ABOUT THE SPEED OF GRAVITY

Гневко А. И.¹, Мукомела М. В.²,Соловов С.Н.³, Янушкевич В.А.⁴

¹ доктор технических наук, профессор, ВА РВСН им. Петра Великого;

соискатель,  ² ВА РВСН им. Петра Великого;

³ кандидат технических наук, доцент, ВА РВСН им. Петра Великого;

⁴ доктор физико-математических наук, профессор, ВА РВСН им. Петра Великого.

О СКОРОСТИ ГРАВИТАЦИИ

Аннотация

Рассмотрен способ оценки скорости гравитационного взаимодействия с использованием космического мусора и астероидов. Показана техническая возможность реализации. Предварительный анализ экспериментальных результатов дает основания для использования в космической навигации модели Ньютона. Преимущество модели Ньютона подтверждается тем, что с помощью специализированной установки лазерной локации, расположенной в Крыму и обеспечивающей высокоточное определение направления лазерного импульса, обнаружено сезонное отклонение ряда спутников от ожидаемого положения. Отклонение может вызываться смещением Земли по орбите за время распространения света до нее от Солнца.

Ключевые слова: скорость гравитации, модели Ньютона и Эйнштейна, результаты эксперимента.

Gnevko A.I.¹, Mukomela M.V.², Solovov S.N.³, Yanushkevich V.A.⁴

¹PhD in Engineering, professor, Peter the Great Strategic Missile Troops Academy;

Postgraduate student,  ² Peter the Great Strategic Missile Troops Academy;

²PhD in Engineering, assosiate professor, Peter the Great Strategic Missile Troops Academy;

³PhD in Physics and Mathematics, professor, Peter the Great Strategic Missile Troops Academy.

ABOUT THE SPEED OF GRAVITY

Abstract

The work describes a method to evaluate the speed of gravity interaction using space debris and asteroids. It demonstrates a technical implementation opportunity. Tentative analysis of experimental findings shows Newton’s model can be used in space navigation. The advantage of Newton’s model is confirmed by a seasonal deviation of a number of satellites from their expected location, as detected by a specialized laser location facility in Crimea, which provides high-precision detection of laser impulse direction. This deviation can be explained by Earth’s shift along the orbit while the light travels from the Sun to Earth.

Keywords: speed of gravity, Newton’s and Einstein’s model, experiment results.

Космическая навигация предполагает всё более точное прогнозирование траекторий полёта космических аппаратов, в том числе оценки скорости гравитационного взаимодействия. Вместе с тем, в настоящее время существуют, по меньшей мере, две модели, с помощью которых производится прогноз траекторий. С одной стороны модель Ньютона, в которой скорость гравитационного взаимодействия не ограничивается, с другой уточняющая модель общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), в которой считается, что скорость всех взаимодействий, в том числе гравитационного, должна быть меньше или равна скорости света в вакууме. Существуют также другие гипотетические модели гравитации и теоретические оценки её скорости, которые пока не получили достаточного подтверждения в связи с относительно высокой стоимостью необходимых экспериментов.

Первым попытку теоретически оценить скорость гравитации предпринял еще Лаплас [1].

«Сообщается ли притяжение от одного тела к другому мгновенно? Время передачи, если бы оно было для нас заметно, обнаруживалось бы преимущественно вековым ускорением в движении Луны. Я предлагал это средство для объяснения ускорения, замеченное в упомянутом движении, и нашел, что для удовлетворения наблюдениям должно приписать притягательной силе скорость в семь миллионов раз большую, чем скорость светового луча. А так как ныне причина её векового ускорения – Луны хорошо известна, то мы можем утверждать, что притяжение передается со скоростью, по крайней мере в пятьдесят миллионов раз превосходящей скорость света. Поэтому, не опасаясь какой либо заметной погрешности, мы можем приписать передачу тяготения за мгновенное.»

Величина скорости получилась на много порядков больше скорости света. Ряд результатов наблюдения за космическими аппаратами, гравиметрическими и другими измерениями определяет актуальность оценки скорости гравитационного взаимодействия. Так получили широкую известность ускорения космических аппаратов Пионер 10 и 11, которые, несмотря на проведенные исследования, пока не получили убедительного объяснения [2, 3, 4]. Не меньший интерес вызывают последние сообщения об открытии гравитационных волн, в котором приняли участие российские ученые [5]. Но, если гравитация распространяется по Ньютону и Лапласу со сверхсветовой скоростью, то потребуются дополнительные исследования для подтверждения открытия. Тем более что квантовая теория гравитации пока не создана, а квантовое взаимодействие, в том числе по имеющимся экспериментальным оценкам, может распространяться со сверхсветовой скоростью [6, 7]. Имеются результаты непосредственного измерения скорости распространения гравитации с использованием микролинзирования на основании общей теории относительности [8]. Но пока полученные результаты не получили признания у значительной части специалистов. Опубликованы результаты гравиметрических измерений, выполненных при солнечном затмении китайскими и другими учеными [9, 10]. Измерения дают основания для предположения об экранировании гравитации Солнца Луной. Но повторить подобные измерения представляется проблематичным, в связи с относительно большими трудностями организации проведения наблюдений на Земле. Кроме того, обнаружены «скачки» (до десятков метров) траекторий спутников, сопровождающие переход на теневую орбиту и обратно. В настоящее время «скачки» связывают с давлением света Солнца. Но гравитация также может вносить определенный вклад, который с достаточной степенью точности не измерялся.

Отмеченные обстоятельства определяют необходимость разработки нового способа оценки скорости гравитационного взаимодействия, отличающегося меньшей стоимостью в сравнении с известными способами. Для достижения поставленной цели могут быть использованы космический мусор, который сегодня уже представляет угрозу для космических аппаратов, либо специальные спутники. В новом способе используется тот факт, что конусная тень от Луны, освещаемой Солнцем, сходит в точку на расстоянии, порядка 400 тысяч километров, а полутень – наоборот, расширяется. Для прохождения светом этого расстояния требуется более секунды. За это время Луна, вращаясь вокруг Земли, успеет сдвинуться на расстояние более километра. Если учесть другие формы движения Земли и Солнца, то данное расстояние будет значительно больше. Установлено, что давление света и гравитационное воздействие должны изменять траекторию спутников, в том числе обломков космического мусора.

Сравнивая моменты изменения траекторий космического мусора или специально запускаемых спутников, можно будет судить о скорости распространения гравитационного взаимодействия относительно скорости света. Необходимая точность измерений траекторий мусора и космических аппаратов может быть обеспечена современными средствами контроля ускорений, например, путем анализа наблюдений за изменениями лучевой скорости. В астрофизике использование метода измерения лучевой скорости достаточно отработано и широко используется. Измерение лучевых скоростей спутников Земли может, например, производится путем сравнения частоты радиопередатчика, установленного на спутнике, со стандартной частотой. Точность измерений частоты обеспечивает оценку изменений скорости спутника со среднеквадратической ошибкой 1,3 мм /с [11]. Использование измерений лучевых скоростей спутников Луны позволило американским исследователям обнаружить неоднородности распределения масс в теле Луны, которые получили название масконов.

Еще большую точность может обеспечить измерение расстояний до спутников Земли. Точность таких измерений в настоящее время порядка нескольких миллиметров, а в перспективе соответствует субмиллиметровому диапазону [12]. Диаметр полутени от Луны  составляет в районе Земли около 4000 км. Если измерения путем лазерной локации спутника при подходе к границе тени и выходе из неё осуществлять непрерывно, то можно будет определить время, когда начинается изменение действия гравитационных сил и время, когда начинается изменение действия света. Если моменты начала изменений совпадают, то скорость гравитации равна скорости света. Если моменты не совпадают, то необходим дополнительный анализ.

Свет от Солнца до Земли и, соответственно, Луны идёт примерно 500 секунд. За это время Земля вместе с Луной, двигаясь по орбите, сместится на 15000 км. Поэтому видимое и реальное положение Солнца отличаются приблизительно на 1% от диаметра, который составляет ≈ 1500000 км. Время, которое требуется для того, чтобы ускорение, создаваемое Солнцем в зоне Земли (0,076 мГал [11]) сдвинуло спутник на один миллиметр составляет 53,1с. В перспективе чувствительность лазерной локации будет существенно выше [12]. Таким образом, уже сегодня имеется техническая возможность обнаружить различия в моментах начала действия гравитации и света по возмущениям орбит тел, вращающихся вокруг Земли.

Если момент начала действия гравитации будет опережать момент начала затемнения, то скорость гравитации выше скорости света. Если момент начала действия гравитации будет наступать позднее, начала затемнения, то скорость гравитации меньше скорости света. Если момент начала действия гравитации совпадает с видимым положением спутника в начале затенения, то скорость гравитации равна скорости света.

Конечно, реализация подобных измерений потребует запуска специализированных спутников с определенной ориентацией, размерами, оптическими датчиками. Для уменьшения действия светового давления желательно, чтобы спутники имели значительную массу при малой площади поверхности и другие особенности, способствующие повышению точности измерений.

Вместе с тем, уже имеются результаты лазерной локации спутников Земли с использованием оптических устройств, которые обеспечивали уникальную точность определения направления на спутник порядка 0,5 угловых секунды [13]. Измерения производились специалистами Крымской лазерной обсерватории Главной астрономической обсерватории НАН Украины в Симеизе (Кацивели). Результаты измерений выявили систематические сезонные отклонения от видимого и регистрируемого локацией положения отечественных и зарубежных спутников, оснащенных уголковыми отражателями. Прогноз перемещений спутников производился по их наблюдаемому с помощью телескопа положению относительно звёзд. Однако положение спутников, регистрируемое уникальной лазерно-локационной установкой, оказывалось сдвинутым относительно прогнозируемого положения на 10 – 30 угловых секунд. Наблюдаемая аберрация отлична от известной скоростной аберрации. Важной особенностью обнаруженного смещения (аберрации) является то, что как летом, так и зимой оно направлено в сторону расположения Солнца. Природа надёжно обнаруженного отклонения спутников относительно направления их скорости допускает несколько истолкований. Первое из возможных гипотетических истолкований связано с различиями в скорости света и скорости действия гравитации. Как отмечено ранее, реальное положение Солнца от видимого сдвинуто вследствие орбитального движения Земли на 15000 км. Такой сдвиг соответствует изменению положения Солнца на 20 угловых секунд от видимого его положения. Поэтому обнаруженный сдвиг положений спутников, обнаруженный с применением Крымской лазерно-локационной установки, может свидетельствовать (не только качественно, но и количественно) о том, что скорость гравитации значительно превосходит скорость света. Отмеченные обстоятельства дают основания считать, что модель скорости гравитации Ньютона больше соответствует реальности, чем модель ОТО, и позволяет делать более точные прогнозы в космической навигации.

Другие гипотетические истолкования менее убедительны и связаны с влиянием на скорость света гравитации и изменением масштаба времени.

Наблюдения за космическим мусором при переходах на теневые части орбит так же могут быть полезны для оценок скорости гравитации. Кроме того, полезную информацию могут дать наблюдения за астероидами при переходах в тень от ближайших планет солнечной системы, например Марса и Земли. Сегодня имеются сведения об орбитах более полумиллиона астероидов. Некоторые из астероидов будут проходить через тень (полутень) от планеты. Сравнивая возмущения орбиты астероидов, которые вызываются оценкой гравитации по Ньютону и гравитацией, распространяющейся со скоростью не выше световой, можно также получить объективные представления о реальной скорости гравитации.

Таким образом, развитие современной техники прецизионных измерений позволяет уточнить прогноз орбит спутников, и, в особенности, для межпланетных космических аппаратов, путём выбора более совершенной модели скорости распространения гравитационного взаимодействия и даёт основания для следующих выводов.

1. Предварительный анализ результатов лазерной локации спутников позволяет считать, что модель скорости гравитации Ньютона точнее отражает поведение спутников, чем модель ОТО, что не означает отрицания теории относительности в остальных её проявлениях.
2. Следует ожидать, что скорость распространения гравитации много больше скорости света в вакууме. Аналогичное поведение скорости квантовой корреляции может говорить об их общей природе.
3. Целесообразно повторить и развить эксперименты по лазерной локации спутников на установке в Кацивели.
4. Можно использовать для оценки скорости распространения гравитации космический мусор или астероиды, а также спутники со специальной оснасткой. Для оценки различных моделей гравитации (в том числе альтернативных, например, по обнаружению экранирования гравитации) измерения возмущений орбит спутников лучше проводить при приближении и прохождении ими теней от планет. Удобные для измерений положения космического мусора или астероидов значительно расширят возможности проведения экспериментов в сравнении, например, с солнечными затмениями на Земле.

Список литературы / References

1. Лаплас, П. С. Изложение системы Мира / П. С. Лаплас. – Л.: «Наука», 1982. – 376 с.
2. Лисов И. Пионер 10 продолжает работу и задаёт загадки. / И. Лисов // Новости космонавтики. – 1999. – Том 9, №2 (193). С. 35 (1999);
3. Anderson J. D. et al. Phys.Rev.Lett., Vol. 81, N 14, 1998, p.2858-2861.
4. Turyshev S. G., Toth V. T., Kinsella G., Sih-Chun Lee, Lok S. M., Ellis J. «Support for the thermal origin if the Pioner anomaly», Phys. Rev. Lett. 108, 241101 (2012), arXiv:1204.2507v1 [gr-qc] 11 Apr 2012
5. Abbot B. P. et al. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016
6. Кадомцев Б. Б. Динамика и информация. / Б. Б. Кадомцев, УФН, 1994, том 164, № 5, С. 449–530.
7. Соколов Ю. Л. Интерференционный метод измерения параметров атомных состояний. / Ю. Л.  Соколов, УФН, 1999, том 169, № 5, С. 559–583.
8. Fomalont E. B., Kopeikin S. M. The measurement of the light deflection from jupiter: experimental results // Astrophysical Journal. — 2003. — Vol. 598, no. 1. — P. 704–711.
9. ГолеминовН. Г. Почему Тунгусское событие произошло в новолуние / Н. Г. Големинов. В книге 100 лет Тунгусской проблеме. Новые подходы. Сборник статей / под ред. В.К. Журавлева и Б.У. Родионова. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.– С. 80–89.
10. Maurice Allais. Should the Laws of Gravitation be Reconsidered?, Aero/Space Engineering 9, 46–55 (1959).
11. ГрушинскийН. П. Основы гравиметрии. / Н. П. Грушинский, – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. – 352 с.
12. ЛепешкинД. В. Алгоритм адаптивной модуляции времени излучения лазерного дальномера для устранения влияния лидарного сигнала. / Д. В. Лепешкин, // Сб. Прецизионные информационно-измерительные системы. Достижения и перспективы. Тезисы докладов VI научно-технической конференции АО «НПК «СПП» 25-28 мая 2016. Московская область.
13. Игнатенко Ю. В., Игнатенко И. Ю., Тряпицын В. Н. Отклонение света при лазерной локации. Экспериментальное исследование. / Ю. В. Игнатенко, И. Ю. Игнатенко, В. Н.Тряпицын, Гиперкомплексные числа в геометрии и физике, – 2014. – №1 (21), том 11, С. 66-84.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Laplas, P. S. Izlozhenie sistemy Mira [Exposition of the system of the World] / P. S. Laplas. – L.: « Nauka », 1982. – 376 P. [in Russian]
2. Lisov I. Pioner 10 prodolzhaet rabotu i zadajot zagadki. [Pioneer 10 continues and asks a riddle.] / I. Lisov // Novosti kosmonavtiki. – 1999. – Vol. 9, №2 (193).P. 35. [in Russian]
3. Anderson J. D. et al. Phys.Rev.Lett., Vol. 81, N 14, 1998, p.2858-2861.
4. Turyshev S. G., Toth V. T., Kinsella G., Sih-Chun Lee, Lok S. M., Ellis J. «Support for the thermal origin if the Pioner anomaly», Phys. Rev. Lett. 108, 241101 (2012), arXiv:1204.2507v1 [gr-qc] 11 Apr 2012.
5. Abbot B. P. et al. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016.
6. Kadomcev B. B. Dinamika i informacija. [Dynamics and information.] / B. B. Kadomcev, UFN, 1994, Vol. 164, № 5, P. 449–530. [in Russian]
7. Sokolov Ju. L. Interferencionnyj metod izmerenija parametrov atomnyh sostojanij. [An interference method for measuring atomic state parameters.] / Ju. L. Sokolov UFN, 1999, Vol. 169, № 5, P. 559–583. [in Russian]
8. Fomalont E. B., Kopeikin S. M. The measurement of the light deflection from jupiter: experimental results // Astrophysical Journal. — 2003. — Vol. 598, no. 1. — P. 704–711.
9. Goleminov, N. G. Pochemu Tungusskoe sobytie proizoshlo v novolunie. [Goleminov, N. G. Why is the Tunguska event happened in new moon.] / N. G. Goleminov. V knige 100 let Tungusskoj probleme. Novye podhody. Sbornik statej / pod red. V.K. Zhuravleva i B.U. Rodionova. – M.: BINOM. Laboratorija znanij, 2008.– P. 80–89. [in Russian]
10. Maurice Allais. Should the Laws of Gravitation be Reconsidered?, Aero/Space Engineering 9, 46–55 (1959).
11. Grushinskij N. P. Osnovy gravimetrii. [Fundamentals of gravimetry.] / N. P. Grushinskij, – M.: Nauka. Glavnaja redakcija fiziko-matematicheskoj literatury, 1983. – 352 p. [in Russian]
12. Lepeshkin D. V. Algoritm adaptivnoj moduljacii vremeni izluchenija lazernogo dal'nomera dlja ustranenija vlijanija lidarnogo signala. [Algorithm for the adaptive modulation of the emission time of the laser rangefinder to eliminate the influence of the lidar signal.]/ D. V. Lepeshkin, // Sb. Precizionnye informacionno-izmeritel'nye sistemy. Dostizhenija i perspektivy. Tezisy dokladov VI nauchno-tehnicheskoj konferencii AO «NPK «SPP» 25-28 maja 2016. Moskovskaja oblast'. [in Russian]
13. Ignatenko Ju. V., Ignatenko I. Ju., Trjapicyn V. N. Otklonenie sveta pri lazernoj lokacii. Jeksperimental'noe issledovanie. [The deflection of light in the laser ranging. A pilot study.] / Ju. V. Ignatenko, I. Ju. Ignatenko, V. N.Trjapicyn, Giperkompleksnye chisla v geometrii i fizike, – 2014. – №1 (21), Vol. 11, P. 66-84. [in Russian]