CC BY
470
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №02-2/2017 ISSN 2410-700Х
6. Baranov M.A. Two-center overlap integrals - it is simply. // Международный научно-исследовательский журнал..- 2014. - Часть 2. - N 4(23)- C. 5-8.
7. Баранов М.А. Взаимодействие распределённых по Гауссу облаков заряда как элементов электронных оболочек. // Международный научный журнал «Символ науки». - 2015. - часть 1. - № 9. - с. 9-15.
8. Баранов М.А. Взаимодействие зарядов в виде размытой сферы и гауссова облака как элементов электронных оболочек. // Международный научный журнал «Символ науки». - 2016. - часть 1. - № 1. - с. 28-33.
9. Баранов М.А. Взаимодействие зарядов в виде неконцентричных размытых сфер как элементов электронных оболочек. // Международный научный журнал «Символ науки». - 2016. - часть 4. - № 3. - с. 11-18.
10. Баранов М.А. Взаимодействие атомов обладающих сферической симметрией электронных оболочек. // Международный научный журнал «Символ науки». - 2016. - часть 1. - № 9. - с. 8-10.
© Баранов М.А. 2017
УДК 001.98
Кулаков Владимир Геннадьевич
преподаватель
Московский техникум космического приборостроения Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана
г. Москва, РФ.
E-mail: [email protected] SPIN РИНЦ: 2111-7702
О ЗАРЯЖЕННОМ ТЕЛЕ, ДВИЖУЩЕМСЯ ПО ИНЕРЦИИ
Аннотация
В данной статье рассматривается недоработка, допущенная Хендриком Лоренцем в процессе решения задачи о движущемся по инерции заряженном теле и ставшая причиной возникновения множества парадоксов в современной теоретической физике.
Ключевые слова История физики. Предрассудок. Электродинамика.
1. Введение
Вопрос о наличии сопротивления механическому движению материальных тел со стороны среды, в которой распространяются электромагнитные волны - это фундаментальный вопрос теоретической физики, который до сих пор остается нерешенным. Впервые данный вопрос встал сразу же после того, как была разработана волновая теория света: если свет представляет собой волну, то должна существовать некоторая среда, в которой эта волна распространяется, а если подобная среда существует, то она может оказывать сопротивление движению материальных тел [1-5].
Будем считать, что физическое тело движется в глубоком вакууме, и в дальнейшем в данной статье под сопротивлением среды будем подразумевать только сопротивление движению указанного тела со стороны среды, в которой распространяются электромагнитные волны.
2. История моделирования светоносного эфира
Для того чтобы локализовать причину возникновения различных парадоксов, связанных с оптикой, электродинамикой, теорией электромагнитных волн и Специальной теорией относительности (СТО) Альберта Эйнштейна, необходимо проанализировать историю моделирования среды, в которой
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №02-2/2017 ISSN 2410-700Х_
распространяются электромагнитные волны, с целью определения момента времени, начиная с которого появились проблемы в развитии вышеперечисленных разделов теоретической физики.
Первый серьезный конфликт по поводу свойств среды, в которой распространяется свет, возник между двумя разделами физики: механикой и оптикой. В XVII и XVIII веке в оптике друг с другом конкурировали корпускулярная теория, рассматривавшая свет как поток частиц, и волновая теория, рассматривавшая свет как волну в эфире. В начале XIX века благодаря работам Томаса Юнга и Огюстена Френеля волновая теория одержала победу над корпускулярной.
Одной из задач оптики является исследование свойств различных сред, в которых может распространяться свет. Так как волна не может распространяться в абсолютной пустоте, возник вопрос о том, что представляет из себя и какие свойства имеет среда распространения света, получившая название «светоносный эфир».
Светоносный эфир - это некая гипотетическая среда, колебания которой проявляют себя как электромагнитные волны. В античные времена эфир считался особым веществом, заполняющим космос. Например, Аристотель считал эфир пятым элементом природы (наряду с огнем, водой, воздухом и землей), а также полагал, что эфиром заполнено все внеземное пространство и что Солнце, планеты и другие небесные тела представляют собой сгустки эфира. Первая подробно разработанная физическая гипотеза об эфире как среде распространения света была опубликована Рене Декартом в 1634 году в труде «Мир, или трактат о свете» [6], а представление об эфире как среде распространения волн было впервые введено в теоретическую физику Христианом Гюйгенсом в опубликованном 1690 году «Трактате о свете» [7].
В течение XVIII и XIX веков было предпринято множество попыток раскрыть физические свойства среды, в которой распространяется свет, в связи с чем был разработан целый ряд различных моделей светоносного эфира как газа, жидкости или твердого тела. В процессе экспериментов, сопутствующих исследованию эфира, были открыты многие ранее неизвестные физические явления. После разработки Джеймсом Максвеллом в середине XIX века уравнений классической электродинамики и экспериментов Генриха Герца эфир стали рассматривать как среду распространения электромагнитных волн, а свет - как электромагнитные волны, лежащие в определенном частотном диапазоне.
В XIX веке очень остро встал вопрос о том, увлекается ли эфир движущимися в нем телами. Существовало три основных варианта: эфир мог не увлекаться телами вообще, увлекаться частично или полностью. Различные эксперименты давали принципиально разные результаты: например, явление аберрации света, открытое Джеймсом Брэдли в 1728 году, по мнению Огюстена Френеля, изложенному в 1818 году в письме к Джорджу Араго, говорило о том, что эфир планетой Земля практически не увлекается, а опыт Луи Физо с движущейся жидкостью, проведенный в 1851 году, показывал, что эфир частично увлекается оптически прозрачной жидкостью. В 1871-1872 годах Джордж Эйри повторил эксперименты Брэдли по наблюдению аберрации звезд, несколько изменив условия (он использовал телескоп, заполненный водой) и пришел к выводу, противоположному выводу Френеля: эфир планетой Земля полностью увлекается.
В 1881 году Альберт Майкельсон с помощью интерферометра смог осуществить опыт по обнаружению эфирного ветра [8], который дал отрицательный результат: эфирный ветер не был обнаружен, что означало полное увлечение эфира планетой Земля (в частности, подобного мнения в своих работах придерживались Генрих Герц и Джордж Стокс). Здесь следует отметить, что, планируя свой сложный, дорогостоящий и трудоемкий эксперимент, Майкельсон должен был считать планету проницаемой для светоносного эфира, так как в противном случае подобный опыт аналогичен попытке определить скорость движения корабля относительно океана путем наблюдения за водой в ведре, находящейся в каюте корабля (ускорение таким путем можно попытаться измерить, а скорость движения -нет). Последующие эксперименты, имевшие целью повышение точности измерений (например, совместные эксперименты Майкельсона и Морли в 1887 году, а также эксперименты Морли и Миллера в 1905-1906 годах), давали противоречащие друг другу результаты.
Независимо друг от друга в 1892 году Хендрик Лоренц и Джордж Фицджеральд выдвинули предположение, что эфир однороден и неподвижен, а длина любого тела сокращается в направлении его
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №02-2/2017 ISSN 2410-700Х_
движения, из-за чего эфирный ветер в опыте Майкельсона становится невозможно обнаружить. Модель с абсолютно неподвижным эфиром имела, однако, ярко выраженные недостатки, например, было совершенно непонятно, как в подобной среде смогут двигаться физические тела.
В целом можно сказать, что по результатам экспериментов во второй половине XIX века некоторое преимущество получили модели, в которых светоносный эфир был представлен в виде жидкости или газа. Однако вследствие того, что подобная среда может оказывать сопротивление движению материальных тел, увлекается движущимися телами, а также вследствие того, что в ней могут возникать струи и вихри, модели движения тел в такой среде описывается системами нелинейных уравнений, что существенно усложняет процесс моделирования. По причине их высокой сложности, математические модели, предполагающие увлечение эфира движущимися телами, оказались психологически совершенно неприемлемыми для физиков-теоретиков конца XIX века.
Решить проблему моделирования механического движения физических тел в светоносном эфире путем создания аналоговых моделей в XIX веке физики также не смогли, так как им не удалось подобрать какой-либо газ или жидкость, которые можно было бы использовать в качестве модели эфира. После этой неудачи физики вообще фактически отказались от экспериментального исследования свойств среды, в которой распространяются электромагнитные волны, что выглядит довольно странно, так как подобная среда относится к следующему, более глубокому слою материального мира и вовсе не обязана вести себя подобно жидкостям и газам. В результате до сих пор остается нерешенным целый ряд фундаментальных проблем:
1) Является ли постоянной плотность среды, в которой распространяются электромагнитные волны?
2) Является ли постоянной скорость света во всей Вселенной?
3) Увлекается ли среда, в которой распространяются электромагнитные волны, движущимися телами?
4) Оказывает ли среда, в которой распространяются электромагнитные волны, сопротивление движению незаряженных тел?
5) Оказывает ли среда, в которой распространяются электромагнитные волны, сопротивление движению заряженных тел?
Для того, чтобы избежать трудностей, связанных с моделированием светоносного эфира, физики-теоретики (например, Хендрик Лоренц, Анри Пуанкаре, Альберт Эйнштейн и Джозеф Лармор) предприняли ряд попыток создания таких математических моделей физического мира, при использовании которых не только структуру эфира, но и само его существование можно было бы игнорировать. Таким образом, в электродинамике совершенно не учитывался накопленный в других разделах физики опыт решения задач с учетом действия силы сопротивления среды. Внешняя баллистика, например, в то время уже имела в данной области значительные достижения:
• в 1687 году Исаак Ньютон опубликовал свои исследования о влиянии сопротивления воздуха на брошенное тело;
• в 1721 году Даниил Бернулли решил задачу о движении снаряда с учётом силы сопротивления воздуха, которую он принимал пропорциональной квадрату скорости снаряда;
• в 1740 году Бенджамин Робинс разработал метод для определения начальной скорости снаряда и экспериментально исследовал зависимость силы сопротивления воздуха от скорости движения снаряда;
• в 1753 году Леонард Эйлер предложил простой способ решения задачи о движении снаряда в воздухе, который применяется до настоящего времени;
• начиная со второй половины XVIII века баллистиками было проведено множество экспериментальных исследований с целью уточнения формул, описывающих зависимость силы сопротивления воздуха от скорости движения и формы снарядов;
• в 1884 Эрнст Мах начал серию экспериментов с целью получения фотографических изображений головных (ударных) волн, создаваемых пулями и снарядами, и в 1888 году он смог
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №02-2/2017 ISSN 2410-700Х_
получить и опубликовать четкие фотографии ударной волны.
3. Принцип относительности и инерциальные системы отсчета
Впервые принцип относительности был сформулирован Галилео Галилеем в 1632 году [9]. В теоретической физике тело, относительно которого наблюдается движение, принято называть телом отсчёта, а система отсчёта представляет собой совокупность, состоящую из тела отсчёта, связанной с ним системы координат и системы отсчёта времени. В соответствии с принципом относительности Галилея равномерное прямолинейное движение системы отсчета не влияет на механические явления, происходящие в ней.
Основываясь на работах Галилея и собственных исследованиях, Исаак Ньютон в 1687 году в книге «Математические начала натуральной философии» [10] сформулировал законы классической механики. Для обозначения трёхмерного евклидова пространства, в котором выполняется принцип относительности и преобразования Галилея, Ньютон использовал термин «абсолютное пространство». Так как в XIX веке данный термин стал подвергаться критике, в 1885 году Людвиг Ланге ввел в обращение новый термин -«инерциальная система».
Инерциальная система - это система отсчёта, в которой все свободные тела либо покоятся, либо движутся прямолинейно и равномерно. Согласно принципу относительности, всякое механическое явление при одних и тех же начальных условиях протекает одинаково в любой инерциальной системе отсчёта, и никакими физическими опытами, проведенными внутри инерциальной системы, нельзя обнаружить, находится система в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения.
Принцип относительности Галилей разрабатывал на основе предположения, что космические тела движутся в абсолютной пустоте. Данный принцип неприменим в тех случаях, когда в исследуемой системе имеется сколько-нибудь заметное сопротивление движению физических тел со стороны окружающей среды, так как сила подобного сопротивления зависит от скорости движения тела, причем данная зависимость обычно бывает нелинейной.
В 1905 году Альберт Эйнштейн в работе «К электродинамике движущих сред» [11] предложил отказаться от понятия эфира и сформулировал основные постулаты Специальной теории относительности: принцип относительности, утверждающий, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отчета, и принцип постоянства скорости света, утверждающий, что скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отчета и не зависит от движения источников и приемников света.
Специальная теория относительности отличалась сравнительной простотой и позволяла отказаться от использования понятия светоносного эфира. Некоторое время казалось, что СТО решила все проблемы, связанные с теорией электромагнитного поля, поэтому СТО одержала победу над конкурирующими теориями. Однако впоследствии стали один за другим проявляться разнообразные парадоксы, связанные с СТО, и, в результате, споры вокруг СТО не утихают до сих пор [12, 13].
В процессе разработки СТО Альберт Эйнштейн опирался на идеи, выдвинутые Хендриком Лоренцем и Анри Пуанкаре [14]. Одной из причин того, почему относительность движения в СТО оказалась слишком абсолютной, является теоретическая недоработка, допущенная Лоренцем: с целью упрощения модели механического движения заряженного тела он решил в своих работах полностью пренебречь сопротивлением среды, в которой распространяется электромагнитные волны.
4. Движение заряженного тела по инерции
Предрассудки - это взгляды или мнения, основанные на неточном знании и принимаемые на веру со слов других людей. Представление о том, что заряженное тело при отсутствии внешних сил будет по инерции двигаться в вакууме равномерно, представляет собой типичный предрассудок.
Как в старых, изданных в начале прошлого века [15], так и в современных учебниках [16] по теоретической физике в разделе электродинамики наблюдается странное нарушение стандартной последовательности изложения материала «от простого к сложному»: задачу о движущемся заряженном теле авторы учебников начинают рассматривать уже с момента попадания тела в электрическое или магнитное поле. Более простая задача о движении заряженного тела в вакууме по инерции (при полном
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №02-2/2017 ISSN 2410-700Х_
отсутствии каких-либо внешних полей) оказалась пропущенной, так как физики-теоретики ошибочно посчитали ее тривиальной.
Независимо от того, увлекается или нет среда (светоносный эфир) движущимися телами, и независимо от того, оказывает ли подобная среда какое-либо сопротивление движению незаряженных материальных тел, она должна оказывать сопротивление движению заряженных тел уже в силу самой своей способности передавать электромагнитные волны: движущееся относительно среды заряженное тело должно создавать в этой среде электромагнитную волну, аналогичную баллистической волне, создаваемой в воздухе летящим артиллерийским снарядом. На создание подобной волны тело должно расходовать часть своей кинетической энергии и движение его должно замедляться, следовательно, сопротивление среды движению заряженного тела должно быть больше, чем движению незаряженного. Здесь следует отметить, что тело, создающее магнитное поле, также будет создавать при своем движении электромагнитную волну, а некоторые элементарные частицы, например, электрон, обладает и электрическим зарядом, и магнитным моментом.
Таким образом, при движении тела его электрический заряд выполняет функции тормоза. Сила сопротивления среды должна зависеть от ее плотности, а плотность среды может сильно различаться в зависимости от места проведения эксперимента (например, вблизи поверхности планеты Земля плотность среды может быть намного больше, чем в глубоком космосе, вдали от звезд и планет). Нужно также учитывать тот факт, что плотность среды и напряженность поля представляют собой различные параметры модели среды: например, плотность среды может быть высокой и при нулевой напряженности поля.
Все инерциальные системы по определению считаются равноправными. А равноправны ли заряженные и незаряженные тела с точки зрения сопротивления их движению со стороны среды, в которой распространяется электромагнитное поле? Нет, не равноправны: как уже было указано выше, тело, имеющее электрический заряд или магнитный момент, при прочих равных условиях взаимодействует со средой сильнее, чем тело, не имеющее ни того, ни другого. Следовательно, движущееся относительно среды заряженное тело нецелесообразно использовать в качестве тела отсчета.
Идея о том, что среда может оказывать сопротивление движению заряженных тел, и, прежде всего, электронов, у которых отношение электрического заряда к массе очень велико, оказалась настолько психологически неприемлемой для физиков-теоретиков, что она даже не обсуждается. За последние сто лет не только не было проведено, но даже не было спланировано ни одного эксперимента с целью определения силы сопротивления среды. Кроме того, теоретики стараются под разными предлогами уклоняться от рассмотрения таких задач, в которых необходимо учитывать движение заряженных тел относительно среды
[17].
Например, исследуя влияние магнитного поля на характер излучения газообразного источника света (пламени горелки), Питер Зееман в 1896 году открыл эффект расщепления линий атомных спектров в магнитном поле, получивший название эффекта Зеемана. Модель движения электрона поперек линий магнитного поля первоначально была придумана Лоренцем в процессе разработки теории эффекта Зеемана (описание которой было опубликовано Лоренцем в 1897 году) как вспомогательная и не учитывала сопротивления движению электрона со стороны среды.
Допущенная Лоренцем недоработка повлияла на многие созданные впоследствии модели, используемые в электродинамике и физике элементарных частиц. В результате бездумного копирования из ставшего классическим учебника Лоренца некорректно решенной задачи из поколения в поколение школьникам и студентам на занятиях по физике внушают, что поперек линий магнитного поля заряженное тело, например, электрон, по инерции движется равномерно, по окружности.
Из того, что объект движется по инерции, вовсе не следует, что он обязательно движется равномерно: даже в том случае, когда прямыми потерями на преодоление сопротивления среды можно пренебречь, на движущийся поперек линий магнитного поля электрон действует сила Лармора, препятствующая изменению ускорения электрона и вызывающая эффект радиационного трения, связанный со значительными потерями энергии на так называемое циклотронное излучение. Однако иногда в одном и том же учебнике в соседних разделах можно встретить и классическую модель Лоренца с движущимся по
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №02-2/2017 ISSN 2410-700Х_
окружности электроном, и описание эффекта радиационного трения, который этой модели явно противоречит [18].
Инерция мышления ученых оказалась настолько велика, что при решении некоторых задач равномерность движения заряженного тела постулируют даже в тех случаях, когда считать движение равномерным в принципе невозможно. Может ли равномерно движущееся тело излучать электромагнитную волну? Может, если к нему каким-то образом извне поступает энергия, которая и расходуется затем полностью на излучение волны. А может ли равномерно движущееся тело излучать кванты? Нет, не может, так как при испускании кванта меняется импульс тела, что приводит к скачкообразному изменению скорости движения тела.
Аналогичная ситуация возникает, когда уже в процессе постановки задачи заранее постулируют движение тела по окружности. Может ли заряженное тело по инерции двигаться по окружности и излучать энергию квантами? Это практически невозможно: в таком случае тело будет двигаться по траектории, похожей на сходящуюся спираль. 5. Заключение
На какие бы ухищрения ни шли теоретики, чтобы избавиться от необходимости учитывать в расчетах существование среды, в которой распространяются электромагнитные волны, и сопротивление движению материальных тел со стороны этой среды, среда все равно проявляет себя: то как «светоносный эфир», то как «физический вакуум», то как «темная материя».
Все используемые в настоящее время в разделах электродинамики и теории элементарных частиц модели необходимо перепроверить на предмет правомерности игнорирования сопротивления движению заряженных тел со стороны среды, в которой происходит данное движение. Список использованной литературы
1. Дорфман Я. Г. Всемирная история физики (с начала XIX до середины XX вв.). - М.: Наука, 1979. - 317 с.
2. Кудрявцев П. С. История физики. т. II. От Менделеева до открытия квант. - М.: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1956. - 487 с., ил.
3. Лауэ М. История физики / Пер. с нем. Т.Н. Горнштейн. / Под ред. И. В. Кузнецова. - М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1956. - 229 с.
4. Терентьев М. В. История эфира. - М: ФАЗИС, 1999. - 176 с.
5. Уиттекер Э. Т. История теории эфира и электричества. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». 2001, — 512 с.
6. Декарт Р. Космогония: два трактата. - М.: ГТТИ, 1934. - 326 с.
7. Гюйгенс Х. Трактат о свете, в котором объяснены причины того, что с ним происходит при отражении и при преломлении, в частности, при странном преломлении исландского кристалла. Пер. с фр. / Под ред. и с примеч. В. К. Фредерикса. Изд. 2-е. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010. - 176 с.
8. Джефф Б. Майкельсон и скорость света. - М.: Издательство иностранной литературы, 1963. - 159 с.
9. Галилей Г. Избранные произведения в двух томах. Т. 1. - М.: Наука, 1964. - 640 с.
10.Ньютон И. Математические начала натуральной философии. - М.: Наука, 1989. - 690 с. 11.Эйнштейн А. Собрание научных трудов в 4 томах. Том 1. Работы по теории относительности 1905-1920. - М. «Наука», 1965.
12.Гречаный П. П., Попов П. А. Сто лет дороги в никуда: Конец специальной теории относительности. -М.: Новый Центр, 2003. - 55 с.
13.Николаев Г. В. Современная электродинамика и причины ее парадоксальности. Перспективы построения непротиворечивой электродинамики. - Книга 1. - Томск: Изд-во «Твердыня», 2003. - 149 с., ил.
14.Логунов А. А. Анри Пуанкаре и теория относительности / А. А. Логунов. - М.: Наука, 2004. - 256 с.
15.Лорнцъ Г. А. Курсъ физики. Томъ II / Переводъ под ред. проф. Н. П. Костерина. - Одесса: Товарищество «Матезисъ», 1910. - 466 с.
16.Jackson J. D. Classical Electrodynamics - 3rd edition. - Wiley & Sons, 1998. - 808 р.
17.Кулаков В. Г. О предрассудках классической электродинамики // Символ науки. 2016. №6, ч. 1. С. 13-18.
18.Савельев И. В. Курс общей физики, том II. Электричество. - М.: Наука, 1970. - 432 с., ил.
© Кулаков В.Г., 2017
