Валерий Иванович Климов
Необычные размышления о…
13.2. О законе Кулона
Кулон в повседневной жизни занимался исследованием кручения нитей. Использовал свои знания в этой области для создания крутильных весов. Которые употребил для исследования взаимодействия электрических зарядов. Чувствительность крутильных весов Кулона высочайшая. Очень тонкая нить в весах Кулона, позволяла измерять силу по величине – десять в минус одиннадцатой степени Ньютона (единица силы). При этом, нить скручивалась на один градус. Мы знаем, что в законе Кулона, сила взаимодействия точечных зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между такими зарядами. Такой факт подтвердить очень просто. Замеряется сила на одном расстоянии, затем на другом, и выясняется обратная пропорциональность от квадрата расстояния между зарядами.
Другой изобретатель крутильных весов – Кавендиш, также обнаружил такую обратную зависимость от расстояния. То есть со знаменателем в законе Кулона все просто. С числителем сложно. Кавендиш не знал, что записывать в числитель. Кулон ввел понятие количества электричества и сформулировал, что сила взаимодействия между зарядами пропорциональна произведению их величин.
Одно дело сформулировать, а другое – доказать сформулированное.
Что такое заряд? Это совокупность элементарных носителей (например, электронов) заряда, расположенных, например, на сферической поверхности. Чтобы точно определить заряд, необходимо сосчитать количество элементарных носителей (электронов) на такой поверхности. Кавендиш не смог сосчитать количество таких носителей, поэтому отказался от идеи установить закон, который мы называем законом Кулона.
А, Кулон поступил очень хитро (умно). На два сферических шарика он нанес какое-то количество носителей заряда. Какое – он, естественно, не знал. Затем он привел такие шарики в соприкосновение. При этом, по его мнению, произошло выравнивание зарядов поровну на обоих шариках. Каждый из таких равных зарядов, он условно принял за единицу. Измерил силу взаимодействия таких зарядов. Затем, с одного из шариков полностью удалил заряд (обнулил). Например, соприкосновением с Землей. Такой, обнуленный шарик привел в соприкосновение с другим шариком, на котором находился заряд, условно равный единице.
После такого соприкосновения, на обоих шарах оказались заряды, равные по одной второй от первоначального заряда. Измерил силу взаимодействия между шариками. Оказалось, что сила, по сравнению с первоначальной, уменьшилась в четыре раза (если одну вторую умножить на одну вторую, то получим одну четвертую). Кулон еще раз ополовинил заряды на шариках (до одной четвертой от первоначального заряда).
Сила уменьшилась в шестнадцать раз по сравнению с первоначальной. Действительно, если одну четвертую умножить на одну четвертую, то получим одну шестнадцатую. В результате, Кулон пришел к выводу, что в числителе должно стоять произведение зарядов. Несмотря на оригинальность метода Кулона, вопросов остается очень много.
Надо думать, что в процессе измерений, силы взаимодействия шариков, носители зарядов (электроны) не перескакивали с одного шарика на другой. Тогда, каким образом происходила передача силового воздействия (импульса) от одного шарика к другому. Традиционный ответ – с помощью электрического поля. Для нас, это все равно, что с помощью бабы Яги или иной нечистой силы. Мы считаем, что силовое воздействие передавалось фотонами, которые генерировались электронами в шариках. Но, тогда, в законе Кулона в числителе должно находиться нечто, характеризующее излучение.
Выше мы уже указали на необходимость заменить в законе Кулона характеристики зарядов на параметры, характеризующие фотоны. Например, на частоту фотонов, их интенсивность, скорость распространения фотонов в соответствующей среде. И, затем. Ну, узнал Кулон, что кулоновская сила пропорциональна произведению зарядов.
А, каков вклад каждого заряда в такую силу? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо сосчитать количество элементарных носителей заряда (электронов) на каждом из шариков. Занятие исключительно безнадежное.
В самом понятии заряда, как некой совокупности элементарных носителей заряда, заложена какая-то невозможность использования такого понятия для создания той или иной теории. Понятие “заряд” не позволяет раскрыть физическую картину самого процесса кулоновского взаимодействия, не отвечает на вопрос о том, каким путем осуществляется действие одного заряда на другой.
13.3. Напряженность электрического поля и индукция магнитного поля
Не лучшим образом обстоит дело с введением такой характеристики электрического поля, как напряженность, которую определяют, как отношение кулоновской силы к одному из зарядов. Напряженность электрического поля – исключительно фантомное понятие. Поскольку не представляется возможным определить кулоновскую силу при произвольных зарядах, а также невозможно определить заряд, создающий напряженность электрического поля.
Нам предстоит еще вернуться к понятию – напряженность электрического поля (а также к понятию – индукция магнитного поля) при рассмотрении уравнений Максвелла. Обратим внимание на такое понятие, как силовые линии магнитного поля. Строго говоря, силовых магнитных линий в природе не существует. Это некая придумка отцов электромагнетизма. Что-то воображаемое в пространстве, по которым, якобы, размещаются носители магнетизма (опилки, магнитные стрелки и прочее).
Классический пример. Расположим строго вертикально проводник с током, который предварительно проденем сквозь горизонтально расположенную картонку. На которую, вокруг проводника с током, насыплем железные опилки. При включении тока, опилки начнут образовывать вокруг проводника концентрические окружности. Дескать, начнут формировать силовые линии, по которым размещаются опилки. Фокус, известный со времен Фарадея. Вместо опилок можно употребить маленькие магнитные стрелки. Эффект тот же. Поскольку опилки – это тоже однодоменные магнитики (специфические магнитные стрелки).
Так называемый вектор индукции, размещен на картонке (которая в пространстве расположена перпендикулярно к проводнику с током) и для конкретного местоположения на картонке, располагается по касательной к окружности из опилок. Размеры таких окружностей определяются величиной сухого трения между опилками и картонкой, на которую они насыпаны. К магнетизму размеры таких окружностей (или, якобы, силовых линий) не имеют никакого отношения. Если постучать по картонке, то опилки подпрыгнут в воздух, сухое трение с картонкой уменьшится, и опилки сформируют новую окружность, в любом новом месте на картонке.
Если направление тока в проводнике поменять на противоположное, то опилки или магнитные стрелки развернутся в пространстве на 180 градусов. Так называемый вектор индукции, при этом, надо тоже развернуть на 180 градусов. Мы не станем убеждать читателя в том, что окружности с опилками вокруг проводника, формируют (с учетом сухого трения с картонкой) фотоны, вылетающие из проводника с током. На эту тему мы сказали выше достаточно много.
Читатель может спросить. А как обстоит дело с магнитным полем Земли, которое, дескать, защищает нас от проникновения заряженных частиц, летящих от Солнца и из космоса? Действительно, летящий в сторону Земли от Солнца электрон, подлетая к Земле, вдруг разворачивается в пространстве и по спиральной траектории начинает перемещаться в сторону одного из полюсов Земли, где влетает в атмосферу, сталкивается с элементами атмосферы (кислородом, водородом, азотом и прочее).
Принято считать, что такой электрон “наматывается” на силовую магнитную линию и устремляется к магнитному полюсу Земли, где влетает в атмосферу и, сталкиваясь с элементами атмосферы, выбивает из этих элементов свечение, которое называют северным (или южным) сиянием. Сталкивание электрона с кислородом вызывает голубое свечение, с азотом – зеленое свечение, с водородом – желтое свечение.
Мы считаем, что никаких силовых магнитных линий не существует вокруг Земли. И электроны на них не наматываются. Все намного проще. Из Земли вылетают фотоны, которые сталкиваясь с летящими в сторону Земли, частицами (электронами, протонами и другими) разворачивают их в направлении одного из полюсов Земли. При этом, если одни частицы (например, электроны) вращаются в определенном направлении (имеют соответствующий спин), то они направляются в сторону соответствующего магнитного полюса Земли (например, северного). Если у частиц (например, позитронов) противоположный спин, то они направляются в сторону другого магнитного полюса Земли (например, южного).
Такое распределение в направлениях движения электронов и позитронов обусловлено различием в гироскопической прецессии вращающихся в пространстве таких частиц при их столкновениях с фотонами.
Несколько интересных вопросов.
Почему магнитный полюс Земли совпадает с островом Гренландия, а не с географическим полюсом Земли?
Возможный ответ на такой вопрос. Потому, что остров Гренландия более холодный, чем Северный Ледовитый океан. Дело в том, толщина льда в таком океане всего лишь 2–3 метра, и такой океан в основном состоит из воды. Напомним, что жидкая вода не может иметь температуру ниже плюс 3–4 градусов Цельсия. В то время как, замерзшая земля на острове Гренландия промерзает до минусовой температуры. Соответственно, фотоны, вылетающие из “теплого” Северного Ледовитого океана, располагают такой энергетической составляющей, которая не позволяет частицам из космоса приземлиться на просторах такого океана.
А энергетическая составляющая фотонов, вылетающих с острова Гренландия навстречу электронам или другим частицам, такова, что такие фотоны не в состоянии удержать частицы в атмосфере и они выпадают на землю острова Гренландия. Кстати, в Антарктиде нет четко выраженного южного магнитного полюса. Антарктида везде одинаково холодная.
Другой вопрос.
Почему Марс не имеет, так называемого, магнитного поля, а у Юпитера – оно огромно?
Марс – очень холодная планета. И энергетическая мощь фотонов, вылетающих с поверхности Марса, не в состоянии противостоять электронам, позитронам и другим частицам, чтобы отвратить их попадание на Марс. Другое дело – Юпитер. Это очень теплая газовая планета. Постоянное трение газа в атмосфере Юпитера из-за мощнейших ураганов, вихрей и огромных молний разогревает такую атмосферу.
Поэтому атмосфера Юпитера испускает фотоны в широчайшем диапазоне частот. В результате, некоторая часть таких фотонов (частота которых обеспечивает взаимодействие с частицами из космоса), встречаясь с такими частицами, не допускает их падение на Юпитер. Кстати, у Юпитера нет четко выраженных магнитных полюсов. Объяснить такое можно значительным перемешиванием газов на этой планете, что приводит к выравниванию температуры по поверхности Юпитера.
Принято считать, что магнитное поле Земли появилось из-за того, что в центре Земли расположился жидкий железный шар, окруженный горячей магмой. И, что, дескать, такой железный шар и магма, вращаются с различными угловыми скоростями. В результате, якобы, возникает магнитное поле Земли. Хотелось бы посмотреть на экспериментатора, который сумел проникнуть внутрь Земли и замерить угловые скорости железного шара и расплавленной магмы. Имеет смысл провести следующий эксперимент. Прозрачную шарообразную сферу заполнить чем-то вязким, тягучим (например, маслом). Это – аналог магмы. Внутрь такой сферы поместить тяжелый жидкий шарик (например, из ртути). Это – аналог железной сердцевины нашей Земли.
Если такое устройство заставить вращаться с угловой скоростью в один оборот за 24 часа в космосе, на космической станции, то что-то нам подсказывает, что тяжелый шарик внутри сферы, масло внутри сферы и сама сфера будут вращаться с одинаковыми угловыми скоростями. И, потом, чем ближе к центру Земли, тем горячее. Поэтому гипотеза о том, что железный сердечник Земли (железный шар) – это своеобразный ротор, а магма – это своеобразный статор, которые, якобы, порождают магнитное поле Земли, является оригинальной придумкой.
Еще хуже обстоит дело с придумками в отношении Юпитера. Придумали, что в центре Юпитера расположилось твердое ядро из металлического водорода, которое является ротором, а статором является горячая атмосфера Юпитера. Такие ротор и статор, дескать, порождают мощное магнитное поле Юпитера. Естественно, что никаких экспериментальных подтверждений таким придумкам не существует.
Огромный интерес вызывает еще одна придумка. О том, что каждые 100 тысяч лет происходит, так называемая инверсия магнитных полюсов Земли. Дескать, сердечник Земли (ротор) неожиданно и вдруг разворачивается в Земле на 180 градусов. В итоге, северный полюс Земли, якобы, станет проявлять признаки южного полюса, а южный – признаки северного.
Правда, как утверждают придумщики, последний раз такая инверсия произошла 700 тысяч лет тому назад. Надо думать, что кто-то слетал в прошлое (на 700 тысяч лет) и с помощью компаса обнаружил, что синяя часть стрелки компаса повернулась не в сторону Северного Ледовитого океана, а в сторону Антарктиды.
Такие гениальные высказывания, об инверсии магнитных полюсов, нам довелось не однократно слышать с телевизионного экрана, в том числе и от человека, который представлен был доктором физико-математических наук. Существует устойчивое убеждение в том, что, якобы, такая инверсия произойдет, если не к утру, то в самое ближайшее время. При этом, дескать, начнутся такие ужасы, такие ужасные, что ни словами сказать, ни пером описать.
Вызывает интерес еще одно явление. Это отсутствие электрического поля внутри металлической сферы, внутри сферического сеточного каркаса из металлической проволоки.
Такое явление подтверждено практикой, а значит истинно. Ибо критерием истины является практика. Что обязывает нас предложить свое объяснение такому явлению. В нашей интерпретации, отсутствие внутри сферы электрического поля – означает, что внутрь металлической сферы не залетают фотоны, которые генерируются электронами, расположенными на поверхности сферы. Если предположить, что электроны на поверхности сферы располагаются своими спинами наружу (аналогия сравнима с иголками на спине ежика, когда он сворачивается в клубок), и, что такие электроны испускают фотоны вдоль своего спина (по вектору вращения электрона), то в этих случаях, фотоны не должны появляться внутри сферы.
Читатель, наверное, уже заметил, что в нашей интерпретации явлений, мы старательно избегаем понятий “электрическое поле”, “магнитное поле”, “электромагнитное поле”. Взамен таким понятиям, мы предлагаем поток частиц, именуемых фотонами, которые являются переносчиками энергии, импульса, момента количества движения (спина), например, переносчиками таких характеристик между частицами, как электроны.
Фотоны и электроны, взаимодействуя друг с другом, порождают обилие явлений электромагнетизма. Мы старательно опускаем такое понятие, как “заряд”. Но не потому, что заряда не существует в природе. Заряд – это совокупность электронов, собранных в определенном месте. Такие электроны никаким образом непосредственно (без участия посредников) друг с другом не взаимодействуют. Да, и подсчитать, сколько электронов собралось в таком месте, не представляется возможным.
Измерить заряд, более чем косвенными методами, можно, но точность знаний об измеренной величине заряда, оставляет желать лучшего, мягко выражаясь. Мы стараемся не употреблять такие понятия, как положительный и отрицательный заряды (с плюсиком или с минусом). Ионная проводимость в растворах или дырочная проводимость в полупроводниках, это все условности. На самом деле, и там, и там, имеет место быть проводимость с участием электронов и только электронов. Такие явления, как притяжение разноименных зарядов, или отталкивание одноименных зарядов, можно объяснить, применив понятие: спин взаимодействующих фотонов и электронов. Ранее, механизмы таких явлений, мы подробно рассмотрели.
13.4. О теории Максвелла
Очень любопытный читатель может заявить. Мол, вы такие умники, а сам Максвелл уже соорудил цельную, непротиворечивую теорию электромагнетизма, которая основана на характеристиках электрического поля (напряженность электрического поля) и магнитного поля (индукция магнитного поля). С помощью математических отношений между такими характеристиками ему, якобы, удалось объяснить все. И даже определить скорость фотона. К анализу уравнений Максвелла мы еще вернемся. А пока, что именно нам не нравится в интерпретации Максвелла. Так сказать, беглым взглядом.
Мы уже рассказали о том, с какими трудностями столкнулся Кулон, когда выводил свой знаменитый закон Кулона. Связаны такие трудности с невозможностью точно подсчитать заряд (количество электронов, сосредоточенных в пространстве). Но, ведь, напряженность электрического поля – это сила Кулона (в числителе), деленная на заряд (в знаменателе). Сила Кулона пропорциональна произведению двух зарядов, которые раздельно подсчитать невозможно. Кулон очень хитрым способом сумел доказать пропорциональность силы Кулона произведению зарядов, но определить величину каждого из зарядов он не смог. А в знаменателе для величины напряженности электрического поля как раз и находится величина одного из зарядов. Которую мы не сможем определить. А, значит, мы не сможем определить величину самой напряженности электрического поля.
Со знаменателем (величиной заряда) мы разобрались. Не лучшим образом обстоит дело с числителем (величиной силы Кулона). Сила Кулона возникает между двумя зарядами. Поэтому, чтобы определить или хотя бы измерить силу Кулона в той или иной точке пространства, в которой мы пытаемся определить напряженность электрического поля, в такую точку необходимо поместить эталонный заряд.
Такой эталонный заряд называют пробным или единичным. А сколько электронов находится в пробном или единичном, то есть эталонном заряде? Один электрон, или 5 электронов, или 2 миллиона электронов, или 3 миллиарда электронов? Все та же проблема. Невозможность сосчитать эти самые электроны. В результате и числитель для напряженности электрического поля не определить. Не лучшим образом обстоит дело и с другой характеристикой, входящей уравнения Максвелла.
Такую характеристику называют индукцией магнитного поля, которая является функцией не только от величины заряда, но и от скорости перемещения такого заряда. Например, в проводнике с током. Не пробовали определить или измерить скорость перемещения заряда (совокупности электронов) в непрозрачном проводнике с током? Попробуйте. Но это все второстепенные проблемы.
Самая главная проблема состоит в том, что Максвелл не указывает механизм передачи Кулоновского (электростатического) взаимодействия, а также механизм Ампера взаимодействия проводников с током. Максвелл говорит нам, что, дескать, речь идет о полях. Об электрическом и магнитном. Которые, якобы, и передают силовое воздействие между статическими зарядами или между подвижными зарядами. Но, увы, именно такую интерпретацию передачи силового воздействия, мы не понимаем. Вернее понимаем, но только с участием нечистой силы. Когда невидимая баба Яга (электрическое поле) или невидимый Леший (магнитное поле) расталкивают заряды или притягивают к себе проводники с током.
В соответствии с теорией Максвелла, принято изображать электрическое и магнитное поля в виде двух плоских взаимно перпендикулярных синусоид. Электрическая синусоида размещается в вертикальной плоскости, а магнитная синусоида – в горизонтальной. Такие две синусоиды сдвинуты друг относительно друга по фазе на 180 градусов. Максвелл писал и говорил, что электрическая и магнитная составляющие (две взаимно перпендикулярные синусоиды) электромагнитного поля как бы перекувыркиваются друг в друга со скоростью света, и, тем самым формируют фотон.
Тогда, мы должны думать, что фотон – это баба Яга (электрическое поле), перекувырнувшись, превращается в Лешего (магнитное поле), а он, перекувырнувшись, превращается в бабу Ягу, которая превращается в Лешего. Вот так они и перемещаются в пространстве со скоростью света.
13.5. Наше представление о фотоне и свободном электроне
Мы считали и считаем, что фотон – это объемная конструкция. Но, не нечто, сконструированное из двух плоских, взаимно перпендикулярных синусоид. Для того, чтобы убежденно утверждать, что внутри такой объемной конструкции (фотона) расположились две взаимно перпендикулярные синусоиды, нужно, как минимум, заглянуть внутрь фотона, и посмотреть, как они там расположились. Причем, фотон – это вращающаяся в пространстве штучка. То есть, располагающая собственным спином. Фотон относится к бозонам, то есть, имеет спин, равный единице. Это означает, что вращающийся фотон, совершает один оборот за один период его колебательного движения. Читатель может подумать. С синусоидами Максвелла было все понятно. Там речь шла о периоде плоских синусоид (электрической и магнитной) электромагнитного поля.
А что представляет собой период колебаний такой объемной конфигурации, как фотон. В нашем представлении, фотон – это нечто пульсирующее. Что-то типа сердца, которое сжимается и разжимается (пульсирует) в пространстве. Период таких пульсаций и есть период колебаний фотона. Нам очень нравится идея Максвелла о перекувыркивании фотона. Но, в нашем представлении, фотон перекувыркивается в самого себя.
Более подробно о механизме такого перекувыркивания. Все начинается с того, что с электрона срывается малюсенькая капелька чего-то, что является содержимым фотона. Что это такое – не знаем. Но зато мы знаем, что такая малюсенькая капелька, состоящая из чего-то, вращается в пространстве. Поскольку электрон все время вращается в пространстве. В соответствии с законом сохранения момента, наша малюсенькая капелька, сорвавшись с электрона, как и электрон, пребывает во вращательном движении.
Многим из нас доводилось наблюдать за воронками, которые образуются в жидкостях. Что-то подобное происходит с нашей малюсенькой капелькой, внутри которой, по причине ее вращения, начинает формироваться воронка. Правильно сказать, наша капелька приобретает форму воронки.
В результате, содержимое нашей капельки выдавливается на ее периферию и через узкую часть воронки выплескивается в соседнее пространство. Можно сказать, что капелька (фотон) перекувыркивается сама в себя в пространстве. Чтобы внутри содержимого капельки (фотона) произошло образование пустой воронки, необходима начальная сила и вращение капельки. Такие условия обеспечивает электрон. Надо думать, что наша капелька вырывается из объятий электрона, под воздействием какой-то силы (первоначальный толчок). О вращении электрона мы уже сказали. Мы знаем, что электрон является фермионом, со спином, равным одной второй. То есть, в пространстве электрон совершает два оборота за один период его пульсаций. Нетрудно понять, почему фермион (электрон) порождает бозон (фотон). Это следует из наших объяснений механизма перекувыркивания капельки (фотона).
Как только капелька (фотон) вырвалась из объятий электрона, она начинает жить своей жизнью и совершать вращения и пульсации (перекувыркивания) с частотой в один оборот за один период пульсаций. Иначе, мы не получим рассмотренный нами механизм перекувыркивания капельки (фотона).