированных физических величин - фреймов.

Она позволила упорядочить все физические величины в специальные комбинаторные матрицы, что, в свою очередь, дало возможность выявить физическую сущность известных величин и законов, и сформулированы новые законы.

В частности в монографии, опираясь, на постулаты и аксиомы системной физики, доказана, точно так же как это делается в геометрии, формула взаимодействия заряда и массы, которая имеет вид:

 (9)

Ну, как бы теорема Позднякова.

Такая теория несет в себе много интересных применений и следствий.

Например, может совершенно измениться методика преподавания физики.

Возможно, удастся найти новые закономерности в спектре масс элементарных частиц.

Есть вероятность теоретически обосновать физический смысл постоянной тонкой структуры и понять, почему она имеет именно такое значение.

Интересно было бы экспериментально подтвердить возможность генерации гравитационных волн, о которых говориться в монографии.

И естественно, очень важно было бы экспериментально проверить формулу (9) взаимодействия заряда и массы.

Список литературы:

1. Роберт Орос ди Бартини. Соотношения между физическими величинами. Сборник Проблемы теории гравитации и элементарных частиц. Атомиздат.Москва 1966г.

2. Поздняков Н.И. Системная физика - решение шестой проблемы Гильберта. Нижний Новгород: Изд-во Волго-Вятской Академии гос. Службы, 2008.

Н.И. Поздняков






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