Ирина Пономарь – Гравитация под контролем: от теории к технологиям будущего (страница 2)

1. Введение

Гравитация на протяжении многих веков является загадкой для людей. Со времён Ньютона было несколько успешных математических теории гравитации, но нет общепризнанной теории, объясняющей физический механизм гравитации. Это самый значительный пробел в наших знаниях о гравитации. В настоящее время физика изучает эту проблему в различных направлениях: квантовая теория гравитации, основанная на использовании специфических гипотетических частиц-гравитонов [9], теория, основанная на свойствах гипотетических частиц – кварков [8], теории, которые являются развитием общей теории относительности [10], а также различные геометрические и топологические модели [11].

Как известно [1], основная идея гравитационной теории Эйнштейна подразумевает, что все естественные процессы имеют место в пространстве и времени, которые соответствуют не Евклидовой геометрии, но геометрии Римана. Пространство считается абсолютно пустым, но его свойства неразрывно связанны с распределением гравитирующих масс и их движением. Отклонения геометрических свойств пространства от Евклидовых объясняются наличием гравитирующих масс – т.е. массы определяют свойства пространства и времени, а они оказывают влияние на движение масс. Такой строго математический подход позволил получить адекватные результаты, которые представляет собой основу общей теории относительности (ОТО).

Однако идея пустого пространства связана с большим числом фундаментальных проблем и несоответствий. Во-первых, это противоречит принципу близкодействия. Чтобы устранить эту проблему при рассмотрении взаимодействия материальных объектов на каждом уровне (начиная с квантового уровня и заканчивая шкалой Вселенной) приходится изобретать различные агенты взаимодействия, а именно поля, струны, виртуальные частицы и тому подобное.

В абсолютном вакууме нет вещества в форме атомов и элементарных частиц, которые образуют атомы. Однако вакуум все еще обладает определенными физическими свойствами, присущими материи. При использовании любой системы физических единиц диэлектрические и магнитные характеристики вакуума отличаются от нуля. Определенное волновое сопротивление присуще вакууму. Следовательно, вакуум обладает известными индуктивными и емкостными свойствами. Всё это не соответствует представлениям об абсолютной пустоте. Поэтому термин «физический вакуум» давно используется в квантовой физике [2]. Под физическим вакуумом понимается сплошная материальная среда, образованная парами соответствующих элементарных частиц и античастиц. Следовательно, диэлектрические свойства присущи этой материальной среде. Эта среда является движущейся и течет, в ней могут возникать колебания и напряжения. Следовательно, невозможно применить абсолютную систему отсчета к этой среде. Именно это обстоятельство отличает физический вакуум от эфира, который был исключен в ходе развития теории относительности.

Из вышеизложенного следует идея о развитии наполненной физическим смыслом теории гравитации. Конечно, результаты этой теории должны согласовываться с известными результатами ОТО, но иметь другую интерпретацию, а именно, без использования понятия о пустом искривленном пространстве.

Цель настоящего исследования состоит в попытке объяснить гравитацию посредством электрического взаимодействия вещества и физического вакуума. Авторы используют результаты статьи [3], которые показывают, что масса является чисто электромагнитным феноменом, тогда как все механические явления представляют собой макроскопические проявления электродинамики физического вакуума.

2. Новая калибровочная фиксация гравитационного потенциала

Нетрудно получить выражение для ускорения свободного падения на поверхности Земли, а также для первой и второй космической скорости из закона всемирного тяготения:

где

– гравитационная постоянная;

– масса Земли;

– радиус Земли.

Гравитационный потенциал обычно используется для описания гравитационного поля в классической механике. Гравитационный потенциал имеет размерность квадратичной скорости и интерпретируется как отношение потенциальной энергии материальной точки, расположенной на расстоянии r от гравитирующего центра к массе этой точки:

Гравитационный потенциал на поверхности Земли выражается через первую и вторую космические скорости:

Здесь следует указать, что скалярные потенциалы обычно определяются с точностью до произвольной постоянной. Поэтому полный гравитационный потенциал должен быть записан следующим образом:

где C – постоянная. Выбор определенного значения этой константы называется фиксацией калибровки. Обычно предполагается, что С = 0, другими словами, считается, что на бесконечности гравитационный потенциал стремится к нулю. Это верно, если гравитирующим телом считать единственное тело. Однако, все реальные космические объекты взаимодействуют друг с другом и представляют собой компоненты Вселенной. Такая интерпретация требует другой калибровочной фиксации.

Давайте вычислим первую космическую скорость для всей Вселенной, считая последнюю глобулярной формацией:

где – масса и радиус Вселенной соответственно.

Согласно современному представлению, возраст Вселенной составляет 13,8 млрд. лет. В этом случае ее радиус не должен превышать 13,8 млрд. световых лет – то есть 1,3047*10²⁶ м. В настоящее время масса Вселенной оценивается в пределах диапазона от 6*10⁵² до 8,84*10⁵² кг [5]. Принимая верхнюю оценку (8), получим:

Принимая во внимание степень приближения для оценки массы и размеров Вселенной, полученное значение довольно близко к скорости света. Следовательно, оказывается, что известная скорость света соответствует вселенской первой космической скорости:

Уместно отметить, что мы не можем применять понятие второй космической скорости для всей Вселенной, потому что у нас нет представления об условиях движения тела за ее пределами. Постулат о предельном значении скорости света в пределах границ Вселенной в предлагаемой теории не нарушается.

Значение гравитационного потенциала в границах Вселенной предполагается таким:

Это значение следует использовать в качестве калибровочного значения. Полный гравитационный потенциал любого массивного объекта выражается в следующей форме с таким калибровочным значением:

Под М понимается масса, заключенная в сферический объем радиусом r. Полный гравитационный потенциал на поверхности Земли равен сумме квадратов первой космической скорости Вселенной и первой космической скорости Земли:

Исходя из соображений размерности, давайте предположим, что диэлектрическая проницаемость космической среды (физического вакуума) вблизи гравитирующих тел изменяется в соответствии с законом:

Коэффициент должен быть определен. Он безразмерный в системе Гаусса, в то время как в системе СИ он имеет размерность m/H. Знак «-» необходим, потому что гравитационный потенциал Φ всегда отрицателен.

Поскольку диэлектрическая проницаемость космической среды связанна со значением скорости света, из принятой гипотезы следует, что скорость света изменяется в зависимости от расстояния до гравитирующего объекта. Тот же результат следует из Общей теории относительности [1]. Однако известные астрономические данные не обнаруживают существенной разницы между скоростью света в отдаленных областях Вселенной и вблизи Земли [4]. Сделаем попытку определить разницу между и в рамках принятой гипотезы. Из (7) следует, что разность между ними равна первой космической скорости Земли:

Из (8), учитывая результаты, полученные из (6), мы получаем закон изменения диэлектрической проницаемости вакуума в зависимости от расстояния до гравитирующего центра r:

В строгом смысле скорость света следует рассматривать как функцию c = c ®. При условии, что в границах Вселенной, получаем следующее:

Здесь мы опускаем член с производной dc/dr, потому что (как показано выше) градиент скорости света мал.

Поскольку

тогда из (10) и (11) получаем:

В этом случае (9) принимает следующий вид:

На поверхности Земли:

Определим разницу между значениями диэлектрическая проницаемость вблизи границ Вселенной и вблизи Земли:

Относительное изменение диэлектрической проницаемости вакуума (то есть уменьшение диэлектрической проницаемости) вблизи Земли будет:

Нелегко экспериментально определить разницу между значениями и . То есть диэлектрическая проницаемость вакуумной среды практически постоянна в контексте точности измерения (которая может быть достигнута в настоящее время). Тем не менее, диэлектрическая проницаемость зависит от гравитации (хотя эта зависимость довольно слабая) и имеет ненулевой градиент около массивных тел.

Таким образом, новое калибровочное закрепление гравитационного потенциала было предложено и обосновано авторами настоящей статьи. Они также установили связь между гравитационным потенциалом и диэлектрической проницаемостью космической среды вблизи гравитирующих тел. Кроме того, это даёт возможность рассматривать гравитационные волны как процесс распространения возмущений диэлектрической проницаемости вакуумной среды.

3. Электростатическая теория гравитации

Вычислим градиент функции (13):

В (16), как и в выражении (10) выше, член с производной dc/dr был опущен.

На поверхности Земли мы имеем следующее значение: