НЬЮТОНОВСКАЯ МЕХАНИКА НЕВЕРНА КОНЦЕПТУАЛЬНО

УДК 531.51

В.М.Юровицкий

Ньютоновское построение теоретической механики существует в качестве официальной теории современной науки уже более  300 лет. И существует множество доказательств ее концептуальной неверности. Но современное научное сообщество хранит верность этой теории, хотя ее неадекватность буквально сыплется на нас с небес. Приведем лишь некоторые из наиболее ярких ошибочных представлений.

1. Закон о равномерном и прямолинейном движении центра масс замкнутой системы тел.   

Доказательство основывается на представлении центра масс системы через массовые и геометрические характеристики составляющих тел. Затем это соотношение дважды дифференцируется и произведения масс тел на их ускорения заменяются на силы, сумма которых для замкнутой системы равны нулю. Отсюда делается вывод, что на центр  масс замкнутой системы тел не действуют никакие силы и потому в инерциальной системе отсчета центр масс замкнутой системы взаимодействующих тел движется равномерно и прямолинейно или покоится.

Такой вывод неверен. Действительно, можно складывать силы, приложенные к одному и тому же телу. Можно складывать силы, приложенные ко всем телам системы, но этим характеризуется не тело, а система. Равенство нулю всех сил, приложенных ко всем телам системы означает ее замкнутость, но ничего не говорится об отдельных телах. Здесь же этот вывод мы прикладываем к  фактически к реальному или виртуальному телу, размещенному в центре масс. Для него можно вкладывать силы, приложенные к этому телу, а не силы, приложенные к различным телам. Поэтому вывод о равенстве нулю равнодействующей, приложенной к реальному или виртуальному телу, находящемуся в центре масс системы неверен, и потому и вывод о равномерном и прямолинейном  движении или о состоянии покоя центра масс также неверен.

Этот вывод проверяется очень легко. Рассмотрим систему двух взаимодействующих тел массой m₁ и m₂. Центр масс этой системы лежит внутри отрезка прямой, соединяющего массы, и отношение между расстояниями x₁ и x₂ от центра масс до тел определяется отношениями:

x2/x1 = m1/m2.

Рассмотрим теперь расположение точки равновесия сил при различных типах взаимодействия между телами:

─ вращение двух тел, связанных невесомой жесткой связью:

x2/x1 = m1/m2.

─ гравитационное взаимодействие (по Ньютону):

x2/x1 =sqrt (m1/m2) 

─ электрическое взаимодействие двух однополярных тел на пробное заряженное тело:

x2/x1 =sqrt (q1/q2) 

─ при электрическом взаимодействии разнополярных зарядов:

 1-x0/x1 = sqrt (q1/q2)

Здесь точка равновесия лежит за пределами отрезка, соединяющего заряды. При равенстве этих зарядов точка равновесия, а, следовательно, и начало инерциальной системы отсчета по Ньютону уходят в бесконечность. Интересно, что все атомы и молекулы электрически нейтральны, значит их точка ньютоновского равновесия лежит в бесконечности и значит инерциальная система отсчета по Ньютону для них вообще нереализуема.

Таким образом, мы видим, что равновесие сил в системе двух взаимодействующих тел достигается в различных точках соединяющих эти тела прямой при различных типах взаимодействия. Так как в этих точках равнодействующая равна нулю, то именно эти точки, точнее пробные тела, помещенные в них, будут двигаться равномерно и прямолинейно или покоиться. Центр масс в некоторых видах взаимодействия действительно есть центр силового равновесия. Но в общем случае это не так. И следовательно положение, являющееся центром ньютоновской механики систем о равномерном и прямолинейном движении или покое (в инерциальной системе отсчета) центра масс замкнутой системы взаимодействующих тел, неверно.

Если замкнутая ограниченная система взаимодействующих тел рассматривается в точечном приближении, т.е. в масштабах, существенно превышающих пространственные размеры системы, то в этом приближении сама система тел движется равномерно и прямолинейно в инерциальной системе отсчета. Но при рассмотрении в масштабах, сравнимых с размерами системы какая именно точка, точнее, реальное или виртуальное тело в пределах системы, будет двигаться равномерно и прямолинейно сказать априори НЕВОЗМОЖНО. А это фактически означает неверность значительной части механики системы тел в ньютоновском представлении.

1. Гравитационные представления ньютоновской механики

Понятие невесомости вошло в научный оборот и в широкие массы с началом космической эры. Хотя о невесомости в комическом полете писал еще в конце девятнадцатого века великий русский ученый и провидец К.Э.Циолковский. Но ни Ньютон, ни Лагранж, ни Лаплас, ни Пуанкаре не имели представления и не предполагали существование этого феномена, приобретшего такое важное значение в век космоса. И это вполне понятно. Ведь согласно третьему закону Ньютона всякому действию, т.е. силе, приложенной к телу, отвечает равное и противоположно направленное противодействие, т.е. сила, направленная от тела к источнику силы. Эту противодействующую силу можно назвать силой веса тела. Действительно, если мы возьмем на ладонь камень, то на этот камень от нашей ладони будет действовать сила. Причем эта сила есть сила упругости, т.е. электрического характера. По третьему закону Ньютона камень будет действовать с силой противодействия на нашу ладонь, которая и носит название сила веса или просто весом. Так как по Ньютону гравитация есть силовой феномен, т.е. к любому телу, входящему в области действия гравитационного поля, приложена сила, то и от тела исходит сила противодействия, которая и есть сила веса. Если на тело не действуют никакие силы, то у него нет и веса, и такое тело находится в невесомом состоянии. Таким образом, согласно силовой концепции гравитации Ньютона, все тела, находящиеся в области действия гравитационного поля, имеют вес и находятся в весомом состоянии. Для механиков с семнадцатого по двадцатый век это было очевидно, и потому существование феномена невесомости ими просто не допускалось.

Но космонавтика обнаружила феномен невесомости тел на орбите, находящихся в области действия гравитационного поля Земли. Но невесомость означает отсутствие веса, а значит и отсутствие приложенных сил. Следовательно, гравитационных сил на орбите не существует.

Аналогичное рассуждение можно провести по поводу рассматриваемого выше камня на ладони на Земле. Мы видим, что в этом случае на камень действует активная сила от ладони, препятствующая естественному движению (падению) камня в направлении центра Земли. Ясно, что эта сила есть сила упругости, т.е. электрического происхождения. Отвечающая ей сила противодействия ─ сила веса ─ также есть сила упругости. Никаких сил тяжести в этом силовом контакте мы не видим. А видим состояние покоя в неинерциальной системе отсчета, в которой свободные тела движутся ускоренно. А следовательно и здесь подтверждается вывод о несуществовании гравитационных сил.

Отсюда с неизбежностью следует вывод о том, что гравитация не есть силовой феномен, как электричество или магнетизм, как это предполагает ньютоновскася теория гравитации с ее законом всемирного тяготения.

Что же представляет из себя феномен гравитации? Этот феномен состоит в изменении свойств пространства, заключающийся в том, что свободные (невесомые) тела, движущиеся равномерно и прямолинейно или покоющиеся в негравитационном пространстве, в области гравитационного влияния движутся уже более сложным способом. Это может быть уже и круговое, и эллиптическое, и иные виды свободного (естественного) движения. А для того, чтобы изменить это естественное движение свободного (невесомого) тела, например, перевести его в покоящееся состояние, необходимо приложить к телу некоторые силы, как правило, электрического характера, что одновременно делает само тело уже весомым.

Таким образом, невесомость есть состояние всех свободных (не подвергающихся  воздействию сил, например, электрической природы) тел. Свободными и невесомыми являются кометы и космические корабли при неработающем двигателе,  являются планеты и спутники, звезды и галактики в точечном представлении. Гравитация не является источником сил, она лишь способствует проявлению этих сил.

Другими словами, гравитация есть феномен, по преимуществу, кинематический, как это и рассматривалось в птолемеевских гравитационных представлениях. Первым эту концепцию гравитации в эскизном представлении опубликовал Альберт Эйнштейн в своей работе 2007 года в виде принципа эквивалетности, т.е. эквивалетности движения свободных тел в гравитационном поле и в негравитационном поле в неинерциальной системе отсчета. Но уже в работе 1913 года он отказался от этой концепции в пользу метрической концепции гравитации, которая до сих пор вызывает большие возражения в среде механиков.

Итак, гравитационная теория Ньютона, входящая важнейшей составной частью в ньютоновскую механику, оказалась концептуально несостоятельной.

Но нужно отметить, что далеко не все выводы ньютоновской теории являются ложными. Ведь из ложных предпосылок могут, как утверждает логика, следовать и верные, и неверные выводы. И ньютоновская гравитационная теория есть блестящее подтверждение этого логического утверждения. Движения малых тел в поле большого гравитирующего тела (Солнечная система, движение спутников в поле Земли и др.), несмотря на концептуальную неверность ньютоновского подхода, описывается им  достаточно верно, благодаря чему ньютоновская гравитационная теория на базе закона всемирного тяготения сыграла в познания окружающего мира человеком и в распространении научного мировоззрения выдающуюся роль.

1. Инерциальная система отсчета 

Инерциальная система отсчета является центральным понятием ньютоновской механики. Фактически, вся классическая механика развивалась на базе этого понятия. Но самое удивительное состоит в том, что ньютоновская механика за три с половиной века своего развития так и не смогла дать непротиворечивого, конструктивного определения этого понятия. Фактически, здесь механика попала в логический круг: инерциальная система есть система отсчета, в которой имеет место второй закон Ньютона, а второй закон Ньютона, в свою очередь, имеет место быть только в инерциальной системе отсчета.

4.      Галактическая механика

Ньютоновская механика дает сравнительно верное описание иерархических гравитирующих систем ─ солнечных систем, движение спутников вокруг планет.

Но она потерпела фиаско при рассмотрении неиерархических гравитационных систем. В частности, в таком разделе теоретической механики как небесная механика при исследовании движения многих тел сравнимой массы практически не получено никаких значимых результатов. И это явилось источником того сокрушительного поражения, которое она потерпела при изучении галактических систем.

Согласно ньютоновской механике в галактике распределение скоростей движения звезд вокруг центра должно характеризоваться уменьшением линейной скорости по мере удаления от центра галактики. Но действительность оказалась в вопиющем противоречии с этим «теоретическим» выводом. Астрономические наблюдения показали обратный закон распределения скоростей звезд в галактике ─ чем дальше от центра, тем линейные скорости звезд больше.

Галактика не есть иерархическая система, это система более или менее однопорядковых объектов. Фактически, звездный бульон. И оказалось, что таким гравитирующим системам ньютоновская механика не может дать адекватного описания.

Казалось бы из этого должен был бы следовать единственный научно обоснованный вывод: ньютоновская механика не является адекватной теорией гравитации, несмотря на имеющий ряд достаточно верных выводов, подтвержденных практикой астрономических наблюдений и космонавтикой.

Увы, механическая наука пошла по иному пути ─ не корректировки теории, а корректировки научных представлений о самом мироздании. Причем эта корректировка фактически возрождает древнейшие мистики о таинственных ненаблюдаемых и непознаваемых сущностей, с каковыми представлениями наука вела длительную борьбу с конца средневековья (теплород, флогистон, алхимия, астрология, кабалистика и пр.). Именно к этому в виде ненаблюдаемых масс свелось спасение ньютоновской теории.

5.    Теория движения Луны

Теория движения Луны, по мнению Лапласа, является наиболее трудной проблемой теоретической астрономии. К сожалению, до сих пор нет ответа на главный вопрос в этой теории: ньютоновская гравитационная сила притяжения Луны Солнцем в четыре раза превышает силу притяжения ее Землей. Как же смогла «слабенькая» Земля увести Луну от «могучего» Солнца? Существующие теории Луны представляют из себя тысячи  поправочных членов, создающие экстраполяцию движения Луны на основе данных о прошлом ее движении. Простой и наглядной теории движения Луны в нулевом или первом приближении до сих пор на базе ньютоновской гравитационной теории создать так и не удалось.

6.      Проблемы ближайших к Солнцу планет

Проблемы движения ближайших к Солнцу планет так же не имеют до сих пор решения в ньютоновской теории. В движении этих планет, кроме вращения самих планет вокруг Солнца, наблюдается еще медленное вращение самих орбит, наиболее ярко выражающееся в движении перигелия Меркурия.  Этот эффект не нашел даже попытки объяснения на базе ньютоновской теории гравитации. Имеющиеся попытки объяснения в с позиций метрической теории гравитации ─ Общей теории относительности ─  трудно признать серьезными ввиду самой ненадежности и сомнительности этой теории. Тем более, что масштаб проявления этих эффектов лежит во вполне классической, нерелятивистской области.

7.      Фундаментальные понятия механики

Центральным понятием ньютоновской механики является сила. Ньютоновская механика своим предметом ведения имеет макромир, т.е. механические явления в антропосопоставимых масштабах. В этих масштабах сила имеет явное и наглядное представление в виде натянутой струны, налившивщшихся мышц атлета, натянутых постромок повозки и т.п.

Но уже в микромире понятие силы теряет свою наглядность, и она практически изгнана из сферы микромеханики и микрофизики. И это потребовало создания новой механики, названной квантовой механикой. Квантовая механика во главу своего теоретического тезаурса ставит такие понятия как энергии, пси-функции и др.

В мегамеханике сила также практически потеряла свою функциональность. И если в исходных уравнениях небесной механики записывают силы, то только для того, чтобы первым действием избавиться от них. Фактически, нигде, ни в небесной, ни в звездной, ни в галактической механике силы не используются. Например, вопрос о том, каковы силы действуют между галактиками, а тем более между метагалактиками покажется просто нелепым. Даже в космонавтике силы используются чрезвычайно редко.

Это означает, что силы в мегамеханике есть первый конкурент на использовании на них бритвы Оккама, т.е. исключить их из фундаментальных понятий мегамеханики. Исключение фундаментальных понятий теории и замена их иными фундаментальными понятиями означает, как правило, достаточно серьезное обновление теории. Таким образом, ньютоновская механика в области, по крайней мере, мегамира, требует серьезной теоретической реконструкции.

Заключение

Ньютоновская механика неверна. Не полностью. но в самой значительной степени. Неверна именно концептуально. И особенно раздел механика систем и гравитационная механика. Это уже тормозит космонавтику. Конечно, машину классической механики, освещенной именами Ньютон, Лаплас, Лагранж, Пуанкаре и пр. тысячами диссертаций, миллионами диссертаций, книг, статей - невероятно сложно.

Но истина возьмет свое.