Принцип Маха і космологічне походження інерції

Садиков Б.С.

Введення

Інерція, мабуть, одне з найзагадковіших явищ макросвіту. Невідомо, як вона виникає, де її джерела і чому вона така яка є / 1 /. Все живе народжується із заздалегідь закодованою пам'яті інформацією про інерції. Сидячи в машині, ми точно знаємо, що на повороті виникає відцентрова сила, яка буде притискати нас до бічної стінки машини і тут же зникає як тільки машина завершить розворот і вийде на пряму рівну дорогу. Вона знову виникає при гальмуванні, але тепер штовхає нас вперед, а при ривку - назад. Ми з інерцією стикаємося щодня і до неї так звикли що її сприймаємо як неминучість, як реальність, яка не вимагає пояснення, тому нас не дивує ні її раптова поява, ні безслідне зникнення, ні відсутність видимого контакту.

У кінематичному щодо інерція нічим не відрізняється від гравітації, така ж універсальна, так само повідомляє всім тілам однакове прискорення, так само не має ні точок опори, ні програми. Тому не дивно, що Ейнштейн їх ототожнив. Аргументи Ейнштейна відомі: гравітаційна маса є джерелом сил гравітації, а інертна - індикатором інерції. Ці маси рівні, а отже, повинні бути рівні і індуковані ними сили. Аргументи обгрунтовані, але з них зовсім не випливає, що «інерція і гравітація є різними назвами одного і того ж явища». Гравітаційні сили потенційні, слабшають в міру віддалення від гравитирующих тіл у той час як сили інерції не потенційні і не залежать від будь-яких відстаней. Ці сили різні за природою і повинні бути розділені / 2 /.

Узагальнений принцип Маха

Єдиною гіпотезою яка в якійсь мірі пов'язує інерцію з матерією, є принцип Маха (ПМ). Щоб зрозуміти його зміст стосовно інерції, наведемо конкретний приклад Нехай задані два масивні тіла, з якими пов'язані системи відліку (СВ) S і . Припустимо система спочиває, а обертається щодо неї з деякою кутовий швидкістю. З досвіду знаємо, що в спочиваючої СО сили інерції не виникають, а під обертається виникають незалежно від спочиває системи. Це дивне невідповідність, що суперечить поняттю відносності руху. Якщо обертання щодо викликає в сили інерції, то такі ж сили повинні виникати і в оскільки і вона обертається щодо . Однак цього не відбувається. Чому? Звідки взялися ці сили і чому тільки в одній системі, якщо S і в кінематичному відношенні абсолютно рівноправні? Єдино розумний відповідь може дати тільки ПМ. Він стверджує, що система спочивала не одна, а разом з усіма тілами Всесвіту Вони разом утворили єдину глобальну систему відліку і система оберталася щодо цієї глобальної системи. Отже, сили інерції виникли б і в , Якщо б навколо неї оберталася , Тобто весь Всесвіт! Ми не можемо експериментувати зі Всесвітом, щоб підтвердити або спростувати справедливість ПМ. У цьому сенсі ПМ залишається недовідної і нічим необгрунтованої гіпотезою оскільки, словесно декларуючи космологічне походження інерції, не пояснює механізм її формування. Тому невідомо яким чином зірки, віддалені на мільйони світлових років, формують інерцію тут, на Землі і, якщо формують то як визначити їх інерцетворную здатність.

Щоб виключити цю невизначеність і додати ПМ кількісне вираження, нами висунута додаткова гіпотеза, відповідно до якої всяке тіло при русі, поряд з гравітаційним полем, створює ще одне поле, таке що його зміна індукує інерцію. Назвемо його «інерційним». Стосовно до ПМ це означає, що небесні тіла, рухаючись відносно один одного, генерують особливу, так зване «інерційне поле». Воно заповнює весь простір, утворюючи деяку квазіпружної середу, перешкоджає прискореному руху. Реакція цього середовища на дії сил, що прагнуть змінити стан тіла, є відгук Всесвіту який сприймається як інертність тіла.

Надалі під «ПМ» розуміється це узагальнення. Фізичні міркування, що лежать в основі цієї гіпотези, частково були викладені раніше / 3,4 / і коротко будуть повторені тут.

1. Рівняння руху в неінерційній системах відліку

Основною величиною, що містить необхідну інформацію про інерції, є сама сила інерції . Вона входить в рівняння руху тіла в неінерційній системах відліку (НІСО) , Як зовнішня сила без певного джерела. Нехай - Імпульс цієї сили. Враховуючи, що він завжди спрямований проти сил, що прагнуть змінити стан тіла, представимо його у вигляді

, , (1.1)

При такому поданні сили інерції як би зникають, але механічний імпульс набуває додатковий компонент , Що визначає взаємодію рухомого тіла з усіма тілами Всесвіту. Взаємодія носить польовий характер, тому його можемо постулювати як суму добутків всіляких зарядів (Електричних, гравітаційних та ін) рухомого тіла та 4-векторних потенціалів відповідних полів , Створюваних іншими тілами

, (1.2)

де -Потенційна енергія, - Швидкість світла. Кожен вид заряду qn, який здатний у стані спокою створювати статичне поле en, ​​при русі створює ще й динамічне поле Нn .. Останнє виникає, як наслідок двох фундаментальних законів природи: закону зворотних квадратів, що приводить до рівняння Пуассона

divЕn = Кn rn = sn, (1.3)

і закону збереження заряду:

, (1.4)

де і - Щільність і потік зарядів , - Відповідна константа зв'язку. Комбінуючи (1.3) та (1.4), отримаємо:

, (1.5)

Аргумент дивергенції або константа або є ротором вихрового поля рухається потоку зарядів . Перший аргумент фізично неприйнятний, з другого маємо:

, (1.6)

Динамічне поле електричного заряду добре відомо - це магнітне поле, а які поля створюють інші види зарядів, зокрема гравітаційний, поки невідомо, але їх реальність гарантується двома фундаментальними законами фізики (1.3) та (1.4). На цьому й грунтується наша гіпотеза, яка по суті означає, що всяке тіло при русі поряд з гравітаційним полем індукує ще одне, раніше невідоме динамічне поле, яке ми і назвали інерційним.

Щоб зрозуміти сенс динамічних полів та їх роль в системі світобудови, складемо рівняння руху. Будемо виходити з рівняння Лагранжа

(1.7)

з лагранжіаном, утвореним з квадрата імпульсу взаємодій

L = (р + П) 2 + (р4 + П4) 2, (1.8)

Виконуючи стандартні розрахунки, отримаємо

(1.9)

де , ,

, (1.10)

З цих визначень випливає дуже важливий закон - закон узагальненої індукції

, , (1.11)

Він стверджує що, сили інерції мають індукційну природу і індукуються вихровим полем , Яке створюється всіма рухомими тілами Всесвіту. Будь-яке тіло, потрапляючи в це поле, набуває додатковий момент імпульсу («інертний момент»)

(1.12)

і змушене обертатися. Дія вихрового поля еквівалентно дії сил інерції, які виникають в НІСО обертається з кутовою швидкістю

(1.13)

Якщо на тіло інші сили не діють, то воно буде обертатися з кутовою швидкістю, що дорівнює Покажемо це на конкретному прикладі. Нехай рух тіло, крім гравітаційного заряду (маси ), Інших зарядів не має, тоді

, ,

Розкладаючи силу на поздовжню і поперечну складові, отримаємо

(1.14)

, (1.15)

де - Гравітаційний потенціал. Перше рівняння визначає інерцію, викликану зміною швидкості за величиною, друге - за напрямком. У першому вираженні прискорення складається з суми двох прискорень, прискорення викликане силами інерції і гравітаційним полем. Вони колінеарні, тому спостерігач, що знаходиться в замкнутому просторі, наприклад у ліфті, не може визначити яка з цих двох сил на нього діє: гравітаційна або інерції. Вони невиразні. Цю нерозрізненість Ейнштейн назвав «принципом еквівалентності» і поклав в основу ЗТВ.

Друга сила нагадує рівняння Ейлера для руху тіла під обертається НІСО. Перший член описує інерцію, викликану нерівномірністю обертання, другий коріолісове силу, третій - відцентрову. Принципова відмінність полягає в тому, що тут означає не кутову швидкість обертання, а індукцію інерційного поля! Вона має розмірність кутовий швидкості і цим створює помилкове уявлення як ніби вона позначає механічне обертання. Збіг означає, що тіло в інерційному поле, набуває кутову швидкість чисельно рівну індукції інерційного поля в даній точці. Інерційне поле робить на гравітаційний заряд точно така дія який чинить магнітне поле на електричний заряд. У механіці інерційне полі грає ту ж роль що і магнітне поле в електродинаміці, тому має бути включено в описі будь-якого руху. Тоді всі труднощі, пов'язані з порушеннями законів механіки в НІСО (третій закон Ньютона, закони збереження, абсолютність прискорення та ін), знімаються.

Якщо зміна вихрового поля індукує потенційне поле, то з огляду на відносності руху, повинен існувати і зворотний ефект. Зміна потенційного поля має породжувати вихровий поле. Такий ефект дійсно існує. Множачи (1.6) на відповідні константи зв'язку , Отримаємо

, (1.16)

,

Кутові дужки означають усереднення швидкості потоку. Рівняння (1.11) і (1.16) утворюють єдину самоузгоджену систему яку будемо називати «рівняннями інерцодінамікі». Вхідні в цю систему поля пов'язані зі статичними і динамічними полями та їх індукції , Співвідношеннями

, ,

(1.17)

,

Відносини констант зв'язку визначає швидкість поширення окремих полів

, (1.18)

а їх комбінація , (1.19)

- Швидкість центру групи парціальних хвиль.

Рівняння (1.11) і (1.16) складені з П-імпульсу і його похідних і можуть бути представлені в общековаріантной формі

, (1.20)

де (1.21)

Рівняння подібного типу добре відомі і в коментарях не мають потреби. Знаючи швидкість руху тіла завжди можемо обчислити індуковані їм інерційне поле. Тим самим завдання щодо визначення механізму виникнення інерції та її джерел повністю вирішена. Розглянемо ряд приватних випадків

2. Об'єднана система рівнянь електродинаміки та гравідінамікі

Розглянемо рух електрично зарядженої частинки в полі, створюване аналогічними частками. Частка несе два види заряду - електричного та гравітаційного (маси) . Вважаючи , Отримаємо

, , (2.1)

де - Напруженості електричного та гравітаційного полів, - Вектори магнітної і інерційної (гравімагнітних) індукцій. Траєкторія руху частинки в цих полях залежить від їх ставлення. У мікросвіті гравію-інерційні сили надзвичайно слабкі і практично ніякої ролі не грають. Нехтуючи ним з (1.11) і (1.16) автоматично отримаємо систему рівнянь електродинаміки Максвелла - Лоренца. У мегамире, навпаки, вони домінують. У цьому випадку можна знехтувати електромагнітними силами, тоді отримаємо аналогічну систему рівнянь для гравідінамікі

(2.2)

де і - Щільність і потік маси, g і z - константи зв'язку гравітаційного і гравімагнітних полів. Доля цих рівнянь драматична. Вони в різній формі пропонувалися багатьма видатними фізиками (Максвелл, Герц, Хевісайд, Пуанкаре, Брілюена та ін / 5 /), але визнання не отримали. Називають різні причини: відсутність негативного гравітаційного заряду, залежність маси від швидкості, нездатність лінійної теорії пояснити ефекти ЗТВ та ін Але все-таки, на наш погляд, справжньою причиною були не вони, а невизначеність гравімагнітних поля, точніше відсутність будь-яких явищ, які свідчили б про наявність такого поля. Явища, що спостерігаються, начебто, пояснювалися і без нього і в ньому не було ніякої необхідності. Така природна незатребуваність призвела до сумнівів у реальності гравімагнітних поля і системи рівнянь (2.2) в цілому. Тепер ця невизначеність усунена. Отримано систему узагальнених рівнянь з якої рівняння (2.2) випливають як наслідок. При цьому гравімагнітних поле набуває певного сенсу. Воно виражає напруженість інерційного поля . У гравідінаміке вона відіграє ту ж роль, що і магнітне поле в електродинаміці. Гравітаційне і інерційне поля взаємозв'язані, один одного індукують і поширюються у вигляді поперечних хвиль зі швидкістю

, (2.3)

Величина цієї швидкості поки невідома, але є ряд непрямих доказів того, що у вакуумі вона збігається зі швидкістю світла. Беручи це як модель, визначимо «інерційну постійну вакууму»

м / кг (2.4)

Це - надзвичайно мала величина. Її малістю можна пояснити чому інерційні поля звичайних тіл не спостерігаються. Вони великі лише в масштабі Всесвіту і грають важливу роль у формуванні її структури. Зрозуміло, щільною середовища набагато вище вакуумної, але поки ми про них нічого не знаємо.

3. Ефекти ОТО і новий гравію-інерційний ефект

Три ефекту - гравітаційне зміщення спектру, відхилення променя в поле тяжіння і обертання перигелію планет - зазвичай інтерпретуються як відхилення від закону Ньютона. Перший ефект тривіальний і випливає з закону збереження енергії фотона. Другий також випливає із закону

Ньютона (рис.1)

, (3.1)

але кут відхилення в два рази менше спостережуваного. У ЗТВ це пояснюється кривизною простору. У даному випадку кривизна мала і врахована законом Ньютона, тому невідома, звідки береться друга половина. Покажемо, що вона пов'язана з дією інерційного поля. На промінь світла, що проходить повз масивного тіла з масою на відстані , Діють дві сили: ньютонівська , Яка викликає відхилення (3.1) і інерційна (гравілоренцовая) , Яка під дією інерційного поля тіла

(3.2)

викликає додаткове відхилення на кут

, (3.3)

Якщо замінити її значенням з (2.4), то цей кут співпаде з ньютоновским. Збіг формально можна було б розглядати як згоду з ЗТВ. Однак, це не так. Справа в тому, що ці кути знаходяться в різних площинах. Перший визначає відхилення променя в радіальному напрямку, другий - у аксіальному. У другому випадку промінь не притягується до тіла, а відкидається інерційним полем у бік. (Рис.2)

Він прагне обертатися навколо силових ліній інерційного поля, але зважаючи на його слабкості, траєкторія променя не замикається і він, описавши гвинтову лінію з великим кроком, залишає поле. Спостерігач бачить його проекцію на напрям до тіла і приймає його за додаткове відхилення. Його вперше спостерігав Едінгтон в 1919 р. під час сонячного затемнення, але вважав його похибкою експерименту. Через три роки таке ж зміщення виявили Кемпбелл і Трюмплер, а потім і інші дослідники. У 1973 р. Джонес зафіксував вже зсув 39 зірок і стало ясно, що аксіальне така ж реальність, як і радіальний зсув (більш докладно див ОБЗ. / 6 /).

Розглянемо третій ефект - обертання перигелію планет Нехай повз масивного тіла рухається мале тіло. Якщо інерційне поле досить сильна, то воно захоплює тіло і змушує його обертатися навколо його силових ліній. Припустимо полі захопило тіло і обертання відбувається по еліпсу з періодом обертання . Якщо поле створено тільки взаємним обертанням, то

, (3.4)

де -Середній радіус еліптичної орбіти тіла з великої півосі і ексцентрітетом . Обертове тіло, крім механічного моменту імпульсу , Володіє ще інертним моментом . Він у два рази менше механічного і спрямований у ту ж сторону що і . Тіло з загальним моментом 3 в інерційному полі (3.4) буде процесувати з «гравіларморовской» частотою і через кожен оборот зміщуватися у напрямку руху на кут

, (3.5)

який так само збігається з даними ВМО. Два останніх ефекту містять константу інерційного взаємодії і підтверджені спостереженнями. Їх можна розглядати як кількісне підтвердження реальності інерційного поля.

4. Обертання небесних тіл і архітектура Всесвіту

У сучасній космології причини обертання небесних тіл зазвичай не розглядаються. Передбачається, що тіла придбали потрібний імпульс якимось чином після Великого вибуху. Можливо в процесі еволюції тіла якісь імпульси отримували, але вони були випадковими і не могли забезпечити спостережуваний порядок. Обертання настільки широко поширене і закономірне явище, що пояснити його якимось випадковим поштовхом не представляється можливим. Воно повинно мати постійно діючий джерело. Ним може бути тільки інерційне поле.

Розглянемо таку ситуацію. Припустимо деяким об'єктом, скажімо Галактикою, створене потужне інерційне полі і в його центрі виявилося дуже масивне тіло, типу Сонця. Нехай інше, менш масивне тіло, рухаючись з деякою швидкістю перетинає силові лінії -Поля під деяким кутом. На нього буде діяти гравію-інерційна сила.

(4.1)

Звернемо увагу на рівняння руху (1.9). Воно містить множник , Який визначається відношенням потенційної енергії частки (тіла) до її енергії спокою і вказує, що закон зворотних квадратів в сильних полях не виконується і повинен бути замінений на

До аналогічних виразів призводить і ОТО, однак у ВІД поправка стосується тільки гравітаційному взаємодії, а тут вона носить загальний характер, тобто, відноситься і закону Кулона. У даній роботі вона вважається малою і не враховується).

Виберемо систему координат так щоб . Враховуючи, що з (4.1), отримаємо

, , , (4.2)

де - Гравітаційний потенціал. Ці рівняння з початковою умовою мають приватне рішення

, , , (4.3)

яке показує, що сильне поле захоплює тіло і змушує його обертатися навколо його силових лінії з кутовою швидкістю . Одночасно тіло під дією гравітаційного поля почне дрейфувати до центру тяжіння. Дрейф відбувається по гвинтовій лінії. Якщо траєкторія проходить на достатньому видаленні від поверхні масивного тіла, то мале тіло за інерцією перетинає екваторіальну площину масивного тіла і потрапляє в зону гравітаційного гальмування. Поступово його швидкість зменшується до нуля, а потім після миттєвої зупинки, тіло почне зворотний рух. Воно знову перетинає екваторіальну площину, потрапляє в зону гальмування і процес повторюється. (Рис.3)

Після кількох переходів «вгору вниз» коливання загасає й тіло опиниться в екваторіальній площині масивного тіла. Тут воно набуває постійну орбіту і стає супутником. Те ж саме відбувається з усіма тілами, звідки б вони не рухалися. Всі вони зберуться у цій площині. На шляху дрейфу можливі зіткнення з іншими тілами. У цьому випадку великі тіла розколюються і їх осколки будуть розкидані по різних орбітах. Вони утворюють замкнуті пояса зразок кілець Сатурна. Якщо поле перетинає не окреме тіло, а рій метеоритів або газо-пилові хмари то вони, рухаючись з різними швидкостями, осідають на різних орбітах, утворюючи безліч кільцевих структур і вигнутих хвостів. Те що всі кільця навколо планет лежать в одній площині, планети обертаються в екваторіальній площині Сонця, галактики мають плоский лінзаобразний вигляд, а більшість з них ще й спіральні рукави, не залишає сумнівів у тому, що формує їх силою є інерційне поле. Саме воно примушує небесні тіла обертатися, збиратися в одній площині, мати ті конфігурації які мають. Гравітаційне поле центрально-симетричне. Воно не може сферичне освіта деформувати в плоске. Це може робити тільки інерційне поле. У системі світобудови воно відіграє роль архітектора в той час як гравітаційне поле є її будівельником.

5. Деякі питання космології

Уявімо Метагалактику у вигляді плоского дископодібного скупчення зірок з масою і радіусом , Що обертається з кутовою швидкістю у площині В якості умовного центру обертання виберемо точку де знаходиться спостерігач. При обертанні Метагалактика в цьому центрі створює інерційне поле з напруженістю

(5.1)

Враховуючи, що , Отримаємо

(5.2)

де середня щільність маси Метагалактики. Співвідношення (5.2) добре підтверджується спостереженнями / 7 /. Підставляючи з (5.2) в (2.3), отримаємо

, (5.3)

Ця формула і зовні і чисельно співпадає з законом Хаблла. Але тут означає не швидкість розширення простору, а швидкість поширення гравію-інерційних хвиль. Цим і пояснюється її субсвітлових значення. Вважаючи

, ,

знаходимо радіус, масу, період звернення та інші параметри Метагалактики.

, ,

, (5.4)

Ці значення співпадають з даними ВМО, за винятком Т, який у ВІД характеризує не період обігу Метагалактики, а її вік. Визначимо радіус гравію-інерційного взаємодії потенційного поля Всесвіту. Враховуючи, що , З (1.20) маємо

, (5.5)

Виберемо рішення цього рівняння у вигляді

, (5.6)

тоді , (5.7)

де

Рішення (5.7) залежить від знака . Для чисто гравію-інерційного поля

, , (5.8)

Рівняння (5.7) з цим знаком має приватне рішення

, (5.9)

де - Константи інтегрування. Зворотній величина визначає радіус гравію-інерційного взаємодії

(5.10).

Облік інерційного поля ньютоновский потенціал перетворює в юкавскій і тим самим

зменшує радіус взаємодії в рази.

Висновок

Ми привели ряд прикладів, які підтверджують реальність інерційного поля. Число таких прикладів можна було збільшити у багато разів. Однак і наведені достатні щоб переконатися в тому, що інерційне поле така ж реальність як і гравітаційне. Вони обидва взаємопов'язані і утворюють єдине гравію-інерційне поле, на зразок електромагнітного поля. Доводиться лише дивуватися, що без цього найважливішого елементу системи світобудови ще якось вдавалося звести кінці з кінцями

На закінчення виражаю вдячність учасникам Російського гравітаційного семінару і особливо його керівникові, проф. Володимирового Ю.С. за корисні обговорення і стимулюючі критичні зауваження.

Список літератури

Haret C. R Classical and quantum inertia. Gravitation @ Cosmology. V.5, No 2 (18), 1999

2. Логунов А.А. РТГ і принцип Маха. ІФВЕ, 95-128, Протвино, препринт, 1995

3. Садиков Б.С. Фізика і механіка на порозі XXI століття, Сб. № 1-2, М. МГУП, 1998-99.

4. Sadykov BS Mach's principle and gravi-inertial induction. Gravitation @ Cosmology.

RGS, Vol 7 (2001, No 3 (27), Moscow.

5. Брілюена Л. Новий погляд на теорію відносності. М, Мир, 1972.

6. Vargashkin V. Ya. Light beam divcession effect in circumsolar space. Gravitation @

Cosmology, Vol. 2 (1996), No 2 (6), RGS, Moscow.

7. Фізика Космосу, Маленька енциклопедія. 1986, Москва.

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.mgup.ru/