Последняя тайна бога (И. Мисюченко). И. Мисюченко Последняя тайна
 Скачать 6.4 Mb.
|
|
§ 1.2. Применение механики к понятию поля. Тонкое тело механики И. Мисюченко Последняя тайна Бога 31 До сих пор, когда речь шла о материальных объектах, мы предполагали, что они состоят из того или иного вещества. Со школьной скамьи все мы знаем, что вещество - это материя, пребывающая в одном из известных нам агрегатных состояний: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном. Однако понятие материя не исчерпывается понятием вещество. Современная физика не могла бы существовать, если бы ограничивала свою сферу деятельности только веществом. Не менее, а может быть уже и более важными для физики являются физические поля. В 1830 гг. великий М. Фарадей впервые ввёл в науку понятие «поле». С тех пор слова «материя» и «вещество», бывшие ранее просто синонимами, начали расходиться по смыслу. Материя стала обобщающей, философской категорией для двух субстанций: вещества и поля. Более чем за 170 лет история совершила круг, и в настоящий момент границы между веществом и полем начали активно размываться в сознании исследователей. Так что же есть «вещество», а что есть «поле»?! Обратимся, для начала, к литературным источникам, в частности БСЭ (Большой советской энциклопедии). Вещество, вид материи, которая, в отличие от поля физического, обладает массой покоя (см. Масса). В конечном счете В. слагается из элементарных частиц, масса покоя которых не равна нулю (в основном из электронов, протонов, нейтронов). В классической физике В. и поле физическое абсолютно противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго непрерывна. Квантовая физика, внедрившая идею двойственной корпускулярно-волновой природы любого микрообъекта (см. Квантовая механика), привела к нивелированию этого противопоставления. Выявление тесной взаимосвязи В. и поля привело к углублению представлений о структуре материи. На этой основе были строго отграничены категории В. и материи, на протяжении многих веков отождествлявшиеся в философии и науке, причём философское значение осталось за категорией материи, а понятие В. сохранило научный смысл в физике и химии. В. в земных условиях встречается в четырёх состояниях: газы, жидкости, твёрдые тела, плазма. Высказывается предположение, что В. может существовать также в особом, сверхплотном состоянии (например, нейтронном состоянии; см. Нейтронные звёзды). Лит.: Вавилов С. И., Развитие идеи вещества, Собр. соч., т. 3, М., 1956, с. 41-62; Структура и формы материи, М., 1967. И. С. Алексеев. Пока что довольно странно. Определение вещества, во-первых, негативно (просто «отличается от поля»), во-вторых, отсылает нас к другому определению – массы, причём некоторого особого вида, «массы покоя». Запомним и продолжим. Выясним, что принято понимать под словом «поле». Поля физические , особая форма материи; физическая система, обладающая бесконечно большим числом степеней свободы. Примерами П. ф. могут служить электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантованные) поля, соответствующие различным частицам. Впервые (30-е гг. 19 в.) понятие поля (электрического и магнитного) было введено М. Фарадеем. Концепция поля была принята им как альтернатива теории дальнодействия, т. е. взаимодействия частиц на расстоянии без какого-либо промежуточного агента (так интерпретировалось, например, электростатическое взаимодействие заряженных частиц по закону Кулона или гравитационное взаимодействие тел по закону всемирного тяготения Ньютона). Концепция поля явилась возрождением теории близкодействия, основоположником которой был Р. Декарт (1-я половина 17 в.). В 60-х гг. 19 в. Дж. К. Максвелл развил идею Фарадея об электромагнитном поле и сформулировал математически его законы (см. Максвелла уравнения). Хм... Здесь приведена лишь одна физическая характеристика поля, отличающая его от всего остального. Видимо, придётся выяснить, что имелось в виду под словами «степени свободы». Но сначала выясним определения понятий «электрическое поле» и «магнитное поле», коль скоро они были исторически введены первыми. Электрическое поле, И. Мисюченко Последняя тайна Бога 32 частная форма проявления (наряду с магнитным полем) электромагнитного поля, определяющая действие на электрический заряд силы, не зависящей от скорости его движения. Представление об Э. п. было введено в науку М. Фарадеем в 30-х гг. 19 в. Согласно Фарадею, каждый покоящийся заряд создаёт в окружающем пространстве Э. п. Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот; так осуществляется взаимодействие зарядов (концепция близкодействия). Основная количественная характеристика Э. п. - напряжённость электрического поля Е, которая определяется как отношение силы F, действующей на заряд, к величине заряда q, Е = F/q. Э. п. в среде наряду с напряжённостью характеризуется вектором электрической индукции (см. Индукция электрическая и магнитная). Распределение Э. п. в пространстве наглядно изображается с помощью силовых линий напряжённости Э. п. Силовые линии потенциального Э. п., порождаемого электрическими зарядами, начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных. Силовые линии вихревого Э. п., порождаемого переменным магнитным полем, замкнуты. Напряжённость Э. п. удовлетворяет принципу суперпозиции, согласно которому в данной точке пространства напряжённость поля Е, создаваемого несколькими зарядами, равна сумме напряжённостей полей (E1, E2, E2,...) отдельных зарядов: Е = E1 + E2 + E3 +... Суперпозиция полей вытекает из линейности Максвелла уравнений. Лит.: Тамм И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976, гл. 1, 6; Калашников С. Г., Электричество, 4 изд., М., 1977 (Общий курс физики), гл. 2, 13. Г. Я. Мякишев. Как уже ожидалось, вновь отсылка к другому определению. На сей раз «электромагнитного поля». К тому же электрическое поле упоминается совместно с магнитным полем. Магнитное поле, силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения. М. п. характеризуется вектором магнитной индукции, В, который определяет: силу, действующую в данной точке поля на движущийся электрический заряд (см. Лоренца сила); действие М. п. на тела, имеющие магнитный момент, а также другие свойства М. п. Впервые термин «М. п.» ввёл в 1845 М. Фарадей, считавший, что как электрические, так и магнитные взаимодействия осуществляются посредством единого материального поля. Классическая теория электромагнитного поля была создана Дж. Максвеллом (1873), квантовая теория в 20-х годах 20 века (см. Квантовая теория поля). Источниками макроскопического М. п. являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела. Природа этих источников едина: М. п. возникает в результате движения заряженных микрочастиц (электронов, протонов, ионов), а также благодаря наличию у микрочастиц собственного (спинового) магнитного момента (см. Магнетизм). Снова упоминание о некоторой единой сущности, при помощи которой осуществляются как электрические, так и магнитные взаимодействия. Так что за сущность? Электромагнитное поле, особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами (см. Поля физические). Э. п. в вакууме характеризуется вектором напряжённости электрического поля Е и магнитной индукцией В, которые определяют силы, действующие со стороны поля на неподвижные и движущиеся заряженные частицы. Наряду с векторами Е и В, измеряемыми непосредственно, Э. п. может характеризоваться скалярным j и векторным А потенциалами, которые определяются неоднозначно, с точностью до градиентного преобразования (см. Потенциалы электромагнитного поля). В среде Э. п. характеризуется дополнительно двумя вспомогательными величинами: напряжённостью магнитного поля Н и электрической индукцией D (см. Индукция электрическая и магнитная). Поведение Э. п. изучает классическая электродинамика, в произвольной среде оно описывается Максвелла уравнениями, позволяющими определить поля в зависимости от распределения зарядов и токов. Микроскопические Э. п., созданные отд. элементарными частицами, характеризуются напряжённостями микроскопических полей: электрического поля E и магнитного H. Их средние значения связаны с макроскопическими характеристиками Э. п. следующим образом:<>. Микроскопические поля удовлетворяют Лоренца - Максвелла уравнениям. Э. п. неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами; при ускоренном движении частиц Э. п. «отрывается» от них и существует независимо в форме электромагнитных волн. И. Мисюченко Последняя тайна Бога 33 Порождение Э. п. переменным магнитным полем и магнитного поля переменным электрическим приводит к тому, что электрические и магнитные поля не существуют обособленно, независимо друг от друга. Компоненты векторов, характеризующих Э. п., образуют, согласно относительности теории, единую физ. величину тензор Э. п., компоненты которого преобразуются при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой в соответствии с Лоренца преобразованиями. При больших частотах Э. п. становятся существенными его квантовые (дискретные) свойства. В этом случае классическая электродинамика неприменима и Э. п. описывается квантовой электродинамикой. Лит.: Тамм И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976; Калашников С. Г., Электричество, 4 изд., М., 1977 (Общий курс физики, т. 2); Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, в. 5-7, М., 1966-67; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2); их же, Электродинамика сплошных сред, М., 1959. Г. Я. Мякишев. Совсем становится странно. Электрические и магнитные поля, оказывается, не существуют по отдельности. Разве?! Вы не держали в руках электрически нейтрального магнита? У него нет никакого заметного электрического поля, которое можно было бы обнаружить. А разве вы не видели заряженной медной сферы в физическом кабинете школы? Никакого сколь-нибудь заметного магнитного поля вокруг неё нет. Чтобы появилось это магнитное поле, заряженную сферу надо привести в движение. Остановите заряженную сферу – магнитное поле вновь исчезнет. А если не заряженную сферу двигать, а самому двигаться? Никакой разницы. Двинетесь – есть магнитное поле. Остановитесь – нет его. Значит, по Вашей воле оно может появляться и исчезать. Но мы же верим в принцип объективности материального мира! (Иначе надо бы не физикой заниматься, а изучать больше, скажем, «растения силы»). Ну не может, никак не может та или иная субстанция, будучи объективно существующей, появляться и исчезать по нашей воле... А кстати, куда нас на сей раз отослали? На сей раз к «заряженным частицам». Стоп. Первой отсылкой в нашем поиске была «масса». Притормозим. Запомним, что исследуя такие понятия, как вещество и поле, мы по цепочке приходим к понятиям масса и заряд. Как ни странно, в электронной версии БСЭ не нашлось определения слова «масса»! Статьи, определяющей термин «масса покоя», также не нашлось. Забавно? А вот, что говорят другие уважаемые научные словари и энциклопедии. Масса (Брокгаузен Эфрон) Масса, механ., величина, которою определяется инертность тела, то есть стремление его сохранять величину и направление скорости абсолютного движения. Количество материи называют М. тела. М. равна отношению между движущей силой (f) и произведенным ею ускорением (a), или М.: a, то есть М. прямо пропорциональна силе и обратно пропорциональна ускорению. Сравнение различных М. между собою производится посредством рычажных весов. М. величина, единица которой легла в основу абсолютной системы единиц,- сантиметр - грамм - секунда (С. G. S). Вполне ясно и понятно. Масса определяется через ускорение и силу, которые суть легко измеряемые физические величины. Мы бы только добавили для общности, что источник силы для измерения неподвижен относительно тела, чью массу мы хотим измерить. Масса (Глоссарий.ru) Масса - скалярная физическая величина, определяющая инерционные и гравитационные свойства материи. Различают: - инертную массу, входящую в выражение второго закона Ньютона; и - гравитационную массу, входящую в выражение закона всемирного тяготения. При соответствующем выборе гравитационной постоянной инертная и гравитационная массы совпадают. В СИ масса измеряется в кг. И. Мисюченко Последняя тайна Бога 34 Почти столь же ясно и понятно, с той разницей, что у Ньютоновой инерционной массы появилась сестра-близнец «гравитационная масса». Тут также всё можно измерить, в том числе и силу притяжения тел. Оговорка относительно неподвижности при измерении также весьма была бы кстати. Масса покоя. (Глоссарий.ru) Масса покоя - масса частицы/тела в системе отсчета, в которой эта частица/тело покоится. Краткость – сестра таланта. Но нам всё же удалось кое-что выяснить. Итак, поле – не имеет массы покоя. Это наводит на мысль, что какую-то другую массу оно всё-таки имеет. Значит, нет такой системы, в которой бы поле покоилось. Так? Надеемся, речь шла лишь об инерциальных системах отсчёта... Из определения, кстати, это неочевидно. Тогда, например, поле покоящегося точечного заряда не будет покоящимся в системе этого заряда! Такое возможно лишь в одном случае – полю имманентно присуще движение, причём не абы какое, а такое, которое принципиально неуничтожимо выбором инерциальной системы отсчёта. Что бы это могло быть?! Ну, например, вращательное движение... не так ли? То есть – заряд-то неподвижен, а вот его поле пребывает в некоем непрерывном, например, вращательном движении. Возможны и другие варианты неустранимого выбором системы отсчёта движения. Впоследствии мы покажем, что этот почти метафизический вывод неоднократно подтверждается при изучении различных вопросов физики. Когда мы будем изучать, что же такое заряд, этот вывод очень нам пригодится. Кроме того, мы выяснили, что поле имеет бесконечное число степеней свободы. Давайте теперь посмотрим на определение числа степеней свободы, поскольку именно эта физическая характеристика, как выяснилось, отличает вещество от поля. Степеней свободы число Степеней свободы число в механике, число независимых между собой возможных перемещений механической системы. С. с. ч. зависит от числа материальных частиц, образующих систему, и числа и характера наложенных на систему связей механических. Для свободной частицы С. с. ч. равно 3, для свободного твёрдого тела — 6, для тела, имеющего неподвижную ось вращения, С. с. ч. равно 1 и т.д. Для любой голономной системы (системы с геометрическими связями) С. с. ч. равно числу s независимых между собой координат, определяющих положение системы, и даётся равенством 5 = 3n — к, где n — число частиц системы, k — число геометрических связей. Для неголономной системы С. с. ч. меньше числа координат, определяющих положение системы, на число кинематических связей, не сводящихся к геометрическим (неинтегрируемых). От С. с. ч. зависит число уравнений движения и условий равновесия механической системы. Вот так! Обладающее бесконечным числом степеней свободы поле должно иметь возможность бесконечного числа независимых механических перемещений. То есть любая, сколь угодно малая часть поля также должна обладать той же свободой перемещений. Фактически здесь утверждается абсолютная бесструктурность поля. Иными словами – вещество имеет некую микроструктуру, поле – нет. Мы во Введении постулировали бесструктурность для мировой среды (эфира, вакуума, пленума). Если на секундочку предположить, что та сущность, которая именуется физическими полями, являет собой возмущённые состояния мировой среды, то всё становится понятно. Бесструктурность полей просто унаследована от той сущности, проявлениями которой они являются. Попробуем просуммировать результаты нашего экскурса: • поле не является веществом, в том смысле что • поле не имеет массы покоя, ибо • поле пребывает в непрерывном неинерциальном движении, в отношении коего • поле бесструктурно, то есть И. Мисюченко Последняя тайна Бога 35 любая его сколь угодно малая часть может двигаться независимо от других частей. Соответственно, • вещество не является полем, в том смысле что • вещество имеет массу покоя, ибо • можно найти такую инерциальную систему, в которой вещество покоится, причём • вещество структурировано, в том смысле что • существует столь малая его часть, что дальнейшее деление невозможно. Мы вряд ли имеем сомнение в том, что всякому веществу присуще механическое движение. Некоторые виды движений можно «устранить» выбором системы отсчёта. Полю же, согласно только что рассмотренным определениям, должно быть также имманентно присуще механическое движение, причём принципиально неустранимое выбором инерциальной системы отсчёта. Механические движения вещественных тел широко и глубоко изучены современной физикой. Кинематика, динамика, в т.ч. релятивистская... Механические же движения полей словно не существуют. То есть когда физики говорят о поле, то его движения составляют как бы особый, немеханический класс. Электродинамика лишь довольно робко оговаривается о единственной вполне механической характеристике электромагнитного поля – скорости распространения электромагнитной волны. Именно волны, как конкретной особой формы поля. За волной также признаётся наличие механического импульса. Скорость и импульс магнитного и электрического поля вне конкретного случая электромагнитной волны, как правило, не используются. А когда всё-таки используются (например, у Р. Фейнмана), то часто приводят к явным несуразностям. И в то же время нам уже хорошо известно, что на микроуровне механическое взаимодействие вещественных тел осуществляется именно через поля. Не противоречие ли? Разве вы слышали в отношении, скажем, статических полей слова «ускорение поля», «импульс поля», «момент импульса поля»? Поднесите к магниту другой магнит. Покоившийся доселе предмет придёт в движение и устремится либо к, либо от того магнита, который в вашей руке. Разве возможно сомневаться, что пришедший в движение магнит приобрёл механический импульс, кинетическую энергию, ускорение? Через что же получил он эти механические характеристики, как не через магнитное поле?! Следовательно, поле с очевидностью способно как минимум передавать механические характеристики. В то же время современная физика прочно стоит на концепции близкодействия и, следовательно, ограниченной скорости распространения любых взаимодействий. А, следовательно, чтобы передать некие механические характеристики от одного предмета к другому через пространство, поле должно хоть на краткий миг сохранить эти характеристики. Это с очевидностью означает, что поле может и должно обладать самыми обычными, классическими, механическими характеристиками. Вспомним, что и на практике поля часто используются как тела, например как тела отсчёта. Ну, так вот оно – «тонкое тело» механики! Это поле. И, как мы выяснили, для него должны быть сформулированы все те же классические механические характеристики, что и для вещества. И масса у него должна быть, и плотность, и прочая, и прочая, и прочая…. И движение ему присуще даже в большей степени, чем веществу, так что должна быть сформулирована и кинематика поля, и динамика. На счёт статики вот только мы не уверены. Разумеется, поле, как особая, бесструктурная материя, обладающая бесконечным числом степеней свободы, может вести себя отлично от вещества. Большинство этих вопросов не только не были продуманы в физике, но даже не были поставлены. Может быть, именно поэтому к началу XX века физикам показалось, что электродинамика противоречит классической механике? И. Мисюченко Последняя тайна Бога 36 Помните, во Введении мы говорили, что одним из главных признаков хорошей физической теории является её способность к развитию. Почему-то учёные в XIX веке решили, что классическая механика полностью завершена. И вместо того, чтобы развить её, расширив и включив в неё недавно открытое поле, они, ни шага не сделав для развития механики, просто объявили, что она противоречит электродинамике [5]. Так давайте попытаемся всё-таки развить служившую людям триста лет классическую механику, распространив её на поле. Искушенный читатель может заметить, что подобных попыток распространить механику на поля в наше время производилось уже множество [Ацюковский и др.]. Большинство этих попыток были попытками представить электрические (а иногда и гравитационные) явления как чисто механические (аэродинамические, гидродинамические) движения эфира. При этом сам эфир рассматривался как газ или жидкость особого рода. Ещё раз повторим: мы полностью отказываемся от подобного подхода. В последнее время появились работы некоторых исследователей, которые пытаются механические явления объяснить электрическими [10]. Этот подход представляется нам более перспективным. Но, на наш взгляд, и этот путь – не лучший. Мы считаем, что объединение электродинамики и механики должно происходить с двух сторон, при этом и механика и электродинамика должны быть в значительной мере переосмыслены. В механике очень хорошо изучено движение как таковое. Движение, почти оторванное от того, что именно движется. Именно эту часть механики (кинематику) мы, для начала, попытаемся применить к полю, чтобы определить особенности его движения. |