Проблема гравитационных волн

А.В. Рыков1

Экспериментальное обнаружение предсказанных ОТО А.Эйнштейна гравитационных волн имеет фундаментальное значение. Согласно ОТО, гравитационные волны должны возникать при движениях массивных тел с ускорением, имеющих отличным от нуля квадрупольным моментом, точнее с переменным ускорением. Поскольку все виды ускорений эквивалентны ускорению от сил тяготения, то, естественно, любое тело «излучает» гравитацию или гравитационные «волны». Неподвижное тела «излучает» стационарное гравитационное «поле», характеризуемое в заданной неподвижной точке гравитационным «напряжением» или ускорением:

.

«Напряженность» порождает силу, которая равна ее величине, умноженной на гравитационный «заряд», т.е. на массу пробного тела:.

В этом смысле в теории ОТО все «прозрачно», соответствует  формуле тяготения Ньютона, и нет необходимости манипулировать загадочной комбинацией «пространство–время». Термин квадрупольный момент относится к вращающимся объектам, для которых нарушена осевая симметрия: двойные звезды, деформированные черные дыры, временно нарушаемая симметрия при слиянии сверхтяжелых звезд и черных дыр, несимметричный взрыв сверхновой и т.п. [Шакура, 1976], [Шкловский, 1084], [Липунов, 1986,1989,1998].

Многие экспериментаторы представляют себе способ обнаружения гравитационных волн в виде «деформации» пространства, которое должно быть обнаружено деформацией твердых тел, как компактных (Винер, Брагинский, прибор «ТАМА300» – Япония), или проекты типа Британо-германский эксперимент GEO600,  американский LIGO, французско-итальянский эксперимент Vigro,  в которых база твердого тела увеличена до нескольких км, а измерителем является лазерный интерферометр. Во всех случаях добиваются предельно возможной чувствительности до 10^–16 и 10^–18 м. Однако, остается неясным: как будут вести себя приборы отсчета деформаций пробных тел в условиях искривления "пространства + время"? По сложности и финансовым затратам выделяется проект LIGO, в котором базы “деформометров” выходят на космический уровень. В 2010 году планируется запустить 3 спутника Солнца с конфигурацией равностороннего треугольника. Этот треугольник призван “измерить” кривизну пространства+время при эпизодах прохождения гравитационных волн.

Все указанные эксперименты рассчитаны на получение признаков деформации пространства, не придавая сомнению саму модель ОТО. С нашей точки зрения, ОТО – всего лишь одна из возможных моделей гравитации, которая на самом деле должна иметь не геометрический, а другой, физический «механизм».

Если принять в качестве среды распространения электромагнитных волн (ЭМВ) зарядовую квазикристаллическую структуру «вакуума» (космическую среду), погруженную в магнито-массовый континуум, то ЭМВ представляют собой поперечные волны, а гравитационные волны должны быть продольными или объемными. При этом надо помнить, что гравитационные силы есть силы электрические, подчиняющиеся законам Кулона. Поперечные волны, вызванные электрической  переменной напряженностью Е, сопровождаются токами смещения, следующими по амплитуде и направлению этой напряженности. Токи смещения в свою очередь вызывают магнитную напряженность В, направление которой благодаря сложению и взаимной компенсацией оказывается ортогональным к направлению Е. В вакууме напряженности Е и В синфазны. Продольное действие и распространение гравитации приводит к тому, что, образующиеся токи смещения в среде распространения, возбуждают линии магнитной напряженности таким образом, что все они оказываются взаимно скомпенсированными. Тем самым, гравитационная волна оказывается лишенной магнитной составляющей. В случае ЭМВ магнитная компонента вносит заметное ограничение в скорость распространения, придавая ей в открытом космическом пространстве, значение 2,99792458·10⁸ м/с. Для гравитации, скорее всего, отсутствие магнитной компоненты способствует росту ее скорости и превышение известной скорости ЭМВ.

Если исходить из теории гравитации Ньютона, то формально можно составить следующее волновое уравнение:

.

Здесь под функцией j следует понимать, что:  есть вектор ускорения для силы тяжести, под величиной Q надо понимать как аналог либо гравитационного «заряда», либо как аналог гравитационного «тока» смещения. Для более корректного физического представления, функция j и Q должны быть преобразованы в токи смещения или «заряды» гравитации. Очевидно, что не получив адекватного уравнения для гравитационной волны, распространяющейся в упругой среде с неизвестным параметром, эквивалентным плотности, нельзя его применять, не зная скорости распространения гравитации c_g.  Точно такую же контр аргументацию следует применить и для теории ОТО.

Гравитация в ОТО моделируется искривлением 4-х мерного пространства+время. Модель оказалась успешной в ряде натурных опытов, как, например, по отклонению ЭМВ лучей Солнцем и обнаружению гравитационных линз в космосе. Возникает законный вопрос: насколько эта абстрактная модель соответствует реальному устройству нашего мира? Искривление пространства + время не подчиняется логике здравого смысла. Вполне допустимо суждение, что все поиски искривления при прохождении гравитационной волны обречены на неудачу по причине отсутствия в природе таких искривлений. В работе [Рыков, 2001] предложена физическая модель гравитации, из которой следует физическое объяснение отклонение лучей ЭМВ гравитацией [Рыков, 2003].  На основании такого физически верного подхода можно сделать вывод: не существует особых гравитационных волн квадрупольного происхождения, отличных от приливных волн. Наблюдение приливных деформаций или гравитационных сил не вызывает сомнений. Поэтому, наличие квадрупольного момента у космических объектов, перечисленных выше, может быть обнаружено в приливных явлениях на Земле. Строго симметрично вращающийся объект не может быть причиной приливов на Земле или в Солнечной системе. В этом случае вращение самой Земли относительно удаленного симметричного тяжелого объекта может быть причиной наблюдаемого прилива. Априори можно утверждать, что приливные явления на Земле от удаленных любых (симметричных или несимметричных) объектов будут чрезвычайно малы. Ниже дадим подобную оценку.

Использование закона тяготения Ньютона

В качестве примера возьмем вращение звезды с массой, равной 6-ти масс Солнца (кандидат или реальный объект типа черной дыры) вокруг удаленного «центра тяжести». Рассчитаем эффект изменения ускорения гравитации при наборе расстояний от 1 до 200 световых лет. По меркам космоса это входит в понятие очень близких к Земле объектов. Формула для вычислений будет

.

Здесь мы видим гравитационную константу, массу черной дыры или звезды, R – расстояние от Земли до вращающегося вокруг центра,  находящегося на расстоянии R₀, объекта.  Частота вращения не влияет на интенсивность приливного ускорения, поэтому она принята фиксированной. Результат приведен на рис.1.

Величины приливных ускорений оказываются в пределах 10^–23 и 10^–29 м/с² для расстояний от 1 светового года до 200. На фоне ускорения 9,82 м/с² И лунно-солнечного прилива порядка 10^–6 м/с²  С предельным разрешением 10^–8 м/с². Очевидно, что наблюдение столь малых на фоне существующих ускорений в настоящее время нереально. Расстояние объекта от оси вращения R₀ =3e+11 м, равное примерно  расстоянию Земли от Солнца, должно было бы быть достаточным для образования большого квадрупольного момента.

На основе гипотезы о природе гравитации как о силе, возникающей между телами и слабо заряженной средой, можно рассчитать силу воздействия среды на микро и макро тела Земли от деформации  среды под влиянием вращения удаленного объекта. В данном примере соблюдены все условия задачи, которая решена выше на основе тяготения Ньютона.

Формула для расчета:

.

Новые параметры, связанные со свойствами космической среды: b=1.155e+19 [кг с^–2] – коэффициент упругости; E=0.7744 [м³ c^–3 a^–1] – корень квадратный из отношения гравитационной константы к электрической константе вакуума (обратная величина проницаемости); S=6.25e+43 [q м^–4] – коэффициент поляризации структуры вакуума. Результаты расчетов показаны на рис.2.

Таким образом, при асимметричном вращении объекта с 6-тью массами Солнца на расстояниях от Земли, равным от 1 до 200 световых лет,  на Земле появится сила воздействия на микро и макро тела в пределах 10^–24 и 4*10^–20 Ньютон.

Радиус Шварцшильда, черные дыры

Пользуясь случаем, обратим внимание читателей на расхождение понятий черных дыр по ОТО и по гипотезе о физической природе гравитации.  Радиус Шварцшильда, который следует из теории ОТО, определяется по формуле , массой черной дыры, постоянной гравитации из формулы Ньютона и скоростью света. Этот радиус следует из решения матрицы, принятой в теории Эйнштейна. Он не следует из физических условий, существующих на «горизонте событий». Физические условия определяют предельно возможное ускорение от силы тяжести, нулевую скорость света и генерацию вещества и антивещества по Хокингу. Гипотеза о природе гравитации прямо приводит к выше перечисленным условиям.

 Они следуют из формул:  – деформация структуры среды при действующем ускорении от силы тяжести;  м/с² – максимально возможное гравитационное ускорение без «разрушения» структуры среды;  м – предельно возможная деформация среды, после которой наступает разрушение среды;

 – скорость света в зависимости от гравитационного ускорения.

 Фактически приведенные соотношения определяют физические условия на «горизонте событий» черной дыры: скорость света равна нулю (по Эйнштейну – замедление времени), рождение пар электрон–позитрон (по Хокингу) и независимое от размеров предельное ускорение от силы тяготения.   На рис.3 показано сравнение плотности черных дыр согласно гипотезе об источнике гравитации (среде) и радиусу Шваршильда (ОТО).  Разница в том, что плотность в ОТО зависит от массы черной дыры пропорционально,  а плотность по гипотезе о среде как квадратный корень из массы. Последняя зависимость более толерантна, чем та, что предусмотрена ОТО.

Для массы 3М получаем радиус черной дыры  R = 79.5 км. По ОТО R= 8.91 км.  Разница существенная.

При достижении объектом размера сферы Шварцшильда, его гравитационное поле становится столь сильным, что покинуть этот объект не может даже электромагнитное излучение. Шварцшильдовский радиус Солнца равен 3 км (R = 46 км по теории структуры), Земли - 1 см (79 м по теории структуры).

Черная дыра Шварцшильда относится к не вращающимся объектам и является остатком массивной не вращающейся звезды. Вращающаяся массивная звезда коллапсирует во вращающуюся черную дыру (черную дыру Керра). Черную дыру можно обнаружить только по косвенным признакам, в частности, если она входит в состав двойной звездной системы с видимой звездой.

Какие выводы можно сделать?

1.       Не зная истинной природы гравитации, нельзя правильно интерпретировать ряд положений ОТО, относящихся к возбуждению гравитационных волн и оценки их амплитуд, доступных для экспериментального обнаружения в пределах Солнечной системы. Неизвестна скорость распространения гравитационных волн. Поэтому идентификация событий невозможна.

2.       Теория электрической безмассовой структуры и континуальной магнито–массовой компоненты среды может оказаться более плодотворнее ОТО как при решении проблемы гравитационных волн, так и в других фундаментальных задачах астрофизики.

Скорость света зависит не только от гравитации, но и от потока магнитной индукции. Возможно, что большие звезды и, особенно, черные дыры могут обладать потоками магнитной индукции, которые достаточны по величине, чтобы изменять скорость света. На рис. 4 приведен график зависимости скорости света от потока магнитной индукции.

Зависимость скорости света от потока магнитной индукции Ф рассчитывается по формуле

 .

Предельный поток магнитной индукции до разрушения структуры среды

.

 Подстановка вместо Ф величины магнитной индукции  дает формулу:

 .

Скорость света равна нулю при наличии магнитного “поля” с магнитной индукцией В=3,9×10¹¹ Вб/м².

Литература

Lipunov V.M. Как излучаются гравитационные волны? Гравитационно-волновое небо

Формула Эйнштейна работает! // Sun Oct , MSK 1998 http://xray.sai.msu.ru/~lipunov/pops/graw/graw.html

Липунов В. М. В мире двойных звезд // М.: Наука, 1986.

Липунов В. М. Все нейтронные звезды // М.: Просвещение, 1989.

Липунов В. М. Искусственная Вселенная // Соросовский образовательный журнал, N6, 1998.

Липунов В. М. Военная тайна астрофизики // Соросовский образовательный журнал, N5, 1998.

Шакура Н. И. Нейтронные звезды и черные дыры в двойных звездных системах //  М.: Знание, 1976.

Шкловский И. С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть.// М.: Наука, 1984.

Рыков А.В. Гипотеза о природе гравитации // Физическая мысль России, М.: МГУ, 2001. № 1, С. 59-63.

Рыков А.В. Отклонение лучей света в космосе // 2003, http://www.worldspace.nm.ru/ru/articles/dev_r/dev_r.html

© 2003 А.В.Рыков

Анатолий Васильевич Рыков, руководитель лаборатории сейсмометрии и инженерной сейсмологии Объединенного института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН.

E-mail: rykov@uipe-ras.scgis.ru.