Как рождается гравитация
- -
- 100%
- +
Инфракрасное излучение, его еще называют тепловое, с частотами 1012—1014 Гц (λ=0,1 мм—770 нм), находится в диапазоне между ультракоротковолновым и узкой полосой частот, характерной для видимого, светового излучения 1014 Гц (λ=770—380 нм). За световым излучением расположены ультрафиолетовое 1015—1017 Гц и рентгеновское 1018—1019 Гц с длинами волн от 10—7—10—13 м. Предел частот, которые могут генерироваться на атомном уровне, находится вблизи 1020 Гц. Излучение с более высокими частотами (гамма-излучение) возникает внутри атомных ядер и при взаимодействии частиц очень высоких энергий.
Электромагнитные волны, несмотря на различные названия, сходны по своему характеру и различаются только частотой генерации. Несмотря на свою схожесть, способ их взаимодействия с веществом различен и связан с их энергией. К примеру, наш глаз чувствителен к свету, тогда как кожа может воспринимать тепловое излучение. Радиоволны не проходят через тонкую металлическую фольгу, тогда как рентгеновские и гамма-лучи свободно проникают через нее.
Далее мы рассмотрим еще одно очень важное свойство электромагнитных волн – это перенос ими энергии.
ЭМВ – переносчики гравитации
Казалось бы, спустя век с небольшим «таинство» электромагнитных волн, о котором говорил Герц, раскрыто полностью. ЭМВ за все эти годы исследованы по всем направлениям, но, полагаю, что от исследователей оказался скрытым еще один существенный признак, о котором пойдет речь далее.
Гравитационное поле и гравитационные волны возникают там, где имеются материальные массы. Все, что имеет массу, а масса присуща любому виду материи, испытывает гравитационное воздействие. К этому известному факту я бы добавил еще одно очень важное дополнение – материальные массы (тела) для гравитационного взаимодействия должны обладать энергией, т. е. иметь температуру выше абсолютного нуля.
Поскольку гравитационные волны как особое излучение, которое отвечало бы только за гравитационное взаимодействие, до сего времени не обнаружены, а гравитация существует, то природа возложила функции гравитации на известные физике явления, для того чтобы мы не остались невесомыми. Посмотрим, что ей для этого необходимо.
Для существования гравитационных волн требуется наличие четырех условий: 1) генератора (излучателя); 2) переносчика; 3) ретранслятора; 4) приемника.
Начнем с конца, т. е. с приемника. Здесь, я думаю, все ясно и понятно – приемниками являются все материальные тела, они же являются и ретрансляторами.
С генераторами тоже ясно: если планеты вращаются вокруг звезд, то генераторами гравитационной энергии являются те самые звезды.
Остается выяснить, что это за гравитационные волны – переносчики гравитации?
Всем понятно, что для удержания громадных планетарных масс на орбитах требуется огромная энергия. Вопрос: на какие плечи природа могла возложить это тяжкое бремя?
Мой ответ однозначен: только на электромагнитное излучение. Энергия звезд распространяется в виде фотонного, электромагнитного излучения, т. е. это излучение и переносит энергию. Да, это не открытие Америки! Но тогда, если логически продолжить мысль, электромагнитное излучение и должно отвечать за гравитацию. В природе нет другой, более мощной энергии, чтобы удерживать на орбитах огромные массы планет.
Если все ЭМВ переносят тепловую и световую энергию, то все они и должны переносить гравитацию!
Должны, но не обязаны, уточнит читатель. Или обязаны? Проверим ЭМВ на предмет задолженности и обязательства.
При распространении электромагнитных волн возникает поток электромагнитной энергии. Если выделить площадку S, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, то за некоторое фиксированное время Δt через нее пройдет энергия ΔW, равная:
ΔW= (We +Wm) υSΔt.We – электрическая составляющая энергии
Wm – магнитная составляющая энергии
υ – скорость распространения ЭМВ
Плотностью потока или интенсивностью I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через поверхность единичной площади.
Поток энергии в электромагнитной волне можно задавать с помощью вектора I, направление которого совпадает с направлением распространения волны, а его модуль равен EB/μμo. Этот вектор называют вектором Пойнтинга.
Подставляя сюда выражения для We, Wm и υ, можно получить
Поскольку переносится энергия, то электромагнитной волне должен быть присущ механический импульс. Импульс электромагнитного поля в единичном объеме выражается соотношением:
W – объемная плотность электромагнитной энергии,
с – скорость распространения ЭМВ в вакууме.
Наличие электромагнитного импульса позволяет ввести понятие электромагнитной массы. Для поля в единичном объеме
Отсюда следует
W=mc2 (1.6)Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля считается универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности (СТО), оно справедливо для любых тел независимо от их природы и внутреннего строения2. Таким образом, электромагнитное поле обладает всеми признаками материальных тел – энергией, конечной скоростью распространения, импульсом и массой.
Это говорит о том, что электромагнитное поле является одной из форм существования материи.
Свет, теплота, гравитация – вот это энергетическое трио, порожденное одним источником и переносимое электромагнитными волнами всего частотного диапазона.
Перейдем к трансляторам гравитации.
Что является ретранслятором данной энергии? Очевидно, те самые планеты, а по существу – все материальные тела, включая и частицы. Кроме того, планеты не только транслируют, переизлучают энергию, но сами являются генераторами этой энергии, например Земля. Внутри планеты идет генерация собственной тепловой энергии, а это говорит о том, что Земля является генератором тепловых, гравитационных волн.
Каждый предмет, материальное тело является ретранслятором и аккумулятором тепловой, а значит и гравитационной энергии.
Энергия одного кванта фотона должна равняться одному кванту гравитации – одному гравитону.
ep=eg (1.7)1.9. Фотон – транспорт гравитации
Фотон на месте стать не может,
Его без движенья совесть гложет.
1.9.1. Фотон
Рис. 1.3. Энергия фотона и возбуждение атома.
Ну причем тут фотон и гравитация?
С таким негодующим вопросом набросится на меня боевая рать физиков, а глядя на эпиграф, и лирики тоже.
С окончательными выводами не спешим, начинаем исследовать эту удивительную и многогранную частицу-волну – фотон.
Сегодня мы понимаем, что все окружающие нас излучения можно разделить на составляющие их частицы. К примеру, всем известно, что свет в конечном итоге состоит из фотонов, Ньютон их называл корпускулами. Фотону, как квантовой частице, свойственен корпускулярно-волновой дуализм: в одних случаях он ведет себя как материальная частица, а в других – как электромагнитная волна.
А если мы углубимся в познания современной квантовой физики, то обнаружим, что фотон по своей природе не является, вообще-то говоря, ни тем и ни другим.
Фотон, с одной стороны, демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции в масштабах, сравнимых с длиной волны самого фотона. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла. С другой стороны, эксперименты показывают, что фотон – не короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделен на несколько пучков оптическими делителями лучей. Фотон ведет себя как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны, например, атомными ядрами или электронами.
Свое название фотон получил от греческого слова φῶς, «phōs» (свет). Понятие было введено химиком Гилбертом Льюисом в 1926 г. В его теории фотоны считались «несоздаваемыми» и «неразрушимыми». Теория Льюиса не принесла лавров ее создателю, так как находилась в противоречии с экспериментами, но термин фотон физикам понравился и вошел в научную литературу.
Вокруг данной волны (частицы) на протяжении XX в. кипели такие страсти, что мне невольно подумалось, что за этими страстями был потерян один из важнейших признаков, который должен отождествляется с ней как с переносчиком гравитационного взаимодействия.
Забегая вперед, скажу, что еще в 1960 г. американскими учеными Паундом и Ребке был выполнен тончайший эксперимент, в котором было показано: «фотон (квант электромагнитной энергии) обладает также гравитационной массой, которая равна инертной массе m=hv/c2» [13].
1.9.2. Фотон – транспорт гравитации
В нашем случае, совсем не важно, чего в фотоне больше – частицы или волны, главное – он переносит энергию. Энергия фотона е зависит от частоты излучения ν.
е=hν (1.8)где h=6,626·10—34 Дж·с – постоянная Планка.
Свет представляет собой распространение в пространстве фотонов, которые ведут себя как поток особых частиц.
Фотон обладает массой и импульсом. Наличие у фотона массы m вытекает из общей взаимосвязи между энергией и массой, введенной в 1900 г. французским математиком Анри Пуанкаре.
е=mc2 (1.9)с – скорость света в вакууме.
m=е/c2
Для фотона е=ep=hν, откуда масса фотона равна:
mp=hν/c2. (1.10)Фотон представляет собой элементарную частицу, но не имеющую массы покоя m0. Массу фотона следует считать полевой массой. Это означает, что свет обладает массой, связанной с электромагнитным полем световой волны.
Помимо энергии и массы фотон обладает импульсом рp [14, 15]. Импульс фотона был обнаружен экспериментально в 1927 г. А. Комптоном, который за эту работу был удостоен Нобелевской премии по физике. Связь энергии фотона с его импульсом вытекает из общей формулы теории относительности.
Для фотона m0=0, отсюда импульс равен:
mp – масса фотона.
Фотон, подобно любой движущейся частице или телу, обладает энергией, массой и импульсом. Вот эти три важные физические величины можно назвать корпускулярными характеристиками фотона
ep=hν; mp=hν/c2; pp =hν/c; (1.12)Подобно любой вещественной частице, фотон способен переносить энергию. Это очень важно на данном этапе рассуждения, и моя попытка присвоения фотону «чужих», не родственных ему свойств переноса сил тяготения должна увенчаться успехом.
Далее двигаемся к гравитации.
1.10. Две трудности на пути к гравитации
Действие гравитации между двумя телами – это есть переброска энергии от одного тела к другому.
Фотон по своим техническим (паспортным) характеристикам вполне может исполнять роль переносчика или перевозчика энергии.
Следуя логике и зная, что фотон переносит энергию, почему бы нам не возложить на него функцию транспорта гравитации. Нет, не нам – природе! Тем более что кто-то или что-то эту гравитацию переносит, а фотон – это самая распространённая, многочисленная, мобильная и скоростная частица во Вселенной.
Вот здесь перед нами возникают две серьезные трудности.
Трудность №1 – отдача
Процитирую одну фразу из авторитетного источника (С. Г. Калашников), изданного в прошлом веке и предназначенного для студентов университетов: «Если какое-либо первоначально покоившееся тело испускает в определенном направлении электромагнитные волны, то это тело получает импульс GT=-GП, направленный в сторону, противоположную излучению, и равную импульсу, унесенному излучением. Это явление подобно „отдаче“ ружья при выстреле» [16, с. 617].
Подобные формулировки можно встретить практически во всех учебниках по физике.
Трудность №2 – давление света
Вторая трудность – это давление света, предсказанное Кеплером и Максвеллом, а потом якобы доказанное экспериментально П. Н. Лебедевым в 1900 г. Сразу отмечу, что в физике сложилось парадоксальное явление – Солнце, с одной стороны, притягивает Землю, а с другой – создает на нее давление! С этим противоречием что-то нужно делать.
Итак, две трудности, два барьера, связанные непосредственно с фотоном, которые пока не позволяют его признать полноценным героем, который мог бы стать переносчиком гравитации.
Присутствие этих трудностей не позволяло и не позволяет до сих пор ученым распространить влияние электромагнитных волн на гравитацию. Стереотип мышления, перенесенный автоматом механики Ньютона в микромир. Стереотип мышления, выработанный неправильным представлением происходящих процессов, связанных с частицами, не имеющих массы покоя и движущихся со скоростью света. Квантовое поведение фотона не доступно визуализации и конфликтует со здравым смыслом.
Анализируя статьи и опыт предшественников, я пришел к выводу: давления света не существует! Две силы, создаваемые одним источником, не могут и не должны быть направлены противоположно или навстречу друг другу. Притом одна сила, с помощью которой Солнце притягивает Землю, превосходит вторую (силу давления) в 1013 (десять триллионов) раз!
Вакуум в экспериментах Лебедева достигал 10—4 мм рт. ст., при таком разрежении невозможно отстроиться от радиационного давления молекул воздуха. В то время техника вакуумирования была еще не совершенна, поэтому у Лебедева не было возможности проводить опыты в условиях даже среднего, по современной классификации, вакуума. С анализом опыта познакомимся немного позднее, в одноименном разделе.
Считаю, что давление света является не доказанным, а точнее – оно не существует. Это утверждение подтверждают эксперименты В. Е. Костюшко с крутильным маятником [17]. Цитата из указанного источника: «С помощью построенного прибора можно увидеть и объяснить природу всех конкретных сил, заставляющих крутильный маятник изменять свое положение, а, вооружившись экспериментально полученными данными, мы получили возможность показать обратный эффект, то есть наглядно продемонстрировать, как вместо отталкивания светом освещаемой пластиночки происходит ее „притяжение светом“» [17, с. 488—497].
Чтобы разобраться с первой трудностью, разделим гравитационное взаимодействие на две составляющие: гравитацию источника и гравитацию приемника – и будем их рассматривать отдельно, прицельно, целенаправленно. Для этого откроем новую главу, попутно продолжим непростой разговор о фотоне.
Заключение
Глава «Гравитация» является предваряющей основную тему по гравитации и гравитационной постоянной. В данной главе выдвинуты три постулата.
Постулат №1: Теплота – генератор гравитационной энергии.
Постулат №2: Переносчиком гравитации являются фотоны (электромагнитные волны (ЭМВ)).
Постулат №3: Все ЭМВ переносят гравитацию. Электромагнитные волны – гравитационные волны!
Чтобы превратить данные постулаты в аксиомы, потребовалось написать книгу.
Человечество с самого его зарождения находится в поле гравитации Земли, но до сих пор не может обнаружить, что или кто это поле создает. Гравитон – гипотетическая элементарная частица – предполагаемый переносчик гравитационного взаимодействия, в экспериментах не обнаружен. В то же время теоретические модели фактически отгородились от реальной физики забором из математических символов, за которым уже не видно живой природы. Например, теорию струн, на которую физики возлагали большие надежды, невозможно проверить, ни сегодня, ни в обозримом будущем, в силу технологических ограничений. Практики, в свою очередь, на примере LIGO, пытаются поймать единичные гравитоны, но совершенно не те, которыми изобилует природа, заставляя каждого из нас притягиваться к земной коре.
Источники к главе 1
1. Русская историческая библиотека. Аристарх Самосский. URL: http://rushist.com/index.php/greece-rome/2141-aristarkh-samosskij
2. Фейнман Р. КЭД – странная теория света и вещества. М., 1988.
3. Храмов Ю. А., Вебер Дж. Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. М.: Наука, 1983. 2-е изд.
4. LIGO: линейка точностью в 1/10000 диаметра протона, habr. URL: https://habr.com/ru/post/407499/
5. Вопрос науки: Гравитационные волны существуют? URL: https://www.youtube.com/watch?v=sHRG-zQkpyI&t=895s
6. CERN needs you! // + Plus: magazine. URL: https://plus.maths.org/content/cern-needs-you
7. Aaboud M., Aad G., Abbott B., Abdallah J., Abdinov O., Abeloos B. and others. 2035 authors. Measurement of the W-boson mass in pp collisions at s√=7TeVs=7TeV with the ATLAS detector. URL: https://link.springer.com/article/10.1140%2Fepjc%2Fs10052-017-5475-4
8. Большаков В. И. Очерк истории науки о магнетизме. 2002. URL: https://docplayer.ru/28534125-Ocherk-istorii-nauki-o-magnetizme.html
9. Smolin L. The trouble with physics: the rise of string theory, the fall of a science, and what comes next. Houghton Mifflin, Boston, 2006.
10. Грин Б. Элегантная вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. М.: Editorial URSS, 2008. 288 с.
11. Перельман Я. И. Знаете ли вы физику? М.: Терра, 2007.
12. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: АСТ; Астрель, 2004. Т. 5.
13. Паунд Р. В. О весе фотонов // УФН. 1960. №12, декабрь. Т. 72.
14. Борн M. Атомная физика. М.: Мир, 1965. 389 с.
15. Наука и техника. URL: http://n-t.ru/nl/fz/compton.htm
16. Калашников С. Г. Электричество. М.: Наука, 1970.
17. Костюшко. В. Е. Экспериментальная ошибка П. Н. Лебедева – причина ложного вывода о существовании давления света // Материалы 9-й Междунар. науч. конф. «Пространство – время – тяготение». 2007. С. 488 – 497.
18. Владимиров Ю. С. Пространство – время: явные и скрытые размерности. М.: Либроком, 2012.
Глава 2. Фотонно-квантовая гравитация (ФКГ)
Фотоны – пчелы гравитации!
2.1. Гравитационное излучение источника
2.1.1. Гравитация
Гравитация – это взаимообмен импульсами, квантами энергии между участниками взаимодействия. В качестве участников выступают все вещества, тела – вся материя.
Первичными источниками теплоты, а равно и гравитации выступают звезды. Мы в разговорах награждаем их разными превосходными эпитетами: «неисчерпаемая энергия звезд», их «неугасающий свет» и т. п. Энергия звезд, их теплота и соответствующая температура рождают не только тепло и свет, но и передают этот свет в импульсно-фотонном, закодированном виде на огромные расстояния. В предыдущей главе было отмечено, что фотоны (электромагнитные волны – ЭМВ), выполняют еще одну функцию – в своей суммарной, интегральной деятельности они создают силу притяжения между телами.
Гравитация – это фотонный дождь, электромагнитный (квантово-фотонный) эфир, которым заполнены все тела, планеты и звезды. Таким же электромагнитным эфиром заполнено межзвездное пространство, но здесь этот специфичный эфир очень разреженный, так как в нем очень мало материи.
Электромагнитный эфир (не путать с космическим вакуумом) повсюду, он и является переносчиком гравитационной энергии, он и является гравитационным полем.
Вышесказанное – это больше, чем постулат, но еще не аксиома.
Не всякий стрелял из ружья, но всякий школьник знает, потому как изучал физику, что при выстреле возникает отдача. Пороховые газы, расширяясь, толкают пулю в одну сторону, а ружье в другую. Поскольку масса пули во много раз меньше ружья, то она приобретает большую скорость и летит значительно дальше ружья. Все в соответствии с третьим законом механики Ньютона: «Два тела действуют друг на друга силами, которые численно равны и направлены в противоположные стороны вдоль прямой, соединяющей точки приложения этих сил». Или кратко – закон сохранения импульса соблюдается.
Кто не стрелял из ружья и не представляет, что это такое, посмотрите короткое и забавное видео на сайте автора3.
Прежде чем перейти на микроуровень, приведем еще пару примеров, связанных с военным делом. Надеюсь, все видели пушки, которые участвовали в баталиях в петровские времена. В то время в батальных сценах против внешних врагов применялись пушки, стрелявшие картечью и ядрами. Ствол пушки был жестко связан с лафетом, и в момент выстрела отдача отбрасывала пушку назад. Сейчас такие пушки стоят в наших музеях под открытым небом.
Кремлевская Царь-пушка – аналог таких пушек, но она ни разу не выстрелила, ей банально не нашли применения, или она оказалась слишком тяжела при транспортировке из-за большого давления на грунт.
Во время Великой Отечественной войны пушки были уже несколько другие.
2.1.2. Отдача – придача в военном деле
Рис. 2.1. Царь-пушка и пушка Второй мировой войны ЗИС-3, 76-мм.
Импульс движения лафета или приклада ружья при выстреле называется отдачей. В артиллерии его называют откатом. Чем больше масса снаряда и заряда, тем больше энергия отдачи. Отдача также характеризуется мощностью и силой. В военной науке все параметры жестко рассчитываются, но мы не будем конструировать новое орудие убийства, поэтому продолжим искать отсутствие отдачи.
В огнестрельном оружии отдача является вредным явлением, и с ней постоянно велась борьба: ставились всевозможные дульные тормоза, гасители в виде пружин, гидравлические системы отката и прочие компенсаторы. В современных орудиях энергию отдачи стараются использовать во благо, например, для автоматической перезарядки орудия.
Проанализируем динамику выстрела из пушки более детально, а чтобы не ставить затратный эксперимент, пойдем в кинотеатр и посмотрим фильм, посвященный Великой Отечественной войне. На экране звучит команда командира орудия: «Огонь!» Грохочет выстрел. Снаряд от давления пороховых газов получает импульс и летит на головы неприятеля. Ствол орудия за счет отдачи отбрасывается в противоположную сторону и, к примеру, взводит пружины, при этом заякоренный лафет практически остается на месте. Выбрасывается гильза от снаряда, ствол на мгновение останавливается и под действием энергии пружин возвращается в исходное состояние. При этом вся пушка под действием инерционного импульса ствола дергается «вперед за снарядом». Оценим этот порыв пушки «вперед за снарядом». По сути, это аккумулированная энергия отдачи, конструкционно трансформированная в антиотдачу [1].
При выстреле, кроме импульса отдачи, присутствует первый импульс, с помощью которого снаряд совершает свой полет. (Ради этих двух импульсов и был организован культурный поход в кинотеатр.) Первый импульс считается положительным, и ради него изготавливаются орудия, для него выпускается стрелковое оружие. Но вот что интересно, данный импульс не имеет своего характерного названия. В военном деле под данным импульсом подразумевается термин «выстрел». Но выстрел – это общее название данного действия. По сути, импульс, который получает пуля или снаряд, – это тот же импульс отдачи (по модулю они равны), только направлен в противоположную сторону (антиотдача). Но эти импульсы как-то нужно различать.
Предлагаю, в противовес отдаче, для механического импульса снаряда или пули использовать термин «придача» (от слова «придавать»).