Гравитация как компенсирующее взаимодействие

Предлагается простая и логичная гипотеза о природе гравитации. Его положения подтверждаются данными из самых разных областей физики. Эти идеи уже сейчас могут быть использованы в гравиметрической геодезии, сейсмологии и космической навигации.

С точки зрения этой гипотезы два фундаментальных свойства массы – гравитацию и инерцию, следует рассматривать как проявление глобального механизма компенсации изменений, происходящих в пространстве и во времени. Гравитация рассматривается как компенсация изменений в пространстве — избыточного расширения или сжатия, то есть как имеющая потенциальную основу. Инерция – как имеющая кинетическую основу компенсация изменений во времени – то есть избыточного расширения или сжатия временных рамок происходящего, иначе говоря, положительных или отрицательных ускорений. Эквивалентность инертной (на кинетической основе) и гравитационной (на потенциальной основе) масс, таким образом, прямо следует из второго закона Ньютона: m = F/a.

Касательно инерции такая постановка вопроса выглядит достаточно очевидно. Гравитация же должна стремиться к восстановлению баланса между положительной и отрицательной потенциальными энергиями, то есть между создаваемыми другими полями силами притяжения и отталкивания. Таким образом, если существуют силы отталкивания между объектами, то гравитация будет стремиться сблизить их. Если притяжения — то напротив, отдалить. 

Гравитационное притяжение — это глобальное явление. Поэтому оно должно противодействовать любым отталкивающим силам на потенциальной основе, которые присутствуют в любом агрегатном состоянии вещества. Такие силы существуют, они порождаются запретом Паули, согласно которому два или более одинаковых фермиона (частицы с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии.
Из курса школьной физики мы знаем, что именно масса порождает гравитационные силы, а не запрет квантовой механики, и величина этих сил напрямую зависит от величины массы. Как эти явления связаны? Отталкивающие силы запрета Паули действуют на все фермионы, и логично предположить, что чем больше масса объекта и чем больше частиц он объединяет, тем больше и эти отталкивающие силы.
Можно ли мы говорить о прямой зависимости этих явлений? В белом карлике отталкивающие силы, порожденные запретом Паули, создают давление вырожденного газа. Это давление зависит только от плотности газа, то есть от объемной концентрации частиц (или от среднего расстояния между ними). Вырождение происходит, когда расстояния между частицами газа соизмеримы с длиной волны де Бройля. Как известно, длина материальной волны обратно пропорциональна импульсу частицы, а последняя, в свою очередь, прямо пропорциональна ее массе покоя. Таким образом, силы отталкивания запрета Паули, порождающие давление вырожденного газа, прямо пропорциональны массе покоя, и нет никакого противоречия в утверждении, что они могут вызывать противодействующие гравитационные силы.

Если расстояние между атомами в молекуле увеличивается, то потенциальная энергия отталкивания внешних электронов, соответственно, должна уменьшаться. Как следствие, это должно вызвать и уменьшение гравитационной массы молекулы. В твердом веществе расстояния между атомами зависят от температуры – причины температурного расширения. Профессор кафедры ТТОЭ Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики А.Л. Дмитриев экспериментально обнаружил уменьшение веса образца при нагревании [1]. 

По той же логике вес монокристалла, в котором расстояния между атомами вдоль различных его осей неодинаковы, должен отличаться при различных его положениях относительно вектора силы тяжести. Профессор Дмитриев экспериментально обнаружил разность масс образца кристалла рутила, измеренную при двух взаимно-перпендикулярных положениях оптической оси кристалла относительно вертикали. По его данным среднее значение разности масс кристалла равно – 0,20 мкг при СКО среднего 0,10 мкг [2].

Исходя из предлагаемой гипотезы, при квазиупругом ударе падающего тела о твердую поверхность его вес в момент удара должен увеличиться как результат реакции гравитации на появление дополнительных сил отталкивания. Профессор А.Л. Дмитриев сравнил коэффициенты восстановления при горизонтальном и вертикальном ударах стального пробного шарика диаметром 4,7 мм о массивную полированную стальную плиту. 

Коэффициент восстановления характеризует величину ускорения шара при ударе под действием сил упругости. При вертикальном ударе коэффициент восстановления в эксперименте оказался заметно ниже, чем при горизонтальном, что демонстрирует приведенный ниже график.

Учитывая, что величина электромагнитных сил упругости в обоих экспериментах одинакова, остается вывод, что при вертикальном ударе шарик становился тяжелее[3].

Парадоксы гравитации проявляются и в более привычных для нас масштабах. Я имею ввиду гравитационные аномалии, ибо именно в их разнообразии, а не в строгих законах небесной механики, более наглядно проявляется сама суть природы гравитации.

Существует такой способ геологоразведки, как микрогравиметрия, основанный на измерении малых отклонений силы тяжести. Разработаны подробные методы анализа результатов измерений, основанные на том, что гравитационные отклонения определяются плотностью залегающих пород. Чтобы оспорить такие взгляды, необходимо иметь исчерпывающую информацию о плотности горных пород и внутренних напряжениях на всю глубину земной коры в данной области. Очевидно, что сделать это невозможно, поэтому я хочу предложить проанализировать результаты гравиметрических исследований искусственных сооружений.Существует такой способ геологоразведки, как микрогравиметрия, основанный на измерении малых отклонений силы тяжести. Разработаны подробные методы анализа результатов измерений, основанные на том, что гравитационные отклонения определяются плотностью залегающих пород. Чтобы оспорить такие взгляды, необходимо иметь исчерпывающую информацию о плотности горных пород и внутренних напряжениях на всю глубину земной коры в данной области. Очевидно, что сделать это невозможно, поэтому я хочу бы предложить проанализировать результаты гравиметрических исследований искусственных сооружений.
 В 1986 году французские исследователи провели гравиметрическую съемку Великой пирамиды Хеопса. Ученые нашли по периметру широкие полосы пирамиды с меньшей, примерно, на 15% плотностью. Французские исследователи не могли объяснить, почему на стенах пирамиды образуются разреженные полосы. Учитывая, что эта карта изоаномалий, по существу, является проекцией сверху, такое распределение плотностей в структуре не может не удивлять [4].

Следовательно, в разрезе это распределение плотностей должно выглядеть примерно так:

Трудно представить, что объект с такой структурой мог оставаться неизменным на протяжении многих тысяч лет. Еще раз посмотрим на результаты исследования. На изображении угадывается спираль, которая четко указывает порядок построения пирамиды — последовательное завершение боковых граней с переходом по часовой стрелке. Это неудивительно — метод последовательного завершения слоев при построении такого объекта является наиболее оптимальным. И поскольку к моменту создания нового слоя уже произошла просадка старого, новый, в свою очередь, скользит по поверхности предыдущего слоя как отдельный пласт, что и создает неравномерное давление пирамиды на грунт.
С общепринятой точки зрения эти гравитационные отклонения могли быть вызваны уплотнением почвы под давлением наклонных слоев. Но в этом случае это невозможно, так как пирамида стоит на скальном грунте, который не мог уплотниться 15% даже в течение тысяч лет. Если придерживаться мнения, что аномалии являются результатом внутренних напряжений, вызванных давлением отдельных боковых слоев на скальный грунт, то получается вполне логичное объяснение спиральной структуры.

Ниже приведены результаты микрогравиметрического обследования руин монастыря Св. Екатерины в Словакии. Эти аномалии не могут быть вызваны увеличением плотности почвы под фундаментом в результате просадки, поскольку здание расположено на скалистом холме. Они могут быть вызваны только наличием внутренних напряжений,  вызванных давлением стен монастыря [5].

Церковь Девы Марии в той же Словакии также расположена на скалистом холме. Результаты ее микрогравиметрического исследования аналогичны предыдущему примеру [6].

Согласно предлагаемой гипотезе, гравитационные аномалии не связаны с плотностью горных пород, а являются следствием наличия внутренних напряжений в земной коре. Причиной внутренних напряжений могут быть тектонические силы, силы объемного сжатия из-за теплового расширения горных пород, изменения объема во время реакций гидратации-дегидратации, полиморфные превращения вещества. Породы, составляющие земную кору, обладают различными упругими свойствами из-за их различного петрографического состава и термодинамических условий возникновения.
Я предполагаю, что традиционное объяснение причины гравитационных аномалий служит значительным дезориентирующим фактором в интерпретации гравиметрических данных в интересах геологоразведки. Ряд признаков указывает на прямую связь между гравитационными аномалиями и наличием внутренних напряжений в горных породах.

Согласно предложенной гипотезе, гравитационные аномалии не связаны с плотностью горных пород, а являются следствием наличия внутренних напряжений в земной коре. Причиной внутренних напряжений могут быть тектонические силы, силы объемного сжатия из-за теплового расширения горных пород, изменения объема во время реакций гидратации-дегидратации, полиморфные превращения вещества. Силы объемного растяжения возникают из-за уменьшения объема горных пород, например, при остывании внедрившихся интрузий. Породы, составляющие земную кору, обладают различными упругими свойствами из-за их различного петрографического состава и термодинамических условий возникновения.

Я предполагаю, что традиционное объяснение причины гравитационных аномалий служит значительным дезориентирующим фактором в интерпретации гравиметрических данных в интересах геологоразведки. Ряд признаков указывает на прямую связь между гравитационными аномалиями и наличием внутренних напряжений в горных породах.

  Внутренние напряжения сжатия должны накапливаться в твердых горных породах, таких, как базальт, и действительно — базальтовые вулканические острова и гряды океанических островов характеризуются значительными положительными аномалиями Буге[7].

Горные породы малой твердости – осадочные, пеплы, туфы и т.д., обычно образуют минимумы[7]. В областях молодых поднятий преобладают напряжения растяжения, и там наблюдаются отрицательные аномалии силы тяжести.   Растяжения земной коры имеет место в области абиссальных желобов, и последние обладают резко выраженными поясами отрицательных гравитационных аномалий. [7].

В областях поднятия в гребне преобладают напряжения растяжения, а у его подножия — напряжения сжатия. Соответственно и аномалии Буге имеют минимум над гребнем поднятия и максимумы по его сторонам[7].

Аномалии силы тяжести на материковом склоне в большинстве известных случаев связывают  с разрывами и разломами коры. Отрицательные аномалии силы тяжести океанских хребтов с большими градиентами так же связывают с проявлениями тектонических  движений.

Такая постановка вопроса приводит к выводу, что микрогравиметрические исследования могут быть полезны для дистанционного мониторинга распределения нагрузки на грунт, создаваемой опорами больших мостов, а также плотин.

Гравиметрическая съемка — самый дешевый метод геологоразведки. Уточнение методологии оценки результатов гравиметрических данных повысит эффективность более дорогостоящих методов — сейсморазведку, бурение скважин и, следовательно, сделает весь процесс разведки полезных ископаемых менее дорогостоящим. Проверка этого утверждения совсем не потребует затрат.

Фабричные трубы большой высоты под действием сильного ветра отклоняются от вертикали, и в это время в них возникают большие внутренние напряжения. Если в штормовую погоду установить гравиметр у подножия такой трубы, непосредственно у ее стены, и провести серию измерений, то погрешность измерений должна резко возрасти. Если установить два гравиметра с противоположных сторон трубы, то одновременно зафиксированные отклонения всегда будут иметь противоположный знак.

Немного сложнее эксперимент, который даст более однозначный результат. Сравнительные микрогравиметрические измерения следует провести над вертикальным промышленным прессом высокой мощности, в области вертикальной проекции его подвижной поперечины. Одно измерение выполнить до сжатия, а второе — во время сжатия. При втором измерении должно быть зафиксировано появление положительной аномалии. В несущих силовых элементах достаточно высоких небоскребов при штормовой погоде так же возникают большие внутренние напряжения. Эксперимент можно провести и внутри небоскреба аналогичным способом, как и с заводской трубой.
В своей статье [8] известные ученые-геологи ХАЙН В.Е. и ХАЛИЛОВ Е.Н., указывают, что многократно зарегистрированы вариации силы тяжести перед сильными землетрясениями, эпицентры которых находятся на удалении в 4-7 тысяч километров от регистрирующей станции. Характерно, что в большинстве случаев, перед далекими сильными землетрясениями наблюдается сначала снижение, а затем увеличение силы тяжести. В подавляющем большинстве случаев наблюдается «вибрация записи» — относительно высокочастотные колебания показаний гравиметра, с частотой 0,1—0,4 Гц, которая прекращается сразу после землетрясения(!).

Согласно предлагаемой гипотезы гравитация не противодействует не каждой отдельной силе, а их результирующей,  поэтому сами гравитационные силы не могут противостоять друг другу в принципе. Другими словами, из двух противоположно доступных гравитационных сил меньшая по значению просто перестает существовать, лишь ослабляя своего «соперника». Критики закона тяжести, не понимая простой сути явления, нашли достаточно много примеров, это подтверждающих. Я предлагаю только самые очевидные из них:

— согласно расчётам, сила притяжения между Солнцем и Луной, в момент прохождения Луны между Луной и Солнцем, более чем в 2 раза выше, чем между Землёй и Луной. И далее Луна должна продолжить свой путь по орбите вокруг Солнца,

— система Земля-Луна вращается не вокруг центра масс, а вокруг центра Земли.

— не обнаруживается собственное тяготение у спутников планет-гигантов: последнее не оказывает своего влияния на скорость пролета зондов.

Если меньшая из противоположных гравитационных сил перестает существовать, то возникает вопрос: каким образом появляются приливы? Вектор гравитации всегда был бы направлен в центр планеты, если бы не было влияния Луны и Солнца. А поскольку гравитация всегда направлена против результирующей силы, то силы отталкивания, порождаемые действием запрета Паули в лунном веществе, вызывают отклонение  векторов силы тяжести Земли в направлении нашего естественного спутника. Таким образом, приливные силы не притягивают массы Земли к Луне, а стремятся сместить их в направлении оси Земля — Луна.
Доказательство этого объяснения приливов буквально лежит на поверхности: вес предметов абсолютно не зависит от положения Луны в небе, значение силы   не изменяется, а приливные явления, тем не менее, существуют. Более того, сила притяжения вообще не изменяется во время затмений Солнца или во время затмения Луны, когда модули гравитационных сил, в соответствии с общепринятыми понятиями, должны складываться или, наоборот, вычитаться.

Это свойство объясняет, каким образом гравитация, как самое слабое из известных взаимодействий, в конечном итоге оказывается сильнее электромагнитного взаимодействия. Если плотность отталкивающих объектов достаточно велика, силы, действующие между ними, начинают противодействовать друг другу, а с гравитационными силами подобного не происходит. И чем выше плотность таких объектов, тем более проявляется преимущество гравитации. Это можно проиллюстрировать следующими примерами.

Известно, что одноименные заряды отталкиваются, и, исходя из предложенной гипотезы, под действием гравитации они должны, напротив, взаимно притягиваться. При достаточной плотности свободных низкоэнергетических электронов в воздухе они действительно начинают притягиваться до тех пор, пока этому не начнет препятствовать запрет Паули. Так, высокоскоростная съёмка показала, что молнии предшествует следующий феномен: все свободные электроны со всего облака собираются в одну точку и уже в виде шара, вместе, устремляются к земле, при этом явно игнорируя закон Кулона!

Существуют убедительные экспериментальные данные о наличии сил притяжения между одноименно заряженными макрочастицами в пылевой плазме, в которой формируются различные структуры, в частности, пылевые кластеры. Аналогичное явление обнаружено и в коллоидной плазме, которая представляет собой естественную (биологические жидкости) или искусственно приготовленную суспензию макрочастиц в растворителе, обычно в воде. Взаимно притягиваются одноименно заряженные макрочастицы, называемые также макроионами, заряд которых обусловлен соответствующими электрохимическими реакциями. Существенно, что в отличие от пылевой плазмы, коллоидные суспензии термодинамически равновесны [9].

Теперь рассмотрим примеры, когда гравитация действует как отталкивающая сила.

Надо сказать, что гипотеза основана практически целиком на результатах многолетней и масштабной экспериментальной работы, проделанной профессором А.Л. Дмитриевым. На мой взгляд, за всю историю науки столь многогранного и детального исследования свойств гравитации еще не проводилось. И, в частности, Александр Леонидович обратил внимание на один давно привычный эффект. Электрическая дуга имеет характерную форму — изгибом вверх, что традиционно объясняется эффектами плавучести, конвекции, воздушными течениями, влиянием внешних электрического и магнитного полей. В статье А.Л. Дмитриев и его коллега Е. М. Никущенко расчетами доказывают, что ее форма не может быть следствием указанных причин[10].

Фото тлеющего разряда при давлении воздуха 0.1 атм, силе тока в диапазоне 30-70 мА, напряжении на электродах 0.6-1.0 кВ, частоте тока 50 Гц.

Электрическая дуга представляет собой плазму. Магнитное давление плазмы имеет отрицательный знак и основывается на потенциальной энергии. Сумма величин магнитного и газодинамического давления — величина постоянная, они уравновешивают друг друга, и поэтому плазма не расширяется в пространстве. В свою очередь, величина отрицательной потенциальной энергия прямо пропорциональна расстоянию между заряженными частицами,  и в разреженной плазме эти расстояния могут быть достаточно велики, чтобы порождать, согласно предлагаемой гипотезе, гравитационные силы отталкивания, превышающие земное притяжение. В свою очередь, максимальных значений отрицательная потенциальная энергия может достигать только в полностью ионизированной плазме, а таковой может быть только высокотемпературная плазма. И электрическая дуга, надо заметить, именно такова – это разреженная высокотемпературная плазма.

Если это явление — гравитационное отталкивание разреженной высокотемпературной плазмы, существует, то оно должно проявляться и в значительно больших масштабах. В этом смысле интересна солнечная корона. Несмотря на огромную силу тяжести даже на поверхности Звезды, солнечная атмосфера необычайно обширна. Причин этого, как и температур в миллионы кельвинов в Солнечной короне, физики найти не смогли.

Для сравнения — атмосфера Юпитера, который по массе немного «не дотянул» до звезды, имеет четкие границы, и различие двух видов атмосфер хорошо заметно на этом изображении:

Над солнечной же  хромосферой располагается переходный слой, выше которого гравитация перестает доминировать – это значит, что некие силы действуют против притяжения Звезды, и именно они разгоняют до огромных скоростей электроны и атомы в короне. Что примечательно, заряженные частицы продолжают ускоряться и далее, по мере удаления от Солнца.
Солнечный ветер представляет собой более или менее непрерывное истечение плазмы, поэтому заряженные частицы выбрасываются не только через корональные дыры. Попытки объяснить выталкивание плазмы действием магнитных полей несостоятельны, так как ниже переходного слоя действуют такие же магнитные поля. Несмотря на то, что корона представляет собой лучистую структуру, Солнце испаряет плазму со всей своей поверхности – это ясно видно даже на предлагаемом снимке, и солнечный ветер является дальнейшим продолжением короны.
Какой параметр плазмы изменяется на уровне переходного слоя? Высокотемпературная плазма становится достаточно разреженной — снижается ее плотность. И как результат гравитация начинает выталкивать плазму и ускорять частицы до огромных скоростей.
Значительная часть красных гигантов состоит именно из разреженной высокотемпературной плазмы. Команда астрономов во главе с Кэити Онакой (Keiichi Ohnaka) из Института астрономии Университета Католика дель Норте в Чили, используя обсерваторию VLT, исследовала атмосферу красного гиганта — Антареса. Изучая плотность и скорость потоков плазмы по поведению спектра CO, астрономы обнаружили, что ее плотность выше, чем это возможно по существующим представлениям. Модели, рассчитывающие интенсивность конвекции, не допускают подъема в атмосферу Антареса такого количества газа, и, следовательно, что в недрах звезды действует мощная и пока неизвестная выталкивающая сила [11].
Высокотемпературная разреженная плазма образуется и на Земле в результате атмосферных разрядов, и, следовательно, должны обнаружиться атмосферные явления, при которых плазма выталкивается гравитацией наверх. Такие примеры существуют, и речь в данном случае идет о достаточно редком атмосферном явлении — спрайтах.
Обратите внимание на верхние части спрайтов на этом снимке. Они имеют внешнее свойство с коронными разрядами, но они для этого слишком велики, а главное – для образования последних необходимо наличие на высоте в десятки километров электродов.

Над солнечной же  хромосферой располагается переходный слой, выше которого гравитация перестает доминировать – это значит, что некие силы действуют против притяжения Звезды, и именно они разгоняют до огромных скоростей электроны и атомы в короне. Что примечательно, заряженные частицы продолжают ускоряться и далее, по мере удаления от Солнца.

Солнечный ветер представляет собой более или менее непрерывное истечение плазмы, поэтому заряженные частицы выбрасываются не только через корональные дыры. Попытки объяснить выталкивание плазмы действием магнитных полей несостоятельны, так как ниже переходного слоя действуют такие же магнитные поля. Несмотря на то, что корона представляет собой лучистую структуру, Солнце испаряет плазму со всей своей поверхности – это ясно видно даже на предлагаемом снимке, и солнечный ветер является дальнейшим продолжением короны.

Какой параметр плазмы изменяется на уровне переходного слоя? Высокотемпературная плазма становится достаточно разреженной — снижается ее плотность. И как результат гравитация начинает выталкивать плазму и ускорять частицы до огромных скоростей.

Значительная часть красных гигантов состоит именно из разреженной высокотемпературной плазмы. Команда астрономов во главе с Кэити Онакой (Keiichi Ohnaka) из Института астрономии Университета Католика дель Норте в Чили, используя обсерваторию VLT, исследовала атмосферу красного гиганта — Антареса. Изучая плотность и скорость потоков плазмы по поведению спектра CO, астрономы обнаружили, что ее плотность выше, чем это возможно по существующим представлениям. Модели, рассчитывающие интенсивность конвекции, не допускают подъема в атмосферу Антареса такого количества газа, и, следовательно, что в недрах звезды действует мощная и пока неизвестная выталкивающая сила [11].

Высокотемпературная разреженная плазма образуется и на Земле в результате атмосферных разрядов, и, следовательно, должны обнаружиться атмосферные явления, при которых плазма выталкивается гравитацией наверх. Такие примеры существуют, и речь в данном случае идет о достаточно редком атмосферном явлении — спрайтах.

Если спрайтов одновременно образуется достаточно много, то на высоте окончания их струй передаваемая в атмосферу за очень короткий период времени (порядка 300 микросекунд) энергия возбуждает ударную волну, распространяющуюся на расстояние до 300—400 километров; эти явления называют эльфы:

Установлено, что спрайты появляются на высоте более 55 километров. То есть аналогично, как и над солнечной хромосферой, в атмосфере Земли присутствует некая граница, начиная с которой гравитационное выталкивание разреженной высокотемпературной плазмы начинает себя активно проявлять.

1. А.Л. Дмитриев, Е. М. Никущенко «Экспериментальное подтверждение отрицательной температурной зависимости силы тяготения», СПб, 2011
2. А. Л. Дмитриев, Н. Н. Чесноков, Влияние ориентации анизотропного кристалла на его вес — Измерительная техника, N 9, 36-37, 2004
3. Дмитриев А. Л., Неравенство коэффициентов восстановления при вертикальном и горизонтальном квазиупругих ударах шара по массивной плите, — “Прикладная механика”, Том. 38, N 6, 124-126 (2002).
4. Bob Brier «How to Build a Pyramid» The Archaeological Institute of America, Volume 60 Number 3, May/June 2007
5. Microgravity and Ground-penetrating Radar Investigations of Subsurface Features at the St Catherine's Monastery, Slovakia DOI: 10.1002/arp.1450
6. METHOD FOR CALCULATION OF THE BUILDING EFFECT CORRECTION IN MICROGRAVITY TECHNIQUE DOI: 10.3997/1873-0604.2012034
7. Харт П. Земная кора и верхняя мантия.
 8. Хаин В. Е. Халилов Э. Н. Гравитационные эффекты перед сильными удаленными землетрясениями  https://readera.ru/14315117
9. Игнатов А. М. Квазигравитация в пылевой плазме // УФН,— 2001.
10. А.Л. Дмитриев, Никущенко Е.М. Выталкивание плазмы гравитационным полем, СпбНИУИТМО, СПб, 2015.
11. K. Ohnaka et al. 2017. Vigorous atmospheric motion in the red supergiant star Antares. Nature 548: 310-312; doi: 10.1038/nature23445