Новая механика инициирует создание новой механической дисциплины - весомики. Это наука о механическом состоянии. Она найдет свое применение в самых различных прикладных науках и техниках. Это космическая, авиационная и морская медицина, биофизика, ветеринария, прочностные науки, спортивная медицина, механика спортивных дисциплин, механика и конструирование машин, аппаратов и парковых аттракционов и т.п. И прежде всего она даст всем этим наукам и техникам единую научною терминологию вместо каких-то странных «перегрузок», «недогрузок» и т.п. В новой механике весомика призвана занять такое же место, как статика в ньютоновской механике.
Итак, мы определили основные понятия нового механического языка. Если механический объект рассматривается как элементарный, неделимый, то он характеризуется единым вектором весомости, как и единой силой. Если же мы имеем составной механический объект, называемый телом, то имеем распределение весомости на теле. Это распределение может быть плоским, т.е. все части тела имеют одинаковую весомость. Но может быть и сложным, если тело совершает собственные движения, например, вращения или находится в негалилеевом пространстве.
9. Описание гравитационного поля
Итак, гравитационное поле есть область негалилеева пространства. Как же описать это пространство?
В ньютоновской механике есть гравитационные силы. Потому гравитация описывается напряженностью поля, т.е. распределением удельных гравитационный сил, сил, приложенных к единичной массе.
Но в новой механике нет гравитационных сил, а гравитация есть всего лишь свойство пространства. Поэтому ньютоновский подход не пригоден.
В гравитационном подходе Эйнштейна гравитация есть свойство, которое искривляет пространство. Это искривление приводит к тому, что координатная сетка (геодезические линии), которая в ОТО состоит из линий движения света, становится искривленной. Кривизна этого пространства и определяет гравитационное поле. Но ни в области космонавтики, ни в небесной механики, и даже в звездной и галактической механике это описание практически неприменимо. Слишком ничтожны в этих масштабах искривления световых траекторий и практические гравитационные поля для ОТО слишком малы. Использовать ОТО в области практически используемых гравитационных явлений то же самое, что использовать метровую рулетку для измерения атомных расстояний. В отличие от этого ньютоновский подход приводит к адекватным гравитационным характеристикам в масштабах космонавтики или небесной механики.
Итак, мы приходим к выводу: ньютоновский подход дает хорошее описание практически значимых гравитационных полей, но он основан на гравитационных силах, которых у нас нет, эйнштейновский подход основан на изменении свойств пространства, но он эффективен лишь в области сверхсильных гравитационных полей, ни в космонавтике, ни в небесной механике практически не встречающихся. Ему, возможно, есть место в космологии, но никак не в области описания полетов на околоземные орбиты или внутри Солнечной системы. А требуется создать описание гравитационного поля размерностно адекватное ньютоновскому, но при этом основывать это описание на изменении свойств пространства, как в эйнштейновском подходе.
И оказывается, это можно сделать. Для этого только нужно использовать фундаментальную величину новой механики - весомость.
В галилеевом пространстве можно создать инерциальную систему отсчета, в которой свободные тела движутся равномерно и прямолинейно или покоятся. Отсюда следует, что в галилеевом пространстве можно создать среду из покоящихся и невесомых тел. Но эта среда как раз и может быть системой отсчета. Нужно лишь эти покоящиеся невесомые тела определенным образом пометить, приписать им координаты, и использовать их для описания движений тел.
В негалилеевом пространстве свободные тела не могут быть неподвижны относительно друг друга. Любой ансамбль свободных тел начнет расползаться. А если мы хотим, чтобы тела в гравитационном поле были неподвижны друг относительно друга, их надо как-то скрепить друг с другом, т.е. приложить к ним силы. Причем, опять-таки, никакие не гравитационные, а обычные, электрической или магнитной природы.
Но если мы приложили к телам силы, то они уже перестают быть свободными и становятся уже весомыми. И в этой неподвижной среде существует распределение весомости. Это распределение весомости мы и можем использовать в качестве полевой характеристики гравитационного поля. Таким образом, именно поле весомости в неподвижной среде и может стать характеристикой гравитационного поля. Это распределение весомостей мы также можем назвать напряженностью гравитационного поля.
Легко видеть, что мы пришли численно к тому же самому ньютоновскому гравитационному полю, к удельной силе, только теперь ее переинтерпретировали:: не удельная сила тяготения, а удельная сила негравитационных сил, т.е. весомость, стала напряженностью гравитационного поля. Но значения напряженностей гравитационных полей в обеих теориях полностью совпадают.
Казалось бы, мы пришли к тому же самому, и никакой разницы в реальном описании гравитационных полей нет. Но не совсем. Дело в том, что гравитационная сила абсолютна, абсолютны силы, действующие между гравитирующими телами по закону всемирного тяготения. Потому гравитационного поля единственны и абсолютны. Они требует единственной и выделенной системы отсчета, т.е. коперникианской системы отсчета. Но в новой механике это есть распределение весомостей в жесткой виртуальной среде. А таких виртуальных сред можно ввести в пространстве сколько угодно. Нет априори выделенных сред.. Можно выбирать в качестве исходных тел различные тела, к которым и «прикреплять» другие тела с целью создания координатной среды. От абсолютного гравитационного поля мы приходим к многовариантному, относительному гравитационному полю. Так мы пришли к еще большей общей относительности гравитации, она оказывается «еще более относительной», чем это представлялось Эйнштейну.
Но эта относительность уже отнюдь не теоретический кунштюк для какой-то там «общей ковариантности». Она практична и необычайно важна для космонавтики. Например, мы можем в качестве исходного тела принять центр Земли и построить гравитационное поле в системе отсчета с неподвижным центром Земли. Космонавт на орбите может принять в качестве исходного тела свой корабль и построить систему отсчета с самим собой в качестве неподвижного начала отсчета и с соответствующим распределением весомостей в этой среде, каковая и будет гравитационным полем. Это космонавтоцентрицеское гравитационное поле будет существенно отличаться от геоцентрического. Конечно, необходимо еще открыть законы перехода от одного гравитационного поля к другому, и создать соответствующий математический аппарат,. Но это уже дело техническое. И космонавту в ряде случаев будет удобнее рассматривать движение тел в космонавтоцентрической системе отсчета. А лунонавту на лунной станции - в селеноцентрической системе отсчета, земному астроному - в геоцентрической (птолемеевской), а школьникам и студентам для наглядного представления строения Солнечной системы будет полезно использовать гелиоцентрическую систему. Таким образом, неоптолемеевская механика не отвергает коперникианскую, а всего лишь ставит ее в один ряд с другими системами отсчета, в том числе и птолемеевской. И вопрос, какая система правильная, вопрос, за который столько пролито крови и всходили на костры, оказался вопросом не религии или идеологии, а чистого прагматизма - какая система выгодней в той или иной задаче, такой и надо пользоваться. Новая механика объединяет Птолемея и Коперника, Джордано Бруно и его палачей.
При этом сразу же отметим, что все перечисленные выше системы отсчета связаны со свободными телами, потому все они локально галилеевы, т.е. в начале этих систем нет гравитационного поля, а напряженность поля нулевая.. Мы получили важнейшее свойство гравитационных полей, связанных со свободными телами, которого нет в нынешней механической теории, а вот практическая космонавтика ими пользуется давно. Но использование тех или иных схем и фактов без их теоретического обоснования нередко ведет к ошибкам и иным неблагоприятным результатам. Вот почему теоретическое обоснование космической практики важно.
10. Движение тел в гравитационном поле
А теперь мы можем записать и уравнение движения свободных тел в гравитационном поле. Это уравнение записывается очень просто: ускорение w свободного (невесомого) тела равно напряженности гравитационного поля V:
Каково ускорение свободного падения в поле Земли? Оно численно равно напряженности гравитационного поля на поверхности Земли и направлено в ту же сторону. Весомость на поверхности Земли нам известна, W=9.81 Гл. Но эта весомость есть одновременно и напряженность гравитационного поля на поверхности Земли, V=9.81 Гл. Отсюда и ускорение свободного падения численно равно напряженности поля, но имеет, естественно, другие единицы измерения - w=9.81 м/c2.
И, наконец, обобщенный закон движения весомого тела в гравитационном поле будет: ускорение весомого тела в гравитационном поле равно напряженности поля за минусом его весомости, т.е.
Мы получили обобщение Второго закона Ньютона. Он прекрасно объясняет все факты. Если тело неподвижно, ускорение равно нулю, то в гравитационном поле весомость равна напряженности поля и наоборот, напряженность гравитационного поля равна весомости неподвижных тел. Если гравитационного поля нет, то ускорение равно весомости тела с обратным знаком. А если есть гравитационное поле, а тело свободно, то его ускорение направлено вдоль напряженности поля и численно равно ему. Очень простая и наглядная интерпретация движений и состояний.
Заметим опять, никакие собственные, внутренние характеристики (например, масса) тела в это уравнение не входят. Важность этого для навигационных расчетов в космонавтике и вообще в механике трудно переоценить. Это еще большее расширение принципа Галилея: все тела в одном гравитационном поле и в одном механическом состоянии движутся одинаково.
11. Гармонические системы отсчета
Но сразу же отметим, что это уравнение получено не для произвольной системы отсчета, а лишь для специальных, так называемых, гармонических систем отсчета.Гармонической системой отсчета является система отсчета, которая инерциальна на бесконечности. Инерциальные системы отсчета являются, естественно, и гармоническими. Но неинерциальные системы отсчета в галилеевом пространстве уже негармоничны. В негалилеевом пространстве инерциальных систем не существует, но существуют системы отсчета, которые инерциальны за пределами области негалилеевости, т.е. на бесконечности. Это и есть гармонические системы отсчета. Если гравитацию «снять», то они превращаются в инерциальные системы отсчета. Например, система отсчета, связанная с Землей, ориентированная на удаленные звезды, не является инерциальной в связи с наличие поля Земли, но она гармонична. Поэтому проблема построения инерциальной системы отсчета на Земле формулируется не совсем верно. Это проблема построения гармонической системы отсчета. Она очень важна даже в бытовой жизни, например, для сотовой и космической связи и систем космической навигации. Решаться она может либо по далеким звездам, либо через использование внутренних стабилизирующих устройств, например, гироскопов. Это также является важнейшей и постоянной задачей космонавтики.
Законы движения в негармонических, фактически, вращающихся системах отсчета усложняются, но на этом мы останавливаться не будем, так как наша задача не построение всей новой механики, а лишь демонстрация ее необходимости и формулировка тех основных понятий и законов, которые отличают ее от нынешней ньютоно-коперникианской механики. И вновь подчеркнем. Нынешняя механика не отвергается, она хороша и верна для круга явлений либо вне гравитационного поля, либо в постоянном гравитационном поле, т.е. в механике на поверхности Земли. Но в космонавтике, где имеется сложнейшее сочетание изменяющихся гравитационных полей и разнообразнейших движений, где объектом движения становятся не мертвые камни и космические тела, а мыслящее существо, человек, она неудовлетворительна.
12. Уравнения гравитационного поля
А теперь мы можем записать уравнения гравитационного (весомостного) поля. Это уравнение имеет вид идентичный полевому уравнению в ньютоновской механике:
Здесь ρ есть плотность вещества.
На первый взгляд это обычное уравнение ньютоновского гравитационного поля. Но здесь есть тонкости. Они следующие:
1. Полевое уравнение в механике Ньютона записывается в системе центра масс, т.е. в коперникианской системе отсчета. В нашей механике это уравнение верно для любой гармонической системы отсчета. Т.е. оно верно как для системы Солнца, так и в системе отсчета Земли и в системе отсчета орбитального или межпланетного корабля.
2. Из математики известно, что для решения этого уравнения необходимо задать или граничные, или начальные условия. Электромагнитное поле требует задания граничных условий. А вот гравитационное поле требует задания начальных. Граничные условия - нулевые условия на бесконечности для гармонической системы отсчета удовлетворяются автоматически. А начальные условия, т.е. напряженность поля в начале системы отсчета, т.е. весомость начального тела системы отсчета должны быть задано. И если начало системы отсчета связано со свободным телом, то эта система отсчета является локально инерциальной и начальное значение поля является нулевым. V(0)=0.
3. Из математики также известно, что для определения векторного поля задание одной дивергенции. недостаточно. Необходимо задать еще и ротор поля. Если принять, что гравитационное поле является потенциальным, то это означает, что ротор поля равен нулю и тогда система уравнений гравитационного поля в гармонической системе отсчета запишется в виде:
Таким образом, эта система полевых уравнений описывает гравитационное поле (поле весомости) в гармонической системе отсчета. Для негармонических систем отсчета распределение поля весомости будет иным, но об этом мы пока не будем распространяться.
13. Расширение гравитационной теории гравитации Ньютона
Существует ли расширение гравитационной теории? Мы имеем ввиду стандартный путь расширения путем добавления некоторых новых членов? Да. Для этого стоит ввести в правую часть второго уравнения ненулевой член. Так как уравнение аксиально-векторное, то и справа нужно внести какую-то аксиально-векторную характеристику среды. Есть такая? Да, это плотность собственного момента вращения (спина) s. И учитывая размерности, мы можем этот систему уравнений гравитационного поля в гармонической системе отсчета записать в виде:
Здесь а - некоторая безразмерная константа, которую предстоит еще определить из наблюдений.
Что означает добавление этого члена? Это означает, что в окрестности вращающегося тела имеется дополнительная вихревая компонента гравитационного поля. Вихревое поле одиночного вращающегося тела подобно магнитному полю одиночного магнитного диполя. Оно спадает очень быстро, по кубу радиуса. И потому может оказывать влияние на движение только в ближайшей окрестности.
В ближайшей окрестности Солнца находится планета Меркурий. Несоответствие ее движения ньютоновским законам отмечено уже давно. И если считается, что это нашло свое отражение в эйнштейновской гравитационной теории, то почему это не может найти отражение и в модернизированной, неоньютоновской теории гравитации? Другой возможный эффект связан с воздействием этого поля на гироскоп в виде изменения оси его вращения.. И этот эффект, видимо, уже обнаружен в эксперименте на американском спутнике GP-B (гравитационный зонд – B), запущенном в апреле 2004 года.
Возможны и иные проявления этого поля. При расчетах искривления света при прохождении его вблизи диска Солнца по ньютоновской теории (по этой теории все механические объекты движутся одинаково, движение определяется лишь начальными условиями) значение получается отличным от наблюдаемого. Вполне можно допустить, что это связано именно с влиянием вихревого поля Солнца. Вихревое поле будет особенно сильно влиять на движение газообразного и плазменного вещества в верхней оболочке Солнца. Вполне возможно, что это даст новые подходы в физике Солнца и солнечной атмосферы и ее активности. Вообще, вращение есть один из важнейших астрофизических факторов. И введение вихревой компоненты гравитационного поля может очень сильно изменить наши представления об устройстве мегамира. Образно говоря, если потенциальная компонента гравитационного поля обеспечивает устойчивость вселенной, то вихревая придает ему динамику. А ведь поразительную динамичность мы и наблюдаем в космосе, мегамире и даже на Земле.
14. Заключение
Прошлая (и нынешняя) ньютоно-коперникианская механика не отвечает требованиям, которые ставит перед механической теорией современная космонавтика. Она не дает космическому опыту адекватного теоретического описания, а нередко и просто ему противоречит. Только новая неньютоновская и некоперникианская механика позволит открыть перед космонавтикой и, даже более широко, перед механикой и ее практическими приложениями новые горизонты. В основе этой механики лежит новое понимание гравитации, гравитации без гравитационных сил, но, возможно, с вихревой компонентой.
