Текст книги "Тайны Вселенной"
Автор книги: Валерий Демин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 25 (всего у книги 34 страниц)
ДВИГАТЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ
В процессе общей работы и дискуссий с В. П. Селезневым удалось найти нетривиальный подход к пониманию природы сил тяготения и той роли, которую они играют во Вселенной. Ниже излагается данная концепция, как она впервые была представлена в нашей совместной и уже цитированной книге «Мироздание постигая: Несколько диалогов между философом и естествоиспытателем о современной научной картине мира» (М., 1989).
В классической механике небесные тела, притягиваясь взаимно с помощью гравитационных полей, движутся под действием сил тяготения и инерции по некоторым орбитам в космическом пространстве, которое отождествляется с пустотой. Однако эта идеальная картина Вселенной не согласуется с реальным состоянием космического пространства. Установлено, что это пространство содержит рассеянные молекулы веществ, атомы, ионы, электроны, фотоны и другие частицы, крупные тела – метеориты и, наконец, – множество различных полей. Плотность распределения этих частиц и полей в пространстве неравномерная, однако при движении больших небесных тел – галактик, звезд и планет – такая «запыленная» среда может оказывать сопротивление. Вследствие этого небесные тела должны постепенно терять свою кинетическую энергию и сближаться под действием сил тяготения. Для Солнечной системы это означало бы, что с течением времени Луна, например, упала бы на Землю, а Земля и другие планеты – на Солнце.
Тем не менее, несмотря на эти условия, небесные тела в течение времени, исчисляемого миллиардами лет, сохраняют параметры своих орбит практически неизменными, а Вселенная в целом существует вечно. Чтобы сохранить подобное почти стационарное состояние Вселенной, необходимо иметь какой-то источник энергии, который позволял бы скомпенсировать расходы энергии, затрачиваемые на сопротивление космической среды. Существует ли он в природе? Этот вопрос является исключительно сложным, но зато – и особенно интересным. По существу, речь идет о том, существует ли некоторый единый механизм – «Двигатель Вселенной», поддерживающий определенное ее состояние.
В первом приближении классическая небесная механика дает на это следующий ответ: Вселенная поддерживается в определенном динамическом равновесии с помощью сил тяготения небесных тел и сил инерции их масс без учета материальности космической среды. Конечно, математическая модель даже такой Вселенной чрезвычайно сложная, но принципиально ее можно описать и даже промоделировать с помощью современных ЭВМ. Однако реальная структура космического пространства создает некоторый эффект торможения движению небесных тел. Небесная механика позволяет исследовать и этот эффект, однако она не дает ответа на вопрос – почему же Вселенная преодолевает торможение движения небесных тел и откуда она находит энергетические ресурсы для восстановления расходуемой энергии? Чтобы выявить подобные энергетические ресурсы, необходимо более детально рассмотреть особенности гравитационного взаимодействия между небесными телами.
Распределенная масса небесных тел приводит к существенному изменению гравитационных взаимодействий между телами. Поскольку каждая материальная частица небесного тела является источником гравитационного поля, результирующее (или суммарное) поле жестко связано с телом и участвует в его вращении вокруг центра масс как одно целое. Это означает, что гравитационное поле не только охватывает значительное пространство вокруг тела, но и вращается вместе с телом, увлекая за собой все другие внешние взаимодействующие материальные объекты. Но вращение гравитационного поля небесного тела само по себе не может служить источником дополнительной энергии. Нужен какой-то дополнительный эффект в небесной механике. И вот здесь-то и требуется сделать еще один шаг в изучении гравитационного поля, основанный на учете влияния относительного движения тел на силу их взаимного притяжения. В статических условиях, когда тела неподвижны относительно друг друга, сила Q0 их взаимного притяжения пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (закон всемирного тяготения).
Что же произойдет с силой притяжения, если тела будут сближаться или ударяться относительно друг друга с некоторой скоростью V? Поскольку скорость распространения гравитационного поля относительно излучающего тела имеет конечную величину (обозначим С – скорость поля относительно излучающего тела), следовательно, она зависит также и от скоростей относительного движения тел (полагаем, что закон сложения скоростей справедлив для всех материальных объектов, включая и физические поля).
Благодаря этому сила Q гравитационного притяжения будет зависеть не только от масс тел и расстояний между ними, но и от величины относительной скорости V. Установлено, что при сближении тел, летящих со скоростью V, сила их взаимного притяжения Q будет несколько меньше, чем ее статическое значение Q0(Q
Между тем зависимость силы взаимного тяготения тел от относительной скорости между ними в классической механике не была учтена. Однако влияние относительного движения тел на физические процессы взаимодействия между ними проявляется повсеместно в природе. В частности, при больших скоростях относительного движения, близких к скорости света, происходят релятивистские эффекты, вызванные существенным изменением сил взаимодействия. Какое же новое качество вносится в небесную механику при количественном изменении сил всемирного тяготения, вызванном скоростями относительного движения тел?
Прежде чем делать широкое обобщение о влиянии скоростей относительного движения тел в небесной механике, необходимо рассмотреть пример, позволяющий уяснить существо данной проблемы для земных условий. Предположим, что наблюдатель находится внутри космического корабля, летящего вокруг Земли в направлении ее вращения по экваториальной круговой орбите с периодом Т более суток (Т>24 часов). Земное гравитационное поле вращается вместе с Землей и совершает один оборот за сутки, обгоняя космический корабль (рис. 106). Рассматривая движение Земли, наблюдатель обнаружит, что поверхность ее восточного полушария будет удаляться от корабля, а западного – приближаться к нему вследствие вращения Земли вокруг своей оси.
Разделим мысленно массу mо Земли на западную и восточную половины полушарий и заменим эти массы на эквивалентные материальные точки (с массами 1/2m0), расположенные в центрах масс полушарий (точки О1 и O2 на расстоянии 1 друг от друга). Если соединить прямыми линиями центры масс земных полушарий и центр массы корабля (точка О с массой m), то образуется равнобедренный треугольник с углом d при вершине (точка О). Сила Q1 гравитационного тяготения западного полушария направлена по линии O1O, а восточного – (Q2) – по линии O2O.
Вследствие суточного вращения Земли с угловой скоростью массы всех частиц восточного полушария будут удаляться от корабля, а западного – приближаться. По этой причине сила тяготения эквивалентной материальной точки восточного полушария (Q2) несколько увеличится, а западного полушария (Q1) – уменьшится. Сумма проекций сил Q1 и Q2 на радиус-вектор, соединяющий центры масс всей Земли и корабля, образуют вектор радиальной силы тяготения Qр. Сумма проекций этих сил на касательную к орбите корабля Qт определяет собой тангенциальную силу. Роль таких сил в динамике движения космического корабля следующая.
Радиальная сила Qр, будучи уравновешенной центробежной силой, создаваемой массой корабля при движении по орбите, обеспечивает определенную величину орбитальной скорости в соответствии с известными ньютоновскими расчетами (скорость обратно пропорциональна корню квадратному из расстояния от центра Земли до корабля). Тангенциальная сила Qт является новым компонентом небесной механики, возникающим при учете угловой скорости вращения распределенных масс небесных тел и относительной скорости их центров масс. Величину этой силы можно определить, зная, что:
w и w1 – угловые скорости Земли (или земного гравитационного поля) и радиус-вектора корабля (линия, соединяющая центры масс корабля и Земли);
Сп – скорость распространения гравитационного поля;
l – расстояние между центрами масс западного и восточного полушарий Земли;
h – расстояние между центрами масс Земли и корабля.
Замечаем, что величина тангенциальной силы зависит от разности угловых скоростей w и w1.
Если Земля вращается быстрее (w>w1), то гравитационное поле обгоняет космический корабль и как бы подталкивает его (сила (Qт>0), увеличивая тем самым орбитальную скорость движения. В случае, если угловая скорость Земли меньше w1, сила Qт меняет свое направление на противоположное (Qт<0) и становится тормозящей.
При w1 = w, когда период орбитального движения корабля равен земным суткам, тангенциальная сила исчезает (Qт = 0).
В реальных условиях космическое пространство может оказывать некоторое сопротивление движению корабля с силой F, которая зависит от плотности окружающей среды, миделя сечения корабля, коэффициента его аэродинамического сопротивления и, конечно, от орбитальной скорости движения. Продольное движение корабля с орбитальной скоростью Vорб. может быть найдено из уравнения динамики Ньютона, в котором сила инерции корабля уравновешивается разностью сил Qт и F. Если Qт>F, ТО Тангенциальная сила превосходит силу сопротивления и скорость Vорб корабля увеличивается. При этом центробежная сила массы корабля также возрастает, в результате чего корабль переместится на более высокую орбиту (расстояние h увеличится). Поскольку сила Qт пропорциональна h-3, увеличение расстояния h приведет к резкому сокращению силы Qт до тех пор, пока она не уравновесится силой F. В этом случае наступит динамическое равновесие: тормозящий эффект окружающей среды будет полностью устранен, а корабль будет двигаться по новой стационарной орбите.
Если же сила торможения F будет превосходить Qт, то орбитальная скорость уменьшится, корабль начнет перемещаться на более низкую орбиту до тех пор, пока возрастающая сила Qт не уравновесит силы торможения. Таким образом, вращающееся гравитационное поле небесных тел становится своеобразным регулятором параметров небесной механики в условиях, когда окружающая космическая среда может оказывать сопротивление движению тел.
В рассматриваемом примере анализировалась механика движения гипотетического космического корабля. Но какова же судьба реальных спутников Земли – Луны и искусственных спутников, созданных человеком? Условия для движения Луны вокруг Земли самые благоприятные. Если Земля совершает вокруг своей оси один оборот в сутки (точнее – за 23 часа 56 минут 4,1 секунды), то Луна совершает полный оборот вокруг Земли за 27 дней 43 минуты 11 секунд. Это означает, что гравитационное поле Земли более чем в 27 раз быстрее вращается, чем радиус-вектор, соединяющий центры масс этих небесных тел. Следовательно, на Луну непрерывно действует тангенциальная сила Qт, направленная на преодоление сил сопротивления околоземной космической среды. Параметры орбиты Луны, как следует из помещенных выше выводов, поддерживаются стабильными благодаря тому, что движущая сила (Qт) и сила сопротивления среды полностью уравновешены в данное время.
Более разнообразная ситуация возникает у спутников Марса. Один из его спутников – Фобос – вращается вокруг Марса более чем в три раза быстрее, чем сама планета, тем самым обгоняя вращающееся гравитационное поле. Это означает, что гравитационное поле Марса тормозит спутник Фобос и он должен постепенно снижаться, теряя имеющийся запас кинетической энергии. В конце концов такой «падающий» спутник должен войти в плотные слои марсианской атмосферы, частично сгореть и затем разбиться о поверхность планеты. Более счастливая судьба у другого спутника Марса – Деймоса. Его период обращения превышает марсианские сутки, гравитационное поле планеты обгоняет и подталкивает спутник. Следовательно, орбита Деймоса является достаточно стабильной и этот спутник можно отнести к числу долгожителей.
Совершенно другие условия складываются для искусственных спутников Земли. Большая часть таких спутников движется по орбитам с периодом менее суток. Это означает, что такие спутники обгоняют вращающееся гравитационное поле Земли. В этом случае разность угловых скоростей w-w1<0 и тангенциальная сила не ускоряет, а тормозит движение спутников вместе с силами сопротивления окружающей среды. Следовательно, подобные спутники являются «падающими», то есть они постепенно должны уменьшать свою орбитальную скорость и снижаться. Для восстановления первоначальных параметров орбит у таких спутников требуется проводить коррекцию, то есть создавать силу тяги ракетных двигателей для компенсации тормозящего эффекта от суммы сил (Qт + Р).
Из рассмотренного следует, что «гравитационным двигателем» в Солнечной системе является само Солнце. Каковы же условия сохранения параметров движения планет Солнечной системы, учитывая существенную запыленность околосолнечного пространства (влияние солнечного ветра)? Гравитационное поле Солнца является силовой основой динамики движения планет. Угловая скорость вращения (w) этого поля – один оборот за 25 дней 9,1 часа – намного превышает угловую скорость радиус-векторов планет, соединяющих их центры масс с центром массы Солнца. Следовательно, вращающееся гравитационное поле Солнца создает для всех планет ускоряющую тангенциальную силу, помогающую этим планетам преодолевать сопротивление космической среды.
Астрономические наблюдения показывают, что орбиты всех планет Солнечной системы весьма стабильны. Это означает, что в процессе эволюции Солнечной системы каждая планета постепенно перешла на такой режим движения, когда центральная сила тяготения оказалась уравновешенной центробежной силой инерции, а сила сопротивления среды – тангенциальной силой вращающегося гравитационного поля Солнца. При этом надо иметь в виду, что плотность материи, распыленной в пределах Солнечной системы, убывает по мере увеличения расстояния от Солнца. Кроме того, планеты существенно различаются между собой по массе, объему и характеристикам аэродинамического сопротивления, что в совокупности с другими условиями движения и предопределяет большое разнообразие форм и параметров планетных орбит.
В рассмотренной картине мира вращающееся гравитационное поле Солнца является своеобразным двигателем всей Солнечной системы. При этом расходуется кинетическая энергия вращения Солнца на преодоление сопротивления среды движения всех ее планет. Но не получится ли так, что Солнце израсходует всю свою кинетическую энергию вращения и остановится, а планеты, не ускоряемые тангенциальными силами, постепенно упадут на Солнце? Высказанное опасение вполне обоснованное. Однако и в этом вопросе Природа нашла убедительный ответ. Как известно, в межзвездном и околосолнечном пространстве рассеяно значительное количество материи, которое непрерывно пополняется за счет выбрасывания (излучения) потоков вещества и мелких частиц самим Солнцем и звездами (результат ядерных процессов, происходящих внутри этих небесных тел). Радиальная сила тяготения Qр Солнца притягивает большие массы вещества, рассеянного в окружающей среде (рис. 107). Этот поток вещества (пыль, метеориты и т. п.), устремляясь к Солнцу с нарастающей скоростью, сообщает ему значительную кинетическую энергию и пополняет запасы вещества.
В этом процессе «дозаправки» Солнца интересную роль играют тангенциальные силы Qт вращающегося гравитационного поля. Благодаря этим силам падающая на солнечную поверхность космическая материя приобретает тангенциальную составляющую скорости, направленную в сторону вращения Солнца. Следовательно, на Солнце падают потоки материи из космического пространства не радиально, а под некоторым углом к поверхности, создающие дополнительную кинетическую энергию его вращения и тем самым компенсирующую в какой-то мере расходы энергии на движение планет. Конечно, это не «вечный двигатель», но работает он в достаточно устойчивом режиме в течение многих миллиардов лет вполне успешно. Об этом убедительно говорит история существования Солнечной системы.
Есть еще один «трудный» вопрос, связанный с законом всемирного тяготения. По Ньютону, гравитационная сила действует мгновенно и на неограниченное расстояние, то есть с бесконечной скоростью. В начале века пытались наложить ограничение на это принципиальное положение, ссылаясь на теорию относительности, запрещавшую скорости, превышающие скорость света. Как мы уже убедились, подобные «запреты» оказались несостоятельными, от них уже отказываются сами же релятивисты. Но как объяснить дальнодействие гравитационного поля? Прав был Ньютон или в его представления необходимо внести коррективы? Вопросы действительно трудные. Для ответа на них воспользуемся, кроме известных теоретических положений, еще здравым смыслом и логикой. Гравитационное поле обладает удивительным свойством: оно проникает сквозь любое тело или физическую среду, заставляя взаимодействовать одновременно всю массу тела с другим притягивающим телом. Если исходить из принципов, в соответствии с которыми только материальная субстанция, обладающая некоторой массой, может создавать силу взаимодействия, то можно полагать, что и гравитационное поле представляет собой особый вид материи, обладающей распределенной в пространстве массой и, следовательно, способной оказывать силовое действие на другие тела.
Все попытки обнаружить материальный носитель поля, то есть элементарную частицу, создающую гравитационный эффект, окончились неудачей. Измерить скорость распространения гравитационного поля оказалось несравненно сложнее и труднее, чем скорость распространения света. Если источник света можно своевременно включить и измерить время, за которое луч света пройдет определенный путь, то источник гравитации (массу тела) невозможно включить или выключить (тело излучает гравитационное поле непрерывно, и его нельзя заэкранировать), чтобы осуществить измерение скорости распространения поля. Этой особенностью гравитационного поля объясняется и его «дальнодействие». Действительно, поскольку масса тела не исчезает и не возникает вновь, его гравитационное поле все время сохраняется, охватывая огромное пространство. Если другое тело попадает в пределы этого поля, то оно мгновенно (здесь не требуется время для распространения поля, так как оно уже занимает все окружающее пространство) взаимодействует всей своей массой.
Если материя, а вместе с ней и гравитационное поле существуют вечно, а всепроникающая способность этого поля затрудняет измерение его скорости, то возможно ли в принципе решение этой задачи? Говоря о проблеме измерения скорости гравитационного поля, следует исходить из того, что оно, как и всякое физическое поле, имеет конечную скорость распространения относительно своего источника излучения (массы тела) и обладает силовым воздействием на другие тела. Это вселяет надежду на практическую возможность измерения скорости такого поля. Один из способов может быть основан на измерении с помощью гравиметров изменения силы тяжести на поверхности Земли, вызванного движением, например, Луны (приливной эффект), и сопоставления положения этого тела в земной системе координат (скорость гравитационного поля сравнивается со скоростью света, которая известна).
Задача может быть решена и с помощью двух космических летательных аппаратов (КЛА), летящих на одинаковых круговых экваториальных орбитах, но в противоположные стороны. Тангенциальные силы, действующие на КЛА в результате вращения гравитационного поля Земли вместе с ее телом, будут различные по величине и направлению, а силы торможения со стороны космической среды одинаковые. Измеряя характер изменения скорости полета этих КЛА и параметров их орбит вследствие гравитационного торможения (если периоды обращения КЛА будут менее суток), можно вычислить и скорость распространения гравитационного поля.
Аналогичную задачу можно решать и с помощью одного КЛА. Для этого необходимо направлять с помощью излучателей, расположенных на КЛА, один световой (или радио-) луч вперед по полету в сторону приемника, расположенного на Земле, а другой луч – назад, в сторону другого приемника на Земле. Вследствие изменения сил гравитации дополнительные ускорения и скорости, сообщаемые первому и второму лучам, будут различные. Это позволит с помощью измеренного наземными приемниками эффекта Доплера у каждого луча определить и величину скорости гравитационного поля. Конечно, подобные измерения возможно выполнить только аппаратурой, обладающей чрезвычайно высокими техническими качествами (высоким быстродействием, чувствительностью и точностью измерений).
Подводя итоги обсуждения проблем всемирного тяготения, можно прийти к заключению, что космистский подход и учет изменения гравитационной силы позволили выяснить физические процессы взаимодействия небесных тел и объяснить многие загадки Природы. По-видимому, проникновение в тайны гравитации находится еще в начальной стадии. Главная работа еще впереди.
