Кое-что о гравитации и Вселенной или заметки инопланетянина

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кое-что о гравитации и Вселенной или заметки инопланетянина

Чиняков Георгий Юрьевич,

e-mail: georg1956@mail.ru

Аннотация

Код УДК 1683

Взгляд с другого ракурса на всем известные понятия в астрономии: на гравитационную постоянную, энергию, массы, механизм гравитации, на расширение Вселенной.

Ключевые слова: астрономия, гравитация, гравитационная постоянная, масса, гравитационная энергия, механизм гравитации, расширение Вселенной, скорость света.

Введение

Для тех, кто умеет мыслить самостоятельно и обладает хотя бы элементарной логикой.

Ку! Я приветствую вас Земляне! Чем больше вникаешь в современную науку, тем более ощущаешь себя не в себе! Очень надеюсь, что я просто инопланетянин! Ну, не могу смирится с логикой землян! Например: Горячая тема интернета - гравитация! (не буду останавливаться на современных понятиях по описываемым вопросам, поскольку читать будут люди, которые в теме, а излагаю только свою точку зрения). Начнем с …

1. С гравитационной постоянной

Некоторые земляне задаются вопросом, а является ли гравитационная постоянная постоянной в разные времена формирования и разных точках Вселенной, считая её константой вселенского масштаба. Такая постановка вопроса некорректна по той простой причине, что гравитационная постоянная по своей сути является коэффициентом пропорциональности между инертной и гравитационной массами в формуле гравитационного взаимодействия. Дело в том, что в известной формуле гравитационного взаимодействия (формула Ньютона)

F_гравит = G* m*m / r² (использую стандартные обозначения)

G= 6,6742 х 10^-11 Н?м 2/кг 2

используются инертные массы тел. Массы тел, определяемые с помощью весов, т.е. с помощью гравитации, являются инертными массами, поскольку определяются из второго закона Ньютона простым делением веса на ускорение свободного падения. В не зависимости от происхождения силы, такая масса будет инертной по определению. Для получения единицы гравитационной массы в системе СИ в опыте Кавендиша по измерению силы притяжения необходимо массы развести на расстояние 1 метр и подобрать их так, чтобы сила взаимодействия равнялась одному Ньютону. Соответственно в выше упомянутой формуле при использовании гравитационных масс исчезнет гравитационная постоянная. В формулах Ньютона её не было, она появилась тогда, когда проводили эксперименты по замеру силы притяжения и ввели систему исчисления СИ. Ньютон же определил, что гравитационное взаимодействие обратно пропорционально квадрату расстояния. Кроме, того гравитационная масса имеет другую размерность нежели инертная.

Размерность:

M _инерт = ньютон* сек ²/ метр (из 2-го закона Ньютона)

M _гравит = метр ^* vньютон (из закона гравитационного взаимодействия)

Та и другая имеют одно и тоже название масса, но вкладывается различный смысл и численные значения не равны. Эталон инертной массы по сути взят с потолка.

Второе назначение гравитационной постоянной - это как-то "устаканить" проблему с размерностью в формуле гравитационного взаимодействия. Причиной появления гравитационной постоянной можно назвать человеческий фактор, а не вселенское таинственное происхождение.

Некоторые особо одаренные земляне пытаются доказать равенство инертной массы и гравитационной, задача также поставлена некорректно. Это всё равно, что проверять умножение делением, а сложение вычитанием.

Закон равенства инертной и тяжелой масс можно сформулировать очень наглядно следующим образом: в однородном гравитационном поле все движения происходят точно также, как в равномерно ускоренной системе координат в отсутствии поля тяготения. - Альберт Эйнштейн.

Но об этом говорит второй закон Ньютона открытый лет за сто до этого, что не зависимо от того какое происхождение имеет сила, воздействующая на тело, то ли гравитация или какая другая сила, тело будет двигаться согласно второму закону Ньютона. Принцип эквивалентности, это масло масляное, по сути - это второй закон Ньютона. Проверяют инертную массу двумя способами.

Силы инерции и гравитации отличаются от других сил тем, что они воздействуют на всю массу тела, в то время как остальные на поверхность.

2. Об энергии, используем логику инопланетян, земная не подходит

В "доисторические" времена, до 60-70 годов прошлого века, энергия трактовалась, как способность тела совершить работу. Это определение как нельзя лучше отражало сущность понятия энергия. Я не привожу современные трактовки, по-скольку они не отражают сути явления. Считается, что потенциальная энергия может быть отрицательной величиной. Отрицательная энергия не имеет смысла, как и отрицательная масса. Особенно гениально выглядит формула гравитационной энергии, за которую выдают работу, уже выполненную силами гравитации.

E_гр = - G*M²/R

Очевидно же, что не хватает первого члена. Определим максимальное значение энергии. Допустим, что две материальные точки массами m, движутся из бесконечности навстречу под действием сил гравитации. Т.к. в данном случае гравитационная энергия переходит в кинетическую, то максимальную скорость, которую могут развить массы, не может превышать скорости передачи взаимодействия, т.е. скорости света (эффекты теории относительности мы пока не рассматриваем), то и максимальная возможная энергия гравитации системы равна:

E_{грав. Мах} = М*С ²/2

где М - масса системы.

Тогда гравитационная энергия на любой момент времени, когда материальные точки разделяет расстояние r или космический объект массой М имеет радиус r: астрономия гравитационная энергия вселенная

Е_грав = М*С ²/2 - G*M²/R

где C - скорость взаимодействия,

G - гравитационная постоянная.

Для не релятивистских объектов гравитационную энергию можно вычислить по приблизительной формуле (второй член уравнения значительно меньше первого):

E_грав = М*С ²/2

Если мы желаем вычислить изменение гравитационной энергии объекта (допустим, звезды) из состояния с начальными параметрами массой M₀ и радиусом r₀, до состояния с конечными параметрами: массой M_k, а радиусом r_k, то формула будет выглядеть:

Е_грав = dM*C²/2 - (G*M_к ²/R_к - G*M²/r₀)

dM = M₀ - M_k

масса, потерянная звездой.

Работа A_grav выполненная силами гравитации по сжатию космического объекта, когда масса М имеет характерный размер r, равна разнице между максимально возможной энергией гравитации и гравитационной энергией на данное состояние:

A_грав = Е_{грав мах -} Е_грав

= dM*C²/2 + G*M²/R

Обращает на себя внимание то, что выполненная работа силами гравитации имеет две составляющие. Первый член правой части уравнения говорит о потери массы космическим объектом при сжатии на излучение, а также звездный ветер и другие безвозвратные потери массы. Второй, член отвечает за увеличение внутренней энергии. Коэффициент одна вторая перед первым членом правой части уравнения говорит о том, что лишь половина гравитационной энергии при сжатии объекта уходит на излучение, вторая часть идет на разогрев объекта. Это верно для стационарных объектов, к которым можно условно причислить и звезды. Собственно говоря - это теорема о вириале. Удвоенная кинетическая энергия равна потенциальной энергии (в нашем случае, работа, выполненная силами гравитации). Выполненную работу силами гравитации можно записать и так:

A_грав = dM*M*C² = 2*G*M²/R

Но надо уточнить, что в данном случае речь идет не об энергии, а выполненной работой силами гравитации по сжатию космического объекта.

Даже если у звезды начинаются ядерные реакции, эта формула приблизительно сохраняется:

dM*C²/2 = G*(M - dM)²/R

Гравитационная энергия в данном случае уменьшается за счет потери массы, если ядерная энергия затрачивается больше на разогрев, чем теряется безвозвратно в пространстве, то в этом случае растет радиус звезды.

Член уравнения dM*C ² /2 связан с излучением объекта. А, мы знаем, что чем выше частота излучения v, тем больше потери массы:

h*v ~ dm*c²

где h - постоянная Планка.

Поэтому можно записать:

dm*c² ~ h*v ~ G*M²/R

Из этой записи можно сделать вывод о том, что чем больше масса звезды и чем меньше её радиус, тем частотный диапазон излучения более смещается в жесткую сторону, а также увеличиваются потери массы на излучение. Данная зависимость хорошо объясняет диаграмму Герцшпрунга-Рессела, зависимости спектрального класса звезды от абсолютной звездной величины.

Еще о чем говорит этот комплекс формул?

Первое: о том, что масса звезды может быть сколь угодно большой, ведь гравитационная энергия пропорциональна первой степени массы. Что и наблюдается. Что касается эволюции Вселенной, то данная формула гравитационной энергии не допускает состояния сингулярности, т.е. состояния большой плотности и размеров меньше гравитационного радиуса. Зато возможен вариант со сверхзвездой. Так как гравитационная энергия пропорциональна массе, то возможно, что до взрыва Вселенная представляла собой огромной массы и радиуса сверхзвезду.

Второе: эволюция звезд идет в направлении от звезд главной последовательности, далее к красным гигантам, далее к белым карликам и в конце эволюции могут дойти до стадии нейтронных звезд. Переход от звезды главной последовательности в белый карлик и далее в течение нескольких дней в нейтронную звезду происходит при взрывах сверхновых 2-го типа.

Третье, что так называемые "Черные дыры" существовать не могут, ввиду того, что по достижению гравитационного радиуса вся масса испариться, да для достижения этого состояния гравитационной энергии не достаточно.

Из формулы гравитационной энергии видно, что её меньше, чем энергии эквивалентной массы. Именно с массой борется гравитационная энергия, превращая её в излучение.

Обращает на себя внимание следующее обстоятельство, если в формуле гравитационного взаимодействия:

F = G*M²/R²

вместо радиуса (расстояния между телами) подставить формулу гравитационного радиуса

R_грав = 2G*M/c²

То получится не зависимость силы взаимодействия от массы, а конкретное число

F = c⁴/4*G ~ 12*10⁴³м*кг/с ²

Это можно интерпретировать следующим образом, "Черную дыру" надо рассматривать не как объект, а как критическое состояние материи, при котором в качестве вещества она существовать не может, хотя формально формула гравитационного радиуса описывает объект.

3. Механизм гравитационного и электромагнитного взаимодействия

Чтобы понять, о чем пойдет речь далее, необходимо сделать прикидочные расчеты энергии излучения в сравнении с энергетическими возможностями атома (ядра), в данном случае нас интересует кинетическая энергия. Используя современные представления о фотоне можно вычислить, например, излучение кванта частотой 10 ГГц из формулы Планка. Она соответствует энергии более 10^-23джоулей. Энергия десятка таких квантов может придать скорость атому углерода в 300 м/сек. Молекулы воздуха движутся со скоростью около 400 м/сек. Время испускания волнового цуга составляет примерно 10^-8сек. В секунду атом может сделать более 10⁶ циклов испускания. Энергия излучения грамма вещества в таком случае может составить более 10⁶джоулей. Энергия одного грамма пули составляет от 10 до 50 джоулей. И это энергия квантов одной частоты. Т.е. атом и его элементы находятся под большим фотонным давлением. Неизотропность излучения, которая возникает из-за несимметричного строения, приводит к тепловому движению атомов и молекул. К тому же к несимметричному излучению могут привести и другие факторы. Один из таких факторов может быть вынужденное излучение, которое используется в лазерах. По свойствам вынужденное испускание существенно отличается от спонтанного.

1. Наиболее характерная черта вынужденного излучения заключается в том, что возникший поток распространяется в том же направлении что и первоначальный возбуждающий поток.

2. Частоты и поляризация вынужденного и первоначального излучений также равны.

3. Вынужденный поток когерентен возбуждающему.

Можно добавить, что возникающий поток больше по мощности возбуждающего и вынужденное излучение - это свойство характерное для любых излучающих и поглощающих веществ и их составляющих, действует в большом диапазоне частот, а также возможно касается большого класса частиц. Вынужденное излучение - это ни частный случай, а закон взаимодействия фотонов с веществом.

При описанных свойствах вещества будет наблюдаться следующая картина: атом вещества, реагируя на "пролетающие" мимо фотоны (а возможно эту роль играют и другие частицы) стал бы испускать фотоны того же свойства в том же направлении, предающие соответствующий импульс атому. Если взаимодействуют два тела, то чем больше масса вещества, тем больше от него излучение, тем больше импульс, получаемый телами в направлении друг другу. Данный принцип мог бы объяснить гравитационное взаимодействие. Я не употребляю в данном случае понятия колебания электромагнитного поля, поскольку для данной гипотезы, что представляет собой фотон - не принципиально. В полнее возможно, что это и не фотоны, а другие частицы действуют по тому же принципу. Поскольку, до конца не известен механизм действия вынужденного излучения, то мы можем только полагать, что данный принцип лежит в основе и электромагнитного взаимодействия. Но из-за разных свойств вещества (положительно и отрицательно заряженного) действие такого механизма не столь однозначны, т.е. существуют причины, которые приводят не только к сближению, но и отталкиванию. Полученные таким образом динамика и силы, нами воспринимаются, как гравитационное и электромагнитное взаимодействия. Выше описана принципиальная схема, а о деталях можно пока догадываться. Её можно назвать информационной. Т.е. сама энергия взаимодействия не передается от тела к телу, а передается только информационная, на что оно и реагирует.

4. О скорости света

Скорость света входит в формулы не только электромагнитных явлений, но и гравитационного взаимодействия. Возникает вопрос, относительно чего измеряется скорость света. Логично предположить, что скорость распространения света связана с гравитационным потенциалом в данной точке пространства, и определяется относительно ближайшего тела, обладающего значительным гравитационным потенциалом. Скорость света уменьшается с увеличением гравитационного потенциала.

5. Расширение Вселенной

Известный всем закон Хаббла, по которому разбегаются все галактики и другие объекты Вселенной, может дать более обширную информацию о динамике Вселенной, если взглянуть на него как на формулу из учебника математики или физики и, не смотря на то, что он носит гордое название закона и взять производную. Напомню, что закон имеет следующий вид:

V = H*r

где: V - скорость объекта Вселенной,

H - постоянная Хаббла,

r - расстояние до объекта.

Чем дальше мы вглядываемся в просторы Вселенной, тем дальше мы двигаемся по шкале времени, уходя от наших дней все дальше в прошлое Вселенной. Т.к. свет двигается с постоянной скоростью, то задержка времени, с которой мы получаем информацию об объектах Вселенной, а именно: о скорости, расстоянии и в том числе о постоянной Хаббла, будет пропорциональна расстоянию до объекта поделенной на скорость света:

t = - r/c

t - задержка времени,

r- расстояние,

c- скорость света,

т.к. мы вглядывается в прошлое, то перед дробью стоит знак минус.

Возьмем производную:

v` = a = dHr/dt = - H*c*dr/dr= - H*c

Производная от скорости, есть ускорение, в данном случае замедление, т.к. знак минус. Первый вывод, который можно сделать, это постоянство ускорения, которое не зависит ни от возраста Вселенной, ни от расстояния до объектов. Можно вычислить его величину: подставив соответствующие значения.

a = H*c = 50 км/с/мпс * 300000 км/с = 5*10-¹⁰ м/с ²

Теперь вычислим время необходимое объекту, вылетевшему при взрыве Вселенной со скоростью света, чтобы улететь на максимальное расстояние или иными словами половину Возраста Вселенной. Вторую половину своей жизни Вселенная, увы, будет сжиматься т.к. все объекты имеют постоянное замедление. Формула равнозамедленного движения будет выглядеть следующим образом:

V_k = c - a*T

где: Vk- конечная скорость равная нулю,

c- скорость света (максимальная скорость, с которой могут разлетаться объекты),

2. Ускорение, вернее замедление,

Т- возраст Вселенной на момент максимального расширения.

T = c/a ~ 2*10¹⁰ лет

.

Понятно, что все выше перечисленные значения получаются в зависимости от первоначально взятого значения Н. Полный цикл расширения - сжатие будет длиться примерно сорок миллиардов лет.

Можно вычислить распределение плотности вещества во Вселенной. На любой объект Вселенной действуют две силы: силы инерции и силы гравитации, которые уравнивают друг друга.

F _инер = - m*a

где: m- масса объекта,

a - ускорение,

F _{инер -} сила инерции.

F_грав = G*M*m/r²

где: G- гравитационная постоянная,

m- масса объекта,

r- расстояние до объекта.

M - масса вещества, заключенного в объеме радиусам r.

M*a = G*M*m/r²

H*c = G*4*пи* с*r³/3r²

Мы заменили массу вещества плотностью, теперь найдем зависимость плотности от радиуса:

с = ѕ * H*c / пи*G*r

где: с - плотность вещества во Вселенной.

Вывод, который можно сделать: плотность вещества во Вселенной зависит от радиуса. Это прямой вывод из закона Хаббла, и это означает, что Вселенная не изотропна и не однородна, что противоречит современным представлениям об устройстве Вселенной. Иными словами, сторонний наблюдатель видит нашу Вселенную не как пространство, равномерно заполненное галактиками и их скоплениями, а нечто подобное шаровым скоплением звезд, где плотность объектов увеличивается к центру. Вопрос стал о центре, может ли быть центр у Вселенной? По современным представлениям, однозначно, нет. Однако, если бы мы находились в каком-либо шаровом созвездии, мы бы тоже утверждали, что центра нет. Но глядя на него со стороны, мы можем утверждать, что плотность звезд в нем увеличивается мк центру. И факт… измерение интенсивности реликтового излучения в разных направлениях, позволяет сделать вывод, что наша Галактика движется относительно реликтового излучения. Пока трудно утверждать к центру или от него мы движемся, но то, что он есть, несомненно.

Кстати говоря, зная скорость движения нашей галактики и примерный возраст Вселенной производя не очень утомительные расчеты можно сделать вывод, что мы не очень далеко, по масштабам Вселенной удалились от её центра.

Еще можно сделать вывод, что закон Хаббла не совсем точен. Дело в том, что если скорость разлета вещества после Большого Взрыва были меньше определенного значения, то оно на данный момент времени, должно было подвергнуться сжатию.

Расстояние до объектов, которые на данный момент подвержены сжатию, можно вычислить по формуле:

r = a*T²/2

где: Т- возраст Вселенной.

Это, примерно, 10¹⁰ св. лет, что значительно больше, чем до Андромеды. Это означает, что туманность Андромеды движется к нашей Галактике не потому, что собственная скорость больше скорости расширения Вселенной, а потому что процесс расширения между нашими галактиками закончился и начался процесс сжатия. Если подставить соответствующие значения в данные формулы, то можно заметить, то процесс расширения Вселенной либо закончился, либо заканчивается. Зная расстояние до туманности и скорость сближения можно вычислить возраст Вселенной.

А закон Хаббла будет выглядеть следующим образом:

V = V₀ + H*r

V_o- скорость сближения объектов находящейся вблизи Галактики в предельном случае при r=0. Скорее всего, он имеет логарифмический вид, но при больших расстояниях не сильно отличается от первоначального варианта линейной зависимости. Можно попытаться вычислить максимальные размеры Вселенной на момент максимального расширения при T = 2*10¹⁰ лет. Максимальные значения при равнозамедленном движении определяются формулой:

r_max = (c*T - a*T²)/2

При подстановки соответствующих значений получим величину приблизительно равную 3 *10⁹ пк. или 10¹⁰ св лет. Или, учитывая ранее приведенную зависимость, данная формула может выглядеть так:

R_max = Ѕ *c²/a

Это выражение удобно при вычислении средней плотности вещества при максимальном расширении Вселенной:

с_ср = 3 *H*c / 2* пи* G*c

Подставляя значение, получим примерный результат с_ср ? 10^-25 кг/м ³ ? 10^-28 гр/см ³, что приблизительно равно критической плотности с_кр ? 10^-29 гр/см ³.

Неплохо бы узнать массу Вселенной:

M = с_ср *V ~ 0.2 * 10⁵³ кг.

Т.е. в нашей Вселенной примерно 200 млрд. галактик, по массе такие как наша. Возникает вопрос, что представляет собой величина Н, т.е. постоянная Хаббла. Получается так, что она является действительно постоянной, как бы мы далеко не вглядывались вдали Вселенной, соотношение расстояния и скорости сохраняется!? По своему определению постоянная Хаббла не может быть постоянной во времени. Оставим этот вопрос для дальнейших исследований.

Выводы

Интересно, много ли таких инопланетян, как я, или я такой один во Вселенной. Считаю, что выше описанные подходы дадут новый толчок физике вперед!

Размещено на Allbest.ru