Строение и жизнь Вселенной. Гравитационное взаимодействие звезд и планет в Галактиках

Гравитация (притяжение, всемирное тяготение, тяготение) – это универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. Для малых пространств и скоростей гравитационное взаимодействие описывается теорией тяготения Ньютона, а в более общем случае – общей теорией относительности Эйнштейна. Гравитация считается самым слабым из четырех типов фундаментальных взаимодействий, но наиболее дальнодействующим. Если ядерные силы строят ядра атомов, электромагнитные – атомы и молекулы, то гравитация строит планетные и звездные системы, галактики и, возможно, даже Метагалактику. В квантовом пределе гравитационное взаимодействие должно описываться квантовой теорией гравитации, которая ещё недостаточно разработана.

В концепции всемирного тяготения можно выделить два главных тезиса: 1 – каждое физическое тело, имеющее ненулевую массу, обладает способностью притягивать остальные физические тела; 2 – сила этого притяжения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до «силового центра», т.е. радиус действия этого притяжения, теоретически, неограничен. Считается, что оба этих тезиса надежно подтверждены опытом, и нет никаких оснований для сомнений в их справедливости.

Однако основания для таких сомнений имеются. Отсутствуют прямые свидетельства о гравитационном притяжении друг к другу болванок в лабораторных условиях. Концепция всемирного тяготения не дает внятного объяснения океанским приливным явлениям. Почему на Земле под действием притяжения Луны возникает не один горб в направлении к Луне, а два – в направлении к Луне и в противоположном от Луны направлении? Гравиметрические измерения показали неоднородность распределения в Земном шаре гравитирующих масс Земли: оказалось, что сила тяготения на поверхности планеты неодинакова, существуют гравитационные аномалии. А у малых космических тел собственное тяготение вообще отсутствует, а тяготение Луны действует лишь в небольшой окололунной области, далеко не достающей до Земли, отчего Земля не обращается около общего с Луной центра масс.

Гравитация – это самое загадочное физическое явление. В ньютоновской теории гравитация – это сила тяжести, или сила веса. Сущность гравитации по Ньютону в том, что все тела притягивают друг друга с силой пропорциональной их массе и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Гравитация по Ньютону – прямое взаимодействие между телами. Это взаимодействие определяется Законом Всемирного Тяготения. Никакого особого гравитационного поля в теории Ньютона не существует, так как сила притяжения действует на расстоянии через пустоту. Теория гравитации Ньютона удобна для понимания многих процессов в условиях Земли, например, при расчете статических нагрузок на конструкции зданий, расчета траектории снарядов и т.д. Это удобная и наглядная теория, преподаваемая в школах.

Но сегодня человек вышел за рамки круга явлений, в которых сформировалась теория Ньютона в XVII веке. В начале XX века Альберт Эйнштейн по-новому объяснил суть гравитации, что отражено в созданной им Общей теории относительности (ОТО). Эта теория объясняет гравитационные взаимодействия тел в космических масштабах искривлением пространства гравитирующими телами. Степень искривления пропорциональна массе тел. Но в масштабах земной поверхности и движений на ней смысла использовать ОТО нет, так как она ничего нового дать не может, а если и дает, то только мизерные поправки при расчетах, которыми вполне можно пренебречь.

Но камнем преткновения для теории Ньютона стала невесомость, которая наступает при свободном падении тела или при движении тела по орбите вокруг гравитирующей массы. Мы хорошо знаем, что в орбитальном корабле у тел нет веса, хотя тяготение Земли они вроде бы должны испытывать. По ньютоновским представлениям, сила тяжести связана с гравитацией. Но тогда почему ускорение свободного падения тел одинаковое, независимо от массы этих тел? Это установил еще Галилей, бросая предметы разного веса с Пизанской башни. Выпущенные одновременно, имея разную массу, они достигали земли тоже одновременно.

Представим себе парашютиста на самолете перед прыжком. Он стоит перед дверным проемом и находится в гравитационном поле Земли, на него действует сила притяжения, равная его весу. Так считается по Ньютону. Но вот он делает шаг за дверь. Ясно, что гравитационное поле Земли при этом не исчезло и не изменилось. И сила притяжения (вес парашютиста) также не могла измениться. Но парашютист перешел в невесомое состояние и потерял свой вес, неожиданно исчезла сила тяжести. Тогда что же произошло с парашютистом, когда он делал свой шаг за борт самолета? Получается, что он избавился от силы тяжести, действовавшей на него в самолете. Эта сила исходила от опоры, от пола самолета. И когда он сделал шаг за пределы самолета, он стал невесомым, стал свободным. На него перестала действовать сила тяжести, но эта сила вызвала ускорение его падения. Но почему и тяжелые, и легкие тела, сброшенные с самолета, имеют одну величину ускорения ((g = 9,8 м/сек. за секунду)?

С парашютистом мы разобрались. Но почему в орбитальном корабле, движущемся вокруг Земли, тоже царит невесомость? Никакого ускорения движения вроде бы не происходит, скорость корабля по орбите не изменяется, а вес тел, находящихся в орбитальном корабле, и самого корабля исчезли. Почему?

Да и падение тел разной массы с Пизанской башни с одинаковым ускорением тоже непонятно. Из формулы вроде бы следует, что ускорение тел с меньшей массой должно быть больше. Физики нашли ловкий выход из этого затруднения, они взяли и приравняли массу тела к весу этого тела. Получилось, что в числителе и в знаменателе одна и та же величина – вес (F) равен массе (m), (вес тела численно равен его массе, так говорят физики). Вообще-то такое объяснение похоже на замкнутый круг – на логическую ловушку типа : "масло масляное потому, что оно масляное". Отличное объяснение, не правда ли? Получается, что гравитация не может быть объяснена теорией Ньютона. Сила тяжести – это не совсем обычная сила.

В сильном ядерном взаимодействии участвуют кварки и глюоны и составленные из них частицы – адроны (барионы и мезоны). Это взаимодействие существует в масштабах ядра атома и менее, этим взаимодействием осуществляется связь между кварками в адронах и обеспечивается притяжение в ядрах между нуклонами (нуклоны – это разновидность барионов (протон+нейтрон)). Впервые о сильном взаимодействии физики заявили в 1930-х годах ХХ века, когда стало понятно, что ни с помощью гравитации, ни с помощью электромагнитного взаимодействия объяснить, что связывает нуклоны в ядре, невозможно. Х. Юкава в 1935 г. предположил, что нуклоны в ядрах связываются друг с другом с помощью новых частиц – пи-мезонов (или пионов). Пионы были открыты экспериментально в 1947 г. Один нуклон испускает пион, а другой нуклон его поглощает, и вот этот процесс обмена пионами и удерживает нуклоны вместе, поэтому ядро не разваливается. Образно это можно представить игрой в волейбол: пока игроки пасуют мяч друг другу, они (игроки) являются системой – двумя играющими командами, и не расходятся с игровой площадки. Эта система реально существует, пока идет обмен мячом между игроками. Но вот игра прекращается, мяч прячут в сумку и уносят, игроки расходятся, и системы уже не существует.

Величина сильного взаимодействия в результате обмена пионами между нуклонами настолько велика, что позволяет не принимать во внимание их электромагнитное взаимодействие (ведь одноименно заряженые протоны, как известно, отталкиваются друг от друга). Однако взаимодействие нуклонов в ядре не является «элементарным», так как нуклоны состоят в свою очередь из кварков и адронов. А кварки, в свою очередь, тоже сильно взаимодействуют друг с другом, обмениваясь адронами.

В 1950-е годы было открыто огромное число новых элементарных частиц, большинство из которых обладали очень малым временем жизни. Все эти частицы были носителями, или точнее, факторами сильного взаимодействия. Они обладали различными свойствами, отличались между собой спинами и зарядами; в их распределении по массам и в характере их распада была некоторая регулярность, однако откуда она бралась, известно не было.

По аналогии с пион-нуклонным взаимодействием была построена модель сильных взаимодействий и этих адронов, удерживающих вместе кварки. Но при этом возникли трудности: некоторые из наблюдаемых процессов не удавалось объяснить, тогда их просто постулировали в виде «правил игры», которым якобы подчиняются адроны (правило Цвейга, сохранение изоспина и G-чётности, и т. д.). Несмотря на то, что в целом такое описание процессов работало, оно, безусловно, было формальным: слишком многое приходилось постулировать, большое число свободных параметров вводилось совершенно произвольно. Число сущностей, используемых при объяснении, резко увеличилось, а это противоречит принципу Бритвы Оккама («Природа избегает излишней сложности, следовательно, ее следует избегать и исследователям Природы»).

В середине 1960-х годов стало понято, что принципиальных степеней свободы для адронов не очень много. Эти степени свободы получили название кварков. Эксперименты, проведённые спустя несколько лет, продемонстрировали, что кварки – не просто абстрактные степени свободы адрона, а реальные частицы, которые несут импульс, заряд и спин. Единственная проблема заключалась в том, как объяснить, почему кварки не покидают адрон – не могут вылететь из него ни в каких реакциях. («Только в полете живут самолеты...»).

В 1970-х годах была построена теория сильного взаимодействия кварков, которая получила название «квантовая хромодинамика» (КХД). Каждый кварк обладает внутренним квантовым числом, условно называемым «цветом». А точнее, кварки бывают нескольких типов, и эти типы чем-то отличаются друг от друга. И вот это «что-то» физики неудачно обозвали «цветом». Сделали они это, скорее всего, с целью запутать нефизиков, чтобы они ничего не могли понять на их научных конференциях и думали про физиков: «Ну до чего же умные эти физики-ядерщики!» Кроме того, в дополнение к уже имеющимся степеням свободы (цвету), кварку приписывается и определённый вектор состояния в комплексном трёхмерном «цветовом» пространстве. И вот в этом особом пространстве, определяющим «цвет» кварков, происходит «вращение» кварков, от которого свойства мира не зависят (они инвариантны этим вращениям). Кванты этого «цветного квркового поля» называются глюонами. По-моему, глюоны образно можно представить как некие блики в цветомузыке.

Поскольку каждый тип глюонов задаёт определённый вид вращения в «цветовом пространстве кварков», количество независимых глюонных полей равно восьми. Однако все глюоны взаимодействуют со всеми кварками с одинаковой силой. «Цветовое взаимодействие» между кварками и глюонами описывается чрезвычайно сложными математическими вычислениями квантовой хромодинамики, и потому их элементарное понимание просто невозможно. Даже сами физики этого не понимают! В результате возникает странная картина: рядом с математически строгими вычислениями соседствуют полуколичественные подходы, основанные на квантовомеханической интуиции, которые, однако, удовлетворительно описывают экспериментальные данные. По этому поводу мне хотелось бы заметить, что в теории элементарных частиц (особенно в хромодинамике) сегодня возникла ситуация, похожая на ту, которая была в астрономии Птолемея, когда астрономы пытались объяснить возвратные движения и петли, которые выписывали планеты, двигаясь якобы по орбитам вокруг неподвижной Земли, некими «перициклами». Так же, как физики-ядерщики, поступает колдунья, сжигающая тапочки человека, которому хочет навредить. Иногда после сжигания человеку действительно становится плохо – простудился и заболел гриппом, напали хулиганы и побили, разлюбила девушка и т.д. Вывод: сжигание тапочек действительно действует!

Физики ищут частицу – бозон Хиггса, с которым связывают механизм образования массы. Если будет доказано, что он существует, то подтвердится теория, которая описывает взаимодействие элементарных частиц. Тогда будет понятно происхождение массы при помощи механизма Хиггса и станет понятной иерархия масс. Питер Хиггс предположил, что Вселенная пронизана незримым полем, проходя сквозь которое, элементарные частицы «обрастают» массой, а носителями массы являются бозоны. Выглядит этот процесс так: важная частица, не имеющая, однако, массы, «бродит по залу на приеме», и по мере движения к ней липнут «подхалимы». Вот этих-то «подхалимов» и пытаются обнаружить с помощью адронного коллайдера. Возможно, уже скоро физики смогут объяснить, как из ничего появляется что-то.

Согласно теории, которую физики хотят экспериментально подтвердить на коллайдере, пространство заполнено полем Хиггса, и взаимодействуя с ним, частицы приобретают массу. Частицы, которые сильно взаимодействуют с этим полем, становятся тяжелыми, а те, которые слабо взаимодействуют – легкими. Поиск бозона Хиггса является одной из главных задач Большого адронного коллайдера.

Полевая физика (в качестве альтернативы взаимодействию тел с помощью сил, действующих через пустоту на расстоянии) для объяснения притяжения тел использует понятие полевой среды как реальной физической сущности, подверженной внутренней динамике. Механизм полевого взаимодействия материальных объектов, согласно этой концепции, состоит в передаче взаимного влияния через сплошную полевую среду. Известны 4 типа фундаментальных взаимодействий. Два из них – электромагнитное и гравитационное – поддаются классическому описанию. Два других – сильное (ядерное) и слабое (распад и взаимопревращение элементарных частиц) – не выражаются в виде элементарной зависимости величины действия от соответствующих зарядов и расстояния и служат как вспомогательные понятия для объяснения непонятных до конца явлений, происходящих в микромире.

Полевая физика рассматривает в качестве фундаментальных только два типа взаимодействий – гравитационное и электрическое. Они похожи и симметричны: – в классических условиях они подчиняются одним и тем же законам обратных квадратов (интенсивность взаимодействия убывает прямо пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими телами). Различие между этими двумя типами взаимодействий лежит на уровне образования электрического заряда и гравитационного заряда. Гравитационное взаимодействие доминирует в космических масштабах (глобальное поле), при этом возникает эффект маскировки свойства гравитационного отталкивания – антигравитации. Электрическое поле играет большую роль в локальных явлениях и в силу доминирования глобального гравитационного поля приобретает симметричные свойства притяжения и отталкивания. Сильное и слабое взаимодействия не рассматриваются в полевой физике как фундаментальные. Они и относимые к ним эффекты оказываются результатом совместного действия обычной гравитации и электричества в тех или иных условиях. Например, полевая физика объясняет, почему на очень малых расстояниях между одноименными электрическими зарядами (протонами) вместо отталкивания возникает очень сильное притяжение и даже образуется потенциал ядерных сил.

Гравитация – это вообще не сила, а свойство. Оно состоит в изменении характера пространства-поля вокруг гравитирующего тела. Всякое тело окружено измененным этим телом пространством-полем – своего рада гравитационным нимбом. Этот нимб тело носит при себе. Гавитационный нимб Земли существует так же реально, как существует атмосфера, ионосфера или магнитосфера Земли. Оторваться от тела в «самостоятельное плавание» этот нимб (ореол) не может, он перемещается вместе с ним.

Если электромагнитное поле и его волны имеют скорость распространения (скорость света), зависящую от движения источников этих колебаний, то гравитация распространяется моментально. В противорположеность электромагнетизму гравитация связана с источниками гравитации одного знака: нет гравитации (+) и гравитации (–). Гравитационным зарядом является масса тела. Она всегда положительна, и для нее справедлив закон сохранения. Поэтому ниоткуда гравитационное поле возникнуть не может. При движении тела с определенной массой гравитационное поле его также перемещается. На большом удалении от тела его гравитационное поле исчезает вообще, и обнаружить его мы не сможем никакими средствами. Гравитационных полей, оторванных от своих источников, по-видимому, не существует. Таким образом, гравитационное поле принципиально отличается от всех других физических полей.

Основой механики Галилея является представление об инерциальных системах отсчета, в которых свободные тела движутся равномерно и прямолинейно или покоятся, если на них не действуют никакие силы. Это как очевидную аксиому учителя физики забивают в голову школьникам основательно. Все иные системы отсчета являются неинерциальными. Неинерциальными системами отсчета, например, являются системы, состоящие из тел вращающихся и колеблющихся. Однако очевидной аксиомой понятие об инерциальных системах не является, так как их попросту не существует.

Галилеевым пространством называют пространство, в котором можно ввести инерциальную систему отсчета. Однако в реальности такого пространства нигде не существует, как нет во Вселенной и инерциальных систем. Инерциальная система – это чистой воды выдумка Галилея. Но если в пространстве нельзя ввести инерциальную систему отсчета, то такое пространство называется негалилеевым. Всякое реальное пространство, в том числе и пространство, в котором существует наша Вселенная, является негаллилеевым. Негалилеевым пространство делает именно гравитация. Если бы не было гравитации, то были бы возможны движения по инерции – прямолинейные и равномерные. А гравитация приводит к тому, что естественные движения гораздо более сложные. Это могут быть движения по окружностям, эллипсам, параболам, гиперболам, спиралям и еще более сложным и замысловатым траекториям. Сложнейшие траектории планет и их спутников, а также межпланетных космических аппаратов в свободном полете наглядно об этом свидетельствуют.

По словам И.В. Калугина, гравитация – это высшая форма энергии, обладающая нулевой энтропией. Запасы ядерной энергии во Вселенной составляют малую долю ее гравитационной энергии. Масса тела – это мера его инертности. Инертность – свойство тела сохранять скорость своего движения или состояние покоя в том случае, если на него не действует никакая сила. Но если гравитация – не сила тяготения, то каким образом тела в гравитационном поле движутся по инерции?!! Однако механика утверждает, что движение тел по орбите – это не равномерное, а ускоренное движение. Опять противоречие!

Эйнштейн предположил, что гравитационное поле ведет себя таким же образом, как электромагнитное, однако все попытки обнаружить какие-либо гравитационные волны пока не увенчались успехом. Возможно, что скорость их распространения настолько велика, что любой прибор покажет, что изменение этого поля происходит мгновенно, так как не хватает разрешения по времени. И связано это исключительно с проблемой измерения. Но есть и другая точка зрения: гравитационные волны распространяются действительно мгновенно. В этом случае говорить о скорости их распространения просто абсурдно.

Ближе всех исследователей к пониманию природы гравитации, по-моему, подошел Николо Тесла, который считал, что пространство заполнено эфиром – некоей невидимой субстанцией, передающей колебания со скоростью, во много раз превосходящей скорость света. Каждый миллиметр пространства, полагал Тесла, насыщен безграничной, бесконечной энергией, которую нужно лишь суметь извлечь. Современные физики не смогли дать толкование взглядам Теслы на физическую реальность. Сам он эти принципы в теорию не оформил. Ясно одно: если эфир действительно существует, то это абсолютно упругая среда. Только в такой среде гравитационные сигналы могут распространяться мгновенно.

Согласно теории полевой гравитации, два тела, движущиеся в полевой среде, возмущают ее. Возмущения от каждого тела распространяются в полевой среде и достигают другого тела, меняя характер его движения. Количественное описание такого механизма с помощью полевого уравнения движения позволяет получить как второй закон Ньютона, так и закон Всемирного тяготения (закон обратных квадратов), доказывая этим примененимость полевой модели к гравитации. Полевая физика показывает, что для описания гравитации следует использовать понятие гравитационного заряда – аналога электрического заряда. Причем гравитационный заряд не всегда совпадает с обычной массой (инертной массой). Закон обратных квадратов и классическая механика оказываются справедливыми для гравитационного взаимодействия только в ограниченных условиях. На очень больших космических расстояниях и очень малых ядерных расстояниях для описания гравитации следует использовать совсем иную механику, что может привести к весьма интересным результатам.

Гравитационное поле Вселенной играет не просто роль фона, на котором происходят события и взаимодействия, а напротив, оказывает определяющее влияние на многие процессы в любой точке Вселенной. В связи с этим глобальное гравитационное поле входит практически во все уравнения полевой механики, даже если они напрямую и не связаны с изучением гравитационных эффектов. «Глобальное поле» – одно из основных понятий полевой физики. Под ним понимается совокупное гравитационное поле всех объектов во Вселенной. Для Земли и Солнечной системы в целом основной составляющей глобального поля является гравитационное поле Галактики Млечный путь и, прежде всего, ее центральной части – ядра. Земля и Солнечная система движутся под его влиянием как единое целое, поэтому глобальное поле не приводит к появлению относительных ускорений тел на Земле.

Массы тел не являются их внутренними «врожденными» характеристиками, а обусловлены внешними полями. Глобальное поле оказывается тем внешним полем, которое создает основную часть массы всех тел на Земле и в Солнечной системе. Эта масса и есть классическая масса покоя.

Центр Галактики, обуславливая массы всех тел, задает еще и предпочтительную систему отсчета – основной ориентир для относительного движения. В полевой физике доказывается, что предоставленное самому себе (при отсутствии внешних сил) тело будет сохранять характер своего движения не по отношению к инерциальной системе отсчета или пространству как таковому, а по отношению к источнику своей массы, т.е. к центру Галактики. Вот поэтому Землю в известном приближении и можно рассматривать как инерциальную систему отсчета.

Построение динамической модели поведения самого глобального поля позволяет объяснить структуру нашей Галактики и распределение скоростей звездных систем без привлечения гипотезы темной материи. Примечательно, что представления о гравитации в полевой физике позволяют естественным образом объяснить такие релятивистские эффекты, как красное смещение или аномальное смещение перигелия Меркурия, не прибегая при этом к терминам общей теории относительности, неевклидовой геометрии и тензорному анализу. Причем объяснения полевой физики оказывается гораздо нагляднее и проще как с логической, так и с математической точки зрения, хотя и приводят к тем же численным результатам, вполне соответствующим эксперименту.

Полевая физика указывает на существование гравимагнитных сил – сил гравитационной природы, возникающих при движении гравитирующих объектов, подобно тому, как обычные магнитные силы действуют между движущимися электрическими зарядами. Другое важное следствие полевой физики – выявление условий, при которых гравитационное притяжение превращается в гравитационное отталкивание. Или другими словами, полевая физика указывает на условия возникновения антигравитации, причем под антигравитацией понимается не сила иной природы, противостоящая гравитационному притяжению, а именно, сила гравитационного отталкивания тел.

Под антигравитацией понимается гравитационное отталкивание – своеобразный гравитационный аналог отталкивания электрических зарядов. Современная физика отождествляет понятие гравитационного заряда и массы, в то время как это совсем разные явления. В полевой физике доказывается, что гравитационный заряд совпадает с инертной массой далеко не всегда, и наблюдаемая в земных условиях эквивалентность массы инертной и массы тяготения – не более чем частный случай. А значит, могут существовать гравитационные заряды другого знака.

Гравитационное отталкивание может возникать даже в земных условиях с самыми обычными частицами или телами в очень сильных электромагнитных полях, энергия которых превышает энергию массы покоя взаимодействующих объектов. В этих условиях гравитационное притяжение сменяется гравитационным отталкиванием. В рамках концепции динамической массы есть основания полагать, что в этих условиях имеет место не рождение античастицы с противоположным зарядом, а изменение знака полной массы обычной частицы. Создание условий, в которых возникает гравитационное отталкивание – задача технически крайне непростая. Она требует тщательной проработки, в том числе, с экспериментальной и инженерной точки зрения. Но в рамках полевой физики антигравитация (гравитационное отталкивание) из области мистики и фантастики переходит в область объективного научного изучения. В полевой физике впервые возникает принципиальное понимание того, как и в каких условиях между телами возможно возникновение гравитационного отталкивания.

При вращении одного тела вокруг другого возникает эффект невесомости. Движение по орбите – это не ускоренное движение, а особый тип движения. Вращающееся по орбите тело ничего не весит, хотя обладает массой, а при ускорении вращательного движения тело получает центробежное ускорение, в общем-то оно отталкивается от тела, вокруг которого вращалось.

Отчасти идея полевой среды наследует идеи эфира как посредника физических взаимодействий, однако устраняет все связанные с ним противоречия. Поведение полевой среды отчасти напоминает поведение физического вакуума. В ней могут существовать два типа возмущений. Первый из них обусловлен движением частиц и приводит в основном к классическому поведению. Второй связан с собственными процессами и возмущениями в полевой среде, что приводит, как правило, к квантовому поведению, раздвижению этой среды. В одной из своих интернет-статей я уже писал о раздвижении Метагалактики как еще одном типе движения.

Инерция является одним из фундаментальных свойств физических тел. Количественной мерой инерции тела является его масса. Полевая физика иначе объясняет «природу инертной массы», а также указывает на ограниченный характер «принципа инерции». Так, согласно полевой физик, при отсутствии внешних сил тело будет двигаться не по прямой линии, а по спирали, причем только в малых областях космоса отрезок такой спирали приближенно можно считать отрезком прямой.

Согласно полевой физике, масса приобретается телами за счет внешних взаимодействий. Изолированное от этих воздействий тело вообще не обладает массой. Наличие полевых связей исследуемого объекта с другими объектами препятствует изменению характера его движения, и чем больше таких связей, тем больше препятствия. Это и выражается в появлении свойства инерции – препятствии изменению характера движения объекта. Наглядными примерами появления свойства массы могут служить такие понятия, как присоединенная масса или эффективная масса. Полевое уравнение движения определяет динамику тел в полевой среде:

В этой формуле функция полевой связи W исследуемого тела с остальными телами совпадает с классическим понятием потенциальной энергии и определяет скорость движения исследуемого тела u. Отношение функции полевой связи W к квадрату скорости света c как раз и имеет смысл массы m.
Если ввести величину силы F как градиента функции полевой связи (со знаком минус):

то выражение, соответствующее понятию массы m, примет вид:

Это так называемая формула полевой массы позволяет связать традиционное понятие массы с полевыми характеристиками. Представления о природе массы в полевой физике во многом созвучны принципу Маха и являются его физической реализацией. Однако следует отметить, что принцип Маха не постулируется в полевой физике, а фактически доказывается, становится следствием объединения полевых взаимодействий конкретного тела со всеми гравитирующими массами Вселенной.

1. Гравитационные системы "звезда-планеты" и "планета - спутники"

Общеизвестно, что планеты вращаются вокруг Солнца по определенным орбитам, а спутники планет – тоже по определенным орбитам – вращаются вокруг своих планет. Кроме того, Солнце, планеты и их естественные спутники вращаются вокруг своих осей. В результате этих вращений (круговерти) и существуют очень устойчивые системы космических тел, которые являются гравитационными системами. Тела в гравитационных системах находятся друг с другом в определенных отношениях – таких, что их вращения обусловлены гравитацией. Так что вращение – это элементарный тип движения во Вселенной. Не равномерное и прямольнейное движение надо считать элементарным (исходным состоянием тел), а именно движение по кругам, элипсам и параболам. Равномерного и прямолинейного движения в природе нет и быть не может.

До конца XIX века о существовании гравитационных систем было известно только астрономам и физикам. Большинство же людей тогда о них не имели ни малейшего представления и совсем не задумывались об этом, не пытались представить себе, как в черном безвоздушном пространстве удерживаются и движутся эти огромные шары – планеты и их спутники. Пожалуй, впервые о том, что, живя на Земле, мы живем и в Солнечной системе, население планеты задумалось после первого орбитального полета Юрия Гагарина 12 апреля 1962 г. Тогда вдруг вспомнили о скромном, но неугомонном учителе арифметики из Калуги К.Э. Циолковском, который еще в конце XIX века предвидел прорыв Человечества в Космос и сделал расчеты ракет, которые смогут преодолеть первую космическую скорость и вывести корабль на орбиту Земли.

С этим домом связано 29 лет жизни Циолковского. Здесь им были написаны десятки работ по воздухоплаванию, авиации, реактивному движению. Первые научные труды Константина Циолковского были опубликованы в 1891 году. При его жизни увидели свет около 100 его сочинений, половина из которых была издана в виде маленьких брошюр.Фото с сайта: http://www.risingsun.ru/oneday/desc/kaluga.htm

Константин Эдуардович не закончил даже гимназии, официально он учился только 2 года. Глухота не позволила ему закончить гимназию и учиться в университетах. Он учил себя сам, его университетами были библиотеки, а учителями – книги. Но заслуги Циолковского в создании теории космоплавания признавали Королев и Оппенгеймер – генеральные конструкторы ракет и космических кораблей в СССР и США.

Константин Эдуардович Циолковский (1857–1935). Фото с сайта: http://pskovlib.ru

Сегодня космические полеты – обычное дело, даже появились космические туристы. Правда, позволить себе слетать на недельку на орбитальную станцию могут только милиардеры. Думаю, очень интересно за несколько десятков миллионов долларов побывать на космической станции, испытать на себе состояние невесомости, увидеть, как плавают в кабине корабля помидоры, сходить в космический туалет и не испачкаться, а выглянув в иллюминатор, увидеть черное небо, утыканное звездами, и голубую в вуали белых облаков Землю. Но все это и еще многое такое, чего космические туристы не увидят за свои деньжищи, отчетливо представлял и описал в своих сочинениях Константин Циолковский, которому государство платило за работу жалованье аж 20 рублей в месяц!

До Космоса долетит лишь тот, кто хорошо питается. Фото с сайта: http://doseng.org

В околоземном пространстве ничего не лежит, здесь все висит и вращается в черной пустоте. Фото с сайта: http://www.krestikprof.ru

Принципиальной разницы между гравитационной системой, состоящей из звезды и вращающихся вокруг нее по орбитам планет, и гравитационной системой, состоящей из планеты с вращающимися вокруг нее спутниками, нет. Тут и там есть центр гравитации, который сильно влияет на движение "подчиненных" тел, но и они в свою очередь влияют на его движение, делая орбиту центрального тела слегка "гофрированной". Гравитационная система тем устойчивее, чем более согласованно по орбитам движутся планеты или спутники вокруг главного центра гравитации. В устойчивой гравитационной системе подчиненные тела находятся в гравитационном резонансе, и вокруг своей оси они вращаются за время, равное обороту вокруг центрального тела. К центральному телу они обращены всегда одной стороной, например, как Луна к Земле.

Так выглядит гравитационная система Юпитера в телескоп. Галилеевы спутники Ио, Европа, Каллисто и Ганимед находятся относительно друг друга в орбитальном резонансе: пока Ганимед совершает один оборот вокруг Юпитера, Каллисто успевает сделать два оборота, Европа – четыре, а Ио – восемь. Все четыре спутника к Юпитеру обращены все время одной своей стороной. Возможно, столь уравновешенная гравитационная система Юпитера имеет больший возраст, чем гравитационная планетная система Солнца. Солнце захватило систему Юпитера уже в готовом виде. Фото с сайта: http://photo.a42.ru/photos/full/15504.html

На этом фото мы видим планету на фоне далекой звезды. Это другая планетная система, в которой планеты и центральная звезда связаны гравитацией так же, как и наше Солнце со своими планетами. Фото с сайта: http://universe-beauty.com/

Долгое время считалось, что большинство звезд в Галактике движутся в одиночку, что звезды с планетами – большая редкость во Вселенной. Хотя Джордано Бруно еще в 1600 г. заявил, что звезды имеют планеты, подобные Земле, что обитаемых миров во Вселенной бесчисленное множество. Ему не поверили и за столь дерзкие мысли по решению ватиканской инквизиции сожгли живьем на костре, чтобы других не смущал своей лженаукой. Только в конце ХХ века астрономы стали инструментально подтверждать наличие планет у близких к нашей Солнечной системе звезд.

Планета, похожая на Землю в системе звезды Gliese 581. На переднем плане полузвезда-плупланета – так называемый коричневый карлик. В ее атмосфере термоядерный синтез, вероятно, идет, но не интенсивно. Рисунок с сайта: http://bugabu.ru/index.php?newsid=8124

Слева на рисунке: Эта планета находится в системе карликовой звезды Gliese 581, расположенной в созвездии Весов на расстоянии 20 световых лет (кванты света от нее до нас летят 20 лет). По всем основным параметрам планета очень похожа на Землю. Планета вращается вокруг звезды на значительно меньшем расстоянии, чем Земля вокруг Солнца. Но яркость Gliese 581 составляет примерно треть яркости Солнца, поэтому световой энергии планета получает примерно столько же, сколько ее получает Земля. Планета имеет достаточную гравитацию для того, чтобы удерживать приличную атмосферу. На ней возможно присутствие воды в жидком виде на поверхности или на небольшой глубине. На поверхности планеты сила притяжения должна быть примерно равна земной, а период ее обращения вокруг звезды (ее солнца) составляет 37 дней так, что год на этой планете длится чуть больше нашего месяца.

Сообщение об этом открытии опубликовано в Astrophysical Journal, и об этом объявил Национальный научный фонд США. Новая планета расположена прямо посередине зоны вокруг звезды, которую называют "обитаемой", так как на находящихся в этой зоне планетах возможна биосфера. Эта планета находится в галактическом "соседстве" с Землей, что позволяет предположить наличие дальше в окрестностях Солнца и других "землеподобных" планет. Я уверен на 100% в том, что жизнь во Вселенной – не такое уж редкое явление. Жизнь во Вселенной – не чудо, а закономерность, но об этом позже.

Гравитационные системы могут состоять не только из звезд и вращающихся вокруг них планет. Гравитационные взаимодействия могут связывать друг с другом и звезды. Так возникают гравитационные системы двойных и с большей кратностью звезд, в которых менее массивные звезды движутся вокруг более массивных, а звезды с одинаковой массой вращаются вокруг общего центра масс.

Звезды Кастор и Поллукс – наиболее яркие звезды созвездия Близнецов. В 1718 году Брадлей открыл, что Кастор – не одиночная, а двойная звезда, состоящая из двух горячих и крупных звезд, которые весьма медленно обращаются вокруг общего центра. Период обращения в этой гравитационной системе около 341 земного года. Кастор А и Кастор В отстоят друг от друга примерно в 76 раз дальше, чем Земля от Солнца. Иначе говоря, обе звезды разделяет расстояние, превышающее средний радиус орбиты Плутона.

Рядом с Кастором есть еще звезда 9-й звездной величины, сопровождающая Кастор А и Кастор В в их полете вокруг центра Галактики. Поэтому Кастор считается не двойной, а тройной звездой. Кастор С – третий компонент – это карликовая красноватая звездочка. Расстояние между ней и большими звездами системы – порядка 960 астрономических единиц. Кастор С обращается вокруг системы из Кастора А и Кастора В с периодом в десятки тысяч лет! Неудивительно, что за полтора века наблюдения Кастор С не сместился относительно больших Касторов.

Недавно обнаружили, что Кастор А и Кастор В – не одиночные звезды, а каждая из них распаладается на две, расстояния между которыми составляют около 10 миллионов километров, что в пять раз меньше, чем расстояние от Меркурия до Солнца. Кастор С тоже состоит из двух близнецов-карликов, удаленных друг от друга всего на 2,7 миллиона километров, что составляет 2,5 диаметра Солнца.

Вот такая круговерть имеет место в созвездии Близнецов. Если звезды видны на небе вблизи друг от друга и обе движутся в одном направлении и с одной скоростью – это верный признак того, что обе звезды гравитационно связаны между собой, т. е. образуют гравитационную систему.

Обе звезды, из которых состоит пара Кастор С, вращаются вокруг общего центра, лежащего почти в одной плоскости с нашей Солнечной системой. Из-за этого одна звезда из этой пары периодически закрывает часть другой, отчего общий блеск этой системы периодически то уменьшается, то увеличивается. Поэтому Кастор С является затменно-переменной звездой.

Таким образом, была открыта система из шести солнц, связанных между собой силами взаимного тяготения. Две пары горячих огромных звезд и пара холодных красноватых карликов непрерывно участвуют в сложном движении. Двойники система Кастор А совершают оборот вокруг общего центра масс всего за 9 дней, а двойники двойной системы Кастор В за 3 дня. Красноватые карлики вращаются вокруг общего центра еще быстрее – всего за 19 часов.

Каждая из трех пар звезд-двойников обращается вокруг общего центра масс. Два центра масс в системе Кастор А и Кастор В обращаются вокруг точки, которую также можно считать центром масс системы Кастор А и Кастор В (т. е. четырех солнц). И эта точка, наконец, совершает вместе с парой Кастор С обращение вокруг главного центра масс всей системы из шести солнц.

Не исключено, что в этой сложной системе из 6 звезд могут быть и планеты, небо которых украшают сразу шесть солнц. Думаю, что система Касторов – не единственная сложная система гравитационно связанных звезд в Галактике. Просто астрономические наблюдения продолжаются слишком мало для того чтобы установить системы звезд, вращающихся вокруг общих центров массы и делающих полный оборот за столетия и тысячелетия.

Физически двойными называют звезды, которые образуют единую динамическую систему и обращаются вокруг общего центра масс под действием сил взаимного притяжения. Иногда можно наблюдать объединения трех и даже более звезд (так называемые тройные и кратные системы). Если оба компонента двойной звезды достаточно удалены друг от друга, так что видны раздельно, то такие двойные называют визуально двойными. Двойственность пар, компоненты которых не видны в отдельности, может быть обнаружена либо фотометрически (например, затменные переменные звезды), либо спектроскопически (например, спектрально-двойные звезды).

Чтобы определить, есть ли физическая связь между парой звезд, и не является ли эта пара оптически двойной, производят длительные наблюдения, с помощью которых определяют орбитальное движение одной из звезд относительно другой. Физическая двойственность таких звезд с большой вероятностью может быть обнаружена по их собственным движениям, так как звезды, образующие физическую пару, имеют почти одинаковое собственное движение. В некоторых случаях видна лишь одна из звезд, совершающих взаимное орбитальное движение, при этом ее путь на небе выглядит волнистой линией. Вторая звезда в такой паре очень маленькая и тусклая или вообще это не звезда, а планета.

Затменными переменными называют такие неразделимые при наблюдении тесные пары звезд, у которых меняется видимая звездная величина вследствие периодически наступающих для наблюдателя затмений одного компонента системы другим. В такой паре звезда с большей светимостью называется главной, а с меньшей – ее спутником. Яркими представителями звезд этого типа являются звезды Алголь и Лиры.

Вследствие регулярно происходящих затмений главной звезды спутником, а также спутника главной звездой, периодически меняется суммарная видимая звездная величина затменных переменных звезд. График, изображающий изменение потока излучения звезды со временем, называется кривой блеска. Момент времени, в который звезда имеет наименьшую видимую звездную величину, называется эпохой максимума, а наибольшую – эпохой минимума. Амплитудой называется разность звездных величин в минимуме и максимуме, а периодом переменности – промежуток времени между двумя последовательными максимумами или минимумами. У Алголя, например, период переменности равен чуть менее 3 суток, а у Лиры – более 12 суток. По характеру кривой блеска затменной переменной звезды можно найти элементы орбиты одной звезды относительно другой, относительные размеры компонентов, а иногда даже получить представление о их форме. В настоящее время известно более 4000 затменных переменных звезд различных типов. Минимальный известный период – менее часа, наибольший – 57 лет.

Двойная переменная зведа Алголь состоит из голубоватой большой звезды и небольшого ее спутника, который периодически закрывает большую Алголь и снижает ее блеск. Справа – одиночная звезда красный гигант. Фото с сайта: http://vseokosmose.do.am/news/2012-03-11-10

Двойная звезда в созвездии Лиры. Вещество звезды А (ее атмосфера) срывается гравитацией звезды В и поглощается ею. Фото и рисунок с сайта: http://vseokosmose.do.am/news/2012-03-11-10

Тесные двойные системы представляют собой такие звездные пары, расстояние между которыми можно сопоставить с их размерами. При этом приливные взаимодействия между компонентами системы начинают играть существенную роль. Поверхности обеих звезд под действием приливных сил перестают быть сферическими, звезды приобретают эллипсоидальную форму и у них возникают направленные друг к другу приливные горбы, подобно лунным приливам в океане Земли. Форма, которую принимает тело, состоящее из газа, определяется поверхностью, проходящей через точки с одинаковыми значениями гравитационного потенциала. Такие поверхности звезд называются эквипотенциальными. Если внешние слои звезд выходят за пределы внутренней полости Роша, то растекаясь вдоль эквипотенциальных поверхностей, газ может, во-первых, перетекать от одной звезды к другой, а, во-вторых, образовать оболочку, охватывающую обе звезды. Классическим примером такой системы является звезда Лиры, спектральные наблюдения которой позволяют обнаружить как общую оболочку тесной двойной, так и газовый поток от спутника к главной звезде.

Примерно так выглядит тесная двойная звезда с одной из планет этой гравитационной системы. Рисунок с сайта: http://science.compulenta.ru/612893/

Изменение блеска (m) звезды U Близнецов. У карликовых новых, к которым относится U Близнецов, нестабильный аккреционный диск, являющийся причиной кратковременных вспышек длительностью несколько суток, во время которых происходит скачкообразное увеличение блеска на несколько звездных величин. Время измеряли в земных сутках (ось абсцисс). График с сайта: http://old.college.ru

Когда одна звезда закрывает другую, общая светимость этой системы снижается.

При написании данной странички была также использована информация с сайтов:

1. Википедия. Адрес доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/

2. Все о Космосе. Адрес доступа: http://vseokosmose.do.am/news/2012-03-11-10

4. http://eco.ria.ru/ecocartoon/20091214/199173269.html#ixzz25sGZw2qh

5. Полевая физика. http://www.fieldphysics.ru/mass_nature/; http://www.fieldphysics.ru/gravity/

6. http://bugabu.ru/index.php?newsid=8124

7. Гришаев А.А. Внешний край пояса Койпера – граница солнечного тяготения. Адрес доступа: http://newfiz.narod.ru/koiper.htm

8. Саврин Виктор. http://shkolazhizni.ru/archive/0/n-41284/

9. Юровицкий В.М. Космонавтика требует новой механики и нового понимания гравитации. Адрес доступа: http://www.yur.ru

Строение и жизнь Вселенной

А.В. Галанин © 2012

Глава 4. Гравитационное взаимодействие звезд и планет в галактиках

При написании данной странички была также использована информация с сайтов: