Эффект Допплера при радиолокации Луны.

Введение.

Собственное тяготение Луны не похоже на собственное тяготение планет. У планеты оно обусловлено, по нашей терминологии, планетарной частотной воронкой [1], склоны которой обеспечивают приобретение пробным телом ускорение свободного падения к «силовому центру», а также задают «инерциальный фон» для отсчёта локально-абсолютных скоростей [2] пробных тел. Что же касается Луны, то имеются свидетельства о том, что она не имеет собственной частотной воронки.

Действительно, если бы существовала лунная частотная воронка, то имело бы место взаимное притяжение между ней и другими частотными воронками [3]. Наиболее заметным образом это проявлялось бы через динамическую реакцию земной частотной воронки: Земля обращалась бы в противофазе с Луной около «центра масс» этой пары. Хотя широко распространено мнение о том, что такое обращение имеет место, мы постарались показать, что Луна движется вокруг Земли как пробное тело, не вызывая у неё динамической реакции [4]; при этом Земля не обращается около «барицентра» Земля-Луна, а совершает одномерные колебания, с периодом в синодический месяц, вдоль местного участка своей околосолнечной орбиты [5]. Далее, вторым свидетельством отсутствия у Луны частотной воронки является обнаруживаемый при радиолокации Луны вклад в эффект Допплера, соответствующий геоцентрической лучевой скорости Луны. При наличии лунной частотной воронки, локально-абсолютная скорость Луны была бы равна нулю, и названный вклад отсутствовал бы [6]. Наконец, движение космических аппаратов около Луны является весьма аномальным, что до сих пор не нашло правдоподобного объяснения с позиций традиционных представлений о тяготении.

В данной статье мы предлагаем модель, которая объясняет, каким образом могло быть сформировано лунное тяготение не на основе принципа частотной воронки. Мы полагаем, что, при сохранении геометрии земного частотного склона, в окололунном пространстве организованы дополнительные модуляции локально-абсолютных скоростей пробных тел. Эти модуляции создают эффект «зыбкого пространства», порождая собственное тяготение Луны. При таком подходе объясняются не только необычные особенности лунного тяготения, но и некоторые оптические феномены в окололунном пространстве.

Эффект Допплера при радиолокации Луны.

По линейному эффекту Допплера при радиолокации большого космического тела можно судить о том, имеет ли оно частотную воронку. Этот тезис основан на том, что эффект Допплера для радиоволн зависит не от относительной скорости излучателя и приёмника (как считается в специальной теории относительности) – он, вообще говоря, зависит от проекций локально-абсолютных скоростей излучателя и приёмника на соединяющую их прямую [1]. Планеты покоятся в своих частотных воронках, так что их локально-абсолютные скорости равны нулю. Поэтому, при прохождении радиоволн от планеты к планете, отсутствует тот вклад в эффект Допплера, который соответствует взаимному сближению или расхождению этих планет – что и обнаружилось при радиолокации узкополосным сигналом удалявшейся Венеры в 1961 г. (см. в [6]).

Таким образом, если Луна имела бы собственную частотную воронку, то, при радиолокации Луны узкополосным сигналом, отсутствовал бы вклад в эффект Допплера, соответствующий изменению геоцентрического расстояния до Луны из-за того, что её орбита не является круговой. В действительности же этот вклад присутствует, как и вклад, обусловленный приближением-удалением радиолокатора к Луне из-за суточного вращения Земли.

Присутствие обоих этих вкладов демонстрируют, например, результаты измерений эффекта Допплера при радиолокации Луны [7] на интервале от её восхода до захода. На первой половине этого интервала эффект Допплера монотонно уменьшался, достиг нуля, а затем монотонно увеличивался – не принимая отрицательных значений [7]. Это, на первый взгляд, странно, поскольку здесь главный вклад в допплеровский сдвиг должно давать движение радиолокатора из-за суточного вращения Земли, причём от восхода и примерно до кульминации Луны радиолокатор должен приближаться к ней, а затем – удаляться от неё. Но дело заключается в том, что допплеровский сдвиг частоты эхо-сигнала измерялся методом синхронного детектирования. Как известно, разностная частота на выходе синхронного детектора положительна независимо от того, больше ли исследуемая частота, чем опорная, или меньше. Поэтому там, где зависимость эффекта Допплера [7] достигает нуля, в действительности происходит смена знака.

Приведённых в [7] данных вполне достаточно, чтобы убедиться в наличии вклада в эффект Допплера, соответствующего изменению геоцентрического расстояния до Луны. Об этом свидетельствует неравенство измеренного эффекта вблизи восхода и захода Луны, величиной в сотню с небольшим герц. Именно такое неравенство должно было иметь место, если учесть, что Луна прошла через перигей полутора сутками раньше проведения измерений.

Таким образом, эффект Допплера при радиолокации Луны свидетельствует, на наш взгляд, о том, что вектор локально-абсолютной скорости Луны отсчитывается в геоцентрической системе отсчёта, будучи равен вектору орбитальной скорости движения Луны вокруг Земли. Это характерно для околоземного движения как раз пробного тела, не имеющего собственной частотной воронки. Скажем больше: векторы локально-абсолютных скоростей космических аппаратов в окрестностях Луны также отсчитываются в геоцентрической системе отсчёта. Об этом свидетельствуют допплеровские измерения при радиосвязи с ними (см., например, [8,9]).

Значит, собственное тяготение Луны организовано каким-то необычным способом, при котором не нарушается – по крайней мере, в первом приближении – геометрия местного участка земного частотного склона. Отсутствие лунной частотной воронки означает, что тяготение Луны обладает необыкновенным свойством: оно не сопровождается гравитационными сдвигами энергетических уровней в веществе. Но, из энергетических соображений, подобные сдвиги уровней непременно должны иметь место – и, как будет ясно из дальнейшего изложения, в случае тяготения Луны эти сдвиги имеют квадратично-допплеровскую природу.

«Зыбкое пространство» в окрестностях Луны: что это такое.

Мы полагаем, что принцип, по которому создаётся тяготение Луны, является развитием принципа, по которому возникают центробежные силы. Напомним, что, согласно изложенному в [10] подходу, центробежные силы возникают из-за радиальных градиентов линейных скоростей, с которыми вращаются различные элементы этого тела. Действительно, радиальная зависимость собственных частот квантовых пульсаторов во вращающемся теле, из-за квадратичного эффекта Допплера, имеет вид

, (1)

где v и w - линейная и угловая скорости вращения, f ₀ – частота при v =0, R – радиус вращения, с – скорость света. Применяя к (1) формулу для ускорения, которое приобретает пробное тело в условиях локального градиента частот [11], получаем для центробежного ускорения хорошо известную величину:

. (2)

Происхождение центробежных сил является иллюстрацией принципа: если в объёме тела имеется градиент скоростей, с которыми движутся его различные элементы, то этот градиент скоростей порождает соответствующее силовое воздействие на тело. Теперь заметим, что градиент скоростей в объёме тела может порождаться не только подвижками самого тела, но и подвижками, если можно так выразиться, «инерциального пространства».

Этот термин – «инерциальное пространство» - использован здесь не в качестве отвлечённой абстракции. В нашей концепции имеются конкретные реализаторы свойств «инерциального пространства» - это частотные склоны, участки которых задают в соответствующих объёмах пространства «неподвижный фон» для отсчёта локально-абсолютных скоростей физических объектов. В дополнение к этому «неподвижному фону», в некотором объёме возможно организовать такие дифференциальные подвижки «инерциального пространства», которые обеспечат дополнительное силовое воздействие на пробное тело. Обрисуем наиболее правдоподобную, на наш взгляд, картину этих подвижек, обеспечивающих тяготение Луны.

Рассмотрим движение Луны на достаточно небольшом участке околоземной орбиты, когда можно пренебречь кривизной траектории Луны и её собственным вращением. При этом, в области действия лунного тяготения, векторы локально-абсолютных скоростей всех физических объектов, покоящихся относительно центра Луны, имеют одинаковую постоянную составляющую, равную вектору V _orb орбитальной скорости Луны. Мы полагаем, что, в добавление к этой постоянной составляющей, для каждого элементарного объёмчика, положение которого определяется радиус-вектором r в селеноцентрической системе координат, задана переменная составляющая локально-абсолютной скорости, имеющая вид V sin (w t ), где вектор V параллелен радиус-вектору r, а w - частота модуляции. Уточним: положение физического объекта, покоящегося в элементарном объёмчике, не изменяется по отношению к центру Луны: переменная составляющая V sin (w t ) обеспечивается локальными подвижками «инерциального пространства». При этом, мгновенное значение локально-абсолютной скорости физического объекта, покоящегося в элементарном объёмчике, есть векторная сумма V _orb +V sin (w t). Уменьшение амплитуды переменной составляющей по мере увеличения длины радиус-вектора r создавало бы соответствующие радиальные градиенты усреднённых по времени локально-абсолютных скоростей в объёмах пробных тел, что порождало бы их центростремительные ускорения:

, (3)

где угловые скобки означают усреднение по времени. Ускорение (3) – действительно, центростремительное: оно отрицательно, т.к. (dV / dr)<0. Если имитируется сферически-симметричное тяготение, подчиняющееся закону обратных квадратов, то следует, очевидно, положить

- (V /2)(dV/dr) = K / r ², (4)

где K – гравитационный параметр Луны, равный 4.9×10¹² м³/с². Решая дифференциальное уравнение (4) с разделяющимися переменными, получаем

, (5)

где постоянная интегрирования выбрана так, чтобы, в первом приближении, скорость V обращалась в нуль на внешнем радиусе r _max действия лунного тяготения. Из (5) следует, что амплитуда переменной составляющей локально-абсолютной скорости на поверхности Луны есть V (r _Л)»(4 K / r _Л)^1/2=3.36 км/с.

Как выглядит глобальная картина подвижек «инерциального пространства» в окрестностях Луны? Мы полагаем, что круговая частота w одинакова для всей области действия лунного тяготения. Поскольку амплитуды колебаний локально-абсолютных скоростей уменьшаются по мере удаления от центра Луны, аналогично должны вести себя амплитуды d эквивалентных линейных подвижек. Если допустить, что на поверхности Луны d (r _Л)=5 мкм, то w= V (r _Л)/ d (r _Л)=6.7×10⁸ Гц, т.е. частота составляет w/2p»100 МГц. Эти цифры – конечно, ориентировочные (из-за отсутствия достаточного экспериментального материала). Убывая по мере удаления от центра Луны, величины V и d, конечно, не могут стать бесконечно малыми. Если допустить, что на внешней границе области тяготения Луны V =3 м/с, то там, соответственно, d» 0.03 мкм. Наконец, ключевым является вопрос о фазах радиальных подвижек «инерциального пространства». Радиальные подвижки «инерциального пространства» могут происходить синхронно во всей области лунного тяготения: «все вместе от центра – все вместе к центру».

Окололунное «инерциальное пространство» с вышеописанными вибрациями в нём мы образно называем «зыбким пространством». Создавая градиент локально-абсолютных скоростей в объёме пробного тела, «зыбкое пространство» порождает силовое воздействие, направленное к центру Луны. Но следует подчеркнуть, что, по логике вышеизложенного, «зыбкое пространство» - как, впрочем, и частотные склоны – порождается программными манипуляциями. Ускорение свободного падения, которое приобретает пробное тело в «зыбком пространстве», не зависит ни от массы Луны, ни от пространственного распределения вещества её недр. Это замечание особенно важно в связи с тем, что вышеописанная сферически-симметричная картина «зыбкого пространства» лишь в первом приближении моделирует тяготение Луны – которое, во-первых, нецентрально, во-вторых, несколько ослабевает от экватора к полюсам, и, в-третьих, имеет заметные региональные аномалии [12]. Если нецентральность может быть связана с наложением «зыбкого пространства» на земной частотный склон – из-за чего ускорение свободного падения должно быть несколько больше на обратной стороне Луны – то причиной второй и третьей особенностей могут являться соответствующие модуляции параметров вибраций «зыбкого пространства».

«Зыбкое пространство»: некоторые физические следствия.

В любом месте «зыбкого пространства», на характерном вертикальном размере ~2 d, который соответствует локальному размаху вышеназванных «линейных подвижек», градиент переменной составляющей локально-абсолютной скорости можно считать нулевым. Физический объект с вертикальным размером, меньшим чем этот характерный размер, по логике вышеизложенного, не подвержен действию лунного тяготения.

Если вблизи поверхности Луны 2 d ~10 мкм, то лунное тяготение не действует на микрообъекты – в частности, на молекулы. Это означает, что у Луны принципиально не может быть атмосферы. Жидкостям, чтобы удержаться на поверхности Луны, следовало бы иметь нереально большие силы межмолекулярного сцепления и поверхностного натяжения. Что же касается вещества в твёрдой фазе, то, опять же, лунное тяготение не действует на его достаточно мелкие крупинки, поэтому мелкодисперсная пыль должна удерживаться на поверхности Луны другими силами – например, электростатическими.

Предположение об этих электростатических силах, на наш взгляд, весьма правдоподобно, и вот почему. Модуляция локально-абсолютной скорости атома, находящегося в «зыбком пространстве», должна сопровождаться, в согласии с принципом автономных превращений энергии [13], соответствующей модуляцией энергий связи атомарных электронов. Результирующее «расшатывание» атомарных структур должно облегчать ионизацию и, соответственно, приводить к повышенной электризации вещества. Наверное, не будет преувеличением сказать, что вещество поверхности Луны представляет собой своеобразную «твёрдую плазму». По-видимому, именно достаточно высокими концентрациями свободных электрических зарядов в этой «твёрдой плазме» можно объяснить невероятно высокий коэффициент отражения радиоволн от поверхности Луны.

Действительно, когда, согласно расчётам, мощности передатчиков стали достаточны для получения радиоэха от Луны, соответствующие эксперименты были проделаны (1946 г.). Ожидалось, что радиоэхо короткого импульса будет растянуто на 11.6 мсек – из-за отражений от неровностей поверхности, рассредоточенных по всей полусфере Луны, обращённой к Земле. Фактически же, «при длительности импульса в 10 мксек… больше половины мощности возвращается в первые 50 мксек… Теоретические предсказания о растягивании короткого импульса при отражении от шероховатостей поверхности Луны на 11.6 мсек… не оправдались на практике» - но, при этом, «мощность эхо-сигнала была на 10 дб выше расчётной для случая шероховатой Луны» [14]. То, что поверхность Луны представляет для радиоволн почти идеальное зеркало, обусловлено, по-видимому, не собственными свойствами лунного грунта, а именно тем, что он пребывает в «зыбком пространстве».

Следует заметить, что вибрации «зыбкого пространства» должны определённым образом сказываться при движении электромагнитных волн. Как мы полагаем, фазовая скорость света фиксирована [15] по отношению к локальному участку «инерциального пространства», по которому движется фазовый фронт, поэтому вибрации «инерциального пространства» должны вносить соответствующие изменения в форму фазового фронта. Для радиоволн эти изменения ничтожны, т.к. характерный пространственный масштаб фазовых неоднородностей много меньше, чем длина волны излучения. Для видимого же света эти две величины сопоставимы, что может приводить к наблюдаемым эффектам. Мы укажем на два из них.

Читаем: «Несмотря на многолетние наблюдения Луны и весьма многочисленные исследования её движения, до сих пор нельзя предсказать наступления и продолжительности покрытий звёзд Луной с такой точностью, с которой предвычисляются многие другие небесные явления» [16]. Считается, что такое положение дел связано с недостаточным знанием «рельефа лунного края, так как отступления последнего от окружности, даже выбранной наилучшим образом, могут достигать 1-2 угл. сек» [17]. Но, ко времени написания книги [16] уже имелись неплохие гипсометрические модели для 59% лунной поверхности, видимой с Земли, и профили краёв лунного диска затабулированы для различных углов либрации. На наш взгляд, дополнительные неопределённости моментов покрытий звёзд Луной могут быть обусловлены наличием «зыбкого пространства».

Действительно, при движении светового фазового фронта поперёк вибраций «зыбкого пространства», должно происходить соответствующее расщепление этого фронта – с доворотами результирующих чередующихся «полосок» на углы, примерно равные отношению местной мгновенной скорости вибраций к скорости света в вакууме. Таким образом, свет, идущий вдоль лунной поверхности, должен «расплываться» вдоль местной лунной вертикали; характерная величина, ограничивающая это «расплывание», вблизи лунной поверхности составляет, ориентировочно, d a~(1/2)(V (r _Л)/ c)»1². Во-первых, это «расплывание» должно снижать качество изображения поверхности Луны вблизи краёв диска. Судя по опубликованным фотографиям Луны [18], «замывание» изображения вблизи краёв диска действительно имеет место. Во-вторых, это «расплывание» может вызывать случайные смещения видимых положений звёзд, наблюдаемых рядом с Луной – в направлении к центру Луны или от него. Результирующий угловой выигрыш или проигрыш для момента покрытия может достигать d a/ cos (j), где j - широта, на которой происходит покрытие. Поскольку одну угловую секунду на небесной сфере Луна проходит за 1.8 сек времени, то результирующая неопределённость момента покрытия может составлять, для низких широт, плюс-минус пару секунд, причём эта неопределённость должна увеличиваться для высоких широт, существенно превышая там погрешности, обусловленные рельефом края диска.

Второй оптический феномен – это обратное рассеяние солнечного света всей полусферой лунной поверхности, обращённой к Солнцу. Известно, что «яркость всех областей лунного диска достигает резкого максимума в полнолуние, когда источник света находится точно позади наблюдателя» [19]. Если бы шероховатая поверхность Луны рассеивала свет по закону Ламберта, то в полнолуние наблюдалось бы потемнение к краям лунного диска – что не имеет места [20]. Яркость увеличивается именно для каждой области диска, «независимо от её положения на лунной сфере, наклона поверхности и морфологического типа» [19]. Феномен имеет место не только для видимой с Земли стороны Луны, но и для противоположной, о чём свидетельствуют фотографии последней, сделанные с помощью космических аппаратов. Индикатрисы обратного рассеяния света Луной приведены, например, в [20].

Предпринималось множество попыток найти минерал или материал, дающий подобный закон рассеяния. Разнообразные образцы земного и космического происхождения исследовались «в различных видах: твёрдые, распылённые, расплавленные и вновь затвердевшие, облучённые ультрафиолетовым светом, рентгеновскими лучами и протонами…» [19]. Ни один не рассеивал свет назад так сильно, как Луна. Наконец, было обнаружено, что закон рассеяния, подобный лунному, дают мелкодисперсные структуры с чрезвычайно развитой пористостью [19]. Но едва ли можно было ожидать, что существование подобного «пуха» поддерживается в реальных условиях поверхности Луны. Позднее выяснилось, что, не говоря уже о «лунотрясениях» [12], там играет немалую роль электростатическая эрозия и «оползание» поверхностного материала [21]. Исследования лунного грунта – как «на местах», так и в земных лабораториях – показали, что никаких «пушистых структур» в нём нет. Грунт Луны «мелкозернистый, слабосвязный с примесью гравия и мелких камней» [22]. Гранулометрический состав мелкозернистой компоненты не представляет собой ничего необычного: чем меньше размер зёрен, тем больше их количество [22]. Лунный «реголит легко слипается в отдельные рыхлые комки и легко формуется. Несмотря на заметную слипаемость, он обладает неустойчивой, легко нарушаемой структурой» [22]. В довершение этих обескураживающих открытий, в земных лабораториях так и не удалось добиться от лунных образцов такого рассеяния света, которое характерно для Луны. Феномен остался необъяснённым.

Между тем, этот феномен объясняется невероятно просто, если допустить, что он связан не с морфологией лунного грунта, а с пребыванием этого грунта в «зыбком пространстве». Пусть, изначально плоский, небольшой участок светового фазового фронта проходит сквозь «зыбкое пространство» и попадает на соответствующий плоский участок лунной поверхности под любым углом, вплоть до почти скользящего падения. Картина линий равной фазы на этом участке поверхности, которая имела бы место при падении плоского фронта, приобретает вторичные периодические искажения, обусловленные вибрациями «зыбкого пространства». Можно убедиться в том, что, при такой двойной модуляции фазовой картины на участке рассеивающей поверхности, условие синфазности выполняется для рассеяния именно в том направлении, откуда пришёл фронт. Поэтому обратное рассеяние света, действительно, должно иметь преимущество.