Фундаментальный анализ основ механики и общая теория относительности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фундаментальный анализ основ механики и общая теория относительности

Вопрос о движении света до настоящего времени является дискуссионным. На наш взгляд стоит вновь вернуться к этой проблеме.

Аксиомы кинематики света

Сформулируем основные аксиомы кинематики света, на которых будет строиться наш анализ.

1. Свет есть кинетический объект, могущий существовать только в движении.

2. Все виды и типы света кинематически эквивалентны.

Это означает кинематическую неразличимость любых видов света, начиная от радиоволн и кончая гамма-излучением. Конечно, это касается только распространения света в пустом пространстве - вакууме. В вещественной среде явление дисперсии, зависимость характера движения света от его иных физических свойств (частоты, энергия и т.д.) хорошо известны. Но для вакуума, безвещественного пространства это хорошо подтверждается практикой. Свет даже самых далеких звезд или иных небесных объектов, проходя по космическому пространству миллионы и миллиарды лет, сохраняет свою спектральную характеристику.

3. Никакой источник света не может быть и его приемником. Это означает, что массовый механический объект не может догнать излученный свободно движущийся в вакууме фотон при любых механических воздействиях на первый.

4. Массовый объект, испустивший фотон, может двигаться сколь угодно близко к фотону сколь угодно долго. Другими словами, между массовыми объектами и светом нет кинематической щели. Свет есть предел для движения массовых объектов.

5. Свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами, и одновременно не является ни волной, ни частицей. Это особый, третий механический объект.

Отметим, что данные аксиомы имеют всеобщий характер и не связаны с какими-либо системами отсчета или приборными измерениями.

На основании этих аксиом уже возможно более детальное рассмотрение кинематики света в различных пространствах и системах отсчета.

Типология пространств и систем отсчета

Галилеевым пространством будем называть пространство, в котором отсутствуют гравитирующие массы. Точнее, будем называть это пространство глобальным галилеевым пространством.

Пространство, в котором имеются гравитирующие массы, будем называть негалилеевым. Но опыт показывает, что и в негалилеевом пространстве можно выделить локальные участки галилеевости. Хотя околоземная космическая лаборатория находится в негалилеевом пространстве, внутри самой лаборатории и в ее ближайшей окрестности имеем область локальной галилеевости. Стыковку станции с космическим кораблем осуществляют по геометрии инерциальных систем. С любым свободно движущимся в негалилеевом (гравитационном) пространстве телом может быть связано локальное галилеево пространство. Можно сказать, что негалилеево пространство имеет плотное галилеево покрытие.

Рассмотрим теперь виды систем отсчета.

1. Систему отсчета, связанную со свободным телом, назовем либертантной системой отсчета. Таковы системы отсчета, связанные с планетами, Солнцем, галактикой (без учета их собственных гравитационных полей), космической лабораторией, спутниками в свободном полете, свободно летящим на Земле камнем т.д.

2. Систему отсчета, связанную с несвободным телом, назовем нелибертантной. Нелибертантными являются системы отсчета, связанные с неподвижными на поверхности Земли телами, с ракетами в активной фазе полета, с частицами, движущимися в магнитосфере планет или солнц и т.д.

3. Систему отсчета, связанную с вращающейся (относительно неподвижных звезд) системой отсчета, назовем вращающейся системой отсчета. Стационарной вращающейся системой назовем вращающуюся системой отсчета с фиксированными осью и модулем вектора вращения.

4. Если система не вращается относительно удаленных (неподвижных) звезд, то она называется невращательной.

5. Либертантная невращающаяся система отсчета называется гармонической системой отсчета (ГСО).

6. Гармоническая система отсчета в галилеевом пространстве называется инерциальной системой отсчета (ИСО).

Так как все свободные тела в галилеевом пространстве кинематически равноправны, то отсюда следует и полное равноправие всех инерциальных систем отсчета. ИСО не имеют никаких имманентных характеристик. А элементы ИСО не имеют никаких собственных характеристик за исключением возможных характеристик упорядочения (координат).

Из равноправия ИСО следует, что во всех ИСО скорость света одинакова. Ведь в противном случае существовали бы ИСО с минимальной и максимальной скоростью света, что противоречит принципу равноправия ИСО.

Движение света в галилеевом пространстве

Инерциальная система отсчета

Согласно Первому закону Ньютона движение свободных тел в инерциальной системе отсчета описывается законом кинематики

(1)

Если, к примеру, движение происходит в плоскости Oxy, то движение описывается формулами:

(2)

Естественно, что эти выражения отображают и движение света при скорости равной скорости света: Таким образом, скорость света есть предел скоростей движения всех тел. Массовые тела могут двигаться со скоростью сколь угодно близкой к скорости света.

Какова цель расчета движения света. Ведь реально мы вновь не сможем уловить свет. Сущность этого расчета состоит в том, что если мы имеем второе тело, движение которого мы рассчитываем и видим по расчету, что тело пересекается с движением света в некоторой точке в некоторое время, и происходит отражение света, траекторию которого мы также можем рассчитать и определить время прихода и направление отраженного света, и это реально наблюдается, то это означает, что мы правильно рассчитали движение света. Именно в этом главная цель расчета движений света, а вовсе не в том, чтобы знать, что где-то в пространстве движется свет. Сама по себе эта информация не имеет никакой значимости.

Стационарная вращающаяся система отсчета

Рассмотрим теперь движение света в галилеевом пространстве, но в неинерциальной системе отсчета. В качестве простейшей неинерциальной системы отсчета выберем стационарно вращающуюся.

Как известно, для учета неинерциальности системы отсчета необходимо в закон движения в ИСО добавить фиктивные силы - силы инерции. Для движения свободных тел только фиктивные силы и вставляются.

Очевидно, что движение свободных тел в неинерциальной системе отсчета не зависит от массы тел. Поэтому можно из уравнений движения исключить массы и вместо самих фиктивных сил использовать удельные фиктивные силы, т.е. фиктивные силы на единицу массы.

Рассмотрим неинерциальную систему отсчета в галилеевом (негравитационном) пространстве. Ось Oz ось вращения. Пусть движение происходит в плоскости Oxy. Для стационарной вращающейся системы используем только кориолисовы силы и центробежные силы инерции. В качеств исследуемого движения рассмотрим движение свободного тела, испущенного в начальный момент с некоторой начальной скоростью из начала координат. Уравнения движения и начальные условия запишутся:

(3)

Решение системы несложно:

(4)

Так как свет есть предельное движение массовых тел, то для света уравнения (4) полностью справедливы лишь с заменой произвольной начальной скорости на скорость света в начале системы отсчета (у наблюдателя) - скорость света в ИСО. Другими словами, во вращающейся системе отсчета скорость света С равна

(5)

Скорость света в данной неинерциальной системе меняется от скорости света в инерциальной системе и до бесконечности.

Система отсчета с переменной скоростью вращения

Рассмотрим теперь другую неинерциальную систему отсчета - вращающуюся систему отсчета с переменной скоростью вращения.

Пусть имеем свободное тело, движущееся в плоскости перпендикулярной оси вращения. Направим ось Ox на движущееся тело. Тогда мы получаем одномерное движение. Мы должны использовать вращающуюся систему отсчета и при отслеживании тела эта скорость вращения будет меняться. Появляются уже три удельных силы инерции: центробежная сила инерции вдоль оси Ox, кориолисова сила и сила тангенциальная вдоль направления перпендикулярного оси вращения и линии движения, которые друг друга уравновешивают ввиду отсутствия движения по этой оси. Итак, получаем систему уравнений:

(6)

Решение несложно и приводим его:

(7)

Скорость в этом системе отсчета меняется от нуля до своего предельного значения на бесконечности. Очевидно, что эти уравнения и результаты полностью подходят для света. Только скорость на бесконечности надо заменить скоростью света в инерциальной системе отсчета (при бесконечном удалении тела скорость вращения обращается в нуль и система отсчета становится инерциальной).

Окончательно для скорости света С в этой геометрии получаем

(8)

Невращающаяся неинерциальная система отсчета и проблема описания реактивного движения

Наконец, выберем неинерциальную, нелибертантную невращающуюся систему. Примером такой системы отсчета является система отсчета на ракете в активной фазе полета.

Но прежде этого рассмотрим общее описание реактивного движения.

Уравнение движения ракеты в галилеевом пространстве есть:

,

где - реативная сила.

Но на практике реактивная сила неизвестна. На практике используется измерительный прибор, называемый «акселерометром». Измеряемая величина называется ускорением. Иногда «собственным ускорением . Тогда уравнение движения ракеты в ИСО будет:

Получаем более чем странное уравнение - ускорение равно ускорению. Более того, понятие собственного ускорения нелепо. Ускорение всегда бывает относительно чего-то. Может быть ускорение относительно Земли, Солнца, Луны, но не может быть ускорение относительно самого себя, как не может быть и скорости относительно себя. Не существует абсолютных кинематических характеристик. Они всегда относительны. Таким образом, мы не можем даже записать средствами научной логики уравнение движения ракеты.

Классическая, ньютоновская механика не имеет адекватных для описания феноменов космонавтики понятий и логических инструментов.

Для решения этой проблемы запишем второй закон Ньютона в следующем виде:

(9)

Здесь ускорения равно уже удельной реактивной силе, каковую величину с обратным знаком мы назовем «весомостью». Размерность весомости Н/кг. Эта величина уже встречалась в гравиметрии и названа «Галилео», Гл.

Весомость есть характеристика не кинематики, а механического состояния. Нулевая весомость соответствует механическому состоянию невесомости. На Земле неподвижные на поверхности тела находятся в весомом состоянии с весомостью W равной в среднем 9.81 Гл. А 9.81 м/с есть уже не характеристика состояния, а характеристика движения (свободного падения) тел.

Таким образом, прибор, называемый «акселерометр», правильно называть «весомометром», а измеряемую величину «весомостью». Именно весомость и есть главная механическая характеристика в космонавтике. А силы в космонавтике используются весьма ограничено в отличие от механики земных явлений.

Таким образом, второй закон Ньютона движения тел в инерциальной системе отсчета мы разбиваем на два уравнения:

(10)

Важно то, что эти два уравнения имеют существенно различные области использования. Первое уравнение есть аксиома механики, так оно связывает две независимо измеряемые и не связанные друг с другом механические характеристики - кинематическую характеристику - ускорение и характеристику механического состояния - весомость. Область его справедливости - инерциальные системы отсчета. Второе уравнение есть определение силы через характеристику механического состояния и новую характеристику - массу тела. Область применимости данного отношения никак не связана с системами отсчета вообще.. Это уравнение связи с имманентными характеристиками тел.

Заметим, что масса в дальнейшем может быть описана через свою гравитационную характеристику. А содержательность понятию силы придается третьим законом Ньютона.

Итак, мы пришли к логически безупречному описанию движения реактивных аппаратов в инерциальной системе отсчета.

Система отсчета космического аппарата в галилеевом пространстве в весомом состоянии является неинерциальной нелибертантной системой отсчета. И представляет интерес определить характер движения света в такой системе отсчета. Но, по общему правилу, начнем с движения массовых тел.

По общему правилу нам нужно вставить фиктивную удельную силу, т.е. весомость начала системы отсчета с обратным знаком: Таким образом, если уравнение движения самой ракеты есть то уравнение движения свободного тела в системе отсчета ракеты есть:

(11)

Здесь есть уже фиктивная весомость, потому что само свободное тело естественно невесомо. Если мы примем начальные условия то движение свободного тела, испущенного против вектора весомости, запишется:

(12)

Здесь t_k - время возврата тела на ракету, а Х - расстояние, пройденное за это время ракетой.

Для того, чтобы получить движение света надо по обычному правилу заменить начальную скорость тела на скорость света в инерциальной системе отсчета.

И тут нас поджидает неожиданность. Оказывается, теоретически ракетой можно догнать испущенный свет и даже обогнать его. Но расчет показывают, что при весомости равной земной ракета должна двигаться с такой весомостью целый год (в настоящее время ракеты с такой весомостью двигаются минуты). Пройденные при этом расстояния составят световые года. А при сколько-нибудь разумном коэффициенте преобразования массы корабля в световой итмпульс излучения нужна исходная масса корабля равная чуть ли не массе Земли для конечной доставки одного атома. Таким образом эта теоретическая возможность на самом деле невозможна никоим образом. Возможно здесь могут иметь место некоторые теоретические ограничения самого способа реактивного движения.

Итак, оказывается, что скорость света в галилеевом пространстве в зависимости от используемых систем отсчета может иметь любое значение - от нуля до бесконечности. Это при неизменной метрике пространства и времени, т.е. при неизменных мерах длины и времени.

Но свойство, которое выделяет кинематику света от кинематики массовых тел в галилеевом пространстве есть то, что ни одно массовое тело не может дважды пересечься с одним и тем же световым импульсом. Это свойство не зависит от используемых систем отсчета.

Движение света в негалилеевом пространстве

Рассмотрим теперь движение света в негалилеевом, гравитационном пространстве.

Негалилеево пространство с однородным гравитационным полем

Для начала рассмотрим простейшее движение тел в однородном стационарном гравитационном поле, например, падение тела в поле Земли. Это движение хорошо известно. Это равномерно ускоренное движение.

И тут мы замечаем, что существует два совпадающих по характеру движения:

1. Движение ракеты под действием силы.

2. Движение свободного тела в системе отсчета ракеты, движущейся под действием силы.

Фактически, речь идет о самой сущности гравитации. В первом случае мы имеем силовую гравитацию. Во втором случае - полевую гравитацию и негалилеево пространство.

Как известно, птолемеевское понимание гравитации было близко к второму пониманию. Движение планет проходило по естественным законам, характерным для внутрисолнечного пространства, наблюдаемого с негармонической системы отсчета - с Земли.

Ньютоновское понимание пришло к первому, силовому понятию гравитации. Гравитация по Ньютону на основе закона всемирного тяготения есть прямое силовое взаимодействие между телами.

Наконец, Эйнштейн своим принципом эквивалентности казалось бы вновь пришел к полевому пониманию гравитации. К сожалению, он не смог провести этот подход до конца. Поэтому он и оставил гравитационные силы в ОТО. А раз есть силы, то возникает проблема их распространения, возникает проблема гравитационного агента - гравитона. И возникает неразрешимая проблема воздействия гравитационных сил на свет, т.е. гравитон-фотонного взаимодействия.

И как же смог Эйнштейн разрешить эту проблему? Более чем оригинальным способом. Объявить отсутствие гравитон-фотонного взаимодействия. Но для этого нужно принять неизменность, постоянство скорости света. А так как скорость света в неинерциальных системах отсчета зависит очевидным образом, то пришлось, де-факто, от принципа эквивалентности отказаться. А для того, чтобы обеспечить постоянство скорости света, он не смог ничего лучше придумать, чем ввести понятие «переменной метрики», т.е. изменяемых мер и эталонов. Эти эталоны и меры нужно изменять таким образом, чтобы получить «общую относительность», т.е. постоянство скорости света.

Переменные эталоны есть, фактически, отбрасывание самой цивилизации в далекое прошлое, когда каждый правитель, каждая местность пользовалась собственной системой мер и весов, не связанных друг с другом и не составляющих единую систему. И вот именно таково было решение Эйнштейна для того, чтобы ликвидировать гравитон-фотонное взаимодействие при наличии самих гравитационных сил. Впрочем, полностью «ликвидировать» это взаимодействие ему все же не удалось. Потому как если он постулировал постоянство модуля скорости света, то воздействие гравитации на фотон в поперечном к скорости его движения он оставил и на этой базе было объявлено как главное достижение теории предсказание искривления света (относительно чего?). Объединения полевого и силового гравитационного механизма, предпринятое в ОТО, было основано на порочных основаниях и не удалась. Таким образом, мы стоит перед выбором двух основ гравитации.

Выход в космос, космическая практика всю порочность силового подхода показала с максимально возможной наглядностью. Ведь силовое воздействие связано с весомым состоянием. Но тела в гравитационных взаимоотношениях являются невесомыми, что с особой наглядностью проявилось именно при выходе в космос самого человека. Попытка объяснить невесомость тел в гравитационном пространстве уравновешиванием гравитационных сил силами инерции не может не вызвать недоумения. Силы инерции есть фиктивные силы, применяемые исключительно для расчетов (в прикладной механике, например, в теории машин и механизмов, инструмент сил инерции является широко используемым и ни у кого не возникло ни малейших сомнений в их фиктивности). И как можно реальные силы уравновесить фиктивными, бумажными - это загадка.

В силовой гравитации силовое взаимодействие записывается в системе центра масс. Выделенность центра масс основана на третьем законе Ньютона. Но если нет сил, нет и этого закона, и исчезает выделенность центра масс и систем отсчета, связанных с ним. В полевом представлении место предпочтительных систем отсчета занимают гармонические системы отсчета, связанные со свободными телами. Система отсчета массивного тела при исследовании движений пробных тел (тел с малой массой) является одновременно и системой центра масс и гармонической системой и потому в этом частном случае результаты расчетов по ньютоновской теории корректны.

Но уже в системе двух тел сравнимой массы, а тем более в системе многих тел ньютоновский подход термит полный крах. Например, полная ошибочность расчета внутригалактических движений уже привела к совершенно средневековой идее - использованию ненаблюдаемых сущностей - скрытых масс и темных энергий.

Таким образом, мы приходим к единственно возможной концепции: гравитация есть изменение кинематических свойств пространства. Аналогично тому, как движения в неинерциальных систем отсчета универсальны и не зависят ни от каких имманентных характеристик тел, так и гравитационные движения не зависят от свойств тел - от массы, заряда и пр. Это в свое время установил Галилей, бросая тела с Пизанской башни. Таким образом, мы должны принять концепцию эквивалетности движений в неинерциальных системах отсчета и в гравитационных полях. И следовательно движение камня в гравитационном поле Земли полностью эквивалентно движению свободного тела в системе отсчета ракеты в активном полете. Другими словами пространство в системе отсчета ракеты в активном полете по крайней мере в определенной области полностью идентично гравитационному пространству на поверхности Земли. Иными словами, ракета в активной фазе полета является «генератором» гравитационного поля в окружающем пространстве.

И отсюда следует, что бессмысленно говорить о «распространении» гравитации, о гравитационном взаимодействии, о носителях гравитационного взаимодействия, о гравитационных волнах и многом другом. И свободное движение камня есть истинно свободное движение, а не движение под действием гравитационных сил. И аналогично характеристике «весомость», которой характеризуется ракета, так и характеристикой весомость характеризуются гравитационное поле. А падение камня есть свободное движение в негалилеевом пространстве полностью аналогичное движению этого же камня в неинерциальной системе отсчета. Ясно, что и движение света в поле Земли будет аналогично движению камня с начальной скоростью равной скорости света, принятой в начале системы координат. И эта скорость будет убывать при движении вверх или возрастать при движении вниз. И пространство внутри ракеты в активной фазе полета полностью одинаково с ограниченным гравитационным пространством на Земле, источник гравитации в котором гравитационное свойство массы.

Постоянная или переменная скорость света

Итак, мы показали, что скорость света меняется аналогично изменению скорости любого свободно падающего или брошенного вверх камня.

Но это противоречит принципу общей относительности Эйнштейна. Но можно ли ввести этот принцип и восстановить постоянство скорости света?

Да, оказывается, сделать это несложно. Достаточно уменьшить размер эталона длины в зависимости от высоты над поверхностью Земли либо замедлить ход часов, введя эталон времени зависящий от высоты над поверхностью. Наконец, можно сделать и то, и другое в определенным образом рассчитанных пропорциях. Таким образом, изменяя метрику пространства можно добиться постоянства скорости света. Причем не только в данном простейшем постоянном гравитационном поле, но, видимо, и в более сложных неоднородных полях. Правда, не совсем понятно, для чего это делать. Тем более, что надо учесть, что рассматриваемое пространство является ареной действий и других наук, техник и даже существования живых существ. И как описывать функционирование всех этих сфер в условиях переменных метрик и эталонов - непонятно. Это и есть суть проблемы так называемой «единой теории поля». Ведь даже законы электромагнетизма записаны для неизменных эталонов и метрик. В общем, представляется вполне очевидным, что сама идея переменных метрик в корне порочна, антинаучна и даже антицивилизационна, ибо единство мер и эталонов есть величайшее цивилизационное завоевание всего человечества.

Движение света в центральном гравитационном поле

Рассмотрим теперь движения света в центральном поле массивного небесного тела. Решать эту задачу будем в неравномерно вращающейся системе отсчета.

Напряженность центрального поля известна и равна:

(13)

Рассматриваем движение пробного тела в поле массивного тела. Поле характеризуется напряженностью, являющейся фиктивной весомостью. Именно это позволяет совмещать вместе силы инерции и гравитационные напряженности. Мы уже выписывали уравнения движения тела в неинерциальной системе отсчета с переменной скоростью вращения. Для определения движения тела в такой системе отсчета при наличии гравитационного поля нужно только в систему уравнений (6) вставить гравитационную компоненту. В результате получаем:

(14)

Из второго уравнения получаем сразу закон площадей:

(15)

Подставляем в первое уравнение, преобразовывая

Определяем скорость

()

Распространение света происходит по этому же закону только со скоростью на бесконечности равной скорости света в инерциальной системе отсчета. Впрочем, свету можно приписать любую скорость в любой точке пространства, потому что эта скорость создает эталон скорости и всю пространственно-временную метрику самого пространства, для определения которой нужно только задать еще один эталон - времени или длины. Полученная метрика будет распространяться на все пространство, а не характеризовать одну-единственную точку. А сама скорость света, естественно будет переменной, минимальной на бесконечности и увеличиваться по мере приближения к гравитирующему центру. Как можно сделать скорость света постоянной введением переменной метрики - трудно представить. К тому же скорость света в этой геометрии является переменной даже без гравитации и это еще более осложняет эту, в принципе, ненужную задачу.

И мы не видим никаких критических значений для скорости движения или для иных параметров, входящих в выражение для скорости. Ничего специфически релятивистского в гравитации нет. Свет всегда выйдет за пределы ограниченной в пространстве области гравитационного поля, не существует захвата фотонов гравитационным полем. Нет никаких критических значений ни для масс, ни для напряженности поля. Нет и никаких черных, «непросматриваемых» областей гравитационного пространства. То, что фигурирует под видом черных дыр, есть следствие вариации метрики, и к реальности никакого отношения не имеет. Общая теория относительности должна быть признана ошибочной теорией с самого начала. Возможно, это величайшая в истории человечества научная ошибка.

Уравнения гравитационного поля хорошо известны в гравиметрии, в которой используется именно полевое представление гравитации.

Заключение

Фундаментальный анализ основ механики и кинематики света приводит к следующим выводам:

1. Общая теория относительности является неверной теорией с самого начала, так как основана на недопустимой не только в науке, но в любой сфере деятельности подгонке мер и эталонов под заранее заданный результат.

2. Гравитация не является силовым феноменом, никакого «всемирного тяготения не существует. Поэтому ньютоновская гравитационная теория неверна и дает истинные движения только для движений малых тел в окрестности большого. Задача многих тел в ньютоновской теории даже ставится неправильно. В частности, в этом причина несоответствия звездных галактических движений ньютоновским представлениям.

3. Гравитация есть изменение кинематических свойств пространства и описывается гравитационным полем, а не гравитационными силами.

4. Показано, что современная теоретическая механика не имеет средств научно-логического описания реактивных движений. Показана необходимость введения нового механического понятия - понятия механического состояния с описанием его новой характеристикой - весомостью.

Признательность

Автор выражает признательность профессору Клименко Станиславу Владимировичу и Александру Русскому за помощь в работе.

Размещено на Allbest.ru