К вопросу об инерции в физике: научные подходы и концепция исследования

Под «природой инерции» понимается физический процесс, обуславливающий явление инерции, без которого оно было бы невозможно. Природа инерции как сопротивления действию и природа движения по инерции рассматриваются как взаимодействие тела с вакуумным пространством через поле инерции.

Предполагается, что поле инерции тела состоит из тех же элементов, что и поле гравитации [1, 2], но отличается незамкнутостью радиальных силовых линий. Состояние поля инерции при движении по инерции после импульса отлично от состояния поля до импульса, что проявляется в направлении и силе взаимодействия поля с элементами вакуума. Положение тела в пространстве определяется в координатах локальной системы отсчета, связанной с центром гравитации системы, включающей тело. Считается [1; 2; 3; 4, с. 15-28], что вакуум состоит из тех же элементов, что и поле инерции, но отличается их стохастической неупорядоченностью. В качестве предполагаемых элементов вакуума рассматриваются (е+е-)-пары «моря Дирака».

Электрон и позитрон в этих парах находятся в состоянии разделенных замкнутых вихрей, физически и пространственно связанных, но обращенных друг к другу одноименными полюсами магнитных диполей, что предотвращает аннигиляцию. Это отличается от аналогов в [5], а также [6, с. 10-22] и [7, с. 40-54] тем, что постоянство круговых токов элементов (е+е-)-пары объясняется состоянием сверхпроводимости. Взаимодействие элементов пары и их взаимодействие с (е+е-) парами вакуума определяется электромагнитными свойствами сверхпроводника, включая статические и индукционные свойства. Индукционные свойства электрона и позитрона в состоянии сверхпроводимости проявляются аналогично эффекту Мейснера, подчиняются закону электромагнитной индукции Фарадея и правилу Ленца. В этих предположениях ставится задача описать закономерности инерции макроскопических тел как следствия взаимодействий элементов их полей инерции с элементами вакуумного пространства.

В рамках данного подхода постулируется сохранение фундаментальных физических закономерностей и принимается аксиома Лейбница: «истинно либо то, что с необходимостью следует из истины, либо то, что ничему истинному не противоречит» [8].

При этом большинство классиков теоретической механики признают физическую реальность силы инерции, которая в этом случае становится «обычной» силой, приложенной к телам, сдерживающим движущееся тело на его траектории.

Таким образом, в современной физике одна и та же сила, возникающая при взаимодействии материальных тел, в зависимости от тел, к которым она приложена, может быть одновременно и фиктивной силой инерции по отношению к ускоряемому телу, и реальной силой, если она приложена к телам, задерживающим движущееся тело на его траектории.

Несмотря на наличие четкого математического выражения для сил инерции, их четкое физическое определение отсутствует, что приводит к двойственному пониманию силы инерции: с одной стороны, в математической модели ускоренного движения тел силы инерции считаются фиктивными, а с другой – их существование признается многими как объективная реальность [9, 10].

Дискуссии о фиктивности или реальности силы инерции могут продолжаться бесконечно, однако при существующем подходе к явлению инерции этот вопрос не может быть разрешен в принципе, поскольку ответ зависит от выбранной системы отсчета. Среди современных авторов также нет единого мнения о природе силы инерции, как и о природе «обычных» сил.

Убежденным сторонником фиктивности сил инерции является профессор механики Н. В. Гулиа, который выступал с докладом на публичной дискуссии в МВТУ в 1985 г. [11, 12]. Итогом дискуссии было единогласное решение об отсутствии сил инерции, поскольку для них нет места в существующей механике. Однако это решение не прояснило природу явления инерции. Силы инерции по-прежнему считаются фиктивными несмотря на то, что пассажиры тормозящего транспорта продолжают ощущать их действие. Однако современные модели рассматривают физические тела как материальные точки, что облегчает математическое описание, но исключает возможность «самодействия» и приводит к представлению о фиктивности сил инерции.

Инерция является неотъемлемым свойством физических тел, заключающимся в их способности противодействовать любому изменению состояния движения или покоя. Жуковский Н. Е. определял силу инерции как силу, равную произведению массы на полное ускорение и направленную в сторону, противоположную ускорению [13], что соответствует определению силы противодействия согласно третьему закону Ньютона. Он также отмечал, что введение понятия фиктивной силы инерции облегчает формулировку многих теорем динамики, особенно в вопросах относительного движения и движения несвободной материальной точки.

В современной физике различают «обычные» силы, действующие на тело со стороны других тел в инерциальных системах отсчета, и фиктивные силы инерции, возникающие в неинерциальных системах отсчета.

А. Н. Матвеев в работе «Механика и теория относительности» [14] определяет «обычные» силы как результат взаимодействия материальных тел, действующие на тело со стороны других тел в инерциальных системах отсчета. Однако в неинерциальных системах отсчета наблюдаются ускорения, которые не являются результатом действия сил со стороны других тел. Матвеев указывает, что в неинерциальных системах можно ускорить тело простым изменением состояния движения системы отсчета, и такие ускорения не связаны с «обычными» силами. Поэтому первый закон Ньютона в неинерциальных системах теряет смысл, а третий закон Ньютона искажается, хотя в целом и выполняется в отношении взаимодействия материальных тел. Силы, проявляющиеся в неинерциальной системе отсчета, Матвеев определяет как силы «особой природы».

Матвеев утверждает, что в теории движения в неинерциальных системах отсчета исторически сложился подход, при котором факторы, вызывающие ускорение, были признаны силами инерции, находящимися в аналогичных соотношениях с ускорениями, как и обычные силы. Он предлагает альтернативный подход, предполагающий, что ускорения вызываются не только силами, но и другими факторами, не имеющими к ним отношения. В современной физике силы инерции учитываются наряду с обычными силами, и Матвеев связывает их с ускоренным движением неинерциальной системы отсчета относительно инерциальной.

Также Матвеев, подобно Жуковскому, подчеркивает, что силы инерции, вводимые в математическую модель теории движения в неинерциальных системах отсчета, являются фиктивными, то есть не существуют в реальности. Тем не менее их использование необходимо для объяснения физических явлений в этих системах, в то время как в инерциальных системах отсчета они отсутствуют. В современной физике, связывая неинерциальную систему с ускоренно движущимся телом и добавляя силу инерции, можно получить условие равновесия для тела в неинерциальной системе. При этом ускорение тела определяется как ускорение неинерциальной системы относительно инерциальной, без учета сил инерции.

Центростремительная сила не может быть уравновешена фиктивной силой инерции в неинерциальной системе координат, подобно тому, как реальная сила не может быть фиктивной ни в одной системе координат. Это возможно лишь в абстрактной математической модели. Однако, физическую природу инерции нельзя определить на основе абстрактных построений. Если силу, приложенную к опорному телу (согласно третьему закону Ньютона), можно отнести к силам инерции, то это реальная сила. Фиктивной же является ее математическая модель в неинерциальной системе отсчета, где опорное тело не рассматривается, а ускоряемое тело движется под воздействием абстрактной силы. В этом случае сила инерции формально прикладывается к ускоряемому телу только для записи условия равновесия в неинерциальной системе.

Таким образом, современная теория движения использует математическую модель реальных сил инерции, что упрощает формулировку теорем динамики, но затрудняет понимание физической природы сил взаимодействия и, в частности, сил инерции. Инерция не может быть реальной лишь «в некоторых вопросах»; если она реальна, то реальна во всех проявлениях в физическом мире. Математические абстракции Даламбера, хоть и помогают в написании уравнений, не имеют отношения к физической природе силы инерции. Принцип Даламбера – это лишь математический прием, а не свидетельство фиктивности реальной силы, возникающей в результате инерционного сопротивления тел изменению движения. Фиктивной является математическая модель силы инерции в неинерциальной системе отсчета, а не сама сила.

Проведенный анализ классических и современных подходов к интерпретации природы инерции выявляет фундаментальную проблему дуализма в понимании сил инерции. С одной стороны, математический аппарат теоретической механики последовательно рассматривает их как фиктивные силы, вводимые для упрощения описания движения в неинерциальных системах отсчета. С другой стороны, физическая реальность проявления инерционных эффектов требует признания их объективного существования как результата специфического взаимодействия материальных тел. В данном контексте нами предлагается авторская концепция понимания значения инерции в физике.

В рамках концепции мы предлагаем принципиально новый подход к пониманию природы инерции через призму фундаментальных свойств материи. При этом инерция рассматривается не как абстрактное свойство, а как следствие глубинного взаимодействия между структурными элементами материи и физического вакуума.

Ключевые положения авторской концепции базируются на следующих принципах:

1. Единая природа фундаментальных взаимодействий. Инерция и гравитация имеют общую природу и обусловлены взаимодействием с единой средой – физическим вакуумом, структурированным в виде (е⁺е⁻)-пар в состоянии сверхпроводимости.
2. Динамическая природа пространства-времени. Пространство и время не являются пассивным фоном, а представляют собой активные участники физических процессов. Время перпендикулярно пространству, а масса обратно пропорциональна пространству, что создает основу для понимания инерционных явлений.
3. Спираль бытия как фундаментальный принцип. Движение материи осуществляется по спиралевидным траекториям, сочетающим поступательное движение в пространстве с вращательным движением во времени. Этот принцип объясняет устойчивость физических систем и сохранение ими состояния движения.
4. Накопление энергии во времени. Инерция представляет собой проявление энергии, накопленной телом в процессе его временной эволюции. При изменении состояния движения эта энергия может преобразовываться в различные формы, включая тепловую энергию.
5. Векторная природа инерционных сил. Сложение инерционных сил происходит по законам векторного сложения, что объясняет сложный характер движения тел в гравитационных полях и при ускоренном движении.

В развитие представленной концепции автор также предлагает дополнительный ракурс рассмотрения природы инерции, основанный на анализе внутриядерных и планетарных динамических процессов. Данный подход акцентирует внимание на механизмах сложения векторов энергии-импульса и накоплении инерционных характеристик в процессе временной эволюции физических систем.

С точки зрения автора, инерция проявляется как результат сложного векторного сложения взаимодействий на фундаментальном уровне организации материи. В частности, явление ускорения свободного падения может быть интерпретировано как процесс преобразования накопленной временной энергии в пространственное перемещение. Этот механизм демонстрируется на примере орбитального движения спутников, где перманентное «падение» обусловлено балансом между гравитационным притяжением и тангенциальной составляющей инерционного движения [15].

Практическая значимость предлагаемого подхода заключается в создании единой системы описания инерционных явлений на различных масштабах – от внутриядерных взаимодействий до планетарной динамики. Разработанный математический аппарат позволяет анализировать:

• процессы накопления и преобразования инерционной энергии в квантовых системах;
• динамику орбитального движения с позиций векторного сложения гравитационных и инерционных сил;
• механизмы стабилизации сложных физических систем через баланс инерционных характеристик.

Экспериментальное подтверждение теории может быть получено через:

• анализ прецизионных измерений орбитальных параметров искусственных спутников;
• исследование резонансных явлений в ускорителях элементарных частиц;
• наблюдения за аномалиями в движении небесных тел.

Предлагаемая концепция обеспечивает целостное описание инерционных явлений на основе фундаментальных физических принципов, исключая необходимость введения научных предположений. Она создает теоретический базис для разработки новых технологий в области управления движением и энергетических преобразований.

Дальнейшее развитие данной концепции требует разработки соответствующего математического аппарата и проведения экспериментальных исследований, направленных на проверку ее предсказаний. Особый интерес представляет исследование связи инерционных явлений со свойствами физического вакуума и сверхпроводящими состояниями.

Решение проблемы природы инерции имеет фундаментальное значение не только для теоретической физики, но и для практических приложений, включая разработку новых двигательных систем и технологий управления движением.