Закон Ньютона-Лебедева

Смутная догадка о возможности существования светового давления закрадывалась в головы людей уже несколько столетий назад. И. Кеплер в 1619 г. впервые высказал вполне определенное суждение о том, что необычная форма кометных хвостов может быть объяснена отталкивающим действием солнечных лучей. Заслуга теоретического обоснования явления светового давления принадлежит английскому физику К. Максвеллу, предсказавшему в 1873 г., на основе разработанной им теории электромагнитного поля, динамическое действие световых лучей. Тремя годами позже к таким же результатам, но уже исходя из термодинамических соображений, пришел итальянец

А. Бартоли. В превосходном согласии с выводами этих авторов относительно ожидаемой величины светового давления солнечных лучей оказалась разработанная выдающимся русским астрономом Ф. А. Бредихиным механическая теория кометных форм. Эта теория позволила хорошо интерпретировать фактически наблюдаемые типы хвостов комет.

Однако многочисленные попытки ряда крупнейших экспериментаторов различных стран мира обнаружить и измерить силу светового давления непосредственно в лаборатории неизменно терпели неудачу. Слишком уж мала эта сила: даже при перпендикулярном падении солнечных лучей их давление на зеркальную поверхность составляет всего лишь одну десятимиллионную атмосферы.
Только в конце XIX в. замечательному русскому физику Петру Николаевичу Лебедеву, столетие со дня рождения которого отметила в этом году научная общественность нашей страны, удалось впервые осуществить блестящий эксперимент, подтвердивший существование светового давления и позволивший измерить его величину.

Открытие П. Н. Лебедева, принесшее ему мировую славу, послужило важным вкладом в дело торжества материалистической концепции в философии. Отныне уже не могло оставаться сомнений в том, что любое излучение не приводит к исчезновению материи. При переходе вещества в поле сохраняются все атрибуты материи: ее масса, энергия, количество движения. Ничтожно малая часть всякого горячего тела постепенно переходит в поле. При этом излучается не только тепловая или световая энергия, как думали раньше, но и неизбежно сопутствующая ей масса, которая, разлетаясь с огромной скоростью в разные стороны от горячего тела, ударяется в другие тела, попадающиеся на ее пути, и оказывает на них отталкивающее действие.

В настоящее время известно, что наше Солнце ежесекундно излучает 4 млн. т световой материи, которая мчится от него со скоростью 300 ООО км/сек. От ^Солнца как бы «сдует» ураганный «световой ветер», и не удивительно, что он наводит людей на мысль о возможности использования солнечных парусов для космической навигации.

Земля «перехватывает» лишь небольшую долю световой материи летящей от Солнца,— 2 кг в секунду. Эти 2 кг приносят Земле энергию, которая в 100 ООО раз превосходит ее промышленное производство во всех странах за это же время. Однако отталкивательное действие падающей на нашу планету световой материи ничтожно мало по сравнению с ньютоновским притяжением Земли к Солнцу. Только для очень небольших или больших, но легких (например, полых) тел световое отталкивание может соперничать с силой ньютоновского притяжения или даже превосходить его.

Математическое сравнение сил ньютоновского притяжения и светового отталкивания Солнца или другого излучающего тела (под «световым» давлением мы подразумеваем давление электромагнитного излучения любых длин волн, хотя человеческий глаз воспринимает как свет лишь небольшой диапазон длин волн электромагнитного поля) впервые было сделано также П. Н. Лебедевым еще в 1891 г., и в этом состоит его заслуга, нисколько не уступающая по своему значению заслуге открытия светового давления. Обе силы — ньютоновская гравитация (тяготение) и лебедевская репульсия (отталкивание) обладают рядом замечательных, как бы роднящих их свойств. Любое тело, коль скоро его абсолютная температура отлична от нуля, излучает электромагнитное (в частном случае, световое) поле и, следовательно, отталкивает все тела, попадающие в это поле. Таким образом, свойство отталкивать является таким же неотъемлемым атрибутом любого тела, как и его свойство притягивать. Обе силы по величине обратно пропорциональны квадрату расстояния от излучающего и гравитирующего тела и направлены приблизительно по одной и той же прямой. Таким образом, роль репульсии сводится как бы к уменьшению (редукции) тяжелой массы излучающего тела. Эти соображения позволили П. Н. Лебедеву описать обе силы одной формулой, получившей впоследствии название закона Ньютона — Лебедева

В этой формуле F\2 — сила, с которой тело массы Mi, действует на тело массы М2, R — расстояние
между ними, у — коэффициент пропорциональности (гравитационная постоянная), М/ — .редуцированная масса первого тела, как бы ослабленная его световым отталкиванием; она всегда меньше Mi и зависит от температуры первого тела, а также от размеров и плотности каждого из двух взаимодействующих тел. При определенных условиях «масса» М/ может принимать нулевое и даже отрицательное значение.

По мнению ряда философов, учет светового отталкивания между телами имеет большое методологическое значение, так как он устраняет существенный недостаток классической теории тяготения — ее однополярность, которая еще у Энгельса вызывала чувство большой неудовлетворенности.

По утверждению Энгельса, явление кометных хвостов, обнаруживающих огромное отталкивание, убедительно свидетельствует в пользу важной роли последнего во всемирном взаимодействии материи. Можно не сомневаться, что и сам П. Н. Лебедев хорошо понимал значение найденного им закона.

СВЕТОВОЕ ДАВЛЕНИЕ ВНОСИТ КОРРЕКТИВЫ В КЛАССИЧЕСКУЮ НЕБЕСНУЮ МЕХАНИКУ

Первое удивительное следствие, вытекающее из закона Ньютона— Лебедева, состоит в том, что действие одного тела на другое оказывается не равным противодействию последнего. Представим себе, например, два сферических тела А и В, одинаковых по размерам и массе, но различных по температуре настолько, что при их взаимодействии у горячего тела (А) преобладает отталкивание, а у холодного (В) — притяжение. Центр тяжести этих двух тел, предоставленных самим себе, не будет оставаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, как это должно бы быть а рамках классической динамики. Оба тела и их центр масс будут двигаться ускоренно в направлении от горячего тела к холодному: тело В будет двигаться, набирая скорость за счет преобладающего отталкивания со стороны тела А; вдогонку за телом В, тоже ускоренно, будет двигаться тело А, подтягиваемое преобладающим притяжением со стороны тела В.

Астрономам приходится наблюдать, как крошечные частицы, отделившись от ядра кометы, ускоренно мчатся от Солнца, подгоняемые его преобладающим отталкиванием. В то же время, каждая из этих частиц, будучи достаточно холодной, с какой-то, хотя и ничтожной, силой несомненно подтягивает за собой и само Солнце. Если бы таких частиц было достаточно много, они могли бы заметным образом изменить скорость движения нашего светила. Не по этой ли причине наиболее горячие звезды спектрального класса В имеют повышенную дисперсию скоростей по сравнению с более холодными звездами Галактики?

Известный советский астроном Т. А. Агекян математическим расчетом подтвердил возможность «фотогравитационного» ускорения В-звезд: встречаясь с огромным облаком холодной космической пыли, такая звезда движется ускоренно к центру его тяготения, в то же время мощным потоком светового излучения она толкает перед собой пылинки, образующие это облако. В результате и звезда, и облако движутся ускоренно в одну и ту же сторону.

Аналогичное нарушение аксиомы Ньютона мы сможем наблюдать, когда будет построена фотонная ракета. Фотонный корабль будет двигаться ускоренно при отсутствии каких-либо внешних сил только за счет излучения электромагнитного поля с кормы ракеты.

Все эти «нарушения» лишний раз свидетельствуют о «механистичности» классической механики Ньютона, законы которой сформулированы только для движения и взаимодействия тел, т. е. вещественной материи. Между тем взаимодействие тел осуществляется через посредство физических полей, которые отнюдь не обязаны «выходить из игры» с нулевым балансом. Когда последнее имеет место, законы механики Ньютона выполняются достаточно точно. Однако в ряде случаев поле «оттягивает» на себя значительную порцию массы, энергии или количества движения, и тогда мы наблюдаем нарушение законов сохранения для системы тел, рассматриваемых без учета поля. В то же время необходимо подчеркнуть, что все законы сохранения являются абсолютно незыблемыми, когда их применяют к определенной материальной системе, независимо от того, какие преобразования испытывает материя этой системы. Таким образом, учет светового давления существенно «офизичивает» классическую механику Ньютона.

Закон Ньютона—Лебедева замечательно расширяет класс возможных движений в задаче двух тел. Решение этой задачи при учете только ньютоновской гравитации приводит к заключению, что тела могут двигаться по одному из следующих конических сечений: эллипс, парабола, вогнутая ветвь гиперболы. Остаются незаполненными еще три конических сечения: выпуклая ветвь гиперболы, прямая с фокусом вне ее и точка. Однако стоит нам воспроизвести решение задачи двух тел на базе закона Ньютона—Лебедева, как оказывается, что возможной траекторией каждого из двух тел становится любое из существующих конических сечений. Так, если редуцированная масса тела А отрицательна (отталкивание преобладает над притяжением}, тело В будет двигаться по выпуклой ветви гиперболы, если редуцированная масса А равна нулю, тело В будет либо покоиться («траектория»— точка), либо двигаться равномерно и прямолинейно.

Лебедевская репульсия хорошо вписывается в ньютоновский закон гравитации лишь до тех пор, пока оба тела имеют сферическую форму, постоянные размеры и равномерно нагретую поверхность. Если при этих условиях повторить вывод всех результатов классической небесной механики, положив в основу не закон Ньютона, а закон Ньютона—Лебедева, то мы получим по форме те же самые соотношения, только вместо тяжелых масс тел везде будут фигурировать массы редуцированные.

Однако картина совершенно меняется, если хотя бы одно из тел имеет несферическую форму или переменные размеры. Рассмотрим этот случай на примере закона сохранения энергии. Известно, что полная механическая энергия сумма энергии кинетической и потенциальной) у малого тела, находящегося в поле тяготения большого тела, остается неизменной, если ее измерять по отношению к центру массы большого тела, практически совпадающему с центром масс системы.

Если малое тело имеет скорость движения, достаточную для того, чтобы преодолеть силы тяготения центрального тела и улететь в бесконечность, то мы говорим, что его энергия положительна. В противном случае считается, что энергия малого тела отрицательна. Все это остается в силе и для фотогравитационной задачи двух тел при соблюдении указанных выше условий.

Но представим себе движущийся по окружности, в центре которой расположено Солнце, полый непрозрачный шар таких размеров и массы, что его притяжение к Солнцу всего лишь в два раза превышает световое отталкивание. Полная энергия такого шара будет отрицательной, в бесконечность он улететь не может. Пусть, далее, внутри шара открывают баллон со сжатым воздухом, в результате чего шар быстро надувается так, что его радиус возрастает вдвое, а площадь поперечного сечения — в четыре раза. От этой манипуляции сила притяжения к Солнцу не изменится, а световое отталкивание возрастет вчетверо. Теперь уже репульсия будет в два раза превосходить гравитацию. Надутый шар практически в одно мгновенье перейдет на орбиту, имеющую форму выпуклой ветви гиперболы и начнет удаляться в бесконечность. Про-
изойдет как бы мгновенное увеличение энергии шара. В то же время полная энергия материальной системы Солнце — шар — поле останется неизменной. Увеличение энергии шара произойдет за счет уменьшения механической энергии поля: ведь за надутым шаром образуется более широкая область тени с пониженной плотностью полевой энергии.

Аналогичного эффекта можно достигнуть, если на космическом корабле, летящем в межпланетном пространстве, внезапно раскрыть или просто повернуть перпендикулярно к солнечным лучам парус, который до этого располагался ребром к Солнцу. В результате произойдет мгновенное увеличение энергии корабля, причем, как показывает элементарный расчет, приращение энергии, отнесенное к одному грамму достаточно тонкого паруса, в сотни раз превосходит энергию, выделяемую при сжигании одного грамма метана.

При современном уровне развития техники создание космических кораблей с гигантскими солнечными парусами, способными обеспечить всю необходимую силу тяги, считается практически невозможным. Однако уже в наше время становится целесообразным применение небольших солнечных парусов в качестве вспомогательного движущего средства, ибо каждый грамм паруса способен заменить сотни граммов термического топлива.

Преимущество паруса состоит еще и в том, что он обладает способностью к обратимости процесса перекачки энергии от поля к кораблю и обратно. В самом деле, если для возвращения корабля на более низкую орбиту требуется уменьшить его энергию, то для этого достаточно свернуть парус до следующего рейса на внешнюю орбиту.

Оценивая все возможности и перспективы, открываемые приме-
нением солнечных парусов в космической навигации, и сравнивая предполагаемые пути ее развития с историей мореплавания, невольно приходишь к вопросу: не предстоит ли космической навигации повторить, но только в обратном порядке, основные этапы развития морской навигации, которая, как известно, шла от парусных кораблей к смешанным, а от них к кораблям с тепловыми двигателями?

Другие интересные проблемы, резко отличающиеся от проблем классической механики Ньютона, возникают в случае движения малого тела в фотогравитационном поле, гравитация и репульсия которого порождаются разными телами. Примером может служить движение в поле земного тяготения достаточно легкого искусственного спутника Земли, возмущаемого давлением солнечного света.

Известный интерес в этом отношении представляют собой американские спутники-баллоны

«Эхо», обладающие большими размерами, но очень малой массой. Как показали теоретические расчеты Р. Паркинсона, Г. Джоне-са и И. Шапиро, только за счет светового давления высота перигея спутника «Эхо-1» должна меняться со скоростью до 2—3 км в сутки, испытывая периодические колебания с амплитудой 250 км И периодом около 300 суток. Эти расчеты были подтверждены данными наблюдений.

Не менее любопытный расчет был сделан Г. Джонесом и И. Шапиро в связи с американским проектом «Вест Форд». Как известно, вопреки протестам мировой общественности, американцы задумали вывести на орбиту несколько сот миллионов мельчайших медных иголок для образования постоянного пояса вокруг Земли. Однако, как показал расчет упомянутых авторов, давление солнечных лучей сравнительно быстро рассеяло бы иголки или сбросило их на Землю. Этот запуск иголок, против которого протестовали и Международный астрономический союз и АН СССР и который часто называют «диверсией в космосе», создавал не постоянную, а временную, хотя и длительно существующую помеху и опасность.

Оставить комментарий

Я не робот.

БЛОГ О ЗАРАБОТКЕ!
Статистика