КЛАССИЧЕСКАЯ ФИЗИКА: САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ СИСТЕМЫ И МИКРОМИР
Содержание:
1) Предисловие
2) Простейшие самоорганизующиеся системы
3) Самоорганизующиеся модели упругих тел
4) Неизлучающий атом Резерфорда
5) Общее представление об упругих телах
6) Движение и реорганизация упругих систем
7) Принцип относительности для мира самоорганизующихся систем
Предисловие
Я, автор этого изложения, имею профессию, в основе которой лежит классическая теория Фарадея-Максвелла. Это мой инструмент - проверенный, надежный, безупречный. Однако академическая физика в тысячах книг, брошюр и лекций уверяет, что эта теория несостоятельна, не способна объяснить эксперимент Майкельсона и противоречит якобы факту: "электроны в атомах не излучают". Но ведь факт не таков. Ведь не излучает лишь атом в целом - система из ядра и электронов, факт именно таков, и он имеет в классической теории объяснение, специалисту очевидное. Здесь факт "атом не излучает" подменяется на его ложную трактовку "электроны не излучают". Зачем? Почему-то современная физика, ниспровергая классическую, никогда не приводит доказательств, а лишь уверяет, пропагандирует, подавляет ссылками на авторитеты и мировую науку, повторяет: "Это смешно, нелепо, это попытка спасти теорию". Если бы она была права, то не нуждалась бы в этих недостойных средствах убеждения.
Явная необъективность вызывает сомнения: а были ли вообще перед классической теорией те тупиковые проблемы, о которых говорит нам ее противник? Или их можно решить сегодня, на современном уровне знаний? Пришлось заняться проверкой.
Для решения вопроса о размерах движущихся тел понадобилось искусственное упругое тело, состоящее из макроскопических "атомов" и макроскопических расстояний между ними, которое можно было бы построить в реальности, как изделие. Дело в том, что размеры тел естественных - это сумма межатомных расстояний, скрытых в микромире и недоступных для объективного анализа. Нужен пример тела, в котором расстояния доступны для изучения.
Искусственное упругое тело - это самоорганизующаяся группа из двух, трех и т.д. одинаковых электромагнитных осцилляторов, которые излучают волновые поля и удерживаются на устойчивых расстояниях друг от друга этими же полями и электромагнитными силами, составляя единое упругое тело. В качестве осцилляторов можно для начала применить автоколебательные излучающие устройства, например, излучающие генераторы СВЧ с автономным энергопитанием, и оставить их свободно плавать в жидкости или на ее поверхности. При определенных условиях генераторы самопроизвольно входят в синхронизм, создают поле стоячих волн и располагаются в пучностях магнитного поля на устойчивых расстояниях друг от друга, образуя упругую структуру, в какой-то степени упорядоченную.
Поскольку классическая физика не имеет иных средств построения упругих тел, и в макромире нет иных полей, способных объединять элементы в единое упругое тело, такие системы становятся единственно возможными физическими моделями тел. Такое тело и само по себе - новый, принципиально важный физический объект.
Искусственное тело вещественно, реально и бесспорно, оно может быть создано. Его размеры образованы хорошо известными полями и силами, здесь неуместны постулаты и философские рассуждения. Свойства размеров здесь нетрудно выяснить, мысленно погружая тело в движущиеся "светоносные" (электромагнитные) жидкости. Оказалось, что Лоренц и Фицджеральд были правы: размеры явно зависят от скорости течения "светоносной" среды относительно неподвижного тела, от скорости электромагнитных волн в этой среде, меняясь пропорционально длинам стоячих волн, которыми связаны в единое целое. Авторы учебников столь же явно не правы.
Спор о размерах тел, оказывается, решался удивительно просто, и мог быть решен в рамках классических теорий еще в 1911 году, сразу после открытий Резерфорда, когда стало известно, что размеры тел - это сумма расстояний. Но этого не произошло. Простейшие самоорганизующиеся системы, дающие решение проблем вековой давности, как и физические модели тел, остались неизвестными академической физике.
На вопросы о том, почему не излучается в пространство и не иссякает энергия электромагнитных движений в атомах, молекулах, телах и прочих системах микромира, тоже есть простой ответ, очевидный, можно сказать, еще с 1903 года, когда Гамильтон нашел общее решение волнового уравнения электродинамики для сферических координат. Из этого решения и следуют ответы: два, три или более объектов, излучающих электромагнитные поля в пространство, могут вместе составлять систему, в пространство не излучающую, даже если расположены не один внутри другого, а на расстояниях друг от друга. Их излучения в дальнем пространстве могут взаимно погашаться. Имеют место также явления, приводящие такие системы к неизлучающему состоянию. Таким образом, самоорганизующиеся системы могут сохранять в себе электромагнитную энергию, не излучая ее вовне, и быть достаточно полными моделями упругих тел, молекул, атомов и прочих систем микромира.
Так классическая теория начинает объяснять микромир, не изобретая особых полей и сил иной природы, постулатов, новой логики, новых законов природы. Всё в микромире объясняется известными классической физике полями и законами природы, причем объясняется сугубо технически, без гипотез, без авторского вымысла и прочей фантастики. Эти ее новые начала и будут здесь изложены.
Обе "роковые" проблемы физики (размеры тел и отсутствие излучений из атомов) решаются как несложные, не требующие даже расчетов задачи по курсу теоретических основ электротехники. Все возможности для их решения имелись задолго до научной революции. Все прочие проблемы и противоречия были лишь следствиями этих двух основных. Не было перед классической физикой никогда никаких тупиков, и смена научной парадигмы не была необходимостью. Однако мнимая несостоятельность классической физики легла в фундамент всего гигантского здания современной академической физики, ее натурфилософии и мышления.
Для оценки содержания этого изложения не следует применять критерии и логику научной революции и современной физики. Здесь излагается только классическая физика в рамках своей прежней парадигмы, которая содержит собственные, отличные от современной физики логику, критерии истинности и доказательности, прежние системы исходных истин и приоритетов, прежние научную мораль, цели и т.д. Классическая парадигма не подчинена современной и не является ее частью, они антагонистичны и несовместимы, одна отвергает другую как заведомо неверную. И нельзя сказать, что классическая парадигма ниспровергнута. Ведь научная парадигма - это, по существу, технология науки или своего рода наука о том, как добывать новые знания и делать открытия. Ее эффективность оценивается не словесной критикой со стороны конкурента, а результатами, т.е. количеством и качеством открытий, влиянием науки на практику, на качества жизни человечества. При такой оценке преимущество классической парадигмы несомненно и доказано делом.
Напомню, что последнее время жизни классической школы сегодня называют веком великих научных открытий. Эта школа, малочисленная и бедная, в значительной части любительская, своими открытиями радикально улучшила жизнь человечества. И сразу же после ее великого открытия (открытия атомного ядра) была объявлена несостоятельной, т.е. не способной к открытиям (всего-то через три года, не считая лет мировой войны и революций), да еще и по причине этого открытия: именно его она якобы не объясняла (вот Вам и образец революционной логики). С ее гибелью великие открытия сошли на нет. За вторую половину ХХ века великих открытий уже не было вовсе, и современная академическая физика - целая армия профессиональных ученых и мощная индустрия науки - не внесла в нашу жизнь, в промышленность и практику ничего существенно нового, кроме лазера (транзистор изобретен еще в 1947 году). Таковы "гигантские успехи современной физики", о которых мы слышим и читаем. Она безуспешна и безнадежна, что также доказала делами. Другие же науки обошлись без революций, сохранили прежнюю парадигму, когда-то единую для всех наук, и ушли за этот срок далеко вперед. Химия обогнала физику в области сверхпроводимости, биология дала генную инженерию.
Сегодня все физики талантливы, по меньшей мере - у нас в России. Заурядных просто не принимали на физфаки уже очень много лет. Армия талантов при современном оснащении. Почему же никто их них не достиг своей мечты - великого открытия? Раньше физиками становились люди всякие, без особого отбора, и делали открытия подручными средствами. Очевидно, дело в устройстве самой науки, в ее строении, в методах, правилах, идеологии, критериях и т.д. - т.е. в ее парадигме. Сравнение результатов показывает, что классическая парадигма была вовсе не сводом устаревших догм, а мастерством великих открытий, хорошо отработанной за века и потому чрезвычайно успешной технологией науки. Век великих открытий - не сумма случайных событий, а закономерный результат этого мастерства и доказательство мощи классической парадигмы.
Напоминаю, что здесь не будет философии, только электротехника в приложении к физике. К сожалению, не умею хорошо излагать. Я наладчик, и пользуюсь здесь теорией, избегая расчетов, точно так же, как в работе на заводах, где нужны ясные и полные представления о процессах и явлениях, но редко нужны расчеты. Весь нужный для понимания теоретический материал содержится в типовом учебном курсе теоретических основ электротехники для электротехнических ВУЗов.
Классическая физика остается по-прежнему фундаментом технических наук, профессий, технологий, массового образования. Разрушение этого направления науки стало вековой преградой на пути наук и технологий в микромир, на пути технического прогресса в целом. Научная революция стала величайшим бедствием, приносящим всем и каждому, как и лично Вам, неисчислимый и всё возрастающий материальный урон, сравнимый разве что с мировой войной.
Простейшие самоорганизующиеся системы
Здесь будет описан самоорганизующийся объект, для физики новый и принципиально важный: искусственное упругое тело, состоящее из множества макроскопических элементов, расположенных на макроскопических расстояниях друг от друга и упруго связанных воедино электромагнитными полями. Объект важен по трем причинам. Во-первых, это простейший и первый пример системы, самоорганизующейся в пространстве и времени. Во-вторых, этому телу свойственны определенные размеры, оно может двигаться и претерпевать ускорения, как и тела естественные. Но здесь поля и силы, соединяющие элементы в единое тело, не скрыты в микромире, и мы впервые получаем возможность объективно рассмотреть вопросы вековой давности: как и почему зависят размеры тела от его скорости, в каком смысле и почему они постоянны? В-третьих, это единственно возможная и не описанная в литературе физическая модель твердого тела, способная существовать в реальности.
Пусть в волновое высокочастотное электромагнитное поле излучения, зависящее от координат и времени как sin(t-x) (коэффициенты будем упускать), помещен в плоскость Х и параллельно векторам электрического поля электрический осциллятор - короткий проводник с переменным электрическим током, зависящим от времени как sin(t) (той же частоты). На проводник будет действовать сила, пропорциональная произведению sin(t-x) на sin(t), что равно cos(x)/2 + cos(2t-x)/2. Второе слагаемое - быстропеременная сила, в среднем за период равная нулю и никуда проводник не движущая. Первое же слагаемое - постоянно действующая сила, движущая проводник вдоль оси Х, пока cos(x) не станет равным нулю. Она всегда стремится вернуть проводник в одну из тех точек, где cos(x)=0, двигая его в ту или другую сторону. На другом языке: осциллятор имеет дискретный ряд устойчивых положений в синхронном с ним волновом поле.
Аналогично, если через катушки нескольких электромагнитов пропускать синфазные токи сверхвысокой частоты, то магниты не только станут излучать волновое поле СВЧ, но и проявят непривычное для нас следующее свойство. Электромагниты, если находятся под действием только электромагнитных сил и начально расположены так, чтобы отталкивались друг от друга, разойдутся лишь на некоторые расстояния и будут удерживаться на этих расстояниях электромагнитными силами, как пружинами. Поскольку здесь магнитное поле - волновое, электромагниты, отталкиваясь и далее, попали бы в поле сил противоположного направления, и силы отталкивания изменились бы на силы притяжения. Поэтому они остановятся в некоторых устойчивых положениях - там, где эти силы меняют направление и равны нулю, - на некоторых устойчивых расстояниях друг от друга. При отклонении магнитов от устойчивых положений они попадут в область действия сил, возвращающих их обратно в устойчивые положения (что и позволяет применять здесь термин "устойчивые"). Если электромагниты находятся под действием только этих сил (например, свободно плавают в невесомости, в жидкости или на ее поверхности), то образуется (самоорганизуется) некое упругое тело, в какой-то степени упорядоченное по своей структуре.
На рисунке рис.1 показана устойчивая группа из трех излучающих электрических диполей, которые равномерно и совместно вращаются вокруг общей оси (отрицательный заряд вокруг тяжелого положительно заряженного тела), и фрагменты электрических полей, излученных ранее соседними диполями. Чтобы не загромождать рисунок, показаны лишь участки электрического поля, параллельные плоскости рисунка, и лишь вблизи диполей. Диполи занимают в полях друг друга устойчивые положения, т.к. находятся в максимумах электрического поля, как в потенциальных ямах, вращаются вместе с полем, и их подвижные заряды всегда смещены вдоль поля к нижнему энергетическому уровню в нем. Будучи выведены из устойчивых положений, диполи вернутся в них или придут к новым устойчивым положениям.
Такую же способность к самоорганизации в пространстве имеют почти любые синхронные между собой источники волновых полей. Упругие связи через посредство электромагнитных волн не могут не возникать и между элементами микромира. Поля в нем достаточно сильны. Классические теории не знают других полей и сил, способных удерживать элементы на устойчивых расстояниях, поэтому нам придется признать, что в упругом теле элементы микромира выступают в качестве носителей электромагнитных колебаний и источников волн, и связаны между собой через посредство электромагнитных волновых полей.
Теперь мы знаем пример макроскопической системы, самоорганизующейся по структуре в пространстве, - группу из нескольких высокочастотных магнитов, быстро вращающихся диполей или каких-либо иных излучающих волновое поле осцилляторов, свободно плавающих в невесомости или в жидкости. Самоорганизация будет более полной, а системы - ближе к естественным, если колебания в элементах будут автономны и тоже подвержены самоорганизации, самосогласованию их по частоте и текущим фазам. Сделать такую систему для примера можно (даже в виде изделий, если очень понадобится) средствами радиотехники.
Рассмотрим систему, состоящую снова из множества одинаковых катушек, обтекаемых токами СВЧ, но пусть теперь каждая катушка будет частью автономного генератора электрических колебаний СВЧ, каждый из которых состоит из колебательного контура (конденсатора и этой катушки), усилителя, источника тока и цепи положительной обратной связи. Такие генераторы давно применяются, свойства их хорошо известны, что упрощает задачу. Пусть катушки снова служат излучателями и электромагнитами, а прочие части генераторов полей не излучают. Колебательный контур, включенный в схему генератора, - это простейший резонатор, локальная колебательная система, содержащая незатухающий колебательный процесс.
Одинаковые генераторы, будучи разрозненными, вырабатывают колебания немного неравных частот и в произвольных фазах. Находясь на некоторых умеренных расстояниях друг от друга, они взаимосвязаны через свои излучения, влияют друг на друга. Каждая катушка излучает энергию в виде электромагнитных волн и принимает энергию излучений других катушек, преобразуя ее в энергию электрических колебаний. Так колебательный процесс от каждого генератора распространяется на все другие генераторы, влияя на них. При этом генераторы, если располагаются более-менее определенным образом на некоторых расстояниях друг от друга, способны входить в синхронизм. Их колебания становятся синхронными, излучения - когерентными, а процессы колебаний и излучений сливаются в единый объемный процесс, действующий на единой частоте в едином ритме. Другими словами: происходит самоорганизация локальных колебательных процессов во времени - по частотам и фазам колебаний, сливающая волновые и колебательные процессы в единый объемный когерентный процесс.
Когда колебания в элементах системы синхронны, то сохраняется способность системы и к самоорганизации в пространстве. Элементы системы, двигаясь в волновом поле и поворачиваясь, займут в нем устойчивые положения и примут устойчивую ориентацию, образуя устойчивую пространственную структуру, в какой-то степени упорядоченную. Излучения элементов, двигаясь навстречу друг другу во всех направлениях, образуют стоячее волновое поле с узлами и пучностями, в которых и располагаются элементы.
Так мы получим систему с самоорганизацией и во времени, и в пространстве. Теперь система не связана проводами, может автономно существовать, двигаться, претерпевать ускорения.
Проще рассматривать системы, расстояния в которых достаточно велики. Тогда элементы связаны только полями излучений, но не ближними полями. Чтобы элементы пришли при этом в устойчивые положения, не разрушив синхронизм колебаний, нужно еще придать им свойство взаимного притяжения (например, придать им постоянные дипольные моменты). Генераторы остаются синхронными только на таких расстояниях, при которых происходит прием ими волновой энергии друг от друга, а это создаёт давление волн на них и силы взаимного отталкивания. Взаимное притяжение, уравновешивая давление волн, автоматически ставит элементы на расстояния, нужные для синхронизма.
Эту систему можно рассматривать также и методами электротехники как обычную электромагнитную систему с взаимной индукцией. Система в целом движется к максимуму индуктивности (это один из законов Ленца), потому катушки занимают устойчивые положения в пучностях магнитного поля системы, а магнитные потоки в этих пучностях концентрируются и становятся синфазными с магнитными полями катушек. Дополнительные силы взаимного притяжения несколько сближают катушки, вследствие чего токи взаимной индукции несколько изменяются по фазам, что делает катушки - источники энергии поля - также и приёмниками этой энергии. При этом происходит обмен энергией между элементами и частями системы, а излучение энергии в пространство может быть в ряде случаев ничтожным.
Будем считать, что размеры генераторов всегда достаточно малы в сравнении с длиной излучаемых ими волн (точечные), что массы их малы, расстояния между ними - от единиц до десятков длин волн, а число генераторов в системе достаточно велико. Конечно, мы еще не можем создать настолько малые и мощные источники излучений, чтобы образуемые ими системы были прочными, а процессы их самоорганизации в пространстве – не слишком уж медленными. Но принципиального значения это не имеет.
Простейшие резонаторы - колебательные контуры из катушек и конденсаторов - можно заменить здесь любыми другими излучающими (открытыми) резонаторами. В систему из генераторов можно включать пассивные резонаторы (без усилителей). Основные свойства системы от этого не изменятся. Но колебания должны вырабатываться в процессе автогенерации, самовоспроизводства и это здесь необходимо принципиально.
Искусственные тела можно понимать как технические устройства или приборы, предназначенные для изучения некоторых общих свойств упругих тел. Как и тела естественные, они тоже имеют размеры, к которым относится всё, что говорит современная физика о размерах тел вообще. Но отличаются тем, что созданы хорошо известными полями и силами, от которых зависят размеры этих тел, поэтому здесь размеры не могут определяться постулатом. Эти тела могут быть погружены в такие среды, где электромагнитные волны, создающие целостность тел, движутся медленнее, чем в пустоте. Длины волн и размеры стоячих полей при этом уменьшаются, потому уменьшаются расстояния между элементами и размеры тел. Приводя среду в движение относительно погруженного в нее тела, можно также наблюдать сокращение размеров. При этом можно физически или мысленно повторить эксперимент Майкельсона - Морли и убедиться, что размеры этого тела зависят от скорости относительно среды точно так же, как и длины стоячих волн рядом с этим телом.
Читая историю физики, мы узнаём, что классическая школа оказалась не способной объяснить результат этого эксперимента. Тогда физики полагали, что размеры тел определяются размерами атомов (по модели Томсона), которые, образуя тела, вплотную примыкают друг к другу. Постоянство размеров атомов, а потому – и тел, тогда казалось несомненным, что и привело к победе теории относительности над классическими представлениями. Но уже в 1911 году Резерфорд обнаружил, что размеры тел определяются устойчивыми расстояниями между атомными ядрами, относительно далеко отстоящими друг от друга. Следовательно, они зависят от свойств расстояний, от способов построения этих расстояний, от межатомных полей и сил, скрытых в микромире.
С 1911 года о постоянстве размеров судят интуитивно. Представители классической школы заявили, что размеры тел зависят от скорости, поскольку это логично. Их оппоненты, тоже не имея аргументов, назвали это смешным, нелепым, попыткой спасти теорию. Изучением свойств расстояний и способов их построения (а их не так уж и много) ни те, ни другие не занимались. Так решился самый важный во всей истории физики вопрос - о смене научной парадигмы, о дееспособности классической физики, “обычных” логики и здравого смысла. Новая физика просто перекричала старую, взяв под контроль научную печать и сделав ее рупором революции. Страсть к революции оказалась сильнее здравого смысла, логики и всей физики века великих открытий, вместе взятых. Для объективного решения нужен был, как минимум, сам объект - хотя бы один предмет, размеры которого созданы хорошо известными, не скрытыми в микромире полями и силами, и желательно – как результат самоорганизации. Но физика не обратилась ни к такой постановке вопроса, ни к поискам такого предмета, хотя все предпосылки для этого имелись: вибраторы Герца, пригодные для построения искусственных тел, были испытаны в 1888 году, а излучаемые ими поля полностью рассчитаны в 1903 году. Естественно, такие поиски были бы не в пользу научной революции.
Здесь впервые такой предмет рассмотрен, и впервые за сто лет мы получили возможность объективно изучать свойства размеров самоорганизующихся тел, движущихся произвольным образом в различных условиях – в средах и вне сред. Естественно, объект, построенный средствами классической теории, имеет свойства, не противоречащие этой теории. Однако, зависимость размеров тел (и процессов в телах) от скорости меняет классический принцип относительности движений.
Изучение свойств самоорганизующихся тел не даёт оснований для критики частной теории относительности, но позволяет понимать ее иначе - с классических позиций, как небольшой частный раздел классической теории. Несложно догадаться, что СТО фактически описывает некоторые свойства самоорганизующихся систем, и может быть понята как первая и своеобразная теория таких систем. Она принимает твердые тела - фактически гибкие самоорганизующиеся системы - в качестве меры пространства-времени, заведомо постоянной, а гибкие свойства самоорганизующейся меры относит к свойствам измеряемого объекта. Однако это мы рассмотрим в разделах 5 и 6.
Самоорганизующиеся модели упругих тел
Для того, чтобы искусственные тела могли служить достаточно полными моделями тел естественных, нужно бы решить вопрос об энергетической устойчивости таких моделей. Раньше (а может быть и поныне) физики полагали, что электромагнитные волновые поля тотчас же излучаются из микромира, в нем не задерживаются, потому не создают и силовых связей. Так и кажется на первый взгляд. Однако теоретически возможны электромагнитные динамические системы, которые содержат излучатели, но не излучают энергию в пространство. Источники волновых полей, каждый из которых излучает энергию в пространство, в принципе могут составлять систему, в пространство не излучающую, даже если находятся на расстоянии друг от друга.
Рассмотрим это сначала в общем виде. Здесь и дальше будем говорить только о периодических полях и процессах одной частоты.
Излучения двух разных источников могут в дальнем пространстве взаимно погашаться, для чего они должны быть там всюду равными и противофазными. Такое равенство возможно, в чем можно убедиться с помощью математической теории электромагнитного поля, чем и займемся. Читателю, не знакомому с этой теорией, придется пропустить три абзаца.
Всё множество возможных излучений, исходящих от источников, расположенных внутри сферы радиуса R с центром в начале координат, описывается вне этой сферы общим решением однородного волнового векторного уравнения D U + k2U = 0 в сферических координатах. Это общее решение для каждой из трех компонент вектора U может быть записано в виде двойной суммы функционального ряда, членами которого являются все частные решения Unm = Rn(r)× Фm(j )× q nm(J ) уравнения D U + k2U = 0, с неопределенными коэффициентами knm при них. Каждое частное решение Unm описывает поле излучения, исходящего из начала координат, во всем пространстве, кроме начала координат, т.е. поле, излучаемое неким источником, расположенном в бесконечно малой окрестности начала координат. Решение задачи об излучении из сферы для каждого конкретного случая находят в виде суммы S S knmUnm , определяя коэффициенты knm из граничных условий на сфере или иных заданных условий.
Пусть в нашем случае некий источник излучения находится в локальной области, лежащей внутри сферы R, но на некотором отдалении от начала координат. Пусть решение для этого случая вне сферы уже найдено в виде функционального ряда с уже определенными коэффициентами knm. Внутри сферы этот ряд не является решением данной задачи, т.к. там есть источники поля, т.е. исходное уравнение там не однородно. Он остаётся решением однородного уравнения и внутри сферы во всех случаях, когда сходится, однако описывает излучение не данного источника, а какого-то другого, расположенного в другом месте, ближе к началу координат, например, внутри сферы меньшего радиуса. Он-то нам и нужен. Значит возможен еще один источник поля, который расположен в другом месте, на расстоянии от первого, но излучает за пределы сферы R точно такое же поле. Зная поле, можно задать для него граничные условия, т.е. систему токов на какой-либо поверхности вокруг начала координат, произвольно ее выбрав, а значит, можно построить бесконечное множество различных источников нужного нам излучения.
Нетрудно догадаться о том же, ознакомившись с теоремой единственности решения той же внешней краевой задачи. Любое из ее решений вне сферы R однозначно задаётся граничными условиями на поверхности сферы в виде произвольной функции точек поверхности. А всё множество возможных источников излучения (токов), расположенных внутри сферы, может быть описано произвольной функцией точек в объеме, т.е. множеством более высокого порядка. Проще говоря, разнообразие возможных источников поля больше, чем разнообразие возможных полей, поэтому есть бесконечное множество разных по устройству, но одинаково излучающих источников излучений. И каждая пара источников, излучающих "в бесконечность" равно и противофазно, становится неизлучающей системой. Поля вблизи этой системы могут быть неравными, тогда не погашаются, и остается ближнее поле системы, но оно не уносит энергию в пространство.
Простейшие случаи неизлучающих систем общеизвестны. Например, любой источник излучения, окруженный сплошным электропроводным экраном, не излучает во внешнее пространство. Теория объясняет это тем, что излучение источника гасится вне экрана токами, наведенными на внутреннюю поверхность экрана. В экране под действием излучения наводятся токи, чем и исчерпывается здесь роль экрана. Если экран удалить или сделать прозрачным, но сохранить наведенные токи, то излучений в пространство тоже не будет, т.е. получится не излучающий в пространство источник волнового поля. Наведенные токи и первичный источник составят систему, в пространство не излучающую. Они изучают поля, которые вне системы равны и противофазны, их векторная сумма равна нулю.
Эта неизлучающая система (как и прочие) может быть представлена как разделенная на произвольные части, каждая из которых излучает. Но при любом разделении суммарное излучение частей в дальнем пространстве равно нулю.
Конечно же, из небольшого числа простых излучателей невозможно сложить неизлучающую систему. Однако далее мы будем иметь в виду системы достаточной для этого сложности, состоящие отчасти или целиком из объёмных электромагнитных или электромеханических резонаторов, подобных, например, каплям ферромагнитной жидкости или кристаллам кварца, внутренние колебания в которых описываются уравнениями в частных производных, т.е. из резонаторов, простых по устройству, но с весьма богатыми спектрами форм резонансов и излучений.
В сложных колебательных системах, точнее, в системах с большим числом степеней свободы колебаний, возможны явления, приводящие систему к неизлучающему состоянию или к состоянию, при котором излучения из нее в некотором смысле минимальны. Рассмотрим это.
Макроскопическое тело, состоящее из множества атомов, есть сложнейшая колебательная система, которая содержит в себе множество элементов (электронов и атомных ядер, атомов в целом), несущих заряды и диполи, способных вращаться, колебаться, прецессировать и резонировать различным образом, излучая при этом электромагнитные волны. Различные сочетания и варианты всех этих потенциально возможных в системе элементарных (локальных) колебаний составят гигантское разнообразие объемных излучающих колебательных процессов. Внутренних потерь энергии в этой системе нет.
Представьте себе колебательную систему бесконечной сложности, т.е. способную содержать в своем объеме бесконечное разнообразие электромагнитных колебательных процессов (систему с бесконечным разнообразием резонансов или бесконечным числом степеней свободы колебаний на каждой частоте), в которой возможен любой колебательный процесс, о каком бы мы ни заявили, создающий любое излучение. Имеется в виду, что эти процессы не уже идут в системе, а могут быть возбуждены в ней и тогда будут продолжаться в виде свободных колебаний, пока не излучится их энергия. Из такой системы будут вообще невозможны длительные периодические излучения. И вот почему.
Если в бесконечно сложной колебательной системе без внутренних потерь энергии будет действовать какой-либо излучающий колебательный процесс, и энергия его излучений станет уходить в пространство, то в ней разовьется и другой процесс, отличный от первого, но излучающий равно с ним и в противоположной фазе, и будет гасить излучение первого. Этот второй процесс, едва зародившись и будучи как угодно малым, будет тоже излучать в пространство поле, подобное первому, но противофазное к нему, уже отчасти гася излучение первого и уменьшая мощность уходящего из системы излучения. Уменьшение уходящей мощности говорит о том, что второй процесс поглощает энергию излучений первого. Как и все колебательные процессы, он накапливает эту энергию в себе и потому усиливается. При этом два процесса обмениваются энергией через свои излучения, причем второй, слабый процесс получает энергии больше, чем отдает, он развивается до тех пор, когда излучения двух процессов сравняются, а суммарное излучение их станет нулевым. Два процесса, излучая и принимая друг от друга энергию, составят один неизлучающий процесс. Когда внутренних потерь энергии нет, такие процессы могут длиться бесконечно. Так и объясняется с точки зрения классической физики сохранение энергии движений в системах микромира.
Любое электромагнитное излучение в пространство - это векторное поле, и мощность его может быть уменьшена путем наложения на него в пространстве другого поля - с противоположным направлением векторов (так и только так происходит отбор энергии из потока излучений, иначе нарушался бы закон сохранения энергии). Тогда поток энергии будет отчасти повернут, направлен к источнику этого другого излучения, для которого станет источником энергии. Если второй источник излучения - процесс свободных колебаний, резонанс, то он, принимая энергию излучений, накапливает ее в себе в виде энергии этих же колебаний и усиливается, как бы пытаясь перехватить весь поток уходящей энергии. И это придает излучающим колебательным системам тенденцию к минимуму излучения. Если в системе окажется возможным еще один процесс, способный еще уменьшить излучение из нее, то и этот процесс будет развиваться за счет перехватываемой им из пространства энергии излучения. Так будет продолжаться или до полного погашения излучений, или до исчерпания возможностей системы (степеней свободы колебаний). Процессы складываются в один сложный процесс, не излучающий вовсе или излучающий в некотором смысле минимально. Все это происходит самопроизвольно, поэтому будем понимать это как явление самоорганизации колебательно-волновых процессов в сложных излучающих колебательных системах.
Сложность реальных макроскопических тел как колебательных систем не бесконечна, в них возможен не любой процесс, поэтому в них действуют, не затухая, лишь те процессы, которым там нашлись "антиподы" - равно и противофазно излучающие процессы. Прочие же процессы излучают свою энергию и затухают. Естественно, в системах конечной сложности спектр оставшихся процессов "дырявый" - дискретный, и чем проще система, тем меньше в ней число неизлучающих процессов, а дискретность более заметна.
В частном случае, в описанных выше системах, построенных из генераторов, тенденция к минимальному излучению колебательной энергии порождается самим принципом автогенерации, т.е. самовоспроизводства колебаний. Каждый генератор воспроизводит те колебания, которые содержатся в его колебательном контуре, независимо от их фазы. А вот количество излучаемой энергии зависит от сочетания фаз колебаний в генераторах. Ведь всё множество излучающих генераторов представляет собой некое подобие решетчатой антенны, излучение энергии из которой зависит от фазировки излучателей. Различные сочетания фаз, т.е. различные формы (или, как называют физики, "моды") колебаний и полей затухают здесь различно, а воспроизводятся в равной степени, их энергия в равной степени теряется в схемах генераторов, но в различной степени излучается. Воспроизводятся лишь те колебания, которые остались в колебательных системах, но не те, что "улетели". Поэтому, каким бы ни было начало колебаний, в итоге будет преобладать та "мода", которая излучает меньше прочих. Приток энергии в систему и амплитуды колебаний всегда чем-нибудь ограничены, поэтому в системе "выживает" лишь "мода", излучающая минимально. Она и становится устойчивой формой колебаний в этой системе.
Подобное явление имеет место во множестве сложных автоколебательных систем, и более известно в теории лазеров под названием "конкуренция мод", где оно математически описано и изучено, тенденция к минимальному излучению установлена. Систему из очень большого числа генераторов тоже можно рассматривать как некую активную (с отрицательным затуханием волн) среду, подобную активной среде лазера, которая тоже состоит из множества осцилляторов, тоже вырабатывает колебания и излучения. Мы можем просто перенести на наш случай те же сделанные для лазеров математические описания и выводы.
В больших системах таких минимумов и устойчивых форм колебаний может быть множество, и возможны переходы от одной устойчивой формы к другой.
Рассмотрим простейший пример неизлучающей системы. Пусть два таких же генератора - источника излучений установлены параллельно друг другу в очень длинную сверхпроводящую трубу с открытыми концами, и расстояние между ними равно n+1/2 длины волн, излучаемых ими в трубу. Когда излучения источников синфазны и равны, то приходят к концам трубы с разностью хода в одну полуволну, то есть в противофазе, и в сумме равными нулю. Значит, энергия таких колебаний не вылетает из трубы, а остается в системе. Она циркулирует от одного излучателя к другому, и каждый из них, излучая, принимает энергию излучений от другого. Это неизлучающая пара излучающих процессов. Если бы в этой системе не было потерь энергии, то энергия синфазных колебаний сохранялась бы бесконечно долго, приток энергии и усилители стали бы ненужными, и было бы достаточно пассивных колебательных контуров или других резонаторов. Резонаторы, возбужденные произвольным образом, бесконечно сохраняли бы лишь синфазные колебания, излучив энергию прочих.
Без трубы, в свободном пространстве излучения уходят во все стороны, в большой системе все несколько сложнее, но, в принципе, происходит так же. В ней остаются только те формы колебаний, которые при равных условиях нуждаются в меньшем притоке энергии от генераторов или вовсе в нем не нуждаются.
Энергия, питающая такую систему, может поступать в нее не только через усилители, но и непосредственно - в виде энергии механической или электромагнитной, и, если нет внутренних потерь энергии, сохраняться в ней. Особенность упругой системы в том, что каждый ее элемент находится в устойчивом положении, поэтому любое внешнее воздействие на систему, будь оно механическим или электромагнитным, выводит элементы из устойчивых положений, действуя против сил, создающих устойчивые положения, и потому передает свою энергию полям, образующим эти силы. При этом пополняется энергия именно тех колебаний и полей, которые создают целостность системы. Это тоже процесс автогенерации колебаний, при котором сохраняется та же тенденция к удержанию энергии в системе. Какими бы хаотичными ни были внешние силы, их энергия преобразуется в упорядоченную форму, становится частью внутренней энергии системы и сохраняется в ней. Это можно назвать самоорганизацией энергии. С другой стороны - это обычное для электромеханических устройств и систем преобразование энергии из одной формы в другую.
Повторим: воспроизводятся и сохраняются здесь именно те формы полей и колебаний, которые создают целостность и при этом достаточно слабо излучаются.
Можно теперь представлять себе упругую самоорганизующуюся систему, состоящую только из резонаторов. Такие системы при отсутствии в них внутренних потерь энергии и достаточно малом излучении способны существовать в энергетическом равновесии с окружающей средой, на фоне излучений других таких же систем, когда приток энергии из среды компенсирует энергию излучений из системы.
Эти системы уже можно рассматривать как достаточно полные "классические" модели твердого тела.
В классической физике модели физические считаются приоритетными в сравнении с теоретическими. И здесь они показывают, что для объяснения межатомных связей нет нужды выдумывать "новые сущности" - гипотетические поля и силы иной природы, не существующие в макромире. Всё объясняется полями и силами электромагнитными. Полям иной природы не остаётся места. Современная теория не знает моделей физических, пользуется лишь теоретическими, не способными существовать в реальности, ничего не может противопоставить вещественным моделям классической физики, и вынуждена о них умалчивать.
Неизлучающий атом Резерфорда
В 1911 году Резерфорд открыл атомное ядро и впервые предложил модель атома, в которой электроны вращались вокруг ядра. Атом Резерфорда оказался электромагнитной системой, потому перед классической теорией Фарадея-Максвелла открывался доступ к микромиру. Но через несколько лет эта теория была "отброшена" от микромира. Современная физика, пришедшая в результате научной революции, объявила эту теорию несостоятельной, неприменимой к микромиру на том основании, что она якобы в принципе не способна объяснить: почему же электроны, вращаясь в атоме по такой модели, не излучают электромагнитные волны и не теряют энергию?
На самом же деле ответ на этот вопрос тривиален, и в 1911 году был уже очевиден, но почему-то не был опубликован. Казалось бы, всё просто и ясно: электроны, двигаясь без атомного ядра, излучают в пространство волновое поле, а вместе с ядром, двигаясь так же, не излучают, значит ядро гасит изучение электронов. Значит оно тоже излучает в дальнее пространство точно такое же периодическое поле, но в противофазе. Например, действует как специфический резонансный отражатель. Эти два поля, становясь вдали от атома равными и противофазными, взаимно погашаются. Атом в целом не излучает, энергия из атома не уносится.
Тем не менее, в тысячах учебных и популярных академических изданий заявлено четко и недвусмысленно, что классическая теория не давала никакого ответа вообще, в принципе дать его не могла и не может. Приведенный здесь ответ не только не оспорен, но вообще не упоминается в литературе даже при самом подробном изложении. Вопрос: "не излучает ли ядро?" никогда не ставился и не обсуждался. Следовательно, физике он не известен, а выводы о несостоятельности классической теории сделаны на основании весьма неполных знаний. Кстати, сделаны они давно, примерно в 1918 году. Задача же сводилась к свойствам атомного ядра, знаний о нем еще не было, и нельзя было отбросить это решение, сказав, что ядро в атоме не излучает. Физики просто не нашли решения. Не было перед классической теорией никаких тупиков.
Итак, классическая теория приводит нас к выводу: ядро в атоме излучает, причем всегда так, что гасит излучения электронов при любых устойчивых орбитах. Многим людям такая способность ядра кажется невероятной, невозможной. Заявляют, что это чепуха. Возможно, таково же и Ваше мнение. Следует ли на этом основании "отбросить" математическую теорию поля, которая проверена более чем вековой практикой, "отбросить" всю физику века великих открытий, и верить Вашему интуитивному мнению без всяких доказательств? Физика - это наука, а не религия, и данный вопрос - не вопрос веры. Нужны доказательства и разъяснения.
Поскольку этот вопрос по-прежнему имеет фундаментальный характер: быть или не быть классической физике, рассмотрим его еще раз сначала. Будем дальше говорить не прямо об атоме, а о его классической макромодели, чтобы не было ссылок на некомпетентность автора в физике. И задачу рассмотрим в сугубо технической и более общей постановке, позволяющей не знать, что такое электрон, что такое ядро и каковы их свойства. Сформулируем ее так: электромагнитная система из двух неизвестных объектов А и Б не излучает в пространство, хотя А (“электроны” в модели, в частном случае) заведомо излучает периодическое волновое поле. Внутренних потерь энергии в системе нет. Требуется объяснить: в чем причина отсутствия излучений?
В такой постановке задача имеет простой и однозначный ответ: следовательно, объект Б тоже излучает поле, и такое, что вдали от системы эти два поля, накладываясь друг на друга и суммируясь, всюду обращаются в нуль. И неважно, каковы эти излучения, один ли “электрон” в модели или их много, вращаются они или колеблются, или излучают, вообще не двигаясь, – это неизвестный объект, заведомо излучающий. Динамические поля излучений погашаются в пространстве за пределами модели точно так же, как статические: поле “электронов” – полем “ядра”.
Очевидно, оба периодических поля – объектов А и Б - должны вдали от системы ("в бесконечности") становиться точно равными друг другу и следовать там в противоположных фазах. Тогда векторы полей в каждой точке дальнего пространства равны и направлены встречно, их сумма вдали от системы равна нулю, энергия из системы не уносится, источники излучений не теряют своей энергии, потому излучения не прекращаются. Равенство полей вблизи и внутри системы не требуется, там они могут различаться, и тогда динамическое поле остается лишь вблизи объектов, энергию содержит, но не уносит ее в пространство. В предыдущем разделе было показано, что возможны неизлучающие пары излучателей, расположенных не только один внутри другого, как в атоме, но и пространственно друг от друга отдаленных.
Ответ на вопрос в общей форме относится также к моделям молекул и тел, как бы разделенным на произвольные части А и Б. Части излучают, целое не всегда. Не излучающий в пространство источник излучения может быть произвольно поделен на два, излучающих в дальнее пространство равно и противофазно.
Итак, вопрос решен, компетенция теории поля исчерпана, закончившись у границ объектов. Дееспособность теории внутри атома и до таких границ доказана. Вопрос о том, почему и как излучает ядро, относится уже к теории ядра, но не к теории поля, точнее, для нее не обязателен. Не было причин объявлять ее несостоятельной или не применимой к микромиру.
На этом можно бы и закончить, но многим людям кажется, что здесь классическая физика снова попадает в тупик, не умея ответить на новый, более сложный вопрос: каким же чудесным образом излучение ядра всегда становится точно равным излучению электронов при любых устойчивых орбитах и погашает его полностью? Однако ответы есть.
Естественно, сначала нужно составить "классическое" представление об атомном ядре и отыскать предметы, которые могли бы служить его макромоделью, составлять вместе с бегущими вокруг них зарядами самоорганизующиеся системы с подходящими свойствами.
Любой реальный предмет, если вокруг него вращать заряд, будет хоть как-нибудь излучать, но, как правило, – ничтожно. Если же в этом предмете возможны колебания, и частота вращения заряда попадает с ними в резонанс, то колебания будут “раскачиваться” до больших амплитуд, излучения станут существенными, особенно при отсутствии внутренних потерь энергии. Видимо, первичной моделью атомного ядра могла бы служить какая-то колебательная система. Например, такая.
Движущийся по окружности заряд излучает почти так же, как два элементарных точечных электрических осциллятора (вибратора Герца), которые перпендикулярно ориентированы и колеблются со сдвигом фаз 90 градусов. Но несколько неточно, т.к. заряд на орбите – лишь в первом приближении точечный излучатель. Однако если такую пару вибраторов установить в центр вращения и присоединить к колебательным контурам, настроенным на частоту вращения заряда, то мощность излучения из модели уменьшится порядка на 3 - 4. И сложится это само собой, автоматически.
Поясним. Колебательный контур и вибратор вместе будем понимать как единую излучающую колебательную систему, а колебания в контуре и излучение вибратора - как единый колебательно-волновой процесс в этой системе. Процессы подвижны по амплитудам и фазам. Под действием излучения зарядов будут развиваться процессы лишь при таких фазах, при которых излучения вибраторов отчасти погашают излучения зарядов, уменьшая общую мощность уходящего из модели потока излучений. Это означает, что такие процессы принимают энергию излучения зарядов, за счет чего и развиваются, однажды возникнув. Развиваясь, они принимают всё больше энергии, пока отток от них энергии излучений не сравняется с притоком. Иные же процессы, даже возникнув, излучат свою энергию и затухнут. Останутся лишь колебания при таких фазах, при которых приём энергии наиболее эффективен.
Поскольку двух изучающих колебательных систем недостаточно для полного погашения излучений, будем добавлять к модели ядра всё новые и новые колебательные системы, с той же частотой резонанса, но излучающие различно, а также системы с частотами, кратными основной. Пока модель излучает, она способна питать энергией всё новые колебания, которые и развиваются, пока излучения не прекратятся. Значит, здесь нужно множество колебательно-волновых систем или одна сложная система со множеством резонансов. Такими системами бывают объёмные резонаторы. Например, капли и шарики из диэлектриков. Они тоже способны содержать большое разнообразие электромагнитных колебаний и излучать волны разнообразно.
К модели ядра в виде открытого объёмного резонатора ведут и общие классические представления о предметах природы. Классическая физика не знает принципиальных различий между предметами макромира и микромира. В согласии с ней мы должны считать атомные ядра и электроны предметами, имеющими объем, несущими статический заряд, и состоящими из какого-то очень плотного материала, в котором нет внутренних потерь энергии. Они должны быть способными излучать волны, длины которых много больше самих этих предметов, поскольку длины волн, излучаемых электронами в атоме, много больше размеров ядра.
В соответствии с этим, модель ядра - это просто очень плотная электромагнитная масса. Например, капли и шарики из диэлектрика, абсолютно прозрачного для всех электромагнитных волн. Но нужно, чтобы скорость волн в этом материале была на много порядков меньше, чем в пустоте. Будто материал сжат вместе с волнами до плотности реального ядра, т.е. на много порядков. Такие капли и шарики представляют собой открытые объёмные электромагнитные резонаторы, они способны содержать в себе колебания, излучать волны, длины которых много больше размеров резонаторов, и принимать энергию излучений, накапливая ее в себе в виде энергии колебаний.
Была когда-то незаслуженно забытая классическая теория дальнодействия, в соответствии с которой электромагнитные волны в очень плотной материи должны быть очень медленными, и с ней мы здесь тоже в согласии.
Поскольку в нашем распоряжении нет материалов с таким большим замедлением волн, более реальной моделью ядра будем считать электромеханические резонаторы. Это кусочки материала, подобного кварцу или сегнетоэлектрикам. Полагаем также, что материал без потерь в нем энергии. В таких материалах электромагнитные поля вызывают деформации, а деформации - вновь поля, и электромагнитные процессы в нем сливаются воедино с механическими. Звуковые волны в таком материале сопровождаются электромагнитными полями и становятся волнами электромеханическими, но движутся со скоростью звука - в 100.000 раз медленнее света в пустоте. Многократно отражаясь от границ материала, волны становятся колебаниями и делают резонатор источником длинноволнового (в сравнении с размерами резонатора) электромагнитного излучения. К примеру, кристалл кварца, длиной несколько сантиметров, на нижней частоте резонанса излучает волны длиной около 5 км, т.е. размеры резонатора здесь ничтожны в сравнении с длиной волн, что нам и нужно. Еще, наверное, более подходящими будут капли электромагнитной жидкости, внутренние и поверхностные колебания которой в сильных полях также станут колебаниями электромеханическими, и также приведут к излучению достаточно длинных волн.
Будем считать такие резонаторы нашим лучшим приближением к ядру в его внешнем электромагнитном проявлении и его первичными макромоделями.
Те и другие модели ядра можно рассматривать как точечные колебательные системы. Внутренние колебательные процессы в них, как и в прочих объемных резонаторах, представляют собой электромагнитные или электромеханические волны, многократно отражаемые вовнутрь от границ материала и потому периодические. Частотный спектр колебаний дискретен. В зависимости от формы, поляризации и направлений возбужденных в нем внутренних волновых процессов, резонатор может излучать в пространство на каждой резонансной частоте и столь же разнообразно, как разнообразны формы внутренних колебаний. Резонатор может и вращаться. Колебания в нем и излучаемые поля – наведённые сторонними полями и потому разные в разных случаях. “Раскачивая” резонатор сторонними полями, можно заставить его излучать весьма разнообразно. Будем полагать, что этого многообразия достаточно для всех наших задач.
Естественно, то же явление самоорганизации излучающих колебаний будет действовать и на объёмный резонатор как модель ядра. И в нем, при достаточном разнообразии резонансов, сложится процесс, излучающий в дальнее пространство поле, точно равное полю излучения зарядов и ему противофазное. Заряды тогда будут вращаться, не сходя с орбит, т.к. энергии не теряют, принимая энергию излучения резонатора и излучая ее ответно. До тех пор, пока модель излучает, в ее ядре будут развиваться всё новые и новые процессы, способные отобрать в себя энергию этих излучений. Так будет продолжаться либо до полного погашения излучений, либо до исчерпания разнообразия резонансов, т.е. степеней свободы колебаний. Излучающие процессы в ядре вместе с процессами движения зарядов составят суммарный процесс в модели, в пространство не излучающий. Резонатор, даже один, не составной, может поддерживать устойчивое движение сразу множества зарядов на различных орбитах. Частотный спектр резонатора дискретен - дискретны и орбиты.
Итак, первичная модель атома построена, дано начальное объяснение причин сохранения в ней энергии и дискретного множества орбит. На этом остановимся. Из факта, что реальный атом не излучает, можно на основании классической теории сделать вывод, что атомное ядро является достаточно сложной для этого излучающей колебательной системой, и в нем возможно многообразие процессов, достаточное для того, чтобы в атоме всякий раз складывались неизлучающие процессы. Электроны устойчивы только на таких орбитах, при которых атом не излучает, т.е. при которых излучение ядра способно погашать излучение электронов. Реальное ядро может оказаться и более сложной колебательной системой, чем обычный объемный резонатор или жидкая капля, с еще большим разнообразием возможных в нем колебаний, поэтому возможности известных нам резонаторов не будем исследовать и уточнять.
Таким образом, мы можем представлять себе атом как электромагнитный аппарат природной автоматики, действующий строго по законам теории Фарадея-Максвелла, без каких-либо от нее отступлений. В модели пока не видно серьезных изъянов. Возможно, они обнаружатся далее или при расчетах, но мы моделями атомов больше заниматься не будем, т.к. первая цель достигнута: классическая теория перешагнула порог микромира, ее действенность в нем несомненна, и вернуться к постулату “электроны не излучают” уже невозможно.
Заметим еще раз, что не выдумывали представление об атомном ядре, а взяли его из классической физики. Мы почти ничего не можем о нем сказать. Для нас ядро - пока что просто плотная материя со столь же плотными электромагнитными свойствами (с очень большими постоянными e и m ), возможно и со способностью к электромеханическим колебаниям. И не вполне определенной формы. Возможно, заряды в ядре тоже подвижны, и это как-то изменяет характер процессов в нем. Возможно, оно действительно в чем-то подобно жидкой капле, как полагают некоторые современные теории. Все эти представления приводят к пониманию ядра как резонатора. И во всех случаях самоорганизация ведет к тому же результату.
Поговорим о самоорганизации процессов еще. Всякий приемник излучения, чтобы отобрать часть мощности из потока излучений в пространстве, должен тоже излучать в пространство в тех же направлениях, причем так, чтобы общая мощность потока уменьшилась. Иначе поток в пространстве оставался бы прежним, и прием энергии нарушал бы закон ее сохранения. Если приемником излучения служит колебательная система без внутренних потерь энергии, точнее: колебательный процесс в ней, то принятая энергия пополняет энергию этого же процесса (не другого же) и потому усиливает его, пока приток энергии не сравняется с оттоком. В то же время, излучения приемника могут приниматься ее источником и, в случае полного поглощения приемником всей мощности, источник тоже не теряет энергию, лишь равно участвуя в обмене энергией, питаясь энергией излучений приемника и излучая ответно. Конечно, есть множество и других вариантов движения излучений, но здесь нас интересует только этот.
Если электромагнитная система достаточно сложна, если в ней нет потерь энергии и возможно множество разнообразных излучающих колебаний, то в ней будут развиваться все процессы, которые могут получать энергию таким же путем, отбирая ее от потоков излучений из самой этой системы или извне ее. Это приводит систему к минимуму излучений или к полному их отсутствию. Потоки энергии сами собой замыкаются в системе. Имеет место тенденция к концентрации энергии в системе, поскольку самоорганизация постоянно как бы настраивает ее на прием внешней энергии. Концентрация энергии в реальных предметах несравнимо больше, чем в окружающем пространстве, и причины этого теперь понятны. Однако, когда существуют устойчивые энергетические уровни, как для зарядов в модели атома, и они достигнуты, излишняя энергия не принимается, она отражается или переизлучается.
Все системы микромира тоже являются колебательными. Вот этим явлением самоорганизации процессов мы можем объяснять отсутствие излучений из всех систем микромира в их устойчивых состояниях. Основное условие этой самоорганизации – достаточная сложность колебательно-волновой системы, достаточное разнообразие возможных излучений из нее. Отсутствие излучений из атомов говорит нам о том, что даже атом водорода – колебательная система, достаточно сложная для этого.
Заряды в нашей модели атома движутся под действием не только электростатических сил, но и сил динамических, создаваемых переменными полями излучения, потому мы не знаем, как связаны частоты их вращения с диаметрами орбит. Возможно, электроны также следует понимать как открытые объёмные резонаторы, и тогда они могут вращаться по каждой орбите с любой частотой или вовсе не вращаться, удерживаясь на расстоянии от ядра электродинамическими силами отталкивания отчасти или полностью. По-видимому, спектры излучения атомов всё же объясняются частотами вращения электронов. А утверждения, что классическая теория не способна их объяснить, основаны на заведомо ошибочном предположении, что электроны движутся под действием только электростатических сил.
Мы пришли к выводу, что атомное ядро имеет способность быть сложной колебательной системой, неким резонатором, т.е. нести в себе во множестве разнообразные колебательные процессы, способные излучать и принимать энергию электромагнитных волн. Будем считать это истиной до тех пор, пока не найдется лучшего объяснения атома и причин, по которым в нем сохраняется энергия. В соответствии с представлениями классической физики (элементы микромира – это объемные физические тела с какими-то внутренними электромагнитными свойствами), аналогичные колебательные свойства присущи и электронам, и прочим элементам микромира. Такого единообразия и следует ожидать от природы. Это же подтверждается всем множеством экспериментов, в которых элементы микромира проявляют волновые свойства. Микроскопическая колебательная система, содержащая электромагнитные колебания и несущая волновое поле, всегда проявится в экспериментах как "частица-волна". И вряд ли возможно построить в рамках логики и здравого смысла какое-то иное ее образное представление. Это какая-то колебательная система, способная нести (и не нести) колебания и волны. И этого достаточно для понимания с позиций классической физики всех проявлений частицами микромира волновых свойств.
На первый взгляд кажется, что такое понимание противоречит результатам некоторых опытов по дифракции электронов, например, на двух щелях, из которых делают вывод, что каждый электрон проходит сразу сквозь обе щели, как волна. Но есть и другое истолкование: всякая дифракционная решетка образована из таких же "частиц-волн", связанных воедино когерентным волновым полем, общим для всей этой решетки. Поле внутри каждой щели зависит и от наличия других щелей. Пролетающие электроны отклоняются этим полем, притом не только как резонаторы, но и как заряды, потому давали бы на экране дифракционные картины, разные для одной и двух щелей, даже если вовсе не имели бы волновых свойств. Здесь современная теория снова делает ломающий логику революционный вывод, игнорируя для этого важнейший фактор - волновые свойства материала, в котором сделаны щели.
Представляя элементы микромира в виде колебательных систем, мы не будем претендовать на знания об их внутреннем устройстве. Такие знания нам пока не нужны. Нас будут интересовать лишь внешние проявления их свойств – электромагнитные поля за пределами самих частиц и между ними, там, где справедливы уравнения Максвелла. В этой области поле любого элемента микромира можно рассматривать как поле точечного осциллятора, который, в свою очередь, может рассматриваться как множество элементарных магнитных и электрических осцилляторов, различным образом фазированных и ориентированных, совмещенных в малом объёме и действующих с разными частотами. Во внешней окрестности точечного излучателя не может быть полей, не подчиненных законам классической электродинамики, каким бы чудесным ни был излучатель внутри. По этой причине любой элемент микромира в своем внешнем проявлении никак не отличается от “точечного” электромагнитного объекта макромира, т.е. имеет в макромире и классической теории свой полный и точный аналог.
Окружающие поля возбуждают в резонаторе колебания, различные в каждом случае, превращая его в разнообразные источники полей множества различных частот и с различными числами пар полюсов. Самоорганизация эти поля сохраняет. Из таких колебательных систем сами, как мозаика из магнитов, складываются “классические” самоорганизующиеся модели микромира.
Не будем утверждать, что здесь изложены единственно правильные варианты решений "принципиально неразрешимых" задач классической физики. Важно было показать, что такие решения есть - вопреки самым авторитетным уверениям всей мировой физики. Возможно, есть и лучшие решения.
Общее представление об упругих телах
Вопрос о том, чем и как связаны атомы в единое макроскопическое тело, стоит перед физикой со времен открытия атомов, но поныне до конца не решен. До Резерфорда существовало мнение, что атомы связаны механически, контактно. С 1911 года ясно, что они связаны полями, способными удерживать их на устойчивых расстояниях друг от друга. Статические поля – гравитационное, магнитное и электрическое – к этому явно не способны. Динамические поля в микромире физика отвергла. Физики ошибочно полагали, что волновые поля будут немедленно излучаться из микромира, и в нем отсутствуют. Таким образом, физикам прошлого казалось, что никакие из известных полей не способны объединять атомы в единые структуры.
Но атомы в телах всё же чем-то связаны, и физики решили, что в микромире действуют поля иной, еще неизвестной природы. С течением времени представление об этих полях менялось, но сохранялось и крепло. В 1957 году были открыты и затем изучены лазеры, и физика узнала, что волновые поля способны сохраняться в микромире, получила теоретические объяснения этому и даже практический пример. Но на данный вопрос это не повлияло. Приняв во внимание, что поля иной природы были введены в науку как результат прошлого недостатка знаний, и оставаясь в пределах классической физики, мы здесь полагаем, что полей иной природы не существует.
Отнесемся к вопросу как к технической задаче: объяснить устройство твердого тела с помощью известных практике полей, сил и явлений, не выходя за пределы классических теорий, здравого смысла и логики. Можно сказать даже так: рассматривая тело как электромеханический аппарат, конструкция которого в общих чертах известна, определить и описать, как этот аппарат работает. Естественно, невозможно объяснить всё, сразу и безошибочно. Объяснение будет лишь первичным, эмпирическим и неполным. Однако здесь автор выступает всё же как специалист, и хорошо подумав. То, что будет здесь изложено, не будет в дальнейшем использоваться, т.е. для дальнейшего понимания читать это не обязательно. Излагать полно и доказательно автор не желает. Потому напрягите воображение или не читайте.
Ранее мы пришли к выводу, что можем рассматривать элементы микромира как точечные электромагнитные резонаторы, которые проявляются во внешнем пространстве так же, как точечные резонаторы макромира. Колебания в них возбуждаются внешними полями и зависят, естественно, как от свойств самих резонаторов, так и от внешних полей, поэтому излучаемые ими поля непостоянны, зависят от полей окружающих. Говорить о динамических полях, постоянно присущих элементам микромира, мы пока не можем, хотя и возможно, что они содержат такие поля.
Атом, содержа в себе излучающие электроны, не излучает, и в устойчивом состоянии является неизлучающей группой излучающих объектов. Но внутри атома волновые поля есть. В неустойчивом состоянии он излучает. Атомы, образуя различные молекулы, переходят в тысячи различных состояний на тысячи разных энергетических уровней, которые не являются устойчивыми неизлучающими состояниями самого атома. Потому излучают (не может же атом иметь так много устойчивых состояний) - есть эти поля и в молекуле. Но свободная от связей молекула тоже не излучает. Следовательно, свободная молекула в устойчивом состоянии - это неизлучающая группа излучающих атомов. К неизлучающему состоянию ее приводит то же явление самоорганизации, что и в атоме. Становясь частью твердого тела, молекулы и отдельные атомы переходят в иные состояния, на иные энергетические уровни, и тоже излучают, образуя в устойчивом состоянии неизлучающую группу из множества излучающих атомов и молекул. То же самое можно сказать о любых частях целого тела. Любая часть излучает, целое - нет.
Макроскопическое тело в его устойчивом состоянии – это неизлучающее множество излучающих волновые поля элементов и частей. Тело содержит внутри себя волновые поля и представляет собой самоорганизующуюся систему того же рода, что рассматривались в первом разделе. Точнее, реальное тело содержит множество колебаний разных частот, в нем излучается множество волн различных длин, которые образуют в одном теле множество однородных систем, каждая из которых связана воедино своим когерентным полем.
Не следует понимать слово “неизлучающий” буквально, поскольку для устойчивости какого-либо состояния нужно лишь энергетическое равновесие. Излучение должно быть лишь достаточно малым. Нужно понимать и то, что никакой объект не бывает в устойчивом состоянии, а лишь вблизи него, колеблясь.
Общее представление о внутреннем поле большой системы в ее устойчивом неизлучающем состоянии можно составить просто с помощью здравого смысла. Система состоит из элементов, каждый из которых излучает поля в зависимости от содержащихся в нем колебаний и в соответствии со своими свойствами. Амплитуды и фазы колебаний в элементах подвижны, и складываются так, что система в целом почти не излучает. Значит, она содержит общее поле стоячих волн, которое почти не выходит за пределы системы. Каждая произвольно выделенная часть системы излучает, но остальные части системы поглощают энергию этого излучения. Происходит обмен энергией между частями системы, связывая их воедино. Система же в целом излучает энергию точно туда, где находится каждый ее элемент, создавая вокруг него сгусток энергии – трехмерную пучность стоячих волн. Излучение же каждого элемента поглощается системой в целом. Каждый элемент располагается в таком сгустке, получает в нем энергию колебаний и втягивается в него электромагнитными силами как в устойчивое положение. Образуется упругое тело, рассмотренное нами в первом разделе.
“Лишние” поля между элементами и вокруг системы повышают ее энергетический уровень, потому минимальны. Убрав их, мы и получаем описанную картину. Однако устойчивых состояний множество, и их энергетические уровни и картины отчасти различны.
Если бы часть системы удалить, но не позволить системе реорганизацию, то было бы можно сфотографировать поле, излучаемое оставшейся частью системы туда, где находилась удаленная. На такой фотографии прежнее положение каждого элемента удаленной части отметится сгустком поля, а все они вместе составят пространственное изображение всей отсутствующей части системы, и не только ее ближайших границ, - волновые поля простираются достаточно далеко. Когда расстояния между элементами велики в сравнении с длиной волн, на фотографии будет четко видно изображение каждого элемента. Иначе же они сольются.
Вторая часть системы дала бы на фотографии изображение первой, показав нам, как происходит обмен энергией между частями системы, причем, чем она меньше, тем более “размытым” будет изображение. Таким же свойством хранить изображение обладают голограммы и части голограмм. Система как бы постоянно создаёт в себе свой голографический автопортрет, хранит его до реорганизации, сама же его “освещает” и создает свою голографическую копию, точно наложенную на оригинал. Это и есть минимально излучающее состояние системы на одном из ее нижних энергетических уровней - результат самоорганизации колебаний и полей.
В реальном теле подобные поля и системы неизбежны - как следствие столь же неизбежных законов природы. Волновые поля заполняют тело и, вместе с полями статическими, удерживают его элементы в устойчивых положениях. Тепловое движение и иные воздействия на системы выводят элементы из устойчивых положений, действуя против сил устойчивости, и передают энергию именно тем и только тем полям и колебаниям, которые создают целостность. Происходит электромеханическое преобразование хаотичной тепловой энергии в упорядоченную энергию системы и генерация колебаний. Это самоорганизация энергии. Принятая таким путем энергия пополняет энергию систем, нужную для их существования. Множество осцилляторов, энергия которых пополняется, составляет среду с отрицательным затуханием волн, т.е. с их усилением. В этом системы подобны лазеру, но с тепловой, а не световой “накачкой” энергии.
Поскольку тело содержит много систем и полей с разными длинами волн, создается и беспорядок: устойчивые состояния одних и тех же элементов в разных системах не всегда совпадают, образуются биения частот и колебания элементов, при которых энергия одной системы передается другой путем электромеханического преобразования. Все системы связаны этим общим механизмом преобразования энергии, через который конкурируют, отбирая друг от друга энергию. Если бы мы даже создали поля иной природы, но не статические, а сугубо динамические, и включили бы их в тело, то они тоже были бы втянуты в такую конкуренцию, и, скорей всего, перестали бы существовать, потеряв энергию. Здесь процессы конкуренции существенно шире, чем “конкуренция мод” колебаний в средах лазеров, идущая между процессами лишь одной частоты. Однако, “выживают” в ней тоже “моды”, создающие целостность и излучающие минимально или вовсе не излучающие.
Колебания элементов вокруг устойчивых положений также связаны между собой через поля, и также подвержены самоорганизации в некие коллективы, частью временные и непрочные. Тело, как система, элементы которой связаны полями и влияют друг на друга, есть система обратных связей. Никаких случайных движений и хаоса быть в ней длительно не может. Движения происходят по законам систем обратной связи, а отклонения от них подавляются обратными связями. Избыток энергии, т.е. энергия тепловая, временно сохраняется в системе тоже в виде множества когерентных процессов, излучающих минимально, но не в виде хаоса. Множество процессов лишь кажется хаосом.
Электроны движутся в волновом поле под действием не только электростатических сил. Волновые поля организуют и их движения, объединяя их в коллективы и оставляя лишь "разрешенные" траектории и фазы движения.
Отклонения систем от их устойчивых состояний прекращаются при абсолютном нуле температуры, когда остаются только процессы, вовсе не излучающие, а отдельные группы движений сливаются воедино. Будем думать, что это некие основные колебания и те длины волн, которыми определяются размеры тел. Возможно, длины этих волн определяются резонансными свойствами атомов, или ядер, или частотами вращения. Выяснять происхождение, конкретные значения этих длин и сопоставлять их с реальными расстояниями в телах мы здесь не будем (еще рано). С появлением избыточной энергии становятся возможными новые процессы, все более излучающие. В конкуренции с ними основные процессы рвутся на части, восстанавливаются и снова рвутся. Однако, этот беспорядок – всё-таки не хаос. Избыточная (сверх устойчивого минимума) энергия служит резервом энергии основных систем и частично излучается вовне в виде тепловых излучений. Еще больший избыток энергии разрушает системы и само тело.
Квантование расстояний, траекторий, скоростей и пр. - естественное следствие волновых связей. Спектр резонансов не только элементов, но и системы тоже дискретен. Система нелинейна (частоты вращения, например, зависят от амплитуд). Поэтому спектры амплитуд и энергий в ней связаны со спектром частот и также дискретны. Давление волн на границы системы уравновешивается силами взаимного притяжения элементов (как зарядов и диполей), чем, может быть, ограничены амплитуды динамических полей. Возможно, в каких-то случаях элементы расположены в ближних полях друг друга, и тогда взаимодействуют через ближние поля – более сложным образом, чем мы рассматривали в предыдущем разделе. В этом случае силы взаимодействия уже не ограничены величинами статических полей и могут быть очень большими.
Так природа создаёт из простейших элементов, способных лишь содержать колебания, бесконечное разнообразие сложнейших многоуровневых систем – предметов природы. Всюду в ней самоорганизация и нет в ней ничего мертвого.
Вот такую первичную картину микромира в телах описывает Вам классическая физика. Картина получается достаточно складной. Ничто в ней не противоречит каким-либо фактам или законам природы, нет ни надуманных полей, ни гипотез, ни постулатов, ни даже натяжек – есть рядовое решение технической задачи. Будь здесь серьезная ошибка, не сложилась бы наша мозаика в такую сложную комплексную картину. Наверное, на дальнейшем пути мы встретим и противоречия, и несоответствия фактам. Но все трудности преодолимы, как преодолимыми оказались тупики, стоявшие перед нами почти век.
Несмотря на то, что здесь нет формальных доказательств, уже нельзя просто “отбросить” описанную картину. Чтобы вновь утвердить поля иной природы теперь, мало найти недостатки в этом изложении. Поля иной природы останутся фантастикой до тех пор, пока не исчерпаны все возможности полей реальных, известных практике. Для повторного утверждения полей иной природы в качестве научной истины придется доказать, что реальных недостаточно, до конца изучив возможности динамических полей. А это требует очень высокой квалификации и очень большого труда, да и просто невозможно - чудес не бывает.
Автор не ответил на многие тысячи вопросов. Но это вовсе не значит, что “классическая физика не способна объяснить…”.
Заметим, что сложили здесь одну из картин сугубо электромагнитного мира. Пишут, что кто-то когда-то пытался создать электромагнитную модель мироздания, но теория пришла к внутренним противоречиям. Конечно, плохие теории всегда таковы. Мы пользуемся теорией проверенной, новых не выдумываем, противоречий пока не видим, поэтому можем заглянуть дальше.
Бесспорно, вблизи элементов микромира электромагнитные поля такие плотные, каких нет в макромире, разве что у шаровой молнии. Мы не знаем, что находится ближе к центру этих полей. Может быть, поля еще более плотные? Однако то, что там спрятано, несомненно имеет какие-то электромагнитные свойства, весьма отличные от свойств вакуума. Может быть, эти свойства и принадлежат плотным полям как достаточно плотной материи, а всё прочее, что там может находиться, не имеет значения? Да и зачем тогда оно?
Шаровые молнии, как их описывают, иногда выглядят чёрными шарами. Ионизированный воздух черным не бывает. Значит, поглощают свет сами плотные поля, т.е., подобно материалам, они имеют электромагнитные свойства, влияют на другие поля - значит нелинейны, и даже могут преобразовывать энергию света во что-то иное. Нелинейность можно просто придумать для того, чтобы попробовать моделировать элементы микромира нелинейными динамическими полями. Для нелинейных полей естественны какие-то дискретные ряды устойчивых форм и уровней энергии, а также способность к разнообразным колебаниям вокруг устойчивых форм, т.е. способность быть сложными колебательными системами, годными для построения самоорганизующихся моделей. Из того следует, что нужно искать электромагнитные свойства плотных полей, которыми, может быть, и исчерпываются свойства частиц микромира. Вот когда их изучим, тогда и будем знать, до какой глубины верна электромагнитная модель мироздания.
Пока же будем просто верить, что наш Создатель, как конструктор высшего класса, сделал всё из одного материала и по единому закону. Ему и будем следовать. Разные материалы: вещество, разные поля, разные частицы, множество разных сил, физический вакуум со сложной геометрией пространства, разные законы, – класс человеческий, не высший. Это не истина.
Движение и реорганизация упругих систем
Мы не знаем, что происходит внутри естественных тел и происходит ли что-нибудь, когда они претерпевают ускорения и приводятся в движение, т.к. слабо знаем, как они устроены. Искусственные тела дают нам возможность это выяснить. Оказывается, изменения скорости тел невозможны без некоторой внутренней их реорганизации. Рассматривая их движение, мы откроем здесь некоторые принципиально важные свойства, присущие любому объемному телу или процессу. Эти свойства являются следствием всеобщей и неизбежной причины: ограниченности скорости полей или сигналов, объединяющих тело, процесс или их оба в единый и цельный объект. Потому и сами свойства носят всеобщий и неизбежный характер.
При первой же попытке представить себе как движутся тела, построенные подобно твердому телу - из каких-нибудь дискретных элементов, занимающих устойчивые положения или потенциальные ямы в каком-нибудь поле, обнаруживается неожиданная проблема. Дело в том, что потенциальная яма, в которой находится элемент, в любом случае образована полями, излученными другими элементами из других мест чуть раньше и прошедшими некоторый путь. Поля движутся с конечной скоростью, поэтому, если тело привести в движение (например, все его элементы сразу), потенциальные ямы начнут двигаться с некоторым запаздыванием и будут отставать от элементов; они образуются там, где элементы были в момент излучения поля и откуда уже ушли. Элементы попадают "на склоны ям", и появляются силы, останавливающие движение. Движения по инерции не получается. Какими бы ни были поля и силы, создающие целостность тела, эта проблема остается как неизбежное следствие самой целостности и ограниченности скорости полей.
Чтобы привести, например, все три диполя на рисунке 1 в совместное движение вправо или влево, нужно приложить к ним силы, выводящие диполи из устойчивых положений. Система будет двигаться лишь до тех пор, пока ее движут внешние силы. Поля будут всегда отставать от диполей, и будут действовать силы, движущие диполи назад к устойчивым положениям. Действие этих сил не прекратится, пока что-то не изменится, и элементы не будут двигаться в "ямах". Что же должно измениться, как и почему? Чтобы эти силы не возникали вовсе, нужно, чтобы потенциальные ямы заранее, еще до начала движения, излучались туда, где окажутся элементы, когда поля дойдут от своих источников до "ям". Если же изменения начнутся после начала движения (что и происходит в системах), то эти силы будут действовать при ускорениях, выступая как силы инерции.
Пока поля и силы, создающие целостность тел, оставались в тумане, эта проблема не возникала. Теперь же, отмахнувшись от нее, мы не получим стройной картины движения, а обратив на нее внимание, попадаем в трудное положение. Ведь инерция считается фундаментальным свойством материи, а мы видим какую-то инерцию вместе с ее причиной. И избавиться от нее не можем. Это та же самая инерция или какая-то вторая? Мы заниматься этим не будем, но отметим: классическая физика подошла к вопросу о происхождении инерции масс. Рассмотрим это явление с другой целью и на совсем ином примере, попроще.
Пусть два автоматических подвижных объекта поддерживают расстояние между собой следующим способом. Действуя каждый по своим часам, они одновременно излучают периодические импульсы звука и, находясь на заданном (устойчивом) расстоянии, принимают их друг от друга точно в тот момент, когда излучают очередной импульс. Запаздывание сигнала к этому моменту означает, что расстояние велико, и объект движется, сокращая расстояние. При опережении - увеличивает расстояние.
Если эту пару привести в совместное движение, то задний в движении объект будет принимать сигналы с опережением, т.к. движется навстречу звуку, и будет тормозить, пытаясь увеличить расстояние. Передний же объект будет получать сигналы с запаздыванием и тоже тормозить, пытаясь сократить расстояние. Объекты остановятся. Система не может двигаться по инерции. Система иная, но явление то же и та же причина: конечная скорость сигналов и целостность системы.
Чтобы пара двигалась, нужно сдвинуть часы переднего объекта назад или заднего - вперед на некоторый временной интервал, так, чтобы компенсировать разность во времени хода сигналов вперед и назад при данной скорости. Точнее: сдвинуть во времени текущие в объектах процессы (приема-передачи и обработки сигналов). Тогда объекты будут поддерживать эту скорость и препятствовать ее изменению. Расстояние же между ними уменьшится так, чтобы сигналы снова проходили его взад-вперед за тот же период, несмотря на движение. Если скорость звука в воздухе равна "с", скорость объектов относительно воздуха - "v", то скорость сигнала относительно объектов будет равной в одну сторону c-v, в другую c+v, а средняя скорость сигнала на всем пути окажется равной c(1 - v2/с2), потому расстояние между объектами тоже уменьшится пропорционально величине 1 - v2/с2. При движении в направлении, перпендикулярном расстоянию, размеры уменьшатся как корень квадратный из этой величины.
Итак, движение здесь сокращает размеры системы, а ее устойчивая скорость определяется временным интервалом. Заметим, что, не зная, какова скорость объектов относительно среды, несущей звуковой сигнал, мы не сможем определить, как изменяется расстояние между ними. Поэтому, избегая такой неопределенности в дальнейшем, будем полагать, что все наши объекты погружены в какую-либо среду (газообразную, жидкую), которая и служит проводником электромагнитных или звуковых волн или сигналов. Кроме того, рассматривая движение электромагнитных объектов в средах, мы избегаем столкновения с теорией относительности, которая на движение в средах не распространяется.
Те же изменения будут происходить и в искусственных телах - самоорганизующихся системах. Например, в системе из генераторов. Если поместить такую систему в электромагнитную среду и привести среду в движение, то движение среды будет сносить поля и образуемые ими устойчивые положения в сторону своего движения, и элементы окажутся вне устойчивых положений. Возникнут силы, увлекающие систему вслед за средой и противодействующие их относительному движению. Здесь тоже, чтобы этих сил не стало, нужно сдвинуть во времени колебательные процессы, текущие в генераторах.
Чтобы говорить здесь о времени, мысленно сделаем так: подключим к генераторам электронные счетчики колебаний и выведем результаты счета – целые числа колебаний и их дробные доли - на часовые табло. Получатся обычные электронные часы, но связанные в единую систему, т.к. генераторы входят в синхронизм самопроизвольно, подстраиваются друг к другу; то же происходит и с часами.
Пусть часы при неподвижной системе показывают одинаково. Через некоторое время после начала движения установится новый синхронизм, появятся разности фаз колебаний. Приведя в движение среду, будем говорить о движении системы относительно среды. Поля, которые и служат сигналами синхронизации генераторов, движутся назад (относительно системы) быстрее, чем вперед, поэтому колебания в генераторах, передних в движении, отстанут во времени и по фазам от колебаний в задних генераторах, что мы и увидим на часах. Мы увидим временные интервалы между локальными колебательными процессами в виде разностей в показаниях часов. Установятся временные интервалы, точно соответствующие скорости движения. Каждый последующий в движении процесс опережает предыдущего на некоторый временной интервал.
Когда временные интервалы соответствуют скорости, силы противодействия исчезают. Размеры систем тоже изменяются, уменьшаясь с увеличением скорости, поскольку уменьшается средняя скорость электромагнитного поля в промежутках между элементами, уменьшаются длины стоячих волн и расстояния между элементами. После этого потенциальные ямы излучаются точно туда, где проходят движущиеся элементы, система движется по инерции, и силы противодействия не возникают.
Тройка диполей, показанная на рис.1, при движении вправо по инерции будет выглядеть, как показано на рис.2. Здесь диполь 3 (задний) опережает в своем вращении диполя 2. Его отрицательный заряд уже был вверху некоторое время назад, когда показанный на рисунке фрагмент волны проходил через него. Диполь 1 (передний) отстает в своем вращении. Его отрицательный заряд окажется вверху тогда, когда через него будет проходить волна, излученная диполем 2 и показанная на рисунке. Диполи 1 и 3 и в этом положении параллельны полю, но оно не параллельно плоскости рисунка и потому не показано. Таким образом, все три диполя движутся, оставаясь в устойчивых положениях. Но при ускорениях они не могут мгновенно повернуться относительно друг друга. Для этого нужно двигать систему некоторое время, преодолевая силы устойчивости.
..
Ели бы все отрицательные заряды были здесь в верхнем положении, то на диполи 1 и 3 действовали бы силы, движущие их назад - в те участки поля, что показаны на рисунке. А их излучения оказались бы слева от диполя 2 - сзади, и на него тоже действовали бы такие силы. Кроме того, действовали бы силы, стремящиеся довернуть диполи в положения, показанные на рисунке 2. До тех пор, пока не сформируются временные интервалы, т.е. пока диполи не повернутся относительно друг друга, силы противодействия не исчезнут, и система не будет двигаться по инерции.
Системе диполей на рис.2 сопоставлена система часов, стрелки которых вращаются как бы вместе с диполями. Разность хода часов показывает временной интервал - относительное опережение или запаздывание местных процессов вращения и излучения. Изображая элементы (точнее: процессы в них) в виде часов в системе координат, можно одним значком показать и текущую фазу процесса, и его координаты. Так и сделаем потом.
С точки зрения классической физики, в природе не существуют статические поля, способные удерживать элементы на расстояниях друг от друга, создавая объемные тела и структуры, и мы вынуждены полагать, что для этого необходимы когерентные волновые поля и процессы. Значит, целостность тела или структуры возможна лишь тогда, когда в них присутствует объемный когерентный процесс - некая система "местных часов", единого внутреннего времени. Любая пространственная структура, если цела, содержит в себе такую систему "часов". А изменение скорости структур связано с перестройкой этой системы единого времени и без нее не происходит.
Самоорганизующаяся система есть единый и цельный электромагнитный объект, поэтому конечный результат изменений, вызванных в ней движением, описывается преобразованиями Лоренца для электромагнитных объектов и процессов, движущихся в пустом пространстве или в той электромагнитной среде, в которую она помещена и сквозь которую движутся в ней волны. Мы привыкли понимать Лоренцево "местное время" как нечто сугубо теоретическое и абстрактное. Теперь же мы знаем объект, в котором можно разместить вполне реальные часы местного времени. Мы используем это в следующем разделе, где рассмотрим свойства самоорганизующихся систем, применяемых в качестве меры пространства-времени.
Современная теория рассматривает преобразования Лоренца только как свойство пустого пространства-времени. Но лучше представлять себе, что электромагнитный объект находится в жидкой электромагнитной среде (в жидком диэлектрике или ферромагнетике), и что в движение приводится среда, а объект неподвижен. В таком случае объект также преобразуется по Лоренцу. Но становятся наблюдаемыми те изменения, что происходят в нем при ускорениях среды: сокращение размеров и перестройка системы часов, а также "замедление времени" (т.е. замедление колебаний). Наблюдаемы и те силы, что возникают при ускорениях, увлекая объект вслед за средой и выступая в качестве сил инерции объекта относительно среды или инерции среды относительно объекта. Объект может быть любым, но лучше использовать самоорганизующиеся системы, т.к. в них, в отличие, например, от поля статических зарядов, имеются четко определенные расстояния и могут быть установлены часы местного времени.
С одной стороны, преобразования Лоренца описывают реорганизацию в электромагнитном объекте, производимую в нем движением, и это было известно. С другой стороны - временные интервалы управляют здесь скоростью объекта, выступают как причина и необходимое условие движений по инерции, и это нечто новое, ранее не известное. Противодействуют изменениям скорости те же силы, что создают целостность тела и его прочность, в естественных телах они достаточно велики, и, если бы реорганизации в них не было, скорость тел не могла бы меняться.
Силы устойчивости, оказывается, создают инерцию движения. Если покоящийся объект подвергнуть такому изменению, создать в нем систему временных интервалов, то возникнут внутренние силы, движущие объект со скоростью, соответствующей этому изменению. Как выполняются при этом законы сохранения - нас здесь не интересует. Они так или иначе выполняются, в противном случае - только интересней.
И такие случаи, на первый взгляд, возможны. Например, такой. Пусть множество синфазных излучателей (излучающих диполей) находятся в устойчивых положениях под действием статических сил притяжения и электродинамических сил, располагаются при этом на минимальных расстояниях друг от друга (меньших, чем длина волны) и образуют структуру в виде длинной прямой линии. Такая структура излучает, в основном, расходящиеся от нее цилиндрические волны. Если теперь изменить фазы излучателей так, чтобы каждый последующий излучатель опережал предыдущего по фазе, то в ней возникнут внутренние силы, движущие ее, условно говоря, вперед. Излучение из нее также изменится. Теперь она будет излучать в основном расходящиеся конические волны, но не назад, а тоже вперед. Здесь никак нельзя сказать, что система испытывает ускорение под действием реактивных сил отдачи, создаваемых излучением.
Когда эта система погружена в электромагнитную среду, то действуют силы, движущие систему вперед, а среду назад. Но выполняется ли закон сохранения импульса вне среды? Напомню, что классическая электромагнитная теория создавалась в рамках теории эфира, и с ней согласуется. С этой точки зрения здесь ничто не противоречит закону сохранения, т.к. в данном случае действуют электромагнитные силы взаимодействия со "светоносной" средой, заполняющей пространство. Теория дальнодействия тоже не испытывает здесь трудностей. Таким образом, классическая физика предлагает Вам принципиально новый космический движитель, не требующий выброса материи.
Современная же теория, отрицая "эфир", приводит к противоречию с законом сохранения, а я, автор, не собираюсь доводить эти исследования до конца и кого-либо убеждать. Полагаю, моё дело - придумать пример и поставить вопрос, а не отвечать на него. Истинный ученый всегда любопытен, потому кто-нибудь из таковых разберется и найдет ответ. Однако закон сохранения импульса не был доказан для общего случая силового воздействия на предметы. Он верен для классической механики, для электростатики, магнитостатики, но в области электродинамики был рассмотрен лишь на отдельных примерах (отражение плоской волны) и принят декларативно, т.е. пока еще вызывает сомнения.
Не будем здесь делать выводов и что-либо утверждать, но обратим внимание на следующее. Установлено в экспериментах, что некоторые периодические процессы (а может быть и все процессы вообще) замедляются полем тяготения. Тогда силы тяготения самоорганизующихся систем к массам могут быть полностью объяснены этим замедлением как силы внутренние. В нижней части системы колебания замедляются более, чем в верхней, что в условиях постоянной самосинхронизации колебаний приводит не к рассогласованию их по частотам, а лишь к отставанию колебаний в нижней части по фазам. Образуется система временных интервалов, и система приходит в движение с ускорением вниз. Если же она на что-либо опирается, то ее нижняя часть оказывается сжатой, что приводит к уменьшению расстояний между ее элементами, в связи с чем поля (а они служат сигналами синхронизации колебаний) проходят эти расстояния быстрее, что приводит к некоторому повышению частот колебаний в элементах сжатой части системы, что и компенсирует их понижение.
Есть случаи, когда временные интервалы не могут изменяться. Тогда силы противодействия движению не исчезнут до тех пор, пока скорость системы не станет соответствовать временным интервалам. Например, если система имеет форму замкнутого кольца и вращается в своей плоскости вокруг центра, то сумма временных интервалов по периметру кольца может быть равной только целому числу периодов колебаний и не может меняться плавно. Поэтому кольцо имеет лишь дискретный ряд устойчивых скоростей вращения. Здесь мы видим механизм квантования движений.
На рисунке 3 показано такое кольцо. Элементы и процессы в нем представлены в виде часов, показывающих текущую фазу процесса. Квантуются все связанные волновыми полями движения, и мы не привыкли к этому лишь потому, что сильных волновых полей и очень больших скоростей нет в нашей практике. А здесь показан лишь наиболее простой и наглядный пример квантования.
Рассчитывая устойчивые формы такой вот структуры: кольцо из одинаковых электрически заряженных источников волновых излучений и противоположно заряженное тело в центре, получим серию устойчиво вращающихся в поле колец, диаметры которых и число элементов в которых (точнее: число мест в кольце) пропорциональны 2n2 (2, 8, 18, 32 …), т.е. такие структуры во многом подобны атому. Правда, мы уже потеряли уверенность в том, что электроны вообще вращаются вокруг ядра, поскольку электростатические силы притяжения могут быть, в принципе, уравновешены не только силами инерции, но и электродинамическими силами отталкивания. Поскольку электроны – тоже какие-то колебательные системы, то они могут складываться в подобные структуры естественным образом. У нас еще недостаточно причин для уверенности, но уже нельзя говорить, что классическая физика не способна объяснить строение атома.
Самоорганизация и принцип относительности
Как было сказано ранее, построив простейшие самоорганизующиеся системы и модели упругих тел, мы вынуждены изменить свое представление о классическом принципе относительности движений. Эти же системы помогут нам понять: в каком смысле и почему постоянны и непостоянны размеры тел и скорость света, из каких явлений, при каких условиях и как складываются преобразования Лоренца и принцип относительности движений в самоорганизующемся мире.
Если Вы хотите лучше понять частную теорию относительности или устранить ее недопонимание, то Вам также будет полезно познать ее с иной, противоположной точки зрения, для Вас, может быть, более подходящей. Поскольку эта теория была первым и главным орудием разрушения классической физики, мы не можем здесь ее оставить без внимания. Однако прежде заметим следующее.
Частная теория относительности создана почти век назад, когда о самоорганизующихся системах еще не было и мыслей, но уже тогда содержала о них сведения. Теория надолго опередила своё время, потому не понята в этом даже сегодня, и излагают ее всегда неполно, недосказывая, не на все вопросы отвечая. Позже стало ясно, что в природе не существует ничего, кроме самоорганизующихся систем, а значит избранная Эйнштейном мера пространства-времени - материальная система координат, система стержней и часов - тоже является самоорганизующейся системой. Оставалось лишь допустить в физику “обратную” точку зрения: наблюдаемые расстояния в пространстве и ход процессов во времени не зависят от способа наблюдения, в том числе – от скорости наблюдателя, но зависят от свойств меры и самого наблюдателя как гибких самоорганизующихся систем. Можно было приступать к изучению таких систем средствами частной теории относительности. Но этого не произошло, и мы лишились большей и главной части творческих плодов этой теории.
Вот к этой “обратной” точке зрения и приводит нас классическая физика. Мы не можем, например, декларативно утверждать пространство-время как единый континуум. Но, как выяснили, любая пространственная мера, т.е. любое тело, взятое в качестве меры, может существовать только как объект четырехмерный, ибо никакой предмет не может быть целым и служить мерой длины, если не несет в себе еще и меры времени – единого процесса, который и делает предмет целым, - системы взаимосвязанных внутренних “часов”. В одних случаях мы можем не обращать на это внимания. В других, – не можем, и тогда вынуждены рассматривать пространство и время как адекватный мере объект, т.е. тоже единый и четырехмерный, как и постулирует теория относительности.
Хоть мы откроем здесь и что-то новое, но в основном займемся пересмотром того же круга явлений с новой точки зрения. Цель того – показать дееспособность классической физики в релятивистской области и мировом пространстве, а также несостоятельность ее критики релятивистами.
Инструментом наших исследований будут служить самоорганизующиеся системы, в том числе - описанные выше системы из генераторов, понимаемые как реальные технические устройства, искусственные упругие тела или измерительные приборы. Такие системы могут существовать автономно, двигаться и претерпевать ускорения, как и тела естественные, они тоже упруги и тоже имеют размеры, к которым относится всё, что говорит теория относительности о размерах тел вообще. Но в них не прячутся особые законы микромира, поля иной природы или что-то иное, на что можно бы сослаться, говоря о постоянстве размеров. Расстояния в них всегда меняются пропорционально длинам стоячих волн. Непрочность этих систем и излучения из них не имеют здесь значения. Будем считать, что системы не деформированы внешними силами, и их элементы стоят в устойчивых положениях.
Нам придется изучать явления, которые проявляются лишь при скоростях, сравнимых со скоростью света. Наблюдать же за изучаемым объектом мы можем только с помощью света или иных электромагнитных волн, скорость которых в таких случаях сравнима со скоростью наблюдаемого объекта. Появляются связанные с этим ошибки наблюдения, которые в ряде случаев не могут быть вычислены и искажают или даже полностью скрывают наблюдаемое явление. Частная теория относительности отличается тем, что ошибки наблюдения не считает ошибками, даже не говорит о них, а результаты ошибочных наблюдений полагает относительной истиной, за которой вовсе не скрыта истина другая - абсолютная. На движения, наблюдаемые без ошибок, эта теория не распространяется. Мы не будем придерживаться той парадигмы всеобщей относительности, которая отрицает абсолютные факты и истины, полагая все истины, факты и критерии лишь относительными, потому непостоянными и необязательными. Ошибки наблюдения будем четко отделять от наблюдаемых явлений.
Рассматривая системы в движении вокруг нас по окружности, мы наблюдали бы без искажений, как зависят от скорости их размеры и текущие в них процессы. В этом случае расстояние между нами и объектом наблюдения постоянно, поэтому свет или другие электромагнитные сигналы, несущие информацию о наблюдаемом объекте, приходят к нам с запаздыванием, но всегда одинаковым и известным, и мы видим события прошедшие, но не искаженные. Когда же объект движется прямолинейно в пустом пространстве, информация о нем искажается ошибкой наблюдения, связанной с переменным расстоянием, переменным и не известным по величине запаздыванием сигналов наблюдения, и системы становятся, как говорят в технике, ненаблюдаемыми. Для коррекции ошибок нужно бы знать не только величины скоростей наблюдателя и объекта наблюдения, но и сигнала наблюдения в мировом пространстве, т.е. абсолютную скорость сигнала. Но такая информация нам пока недоступна. Она и заменяется обычно постулатами и мнениями, которые объективной информацией не являются.
Мы рассмотрим те же явления, что и теория относительности, но в движениях наблюдаемых, где нет ошибок наблюдения и все величины определимы без знания абсолютной скорости света. Наши системы в прямолинейном движении полностью наблюдаемы тогда, когда для наблюдения используются сигналы, более быстрые, чем волновое поле, связывающее систему воедино. В пустом пространстве таких сигналов нет. Однако, электромагнитные поля системы можно замедлять, помещая системы в электромагнитные устройства и среды, и они становятся наблюдаемыми с помощью обычного (не замедленного) света. Электромагнитные явления в средах и в пустом пространстве описываются принципиально теми же уравнениями Максвелла, поэтому поведение систем в среде и в пустоте столь же принципиально одинаково.
Существуют такие электромагнитные среды, в том числе жидкие, в которых скорость электромагнитных волн (в некотором диапазоне частот) много меньше, чем в пустоте. Будем представлять себе, что наши системы из генераторов погружаются в такую жидкость, она заполняет промежутки между элементами, и волновые поля движутся в ней. Существуют волноводы, в которых скорость волн может быть как угодно малой. Например, металлические трубы со стенками в виде щетки. Можно помещать системы и в них, как в среду без трения, что и будем иметь в виду, игнорируя трение в дальнейшем. Системы с медленными волнами становятся наблюдаемыми через обычные (не замедленные) световые сигналы, и ошибки наблюдения не скрывают за собой истинных событий, как это происходит при наблюдениях вне среды, где скорости всех электромагнитных волн одинаковы. Кроме того, движение системы относительно среды можно рассматривать, приводя в движение среду и оставляя систему неподвижной. Тогда можно полностью исключить эти ошибки.
Система координат классической физики приспособлена к тому пониманию пространства и времени, что дано нам от природы. В применении к мировому пространству это воображаемые прямые оси во вселенной и единое в ней время. Такая система координат абстрактна, зато от размеров тел, скорости света, кривизны лучей света, хода часов и процессов не зависима. Система координат теории относительности материальна. Это "система жестких стержней" и расставленных вдоль них часов, которые синхронизируются с помощью световых сигналов и зависимо от их скорости. Жесткие стержни в ней - это реальные твердые тела – самоорганизующиеся системы, от размеров которых зависят ее масштабы.
Материальную релятивистскую систему координат можно составить и из искусственных тел, построенных из генераторов. Часы, расставленные вдоль ее осей, можно сделать, подключив к генераторам счетчики числа колебаний и выведя результаты счета на часовые табло. Часы эти при изменениях скорости не нужно синхронизировать, они синхронизируются сами, и так, как требует теория относительности. Вы можете не соглашаться с автором в вопросе об устройстве твердых тел. Этого не требуется. Система координат из генераторов реальна сама по себе, как техническое устройство и измерительный прибор. Та и другая системы координат (из естественных тел и из генераторов) как релятивистские идентичны и равноправны, что можно строго доказать на основе теории относительности, рассмотрев их совместное движение в пространстве с точки зрения наблюдателей, движущихся с разными скоростями. Они идентичны и с классической точки зрения.
О постоянстве размеров естественных тел, как и масштабов построенной из них системы координат еще можно было спорить. А вот масштабы системы координат, построенной из генераторов, пропорциональны длинам электромагнитных волн бесспорно. А длины волн мы можем в них уменьшить. Представим себе, что промежутки между генераторами заполняются жидкой средой, постепенно замедляющей скорость волн. Это приводит к уменьшению в той же степени длин волн, сокращению размеров системы координат и ее масштабов. Но скорость и длины медленных волн в среде, будучи измерены в этих новых уменьшенных масштабах, кажутся прежними, не уменьшенными, такими же, как были в пустоте.
Пусть теперь эта среда затечет и в сами генераторы - в их катушки и конденсаторы, окружит провода. Это приведет к увеличению индуктивности катушек и емкости конденсаторов, что в свою очередь приведет к уменьшению частоты колебаний в них, к замедлению хода часов, увеличению длин волн, размеров системы координат и ее масштабов вплоть до восстановления прежних размеров. И снова скорость электромагнитных волн, измеренная в новых масштабах длины и времени, будет казаться прежней. Естественно: за каждую единицу времени (период одного колебания) волны всегда проходят ровно одну единицу расстояния (длину одной волны).
Даже если среду сделать анизотропной или привести в движение, и скорость поля относительно координат станет различной в разных направлениях, то изменится синхронизация часов системы координат, и так, что скорость поля, измеренная в новой системе часов, опять будет казаться прежней и одинаковой во всех направлениях. И мы начинаем понимать, что постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света вытекает из свойств принятой им системы координат. Установка масштабов и часов в ней определяются ходом электромагнитных волн. Длина этого "резинового метра" меняется пропорционально скорости электромагнитных полей и длительности процессов, измеряющих время, а разность хода часов зависит от хода полей. Эти "резиновые" свойства меры, фактически найденные еще Эйнштейном, теория относит к измеряемому объекту - пространству-времени, постулируя постоянство меры. А та информация, которую мы здесь находим, содержится в иной форме в теории относительности, и содержалась в ней изначально.
Если в реальном пространстве скорость света или скорость течения процессов (ход часов) не всюду и не всегда одинаковы, то релятивистская система координат этого не покажет. Она сама будет меняться в зависимости от хода лучей света и процессов, и меняться так, что измеренная в ее масштабах скорость света всегда будет казаться одинаковой. Таково свойство самой системы координат.
Рассмотрим теперь наши системы в движении.
Сделаем сначала оговорку. Некогда Физо своим экспериментом доказал, что скорость электромагнитных волн в среде определяется не целиком средой, но и еще чем-то: "эфиром", пространством, физическим вакуумом - называйте, как угодно. Электромагнитные волны в движущейся среде движутся так, будто во всякой реальной среде есть еще одна всепроникающая среда - "эфир", который не движется вместе со средой. Движущаяся среда увлекает волны за собой, но не в полной мере и не всякая среда. Это затрудняет нам рассуждения. Но, если скорость волн замедлена средой во много раз, она определяется в основном средой, и волны в той же степени тогда движутся относительно среды, но уж никак не относительно наблюдателей, тем более - стоящих вне среды.
Говоря о скорости среды, будем иметь в виду некоторую среднюю скорость двух сред: реальной и "эфира". Если волны в среде движутся в n раз медленнее, чем в пустоте, то эта средняя скорость будет меньше скорости среды в n/(n-1) раз. Если же среда не замедляет электромагнитные волны, то не является средой электромагнитной, и нас здесь не интересует. Будем считать волны в среде настолько медленными, что влиянием на нее "эфира" или абсолютной скорости света можно пренебречь, и потому неважно, есть эта гипотетическая среда или ее нет.
Системы, помещенные в среду, оказываются в тех условиях, какие определены классической теорией эфира для объектов в "эфире". Волны в них движутся относительно среды. Среда же заменяет "эфир" и играет роль абсолютной системы координат. Системы, помещенные в волновод, находятся в условиях, определяемых теорией дальнодействия. Волновод играет роль окружающей пустоту материи и абсолютной системы координат в этом представлении: система находится в пустоте, а скорость волн в ней определяется предметами, которые расположены в стороне.
Если среду привести в движение относительно помещенной в нее системы координат, то среда будет увлекать электромагнитные волны за собой, как ветер - волны звука, уменьшая их среднюю скорость на пути туда - обратно, длины стоячих волн и все размеры системы. Несложно вычислить, что размеры вдоль движения сокращаются от этого в g2 раз (где g2 =1/(1 - v2/с2), v - средняя скорость среды относительно системы, c - средняя скорость волн в среде), "поперечные "- лишь в g раз.
Когда среда приведена в движение, то на частоту колебаний в генераторах, и потому на ход подключенных к ним часов и на длины излучаемых ими волн влияет еще и Лоренцево "замедление времени", а точнее: замедление электромагнитных процессов движением среды сквозь них. Если сквозь катушки генераторов (сквозь их магнитные поля) прокачивать электромагнитную жидкость, то частота колебаний в генераторах будет уменьшаться с увеличением скорости жидкости, так как движение среды сквозь магнитное поле генерирует добавочное электрическое поле, чем увеличивает энергию поля катушки и ее индуктивность. Движение среды сквозь электрическое поле конденсаторов генерирует добавочное магнитное поле, увеличивая энергию, запасенную в конденсаторах. Поэтому резонансная частота колебательных контуров и частота колебаний в генераторах уменьшаются в g раз. Таким же образом движение среды замедляет в g раз все текущие в ней электромагнитные процессы. Так и следует понимать "замедление времени" с точки зрения классической физики.
Реальная среда не может, как "светоносный эфир", двигаться внутри проводов и деталей, из которых собраны генераторы, и небольшая часть полей поэтому окажется внутри проводов и деталей, вне движущейся среды, но будем считать, что это не сказывается на результатах, и что формула Лоренца для времени остается точной. Тогда уменьшение частоты приводит к такому увеличению длин волн и размеров систем, что при любой скорости точно восстанавливает их "поперечные" размеры, и сокращаются лишь "продольные", но теперь в меньшей степени (лишь в g раз).
Движение среды относительно системы приводит также к реорганизации колебаний во времени, к изменению синхронизации колебаний и часов с образованием временных интервалов, как было описано в предыдущем разделе. Образование временных интервалов, сокращение размеров и замедление процессов, взятые вместе, составят ту картину изменений в системе, какую описывают преобразования Лоренца для электромагнитных объектов в среде (при вычислениях скорость света в формулах Лоренца нужно заменять здесь средней скоростью волн в этой среде). Преобразования Лоренца выступают здесь как результат трех описанных выше элементарных явлений, и их физический смысл и причины ясны.
На рисунке рис.4 показана самоорганизующаяся система в виде цепочки элементов, движущаяся относительно среды вдоль оси Х со скоростью V (вправо). Элементы системы и процессы в них представлены в виде часов, что позволяет показать одним значком и расположение их в пространстве, и состояние их во времени (фазы процессов). Можно считать, что система построена из генераторов, и на рисунке показаны реальные часы, подключенные к генераторам. Эта же система есть отрезок оси Х материальной релятивистской системы координат, помещенной в среду и движущейся относительно среды и координат (X,ct), связанных со средой.
Часы здесь синхронизированы так, как того требует теория относительности. Здесь "с" - скорость электромагнитных волн, объединяющих систему. Такую картину видел бы в момент времени t = 0 наблюдатель, находящийся вне среды и наблюдающий за системой с помощью обычного, не замедленного света и без ошибки наблюдения. Можно также считать, что движется здесь среда (влево), а элементы неподвижны. Картина от этого не меняется. Часы показывают состояние (фазы) процессов, и по ним определяется Лоренцево "местное время". Каждый последующий в движении процесс опережает в своем течении предыдущего, что и показывают эти часы.
Те же элементы (точнее, процессы в них) показаны в плоскости (Х,ct) точками, лежащими на оси X'. Их координаты по оси времени ct соответствуют показаниям часов. Отрезок oA соответствует расстоянию элемента A от начала координат (от элемента "o") в трехмерном пространстве, отрезок AB - временному интервалу между процессами в них. Расстояние между элементами в системе (или между часами) и временной интервал между ними, взятые вместе, составляют четырехмерный пространственно-временной интервал (отрезок oB), длина которого в четырех измерениях (в пространстве и времени) определяется как гипотенуза треугольника, катетами которого служат расстояние (трехмерная длина oA) и произведение временного интервала на скорость электромагнитных волн в среде (AB).
Ось ct' (график движения элемента "о") служит осью времени системы координат (X',ct'), которая движется вместе с элементами. С точки зрения наблюдателя, неподвижного относительно нее и способного наблюдать за ней лишь с помощью тех же медленных волн, все часы показывают одинаково. Разницы в их показаниях он не видит. Это полностью скрыто от него за ошибкой наблюдения.
Изображение системы координат на рис.4 выглядит непривычно лишь потому, что точками на оси Х' показано не время, определяемое по местным часам, а состояния самих этих часов, т.е. та же величина с обратным знаком.
Пространственно-временной интервал (длина в четырехмерном пространстве-времени) от скорости системы в среде не зависит. С увеличением скорости уменьшаются расстояния между элементами системы, но временные интервалы между ними увеличиваются так, что длины пространственно-временных сохраняются. Расстояние между часами, первоначально равное l, при скорости v становится равным l/g , и образуется временной интервал, равный lv/с2. Квадрат длины гипотенузы треугольника, катеты которого равны l/g и c(lv/с2), равен: (1 - v2/с2)× l2 + (lv/c)2 = l2, т.е. длина гипотенузы при любой скорости равна ее длине при v=0.
Вот это постоянство четырехмерной длины и утверждается постулатом теории относительности о постоянстве размеров тел. Размеров не в обычном смысле, не в трех измерениях, а в четырех. Постулат не относится к длине трехмерной, равной l/g. И не позволяйте критикам путать, как они обычно путают, длину трехмерного отрезка, от скорости зависящую, с четырехмерной “длиной” пространственно-временного интервала, от скорости не зависящей. Не позволяйте им также называть длиной пространственно-временной интервал. Эти две величины различаются принципиально, как килограмм массы от килограмма силы. Именно такую путаницу применяют для критики Лоренца и Фицджеральда, пользуясь всеобщим недопониманием.
Так классическая физика объясняет фундаментальный постулат теории относительности о постоянстве размеров тел в четырехмерном пространстве-времени - его физический смысл, и механизм, реализующий это постоянство.
То же постоянство интервалов имеет место и при криволинейных движениях. Представьте себе гигантской длины кольцевую железную дорогу и на ней такой длинный поезд, что локомотив упирается в последний вагон. С увеличением скорости поезда его длина будет уменьшаться, а локомотив - удаляться от последнего вагона, и с увеличением скорости число вагонов можно добавлять. Если же на нем организована система единого времени, например, по вагонам установлены наши генераторы со счетчиками, то будет видна разность хода часов между локомотивом и последним вагоном, зависящая от скорости, - как сумма временных интервалов по всей длине поезда. Можно вычислить пространственно-временной интервал по длине поезда. Он и здесь меняться не будет. Зазор между последним вагоном и локомотивом, естественно, не будет постоянным ни в каком смысле.
Так классическая физика работает в области движений, которые теория относительности не рассматривает.
Каждая из наших систем - единый электромагнитный объект, и преобразования Лоренца для каждой из них верны так же, как и для других электромагнитных объектов, движущихся в среде или вне ее. Мы уже выяснили физический смысл преобразований и видим, что их причины и механизм действий находятся внутри объекта, т.е. преобразования Лоренца - это свойство электромагнитных объектов, а не пространства-времени и не среды. Хотя рассмотрели мы лишь частный случай, но видим в нем следствие явления общего: ограниченности скорости полей и сигналов, связывающих систему или процесс воедино, и понимаем, что те же выводы применимы везде и ко всем электромагнитным объектам и процессам, составляющим единое явление. И можем уверенно сказать, что преобразования Лоренца не будут верны физически для группы предметов или процессов, не связанных между собой и не составляющих единого предмета или процесса. Хотя верны для каждого из них отдельно и даже кажутся верными для групп с точки зрения меняющего свою скорость наблюдателя. Размеры таких групп, расстояния и временные интервалы в них не зависят от скорости и не меняются при совместных ускорениях. Отсутствуют тому причины: связи. Преобразования Лоренца применимы не ко всему, что есть в пространстве, и потому, представляя их в виде общего свойства пространства-времени, можно получить ошибки при вычислениях, и нужно быть осторожным.
Рассмотрим, в качестве повторения пройденного, следующий пример. Пусть ось системы координат состоит из пучка жестких стержней, которые приводятся во вращение часовым механизмом и на которые по всей длине насажены стрелки часов - часовые, минутные, секундные и т.д., а также циферблат - на стержень, который не вращается, и образуют единый протяженный часовой механизм со множеством стрелок. Тем не менее, если это устройство привести в движение (вдоль оси, разумеется), то показания часов перестанут быть одинаковыми, а стержни будут скрученными. Произойдет следующее. В процессе вращения стержня передний его конец отстанет на некоторый угол от заднего конца (аналогично тройке диполей на рис.2), потому передние часы отстанут от задних на некоторый временной интервал. Согнув устройство в разомкнутое кольцо и приведя в движение вокруг нас, мы могли бы безошибочно и явно наблюдать все эти изменения: и скрученность стержней, и разность в показаниях часов.
Однако, при ускорениях стержни, замедляя одни стрелки и ускоряя другие, будут передавать механические усилия и энергию, что наблюдаемо с любой точки зрения и при любых видах движения. Если же стержни разделить на части, лишив способности передавать усилия, то движение механизма перестанет быть единым процессом. При ускорениях новые концы стержней будут проворачиваться относительно друг друга, а показания часов, расположенных на стыке частей с той и другой стороны, разойдутся, что никак не соответствует преобразованиям Лоренца для устройства в целом. По Лоренцу преобразуется только единый механизм.
Рассмотрим теперь коротко как действует принцип относительности в его новом классическом представлении, уже учитывая, что все естественные тела - это самоорганизующиеся системы.
Если представить себе мир, состоящий из множества самоорганизующихся систем (того же типа, что рассматривались), которые погружены в электромагнитную среду с медленными волнами и движутся в ней без трения, то и в этом мире имеет место принцип относительности движений. Если попытаться определить с помощью внутренних средств такого мира скорость среды путем сравнения размеров систем, движущихся в ней с разными скоростями, то это не получится. Причины те же, что и в нашем реальном мире: "поперечные" размеры от скорости не зависят, сравнение же "продольных" уводит к проблеме понимания одновременности (т.е. все происходит так, как описывают в учебниках, и повторять нет смысла). Наблюдается лишь относительная скорость, абсолютная же (относительно среды) таким путем не наблюдаема.
Пусть теперь наблюдатель, живущий в этом мире медленных волн и самоорганизующихся систем (внутренний по отношению к такому миру наблюдатель), попробует по замедлению часов определить скорость относительно среды. Глядя на движущуюся относительно него ось координат (изображенную на рис.4) с расставленными вдоль нее часами, неподвижный наблюдатель увидит пробегающую мимо него череду часов, ход которых фактически замедлен движением относительно среды. Но каждые следующие часы сдвинуты вперед на некоторый временной интервал, и наблюдатель видит их, как сменяющиеся кадры кино, в котором ход часов ускорен. Этот эффект ускоряет наблюдаемую картину в g2 раз. Часы, фактически замедленные в g раз, в этом "кино" видятся как ускоренные в g раз. Это - тоже ошибка наблюдения. И наблюдатель не может решить: то ли он сам движется в среде, и это его часы замедлены движением, то ли движется система координат, и он видит "кино".
Замедление хода движущихся часов можно бы, как кажется, обнаружить, сравнивая их показания в два момента времени с двумя часами своей системы координат. Но и тут наблюдатель может думать, что движется его система координат, поэтому показания двух ее часов сдвинуты на временной интервал, и снова не может решить, какая же из систем неподвижна. Всегда наблюдается только относительное время и только как следствие относительного движения. И этим мы обязаны реорганизации систем движением и "замедлению времени" - свойствам электромагнитных объектов.
В поставленных условиях у внутреннего наблюдателя нет возможности определить скорость среды никакими экспериментами. Здесь среда есть по условию, но с помощью лишь внутренних средств этого мира ненаблюдаема принципиально. Наблюдается лишь относительная скорость систем и, пока движения равномерны и прямолинейны, относительное время. Наблюдатель имеет точно те же, что и наши физики, основания для заявлений, что ни среды, ни абсолютной системы координат в его мире вовсе нет. Для выяснения истины нужны более быстрые, не замедленные средой сигналы, но таких в его мире нет. И нам в нашем мире для той же цели тоже нужны сигналы, более быстрые, чем свет, но их у нас тоже нет. Ненаблюдаемость абсолютного движения еще не доказывает, что оно не существует.
Сделаем из этого вывод: ненаблюдаемость абсолютного (относительно среды) движения самоорганизующихся систем является свойством самих этих систем. Абсолютная система координат, есть она или нет ее, не может быть в принципе обнаружена путем соизмерения движущихся самоорганизующихся систем и хода движущихся процессов. В этом и заключается принцип относительности.
Преимущества классической физики здесь налицо: и сам принцип относительности, и его причины, и все связанные с ним явления ею объясняются. Она более глубока. Никакие постулаты и гипотезы ей не нужны.
Доказательство тому, что абсолютная система координат, т.е. абсолютные скорость и время, хоть и ненаблюдаемы принципиально, но существуют, предоставляет нам сама теория Эйнштейна. Отрицание абсолютной скорости, абсолютного времени и абсолютной системы координат вводит в эту теорию "временной парадокс": часы, отправленные в разных направлениях и затем повторно встретившиеся, должны отставать друг от друга (часы А отстают от часов Б, а часы Б отстают от часов А), так как двигались относительно друг друга. Ссылки на ускорение и вечную незавершенность теории относительности - не оправдание, так как Лоренцево "замедление времени" не зависит от траектории и ускорения, и причиной повторной встречи часов может быть не ускорение, а "искривление пространства" (согласно теории относительности), да и не могут часы убежать за то мгновение, когда их скорость менялась. Дело здесь просто в наблюдаемости. А все ссылки имеют целью уклониться от обсуждения случаев, где часы повторно встречаются и парадокс наблюдаем.
Временной парадокс не имеет места, когда предполагается хоть произвольно взятая, но абсолютная система координат, то есть когда в рассуждениях используется (даже скрытно) факт ее существования. Эйнштейн писал, что за абсолютную систему координат может быть принята любая инерциальная. Но тогда теория действует уже в абсолютной системе координат, фактически признав ее существование и опираясь на нее в логике своих рассуждений. И тогда, как следует из формулы Лоренца для "замедления времени", и те, и другие часы отстают от часов абсолютной системы, и больше отстанут те часы, которые двигались с большей среднеквадратичной абсолютной скоростью. Абсолютная скорость берется произвольно, поэтому во внимание принимается лишь разность хода двух часов, которая от абсолютной скорости не зависит, что и позволяет брать ее произвольно. И ускорения тогда не мешают, и ссылаться на них не нужно. Часы, двигавшиеся относительно друг друга, могут показывать и одинаково. При отсутствии же абсолютной скорости третьих (опорных) часов нет, в формулу подставляется относительная скорость, квадрат ее для двух объектов одинаков, и результатом становится взаимное и равное отставание часов, т.е. парадокс.
Все рассуждения, приводящие к отсутствию парадокса при отсутствии абсолютной системы координат, содержат скрытое использование абсолютной системы координат, скрытое признание факта ее существования. Теория относительности вне абсолютной системы координат становится парадоксальной, внутренне противоречивой.
Поскольку абсолютная скорость в принципе не обнаруживается имеющимися сегодня средствами, а ускорения абсолютны, мы можем понимать абсолютную скорость как неопределенный интеграл от абсолютного ускорения – с точностью до неизвестной константы, и произвольно избирать любую, но одну для каждой задачи инерциальную систему в качестве абсолютной, никогда не приходя к логическим противоречиям.
Абсолютная скорость не сказывается на результатах никаких экспериментов, и физики говорят, что знания о ней не нужны, что физика без нее может обойтись. Теория относительности тоже не нужна нам в работе, без нее справляемся. Но знать ее хотим. Если физики опять не смогут найти абсолютную систему координат, то мы найдем ее сами.
Отрицание абсолютного движения служит критическим аргументом против классических теорий, но приносит в жертву содержание самой теории относительности, искажает ее, делает парадоксальной, алогичной, и потому неприемлемой для технически грамотных людей, как говорят, “заумной”. Критика же, настаивая на отсутствии абсолютной системы координат, вводит парадокс, приводит теорию в столкновение с логикой и использует как средство ниспровержения логики: мол, теория верна и даже гениальна, противоречит вашей логике, а значит, не верна ваша “бытовая” логика.
Другой критический аргумент: сокращение размеров тел, о котором говорили Лоренц и Фицджеральд, просто называют нелепостью, никак не поясняя. Лучших аргументов так и нашли. А ведь уже больше полувека физика в принципе знает, что тела – это самоорганизующиеся системы. Да и не могут быть постоянными обычные трехмерные размеры. Ведь один конец тела должен хотя бы знать о том, где находится другой в данный момент. Любой сигнал запаздывает, приносит устаревшие сведения – о том, где он был раньше, что и сказывается на размерах структур, даже если они разумны. Они не могут учесть ошибку без знания абсолютной скорости. Постоянство размеров в принципе невозможно.
Мы все учили математику, и знаем, что интервалы в четырехмерном пространстве, о постоянстве которых писал Эйнштейн, и интервалы в трехмерном, о которых писал Лоренц, отличаются как отрезок прямой от его проекции или как гипотенуза от катета. Зачем же путать людей, представляя им (от имени мировой науки!) гипотенузу и катет как одну и ту же длину, о которой якобы и спорили? Вот такими треугольниками абсурда и были ниспровергнуты нужная нам наука, логика и наш образ мыслей. Эта цель критики вовсе и не скрывается, а успешное разрушение классической физики - фундамента наших профессий, нашего мышления, теоретических основ наук и технологий - воспевается как победа.
