В одном из своих опусов мне приходилось немного говорить об инерции. Но есть потребность – сказать обстоятельней. Природа инерции остаётся до сих пор спорным и далеко не понятым явлением. Современная физика толкует инерцию как явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него других тел. Наглядный пример инерционного движения – искусственный спутник Земли, движение без трения и подпитки энергией неопределённо долгое время. Слово «инерция» в переводе с латыни – неизменность, постоянство. Так почему же тут скорость тела не меняется, сохраняется?! Сразу на ум приходят закон сохранения энергии движения и закон сохранения массы (вещества). Может быть, инерция как-то связана с законом сохранения энергии движения и с законом сохранения массы? Как ни странно подобное звучит, но так и есть. Попробуем разобраться. К слову, интерес к теме «инерция» подогревается идеей создания вечного двигателя.
Экспериментальная физика началась с Галилео Галилея (16-й век). В своём труде «Беседы о двух новых науках» Галилей писал: «Скорость, однажды сообщаемая движущемуся телу, будет строго сохраняться, поскольку устранены внешние причины ускорения или замедления, – условие, которое обнаруживается только на горизонтальной плоскости, ибо в случае движения по наклонной плоскости вниз уже существует причина ускорения, в то время как при движении по наклонной плоскости вверх налицо замедление; из этого следует, что движение по горизонтальной плоскости вечно». О, святая простота! Ведь Галилей знал, что длина горизонтальной плоскости ограничена шарообразностью Земли. Вечность движения предполагает безграничную прямую плоскость с вычетом всякого сопротивления движению, трения. Такое может существовать только гипотетически. В реальном физическом мире ничего подобного нет. Галилеева прямая горизонтальная плоскость должна выходить далеко за пределы земного шара. Но гравитация далеко не отпустит, и плоскость свернётся в кольцо вокруг шара.
Конечно, Исаак Ньютон с первым законом, законом инерции, погорячился (17-й век)! Он взял на веру принцип относительности Галилея, который косвенно указывал на то, что если дать импульс телу – тело будет двигаться равномерно и прямолинейно, неограниченное время. Но, увы, как выше замечено, таких движений в природе нет и быть не может! Круговые, орбитальные движения планет вокруг Солнца происходят инерционно, равноускоренно, с небольшими изменениями скорости по причине эллипсоидности орбит. Т. е. орбиты замкнуты в эллипс, что подобно гармоническому колебанию с участием противоборствующих сил: силы гравитационного вакуумного давления («тяготения») и силы центробежного равноускоренного движения. Такое инерционное орбитальное движение планет без какого-либо сопротивления, без трения было получено планетами при формировании Солнечной системы. Энергия движения здесь сохраняется. Подобное орбитальное круговое движение планет не имеет ничего общего с представлениями о характере движения Галилея. Все движения происходят в силовых полях, и все устойчивые движения цикличны, замкнуты в круг или в эллипс. Даже в далёком космосе невозможны равномерные, прямолинейные движения тел, неограниченные во времени! Первая же встречная галактика изменит траекторию движения тела, и сделает тело своим спутником. Замкнутое, цикличное инерционное движение без трения – главная особенность движения космических тел.
На Земле – несколько сложнее. Кроме того, что тела движутся постоянно в силовом поле, на движение тел оказывается сопротивление в виде трения. Самое простое инерционное, относительно устойчивое, движение на Земле – колебания маятника. Импульс движению мы задаём сами. Частота колебаний зависит от длины подвеса: чем длиннее – тем меньше. Любое поступательное движение на нашей планете связано с затратами энергии. В условиях Земли нет и не может быть инерциальных систем отсчёта, движущихся прямолинейно и равномерно неограниченное время. Прямолинейное и равномерное движение тела возможно лишь небольшое время на ограниченном участке идеального пути. Перед этим тело должно ускориться дополнительной энергией, разогнаться. Кинетическая энергия тела равна произведению массы тела на квадрат его скорости, делённое на два. Для разгона тела нужны время и сила. Когда сила прекращает действие – тело под действие трения воздуха, трения колёс о поверхность (что связано с «силой тяжести»), трения деталей механизмов – со временем остановится. Длина пути до времени остановки зависит от набранной скорости, кинетической энергии тела. Вот это движение тела, когда ускоряющая сила прекратила действие, называется инерционным движением. Например, если остановка разогнанного автобуса с пассажирами происходит постепенно лишь под действием трения, то получается симметричная картина с ускорением автобуса, только с обратным знаком. Пассажиры не чувствуют никакого неудобства. Но если же торможение разогнанного автобуса будет мгновенным, то пассажиров бросит вперёд; их запасённая кинетическая энергия движения слишком велика, чтобы в один момент израсходоваться. Вот так получаются травмы у людей и поломки транспортных средств. А виной всему – произведение массы на квадрат скорости!
Откуда берётся квадрат скорости? Попробуем в этом разобраться на примере гравитации, гравитационного вакуумного давления, которое сегодня называется «силой тяжести». Предположим, что мы подняли шарик на какую-то высоту, а потом отпускаем. У нас нулевая кинетическая энергия и какая-то «потенциальная». Дальше «потенциальная» энергия будет переходить в кинетическую. Сумма энергий должна сохраняться. Потенциал гравитационного поля пропорционален высоте. Поэтому кинетическая энергия будет расти одинаковыми порциями, когда тело пролетит одинаковые расстояния. Как известно, путь s = a*t^2/2 (пояснение: а – ускорение, t – время; путь s = v*t – это при равномерном движении, без ускорения! А путь s = a*t^2/2 – это путь при ускоренном движении при условии, что начальный путь и начальная скорость будут равны нулю). Соответственно, и приращение кинетической энергии должно быть пропорционально квадрату времени. Ускорение постоянное, поэтому скорость растёт со временем линейно. Так что кинетическая энергия будет также пропорциональна и квадрату скорости. Конечно, масса тела при этом не меняется. В случае гравитации – свободно падающий шарик ускоряется в градиенте давлений среды, ускоряется с падением давления среды, что, собственно, и есть разность энергии среды (потенциальная энергия). На высоте плотность и давление среды больше, а на поверхности Земли – меньше. Если вернуться к автобусу, то роль ускоряющего давления играет двигатель машины. Чтобы ускориться – водитель жмёт на газ, постепенно увеличивает давление на поршни двигателя. За минуту скорость автобуса растёт с нулевой величины до 60 км в час. Подсчёт по формуле даёт очень большую величину кинетической энергии. Энергия запасена в горючем веществе, в бензине, как энергия в виде давления постоянно существует в среде квантового физического вакуума. В случае с электромобилем ситуация точно такая же. Добавляя тока, водитель увеличивает силу взаимодействующих магнитных полей. Сколько энергии было получено покоящимся телом – столько же энергии должно быть отдано до полной остановки, симметрия соблюдается строго. Закон сохранения и расходования энергии тут тот же, что при расходовании энергии при трении затухающих гармонических колебаний маятника. Симметрия полная. Подобное сохранение и расходование энергии справедливо и для вращающихся вокруг своей оси тел. При инерционном движении на Земле скорость тела сохраняется до исчерпания энергии, данной при ускорении. Инерционное движение тел на Земле не может быть вечным в силу неизбежности трения. Хотя, попытки создания вечных двигателей не прекращаются. И есть вполне работоспособные модели, но трение, в конце концов, их остановит.
Это на макроуровне. Но на микроуровне, на планковском масштабе, тоже есть колебательная динамика – взаимная колебательная динамика элементов среды квантового вакуума со световой скоростью, подобная слабо затухающему колебанию двух массивных шариков, соединённых упругой пружиной на единой оси. Такая коллективная трёхмерная радиальная колебательная динамика элементов поля лежит в основе частицы протон – дыхание вакуума (сжатие – расширение). Но, вот что важно: здесь нет привычного нам земного трения при колебательной динамике, как нет трения при круговом движении планет вокруг Солнца. Сохранение и симметрия подобной колебательной динамики не только обусловливают сохранение энергии движения, но и само существование так называемой инертной массы частицы протон. Частица протон постоянно обменивается энергией-импульсом со средой квантового вакуума, как максимум амплитуды колебания в цепочке связанных осцилляторов. Именно этот обмен энергией и наделяет частицу протон инерционной массой. Чтобы изменить положение такой частицы в пространстве, в среде – нужно затратить энергию. У волнового фотона такого обменного механизма нет, и потому он всегда движется со скоростью света. Фотон безынерционен в смысле массы, но инерционен в смысле постоянства, неизменности своей скорости. Все частицы с массами инерционны; для их ускорения и торможения нужны затраты энергии. Коротко говоря, вращательная и колебательная инерция всегда обусловлена противоборством двух и более сил. По правде, весь этот опус о природе инерции можно было бы проиллюстрировать одним образом: гармоническим колебанием маятника, от остановки до остановки. Источник инерции на микроуровне – энергия устойчивых колебаний. Устойчивые колебания и сохраняют инертную массу протона, и вообще, массу вещества. Однако, находясь в атомном ядре, в связке с другими протонами, частица, как целое, совершает вращательное, круговое движение в собственном волновом поле. Это вращение называется орбитальным моментом движения частицы. Подобная новая форма движения заметно усложняет всю картину динамики микромира. Но без допущения такой формы движения – нам ничего не понять в мире атомов и молекул, в мире электродинамики. Но это отдельная тема разговора, как и инерционность света, и инерционность в сверхпроводимости. Орбитальное, круговое движение протона тоже можно отнести к сохраняющейся инерционной форме движения без трения. В заключение следует сказать, что циклическое, замкнутое сохраняющееся инерционное движение без трения существует в движении космических объектов и в движении квантовой колебательной динамики дыхания вакуума. Но квантовая колебательная динамика первична по отношению ко всем другим формам движения во вселенной. Все прочие формы движение в эволюционном развитии происходят отсюда, в том числе и инерционное движение без трения космических объектов. Таким образом, исток инерции, исток сохранения энергии движения, сохранения массы – в квантовой колебательной динамике дыхания вакуума. Кто создал эту колебательную динамику вакуума с ничтожной потерей энергии, откуда она взялась – пока неведомо. Единственное, что можно предположить – величина потери энергии в квантовых вакуумных колебаниях, декремент затухания кратен постоянной Планка, кванту действия.
После написания этого опуса, у меня осталось ощущение незаконченности, неполноты. Вроде бы, всё сказал, а чего-то не хватает. Нет последних, самых важных аккордов, чтобы опус зазвучал по-настоящему. И вот в одном из последних опусов на темы науки опять всплыла тема инерции. И тут пришло понимание – чего не хватает. В сущности, одной, двух фраз, чтобы картина прояснилась полностью. И эти фразы пришли. Вот они: инерционное движение тела («сила инерции») – это постепенный или мгновенный расход остаточной кинетической энергии тела, полученной телом при ускорении. Если кинетическая энергия периодически не добавляется телу, то инерционное движение останавливается. Вот почему нельзя создать вечный двигатель.
Борис Гуляев
Май, 2022 год.