К РЕАЛЬНОЙ ДИНАМИКЕ ПРОБНЫХ ТЕЛ: ЛОКАЛЬНО-АБСОЛЮТНЫЕ УСКОРЕНИЯ
Гришаев А.А.
Введение.
Ещё в школе нам внушали, что скорости относительны, а ускорения абсолютны. И добавляли, что такой вывод, якобы, подтверждается опытом, поскольку скорость не удаётся измерять автономно, а ускорение удаётся: с помощью акселерометров.
Однако, хорошо известно следующее. Во-первых, акселерометры реагируют на ускорения только негравитационного происхождения – например, порождаемые силами тяги двигателей. У свободно падающего на Землю акселерометра натяжения чувствительных элементов равны нулю – поэтому, без дополнительных ухищрений, он «не почувствует» даже увеличения ускорения своего падения по мере приближения к Земле. Во-вторых, если «абсолютные» скорости не удаётся измерять, то это может свидетельствовать всего лишь о нашем неумении – ведь концепция относительных скоростей не всегда работает на практике. Например, считается, что квадратично-допплеровская разность ходов у пары произвольно движущихся часов зависит только от их относительной скорости. Но совсем о другом говорят эксперименты с перевозимыми атомными часами, начиная с их кругосветных воздушных транспортировок в опытах Хафеле-Китинга [1]: этим авторам, для обоснования обнаруженных расхождений между «мобильными» и «стационарными» часами, пришлось признать, что двигались на самом деле и те, и другие – в геоцентрической невращающейся системе отсчёта. Аналогично поступают сегодня при использовании атомных часов на бортах навигационных спутников – с тем лишь дополнением, что, в насмехательство над пресловутым «парадоксом часов (или близнецов)», частоту квантового стандарта, перед запуском его на орбиту, специально сдвигают так, чтобы орбитальные часы шли синхронно со стационарными наземными; этот секрет наконец-то раскрыт в официальном издании [2]. Относительная скорость орбитальных и наземных часов испытывает суточно-полусуточные вариации, но это не отражается на разности ходов у этих часов! Таким образом, практика неумолимо показывает, что расчёт квадратично-допплеровской разности ходов у пары произвольно движущихся атомных часов, выполненный на основе их относительной скорости, оказывается неверен (за исключением тривиального случая, когда часы находятся рядом и имеют нулевую относительную скорость). Для верного же расчёта требуется использовать индивидуальные скорости тех и других часов – это как раз те скорости, которые мы называем локально-абсолютными [3]. В окрестностях Земли это скорости, отсчитываемые в геоцентрической невращающейся системе отсчёта.
Почему же так распространено убеждение в том, что «скорости относительны, а ускорения абсолютны»? Как можно видеть, это утверждение совершенно справедливо для совокупности систем отсчёта, «движущихся друг относительно друга прямолинейно и равномерно», как говорил Эйнштейн [4]. Впрочем, ни одну из практических систем отсчёта, входящих в эту замечательную совокупность – кстати, составляющую область применимости специальной теории относительности – Эйнштейн так и не смог указать. И это не удивительно: взаимодействия в реальном физическом мире приводят к тому, что все практические системы отсчёта оказываются в той или иной степени ускоренными, поэтому текущее ускорение тела оказывается различным по отношению к различным практическим системам отсчёта.
Такая ситуация с ускорениями в реальном физическом мире аналогична ситуации со скоростями. Но мы старались показать в предыдущих статьях, что, хотя текущая скорость пробного тела различна по отношению к различным системам отсчёта, имеет смысл говорить о его локально-абсолютной скорости. Теперь мы сделаем следующий шаг и постараемся показать, что имеет также смысл говорить и о локально-абсолютном ускорении пробного тела. Логичное дополнение идеи о локально-абсолютных скоростях идеей о локально-абсолютных ускорениях открывает дорогу к построению реальной динамики пробных тел – которая описывает физические процессы, в том числе и превращения энергии, как происходящие однозначным образом. Эта однозначность и независимость от «точек зрения» разных «наблюдателей» являются, на наш взгляд, непременными атрибутами действия объективных физических законов.
Понятие локально-абсолютного ускорения.
Мы дали определение локально-абсолютной скорости как скорости относительно локального участка частотного склона – который обеспечивает превращение массы пробного тела, при его свободном падении, в его кинетическую энергию [5]. Частотный склон – это невещественная реальность, но, на практике, всегда находится тело для отсчёта локально-абсолютной скорости: это большое космическое тело, находящееся в центре частотной воронки, о локальном участке частотного склона которой идёт речь. Для области пространства, которую занимает частотная воронка Земли, таким телом отсчёта является, конечно, Земля; здесь локально-абсолютная скорость – это скорость в геоцентрической невращающейся системе отсчёта.
Вспомним, что в кинематике вектор ускорения определяется как производная вектора скорости по времени. Совершенно аналогично, вектор локально-абсолютного ускорения пробного тела мы определяем как производную вектора его локально-абсолютной скорости по времени. Если пробное тело находится в свободном падении – падая по местной вертикали или двигаясь по невозмущённой кеплеровой орбите – то его локально-абсолютное ускорение есть локальный вектор ускорения свободного падения. Если, кроме тяготения, на него действуют дополнительные силы – например, сила реакции опоры или подвеса, сила тяги двигателя – то его локально-абсолютное ускорение есть соответствующая векторная сумма ускорений. Подчеркнём, что в эту сумму входят только ускорения, порождаемые реальными физическими воздействиями на пробное тело. При этом, как и в обычной динамике, не всегда такие воздействия совершают работу. Если изменяется только направление вектора локально-абсолютной скорости, то превращений энергии не происходит; они происходят при изменении модуля вектора локально-абсолютной скорости.
Таким образом, мы избавляемся от недоразумений, порождаемых формально-логическим подходом к движению тел. В частности, этот подход приводит к допущению реальности сил инерции – для объяснения тех ускорений у тел, которые обусловлены не физическими воздействиями на эти тела, а ускорением тела, с которым связана система отсчёта. Так, в системе отсчёта, связанной с падающим на Землю камнем, этот камень покоится, а Земля, формально, движется к нему с ускорением g, влекомая «силой инерции», которая, на наш взгляд, фиктивна и не совершает никакой работы. А ведь эта работа, формально, должна быть чудовищна, не сильно отличаясь от половины произведения квадрата скорости соударения Земли и камня на массу Земли. Между тем, известно, что при таком соударении может выделиться энергия, пропорциональная массе не Земли, а камня. Значит, двигался с ускорением g именно камень. Это однозначно вытекает из реального баланса энергии – и этот же результат даёт концепция локально-абсолютных ускорений, согласно которой локально-абсолютное ускорение Земли, покоящейся в своей частотной воронке, всегда равно нулю.