Последняя тайна бога (И. Мисюченко). И. Мисюченко Последняя тайна
 Скачать 6.4 Mb.
|
|
Литература 1. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Лекции по физике. 6. Электродинамика М.: Эдиториал УРСС 2004. 2. А. Афанасьев. Электрическая конвекция. Викизнание. http://www.wikiznanie.ru/ru- wz/index.php/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D 1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BA%D0%BE%D0%BD %D0%B2%D0%B5%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F 3. Трофимова Т.И. Курс физики. Учебное пособие для вузов. Издание 9-е, перераб. И доп.- М.: Издательский центр «Академия». 2004. 4. Б. М. Яворский, Ю. А. Селезнев. Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования. М.: "Наука", 1989. 5. Калашников С. Г. Электричество: Учебн. пособие. — 6-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 624 с. - ISBN 5-9221-0312-1. 6. Детлаф А.А., Яворский Б.М., Милковская Л.Б. Курс физики (том 2). Электричество и магнетизм. c.181-182, 329-331. М.: Высшая школа. 1977. И. Мисюченко Последняя тайна Бога 228 П2. Инерция электрона Нужно признать, что, несмотря на совместные усилия физиков и философов, математиков и логиков не достигнуто никакого окончательного прояснения понятия массы. Макс Джемер. Понятие массы в классической и современной физике. М.: Прогресс. 1967 г. ...Самоиндукция влияет на ток в катушке аналогично тому, как влияет инерция на движение тел в механике: она замедляет установление постоянного тока в цепи при его включении и препятствует его мгновенному прекращению при выключении. Энциклопедия «Кругосвет» http://www.krugosvet.ru/articles/22/1002289/1002289a6.htm В науке всегда существовало два основных подхода к самой науке: подход, основанный на подгонке математических моделей, позволяющих рассчитывать и прогнозировать, и подход, делающий упор на феноменологическом объяснении. Мы считаем, что феноменологическое объяснение должно предшествовать математизации, а не подменяться ею. При этом количество сущностей, необходимых для построения картины мира, необходимо уменьшать, а не увеличивать. В частности, понятия инерции и массы на сегодняшнем уровне познания уже могут быть объяснены и сведены к понятиям самоиндукции и индуктивности. Явление инерции движущихся тел, изучаемое физикой три столетия, до сих пор не получило ясного и простого объяснения и фактически принимается в науке в качестве постулата (первый закон Ньютона). Ньютоном же был введён эмпирический закон, связывающий меру инерциальных свойств тела m (массу), силу вн F r , воздействующую на это тело, и ускорение ar , приобретаемое телом в результате такого воздействия: a m F вн r r = Согласно же третьему закону Ньютона, тело сопротивляется внешней вынуждающей силе ровно с такой же по величине силой F r , но направленной противоположно: (П2.1) a m F r r − = , где знак «минус» подчёркивает, что речь идёт именно о той силе, с которой тело сопротивляется навязываемому ему ускорению. После открытия основных элементарных частиц учёными было сделано несколько попыток объяснить инерцию и инерционную массу тел, исходя из структуры вещества как совокупности положительных и отрицательных элементарных зарядов. Для этой цели Дж. Дж. Томсон [4], Г. А. Лоренц [1] и другие учёные пытались привлечь электродинамику в надежде объяснить инерцию (и её меру массу) электрическими явлениями. Первые попытки установить какую-либо простую связь массы элементарных частиц с их зарядом были признаны неудачными, поскольку заряд различных частиц оказался одинаковым по абсолютной величине (например, протона и электрона), а их масса различалась на порядки. Более поздние и более утончённые попытки найти электромагнитное объяснение явлению инерции предпринимали Г. А. Лоренц, О. Хевисайд, М. Абрагам, В. Вин, Дж. Томсон [6], Р. Фейнман [2] и А. Зоммерфельд [3]. Используя понятие электромагнитного поля, рассматривая движущийся со скоростью v электрон и используя различные законы сохранения (в одних случаях закон сохранения энергии, в других механического импульса электромагнитного поля), они установили различные, сходные по структуре, но отличающиеся коэффициентом пропорциональности K , зависимости «электромагнитной И. Мисюченко Последняя тайна Бога 229 массы» 0 m от заряда 0 q и размера 0 r элементарных частиц. Общий вид этих закономерностей: (П2.2) 0 2 0 0 r q K m ⋅ = Поскольку выражения, полученные из различных законов сохранения, содержали разные K , то учёные сделали вывод о том, что не удаётся всю массу объяснить электромагнитным образом. Кроме того, на результат влияют априорные предположения о законе распределения заряда электрона (объемный ли это заряд, поверхностный ли и т.д.). Немалые усилия были сосредоточены также на объяснении «увеличения массы» электронов при высоких скоростях в экспериментах Кауфмана и других. Возникала даже идея, что у электрона есть как электромагнитная масса, зависящая от скорости, так и масса неэлектромагнитного происхождения, не зависящая от неё. На самом же деле использование законов сохранения вообще не является объяснением, поскольку не описывает конкретных физических механизмов, посредством которых осуществлялось бы явление инерции. Попытку ввести в объяснение инерции электрона именно механизм была предпринята Р. Фейнманом [2]. Для этого он использовал представления о фиктивных силах (так называемых «натяжениях Пуанкаре»), которые удерживают электрон от разрыва силами электростатического отталкивания. Попытка оказалась неудачной, поскольку результат, полученный в виде бесконечного ряда, не совпал ни с одной из формул, выведенных ранее из законов сохранения. Кроме того, требовала объяснения сама природа «натяжений Пуанкаре», что не прибавляло физической ясности. Если связывать массу электрона с силами, которые удерживают его от разрыва электростатическим отталкиванием, как это делал Р. Фейнман, то придётся объяснить, как именно устроен электрон и почему он устойчив. К этой задаче физика и сегодня даже не готова приступить. Вот и Фейнман не довёл свою попытку описать механизм инерции до какого-либо законченного результата и с огорчением отметил: «по-видимому, мы допустили глупость — возможность «точечного» электрона действовать на самого себя» [2]. Мы считаем, что электрон, конечно же, не является точечным, и рассматривать модели, в которых электрон не имеет размеров, бесперспективно. Все предыдущие исследователи сосредотачивали своё внимание на том, какова энергия или импульс движущегося со скоростью v электрона. В их рассуждениях электрон двигался равномерно и прямолинейно, хотя инерция проявляется именно при ускоренном движении. Мы же, в отличие от них, изначально рассмотрев ускоренно движущийся электрон, начали с выяснения физического феномена, механизма, который был бы равно ответственен за инерцию элементарного заряда и за его сопротивление ускорению. В качестве такого механизма нами предлагается хорошо известное явление электромагнитной самоиндукции Фарадея. Многие авторы [2, 7, 8] отмечают удивительное сходство известных механических закономерностей и законов электромагнитной индукции. Некоторые авторы рассматривают это сходство как некий забавный курьёз природы. Другие, например, Р. Фейнман, догадывались о более глубокой связи между этими явлениями. Он отмечал в своих «Лекциях по физике»: «...Поскольку любая катушка обладает самоиндукцией, противодействующей изменению тока, ток в катушке обладает своего рода инерцией... если поставить в соответствие напряжение U от внешнего источника приложенной внешней силе F , а ток I в катушке скорости v частицы, то коэффициент индукции катушки L будет соответствовать массе m частицы». И далее он пишет в сноске: «Возможно, это не просто способ установления соответствия между электрическими и механическими явлениями» [2]. Мы полагаем данное сходство не случайным, но фундаментальным явлением, отражающим глубокую И. Мисюченко Последняя тайна Бога 230 связь между электромагнетизмом и механикой: в основе всех механических явлений лежат явления электромагнитные. Явление самоиндукции возникает тогда, когда мы пытаемся изменить величину (или направление) протекающего в какой-либо цепи тока I . Заключается оно в том, что при попытке изменить ток в цепи этот ток оказывает сопротивление изменению, выражающееся в появлении ЭДС самоиндукции, действующей против силы, пытающейся изменить ток. Этот закон и был установлен М. Фарадеем для замкнутых токов проводимости, но впоследствии в область его действия были включены также и токи смещения, а также цепи, в которых ток смещения замыкается токами проводимости и наоборот. Закон самоиндукции Фарадея устанавливает, что величина противоЭДС U , возникающая в цепи, равна: (П2.3) dt dI L U − = , где L - коэффициент, характеризующий цепь протекания тока и называемый индуктивностью или коэффициентом самоиндукции, а знак «минус» указывает на то, что эта ЭДС действует против изменения тока. Если рассмотреть механическое движение электрона как протекание тока (приложение П1), то ускоренное движение электрона (и любого другого заряженного тела) будет эквивалентно переменному току. Токи, связанные с механическим движением заряженных тел (в т.ч. и элементарных частиц), называются конвекционными. Работами Г. Роуланда (1879) [9, 13], В. К. Рентгена (1888) [5, 10] и А. А. Эйхенвальда (1903) [5, 11, 13], А. Иоффе [13] было установлено, что конвекционные токи подчиняются тем же законам, что и любые другие токи, и вызывают те же явления. Следовательно, переменный конвекционный ток, связанный с ускоренным механическим движением электрона (или другой заряженной частицы), должен вызывать появление ЭДС самоиндукции, которая определяется в соответствии с законом самоиндукции Фарадея (П2.3) и, по правилу Ленца, направлена против силы,вызвавшейускорение электрона. Вот это и есть предлагаемая нами феноменология механизма инерции. Далее мы приведём расчёты, основанные на изложенном феноменологическом подходе, чтобы проиллюстрировать принципиальную возможность создания строгой теории, установим связь между электрическими характеристиками элементарных зарядов и их мерой инерции, т.е. массой. В расчетах мы будем полагать скорости v нерелятивистскими, а ускорения a не слишком большими. Для начала определим величину конвекционного тока движущегося электрона. Для этого воспользуемся определением силы тока: силой тока I называют количество заряда Q прошедшего через поперечное сечение проводника в единицу времени t : (П2.4) t Q I = Поскольку мы в данном случае рассматриваем уединённый элементарный заряд, то величина заряда известна 0 q Q = . Что можно сказать о времени t ? Мысленно расположим произвольную площадку S поперёк движения электрона. Пусть электрон движется со скоростью v . В какой момент времени можно сказать, что через площадку протекает ток? В тот момент, когда заряженное тело (электрон) коснулось площадки. И этот ток будет протекать до тех пор, пока всё тело не пройдёт через площадку. Полагая это заряженное тело сферой с радиусом 0 r , получим время t , за которое весь заряд тела прошёл через площадку S : И. Мисюченко Последняя тайна Бога 231 (П2.5) v r t 0 2 = Подставим это время t в выражение (П2.4) и получим с учётом 0 q Q = : (П2.6) 0 0 2r v q I = Вот такой ток I представляет собой одиночный электрон, движущийся со скоростью v равномерно и прямолинейно. Это выражение определяет силу конвекционного тока в тех случаях, когда за время прохождения t электрона через поперечную площадку скорость v изменяется мало, т.е. v at << . Определим теперь ЭДС самоиндукции, наводимой таким током на сам же электрон в том случае, когда ток изменяется. Подставляя (П2.6) в (П2.3), получим: (П2.7) a r Lq dt dv r Lq dt r qv d L dt dI L U ⋅ − = ⋅ − = ⋅ − = − = 0 0 0 2 2 ) 2 ( , где a - ускорение электрона, L - индуктивность электрона. Знак ЭДС определяется правилом Ленца , в соответствии с которым самоиндукция всегда направлена против причины, вызвавшей изменение тока. Наличие ЭДС означает возникновение электрического поля l U E = , действующего против силы, ускоряющей электрон. Как видно из (П2.7), сила этого противодействия оказалась прямо пропорциональной ускорению электрона a . Поскольку электрическое поле самоиндукции, как известно из опыта, возникает всегда вблизи объекта с меняющимся током (контур, соленоид и т.п.), то для ускоренно движущегося электрона, «длина» которого 0 2r , напряжённость поля самоиндукции можно оценить как: (П2.8) a r Lq r U E ⋅ − = = 2 0 0 4 2 . Такое поле будет действовать на заряд 0 q с силой, равной: (П2.9) a r Lq a r Lq q E q F ⋅ − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅ − ⋅ = = 2 0 2 0 2 0 0 0 0 4 4 . Видим, что структура выражения (П2.9) полностью эквивалентна структуре 2-го закона Ньютона. Сила электрического поля самоиндукции, останавливающая ускоряемый электрон, оказалась пропорциональна величине ускорения, умноженной на некую константу. Сравнивая (П2.9) с силой противодействия ускорению (П2.1), получаем выражение для массы электрона: (П2.10) 2 0 2 0 0 4r Lq a F m = = И. Мисюченко Последняя тайна Бога 232 Т.е. масса оказалась прямо пропорциональна индуктивности. Индуктивность же L отрезка проводника длины l в вакууме равна (глава 1, глава 5): (П2.11) l L π μ 4 0 = , где 0 μ - магнитная проницаемость вакуума. Поскольку «длина» электрона это его диаметр, т.е. удвоенный радиус 0 2r , то окончательно получим для массы из (П2.10) с учётом (П2.11): (П2.12) 0 2 0 2 0 2 0 0 0 8 4 2 4 r q r q r m π μ π μ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅ = Таким образом, мы предложили и описали простой и понятный электродинамический механизм возникновения инерции заряженных частиц на примере электрона и получили выражение для массы электрона через его заряд и радиус. Поскольку заряд входит в выражение для массы частицы (П2.12) во второй степени, то для положительных зарядов наблюдается то же самое явление противодействия самоиндукции их ускоренному движению. Т.е. явление инерции характерно как для отрицательных, так и для положительных зарядов. Пока электрон движется прямолинейно и равномерно, он представляет собой постоянный конвекционный ток, определяемый (П2.6). Для постоянных токов явление самоиндукции не наблюдается. Следовательно, ничто не мешает равномерному и прямолинейному движению электрона. Как только электрон получает ускорение, ток, представляемый движущимся электроном, становится изменяющимся во времени, и возникает явление самоиндукции (П2.7), препятствующее ускорению. Это и есть то явление, которое до сих пор называлось инерцией. Полученное нами выражение (П2.12) по своей структуре идентично выражениям вида (П2.2), выведенным предыдущими исследователями без описания механизма явления, хотя и отличается от них коэффициентом π μ 8 0 . Коэффициент этот зависит от представлений о «характерном радиусе» электрона и других элементарных частиц. Из выражения (П2.12) вытекает, в частности, что м r 15 0 10 4 1 − ⋅ ≈ . Это ровно вдвое меньше так называемого «классического радиуса электрона» м r кл 15 10 8 2 − ⋅ ≈ [12, 13 c.189]. На сегодняшний день неизвестны способы прямого достоверного определения абсолютных размеров электрона и других элементарных частиц, поэтому наши представления об этих размерах хотя и отличаются от принятых в физике, но не противоречат опыту. Стандартным возражением против изложенных выше взглядов является сомнение в правомерности применения закона самоиндукции Фарадея, изначально выведенного для замкнутых контуров с током, к случаю незамкнутых конвекционных токов. На самом же деле, мы не первые сделали это. Использование малого элемента с током (отрезка тока) в законе Био-Савара-Лапласа [7, 8, 13] является, по сути, утверждением, что все явления, установленные для замкнутых контуров с током, имеют место и для малых отрезков тока и более того, они есть суперпозиция явлений, производимых малыми отрезками тока. Нетрудно догадаться, что движущийся электрон и есть малый отрезок тока. Анализируя предложенный нами механизм инерции и полученное нами выражение для массы, многие оппоненты отмечали, что масса электрона должна зависеть от магнитной проницаемости среды μ , поскольку от неё зависит ЭДС самоиндукции в законе Фарадея. Заметим, что магнитная проницаемость среды есть понятие макроскопическое. Поэтому, соглашаясь с вышеприведенным соображением в тех И. Мисюченко Последняя тайна Бога 233 случаях, когда речь идёт о макроскопических телах, мы, тем не менее, отвергаем его, когда речь идёт об элементарных частицах. Наше возражение основано на знании о структуре вещества. Дело в том, что даже в самом маленьком атоме (атоме водорода) электрон находится так далеко от других ближайших зарядов (тысячи своих радиусов), что их магнитные свойства оказывают на его самоиндукцию ничтожное влияние, какой бы ни была макроскопическая магнитная проницаемость среды в целом. Вопрос о массе атома, который в целом электронейтрален, нам также задают настолько часто, что мы специально хотим прояснить и этот момент. На сегодняшнем уровне знаний о строении вещества известно, что размер атома водорода в невозбужденном состоянии порядка м r H 11 10 3 5 − ⋅ ≈ , что на |