Полная версия
Гравитация под контролем: от теории к технологиям будущего
Ирина Пономарь
Гравитация под контролем: от теории к технологиям будущего
ПРЕДИСЛОВИЕ
Проблема управления гравитацией является одной из «великих нерешенных задач» современной физики. Несмотря на успехи общей теории относительности (ОТО) в описании гравитационных явлений в макромире и Стандартной модели в описании других взаимодействий, их объединение остается недостижимым. Отсутствие общепринятой квантовой теории гравитации оставляет открытым вопрос о физической природе гравитационного поля и возможности его локальной модификации. Если бы такая возможность была реализована, это привело бы к революции в транспорте (левитирующие транспортные средства), строительстве (нейтрализация веса конструкций) и энергетике (новые способы извлечения энергии).
Подходы на основе Общей теории относительности (ОТО)
В рамках ОТО гравитация не является силой в ньютоновском смысле, а представляет собой проявление кривизны пространства-времени, создаваемой массой-энергией. Следовательно, «управление гравитацией» сводится к локальному изменению геометрии пространства-времени.
Экзотическая материя и кротовые норы
Наиболее обсуждаемый в теоретической физике способ создания локального искривления – использование материи с отрицательной плотностью энергии. Согласно уравнениям Эйнштейна, такая «экзотическая материя» необходима для поддержания проходимых кротовых нор (мостов Эйнштейна-Розена) и создания варп-двигателя Алькубьерре.
Концентрация отрицательной энергии в определенной области позволяет «сжать» пространство-время перед объектом и «расширить» позади него, что формально эквивалентно движению со сверхсветовой скоростью без нарушения локального предела скорости света.
На данный момент существование стабильной экзотической материи не подтверждено экспериментально. Квантовые эффекты (эффект Казимира) демонстрируют отрицательную плотность энергии лишь в микроскопических масштабах. Создание макроскопических объемов такой материи требует энергий порядка массы планеты Юпитер, что делает этот подход нереализуемым при текущем уровне технологий.
Гравитомагнитный эффект
Аналогично тому, как движущийся электрический заряд создает магнитное поле (электромагнетизм), вращающаяся масса должна создавать «гравитомагнитное» поле (гравитоэлектромагнетизм).
Вращающийся массивный объект (гироскоп) создает поле, аналогичное магнитному полю соленоида. Теоретически, можно создать конфигурацию вращающихся масс, которая бы генерировала гравитомагнитную силу, противодействующую земному притяжению.
Эффект чрезвычайно слаб. Эксперименты Gravity Probe подтвердили существование эффекта увлечения инерциальных систем отсчета (frame-dragging), но величина эффекта ничтожна. Для создания силы, способной поднять 1 кг массы на Земле, потребовался бы гироскоп массой с Луну, вращающийся с околосветовой скоростью. Инженерная реализация невозможна.
Подходы на основе альтернативных физических моделей
Вне рамок ОТО существует ряд гипотез, связывающих гравитацию с другими физическими явлениями, что открывает иные пути для управления ею.
Электрогравитация и диэлектрическая модель вакуума
Данный подход предполагает глубокую связь между электромагнитными и гравитационными полями. Одной из перспективных моделей является концепция, согласно которой физический вакуум представляет собой анизотропную диэлектрическую среду.
Гравитирующая масса создает градиент диэлектрической проницаемости вакуума. Этот градиент порождает пондеромоторные силы, действующие на заряженные частицы вещества, что мы и воспринимаем как гравитацию. Следовательно, создание искусственного градиента диэлектрической проницаемости с помощью мощных электромагнитных полей или метаматериалов может привести к возникновению сил, компенсирующих естественное гравитационное поле.
Этот подход выглядит наиболее перспективным с инженерной точки зрения. Он не требует отрицательной энергии или сверхмассивных объектов. Вместо этого он предлагает использовать технологии создания метаматериалов и управления электромагнитными полями высокой интенсивности. Создание прототипов устройств на основе этой теории является сложной, но потенциально выполнимой задачей.
Высокочастотные электромагнитные поля (Подход Подклетнова)
В 1990-х годах российский исследователь Е.Е. Подклетнов заявил об обнаружении эффекта ослабления гравитации над сверхпроводящим диском, вращающимся в высокочастотном магнитном поле. Предполагается, что вращающееся сверхпроводящее состояние создает «гравитационный экран», который частично ослабляет силу тяжести над ним. Результаты Подклетнова не были воспроизведены в других лабораториях и встретили скепсис в научном сообществе из-за недостаточной чистоты экспериментов и теоретической необоснованности. На данный момент этот эффект считается либо артефактом измерения, либо не имеющим практического применения.
Несмотря на отсутствие на сегодняшний день действующих антигравитационных устройств, теоретический анализ показывает принципиальную возможность решения этой задачи. Подходы, основанные на общей теории относительности, сталкиваются с непреодолимыми физическими барьерами. Наиболее перспективным направлением является исследование электродинамических свойств физического вакуума. Разработка метаматериалов, способных эффективно взаимодействовать с квантовыми флуктуациями вакуума и изменять его диэлектрическую проницаемость, является ключевым шагом на пути к практическому управлению гравитацией.
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ГРАВИТАЦИЯ И АНТИГРАВИТАЦИЯ
ГЛАВА 1. ГРАВИТАЦИЯ НА ГРАНИ: ПОЧЕМУ ВСЕЛЕННАЯ НЕ ПОДЧИНЯЕТСЯ ОДНОЙ ТЕОРИИ
Гравитация – самая привычная и одновременно самая загадочная из всех сил природы. Мы ощущаем её каждый день, она удерживает нас на Земле, определяет движение планет и формирует галактики. Но когда учёные пытаются заглянуть в самые экстремальные уголки Вселенной – к чёрным дырам или в момент Большого взрыва, – привычные законы начинают давать сбой.
Две великие теории
В XX веке физика подарила человечеству два великих открытия.
Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна объяснила гравитацию как искривление пространства-времени. Массивные тела, словно тяжёлые шары на натянутой простыне, прогибают ткань Вселенной, и именно это мы воспринимаем как притяжение. ОТО идеально описывает мир больших масштабов: от спутников до целых галактик.
Квантовая механика открыла удивительный мир микромира, где частицы могут находиться в нескольких местах одновременно, а энергия передаётся порциями – квантами. Эта теория безукоризненно работает для атомов, электронов и фотонов.
В чём противоречие?
Проблема в том, что эти две теории говорят о Вселенной совершенно разное.
Пространство-время. В ОТО оно гладкое и непрерывное. В квантовой механике – бурлит флуктуациями, где постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы.
Локальность. ОТО запрещает передачу информации быстрее скорости света. Квантовая механика допускает мгновенную связь между запутанными частицами.
Гравитация. В ОТО это геометрия. В квантовом мире все силы передаются через частицы-переносчики (например, фотоны для света). Для гравитации такую частицу – гравитон – пока не нашли.
Экстремальные условия: чёрные дыры и Большой взрыв
Когда мы пытаемся применить эти теории к чёрным дырам или моменту рождения Вселенной, возникают парадоксы.
В центре чёрной дыры, согласно ОТО, находится **сингулярность** – точка с бесконечной плотностью, где законы физики перестают работать.
Квантовая механика утверждает: бесконечностей в природе быть не может. Принцип неопределённости не позволяет точно локализовать частицу, а значит, и «точка» с бесконечной плотностью невозможна.
Большой взрыв – это тоже своего рода сингулярность. ОТО описывает начало Вселенной как момент, когда вся материя была сжата в бесконечно малую точку. Но что было «до»? Как возникла эта точка? Квантовая механика не может ответить на эти вопросы, потому что не учитывает гравитацию.
Почему квантовая механика «ломается»?
Квантовая механика не применима к чёрным дырам и Большому взрыву, потому что:
1. Она не включает гравитацию в свою структуру.
2. В условиях колоссальной плотности и кривизны пространства-времени её уравнения теряют смысл.
3. Принцип неопределённости вступает в конфликт с детерминированностью ОТО.
Поиск новой теории
Современная физика стоит на пороге новой революции. Учёные ищут «Теорию всего» – единую формулу, которая объединила бы гравитацию и квантовый мир. Среди кандидатов – теория струн, петлевая квантовая гравитация и другие смелые идеи. Но пока ни одна из них не получила экспериментального подтверждения.
Гравитация остаётся самой упрямой силой во Вселенной. И именно на её границах – у горизонта событий чёрной дыры или в первые мгновения после Большого взрыва – скрываются ответы на главные вопросы о природе реальности.
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ГРАВИТАЦИИ
Далее приведён перевод научной статьи «Электростатический гравитационный механизм действия, основанный на диэлектрических свойствах физического вакуума и физическом значении гравитационного потенциала» 1.
Аннотация
Установлена связь между полным гравитационным потенциалом и диэлектрической проницаемостью вакуума. Показано, что градиент электрической проницаемости вакуума возникает вблизи массивного гравитирующего объекта. Сделана попытка объяснения гравитационного механизма на основе пондеромоторного взаимодействия заряженных частиц с анизотропной диэлектрической средой. Доказана эквивалентность гравитационной массы и инерционной массы. Показано численно, что скорость света определяется размерами и массой Вселенной.
1. Введение
Гравитация на протяжении многих веков является загадкой для людей. Со времён Ньютона было несколько успешных математических теории гравитации, но нет общепризнанной теории, объясняющей физический механизм гравитации. Это самый значительный пробел в наших знаниях о гравитации. В настоящее время физика изучает эту проблему в различных направлениях: квантовая теория гравитации, основанная на использовании специфических гипотетических частиц-гравитонов [9], теория, основанная на свойствах гипотетических частиц – кварков [8], теории, которые являются развитием общей теории относительности [10], а также различные геометрические и топологические модели [11].
Как известно [1], основная идея гравитационной теории Эйнштейна подразумевает, что все естественные процессы имеют место в пространстве и времени, которые соответствуют не Евклидовой геометрии, но геометрии Римана. Пространство считается абсолютно пустым, но его свойства неразрывно связанны с распределением гравитирующих масс и их движением. Отклонения геометрических свойств пространства от Евклидовых объясняются наличием гравитирующих масс – т.е. массы определяют свойства пространства и времени, а они оказывают влияние на движение масс. Такой строго математический подход позволил получить адекватные результаты, которые представляет собой основу общей теории относительности (ОТО).
Однако идея пустого пространства связана с большим числом фундаментальных проблем и несоответствий. Во-первых, это противоречит принципу близкодействия. Чтобы устранить эту проблему при рассмотрении взаимодействия материальных объектов на каждом уровне (начиная с квантового уровня и заканчивая шкалой Вселенной) приходится изобретать различные агенты взаимодействия, а именно поля, струны, виртуальные частицы и тому подобное.
В абсолютном вакууме нет вещества в форме атомов и элементарных частиц, которые образуют атомы. Однако вакуум все еще обладает определенными физическими свойствами, присущими материи. При использовании любой системы физических единиц диэлектрические и магнитные характеристики вакуума отличаются от нуля. Определенное волновое сопротивление присуще вакууму. Следовательно, вакуум обладает известными индуктивными и емкостными свойствами. Всё это не соответствует представлениям об абсолютной пустоте. Поэтому термин «физический вакуум» давно используется в квантовой физике [2]. Под физическим вакуумом понимается сплошная материальная среда, образованная парами соответствующих элементарных частиц и античастиц. Следовательно, диэлектрические свойства присущи этой материальной среде. Эта среда является движущейся и течет, в ней могут возникать колебания и напряжения. Следовательно, невозможно применить абсолютную систему отсчета к этой среде. Именно это обстоятельство отличает физический вакуум от эфира, который был исключен в ходе развития теории относительности.
Из вышеизложенного следует идея о развитии наполненной физическим смыслом теории гравитации. Конечно, результаты этой теории должны согласовываться с известными результатами ОТО, но иметь другую интерпретацию, а именно, без использования понятия о пустом искривленном пространстве.
Цель настоящего исследования состоит в попытке объяснить гравитацию посредством электрического взаимодействия вещества и физического вакуума. Авторы используют результаты статьи [3], которые показывают, что масса является чисто электромагнитным феноменом, тогда как все механические явления представляют собой макроскопические проявления электродинамики физического вакуума.
2. Новая калибровочная фиксация гравитационного потенциала
Нетрудно получить выражение для ускорения свободного падения на поверхности Земли, а также для первой и второй космической скорости из закона всемирного тяготения:
где
– гравитационная постоянная;
– масса Земли;
– радиус Земли.
Гравитационный потенциал обычно используется для описания гравитационного поля в классической механике. Гравитационный потенциал имеет размерность квадратичной скорости и интерпретируется как отношение потенциальной энергии материальной точки, расположенной на расстоянии r от гравитирующего центра к массе этой точки:
Гравитационный потенциал на поверхности Земли выражается через первую и вторую космические скорости:
Здесь следует указать, что скалярные потенциалы обычно определяются с точностью до произвольной постоянной. Поэтому полный гравитационный потенциал должен быть записан следующим образом:
где C – постоянная. Выбор определенного значения этой константы называется фиксацией калибровки. Обычно предполагается, что С = 0, другими словами, считается, что на бесконечности гравитационный потенциал стремится к нулю. Это верно, если гравитирующим телом считать единственное тело. Однако, все реальные космические объекты взаимодействуют друг с другом и представляют собой компоненты Вселенной. Такая интерпретация требует другой калибровочной фиксации.
Давайте вычислим первую космическую скорость для всей Вселенной, считая последнюю глобулярной формацией:
где
Согласно современному представлению, возраст Вселенной составляет 13,8 млрд. лет. В этом случае ее радиус не должен превышать 13,8 млрд. световых лет – то есть 1,3047*1026 м. В настоящее время масса Вселенной оценивается в пределах диапазона от 6*1052 до 8,84*1052 кг [5]. Принимая верхнюю оценку (8), получим:
Принимая во внимание степень приближения для оценки массы и размеров Вселенной, полученное значение довольно близко к скорости света. Следовательно, оказывается, что известная скорость света соответствует вселенской первой космической скорости:
Уместно отметить, что мы не можем применять понятие второй космической скорости для всей Вселенной, потому что у нас нет представления об условиях движения тела за ее пределами. Постулат о предельном значении скорости света в пределах границ Вселенной в предлагаемой теории не нарушается.
Значение гравитационного потенциала в границах Вселенной предполагается таким:
Это значение следует использовать в качестве калибровочного значения. Полный гравитационный потенциал любого массивного объекта выражается в следующей форме с таким калибровочным значением:
Под М понимается масса, заключенная в сферический объем радиусом r. Полный гравитационный потенциал на поверхности Земли равен сумме квадратов первой космической скорости Вселенной и первой космической скорости Земли:
Исходя из соображений размерности, давайте предположим, что диэлектрическая проницаемость космической среды (физического вакуума) вблизи гравитирующих тел изменяется в соответствии с законом:
Коэффициент
Поскольку диэлектрическая проницаемость космической среды связанна со значением скорости света, из принятой гипотезы следует, что скорость света изменяется в зависимости от расстояния до гравитирующего объекта. Тот же результат следует из Общей теории относительности [1]. Однако известные астрономические данные не обнаруживают существенной разницы между скоростью света
Из (8), учитывая результаты, полученные из (6), мы получаем закон изменения диэлектрической проницаемости вакуума в зависимости от расстояния до гравитирующего центра r:
В строгом смысле скорость света следует рассматривать как функцию c = c ®. При условии, что
Здесь мы опускаем член с производной dc/dr, потому что (как показано выше) градиент скорости света мал.
Поскольку
тогда из (10) и (11) получаем:
В этом случае (9) принимает следующий вид:
На поверхности Земли:
Определим разницу между значениями диэлектрическая проницаемость вблизи границ Вселенной и вблизи Земли:
Относительное изменение диэлектрической проницаемости вакуума (то есть уменьшение диэлектрической проницаемости) вблизи Земли будет:
Нелегко экспериментально определить разницу между значениями
Таким образом, новое калибровочное закрепление гравитационного потенциала было предложено и обосновано авторами настоящей статьи. Они также установили связь между гравитационным потенциалом и диэлектрической проницаемостью космической среды вблизи гравитирующих тел. Кроме того, это даёт возможность рассматривать гравитационные волны как процесс распространения возмущений диэлектрической проницаемости вакуумной среды.
3. Электростатическая теория гравитации
Вычислим градиент функции (13):
В (16), как и в выражении (10) выше, член с производной dc/dr был опущен.
На поверхности Земли мы имеем следующее значение:
Определим электростатическую силу, действующую на электрон в вакуумной среде, которую мы считаем анизотропным диэлектриком. Известно, что анизотропная диэлектрическая среда, помещенная в электростатическое поле, подвергается воздействию пондеромоторной силы [4], объемная плотность которой определяется следующей формулой:
Строго говоря, формула (18) используется только в случаях линейной зависимости диэлектрической проницаемости от диэлектрической плотности [5]. Это условие выполняется, например, в газах. Предположим, что анизотропия вакуумной среды может быть аппроксимирована к линейной функций (по крайней мере, в первом приближении). Именно этот случай описан ниже.
Наш случай характеризуется противоположной ситуацией – заряд находится в неограниченной анизотропной диэлектрической среде. Очевидно, что сила, с которой действует заряд на эту среду, равна (по модулю) силе, с который среда действует на заряд. Знаки этих сил противоположны. После интегрирования (18) по объему
где
Формулу (19) нельзя использовать для точечной частицы. Модель электрона как частицы сферической формы, имеющей четкие границы, предложена в статье [3]. Считается, что электрон расположен в вакуумной среде и неразрывно связан с последней. Теперь мы поместим систему отсчета в центр электрона и начало двух систем координат, называемых, Декартовой системой координат и сферической системой координат. Связь между декартовыми координатами и сферическими координатами задается следующим отношением:
Электрическое поле частицы сферически симметрично в выбранной системе отсчета:
Диэлектрическая проницаемость анизотропной среды может быть представлена в виде линейной функции:
где
