При написании статьи использовались, в основном, материалы книги Г.В. Николаева «Современная электродинамика и причины её парадоксальности...» [1].
Классическая электродинамика – это один из разделов классической физики, охватывающий область всех электромагнитных явлений и базирующийся на уравнениях Максвелла. Считающаяся многими корифеями образцовой физической дисциплиной, она сплошь пронизана всевозможными парадоксами, многим из которых присвоены даже свои собственные названия: "парадоксы униполярной индукции", "секреты униполярной индукции", "парадокс униполярного двигателя", "парадокс рельсотронных двигателей", "парадокс Геринга", "парадоксы трансформатора" и др.
Сторонники формально-математических методов уверяют, что в математических уравнениях и зависимостях современной электромагнитной теории выражена вся физическая сущность законов электродинамики. В действительности же попытки физической интерпретации многих явлений электромагнетизма наталкиваются на непреодолимые трудности. Нет ответа даже на такие самые простые и насущные вопросы:
- что такое электрический заряд;
- механизм воздействия зарядов друг на друга;
- каков механизм возбуждения вихревого электрического поля;
- физические процессы в пространстве, где изменяется магнитное поле Н или поле векторного потенциала.
Велика инерция устоявшегося мышления в современной электродинамике, но не менее велика и необходимость радикальных преобразований.
1. Первое уравнение Максвелла
Напряжённость магнитного поля Н от элемента тока определяется в соответствии с канонами электродинамики Максвелла из уравнения Рис., (1)
, где rotH и первый член справа определены в точке наблюдения r, а вот плотность тока переноса (4;/c) jn в другой точке пространства r'. Странно, не правда ли?
Правильная запись уравнения имеет вид Рис., (2), где все функции определены в одной точке. Второй член справа есть вектор плотности обратного тока смещения j"см(r).
2. Токи смещения
Токи смещения играют важную роль в теории Максвелла – они порождают, как постулируется, вихревое магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает вихревое электрическое поле. Последнее приводит к появлению токов смещения, и – волна пошла в пространство. Но ток смещения в вакууме – это математическое поле, ведь в вакууме нет свободных зарядов. Поэтому, возникающее вслед за ним магнитное поле – тоже фикция, за которой нет никакого реального процесса.
Во II томе Берклиевского курса физики [2] Э.Парсел приводит любопытный анализ тока смещения в вакуумном конденсаторе: ток смещения в вакууме магнитное поле не создает. Напряженность магнитного поля в любой точке пространства внутри и вне конденсатора определяется суперпозицией полей от двух «полутоков» проводимости – втекающего в одну пластину конденсатора и вытекающего из другой.
Аналогичный результат получил несколько позже и В. Задорожный из Харькова [3]: «... проведенные мною опыты показывают отсутствие, как магнитного поля, так и самого тока смещения в вакууме. Это невероятно, но очевидно! Вывод об отсутствии магнитного поля тока смещения в вакууме, возможно, и противоречит некоторым положениям современной теории, но вовсе не противоречит основным законам природы».
Доказательство того, что ток смещения не соэдаёт магнитное поле, нуждается в серьёзной перепроверке. Однако сомнений в этом, практически никаких нет – ведь магнитное поле, как это убедительно теоретически доказал Ритц, есть только лишь плод пылкого воображения.
3. Проблемы с векторным потенциалом
При решении конкретных практических задач основное уравнение электромагнитной индукции в интегральной форме Рис., (3) находится в удовлетворительном согласии с экспериментом только при определении результирующей ЭДС в замкнутом контуре, между тем как предсказываемое этим уравнением распределение вихревого электрического поля Е индукции вдоль отдельных сторон этого контура находится в явном противоречии с опытом [4].
Еще проблема: контур пронизывается магнитным потоком летящего мимо него заряда, но в ЭДС в контуре не возникает (Рис., (4)).
С другой стороны, известны ещё и другие методы определения вихревого электрического поля индукции Е в рамках формализма векторного потенциала, см. Рис., (5). При равномерном и прямолинейном движении заряда мимо контура dA/dt=0, а, значит, и Е равны нулю, как и должно быть.
Формализм поля векторного потенциала А применим и для описания ЭМИ в проводниках вне сердечника трансформатора, когда dH/dt = 0, dA/dt;0. Следовательно, формализм поля векторного потенциала А в значительно большей степени соответствует экспериментальным наблюдениям, чем максвелловский формализм магнитного поля.
Классическая физика не дает однозначного ответа на вопрос о природе А – это физическое или математическое поле? Не равному нулю значению магнитного поля Н всегда соответствует не равное нулю значение потенциала А, но не равному нулю значению векторного потенциала А в рассматриваемом пространстве не всегда соответствует не равное нулю значение магнитного поля Н. Поле Н идентифицируется движущимся зарядом, для А аналогичного инструмента нет. Нет и общеизвестных способов регистрации поля А.
Более того, поле А сопоставляется полю Н с точностью до градиента от скалярной функции, что делает бессмысленным вопрос о физической сущности поля векторного потенциала А. Произвол в выборе А допускается, в общем, и в квантовой механике, что еще более подчеркивает формальную, нефизическую сущность векторного потенциала. Как в классической электродинамике, так и в квантовой механике укоренилось представление о том, что физическую значимость может имеет только rot A. Самому А отводится вспомогательная и второстепенная роль, а всякая физическая значимость divA вообще исключается.
Общепринято считать, что если известно само физическое магнитное поле Н, то нет необходимости обращаться к помощи "формального" векторного потенциала А. Однако сам факт того, что в волновом уравнении Шредингера появляется только "формальный" векторный потенциал А, был очевиден с момента написания этого уравнения.
Попытки заменить формальный потенциал А в уравнении квантовой механики физическим полем Н оказались безрезультатными. Но тогда волновая функция, например, любого движущегося в поле А заряда должна отражать взаимодействие этого заряда с полем. В 1956 г. Ароновым и Бомом впервые была предложена методика экспериментальной проверки эффекта [5]. Предполагалось обнаружить зависимость фазы волновой функции движущегося заряда от поля А при полном отсутствии в этом пространстве Н. Положительные результаты экспериментов соответствовали только однозначной величине потенциала А, сопоставляемой с однозначными же параметрами элементарного тока.
Более точный эксперимент, был проведен японскими физиками [6], которые использовали в опыте сверхминиатюрный тороидальный намагниченный магнитопровод, в пространстве около которого практически полностью отсутствовали обычные магнитные поля.
Таким образом, реальность существования поля векторного потенциала А и однозначность его величины можно считать экспериментально доказанными. Можно считать также, что существует и однозначное взаимодействие поля векторного потенциала с движущимся в нем электрическим зарядом. Правда, конкретная физика этого взаимодействия остается пока неизвестной. Но как же быть тогда с произволом в выборе векторного потенциала, используемым при решениях уравнений Максвелла? Как быть с самим формализмом магнитного поля? см. [5, 7-11].
Укоренившиеся формальные представления о магнитном поле и магнитном потоке приводят еще и к ряду других серьёзных трудностей и противоречий [12-15], Эти противоречия и парадоксы в современной электродинамике обнаруживаются как в экспериментах, так и в основах современной теории электромагнетизма.
4. Электродинамика без магнитного поля
В свое время некоторые учёные (например, Ампер, Гроссман, Гаусс, Ленц, Нейман, Вебер, Риман) считали, что любые магнитные взаимодействия можно свести к обычным взаимодействиям токовых элементов (Рис., (6)) или движущихся зарядов e1 и e2 (Рис., (7)). Скорость распространения электрических возмущений в физическом вакууме конечна, и движение заряда в физическом вакууме приводит к появлению эффектов запаздывания и деформации электрического поля Е – кулоновская сила взаимодействия между движущимися зарядами не остаётся неизменной.
Другая, ошибочная точка зрения Максвелла на эти процессы взаимодействия: реальное пространство абсолютно пустое, а скорость распространения электрических возмущений в нем бесконечна и электрические поля E1 и E2 движущихся зарядов никакой деформации не подвержены. В этом случае кулоновские взаимодействия между движущимися зарядами должны остаться неизменными. Ошибка Максвелла была вызвана тем, что он распространил действие теорема Гаусса и на движущиеся зарядов.
Сторонники укоренившихся в электродинамике представлений могут здесь возразить, что в современной электродинамике учитываются как конечность скорости распространения света, так и запаздывающие потенциалы. Однако, эти факторы учитываются лишь при определении электрического поля движущегося заряда вне связи его с другими полями и зарядами, но при рассмотрении взаимодействия электрического поля этого же движущегося заряда с другими электрическими полями или зарядами о них почему-то забывают.
При использовании дифференциальных соотношений электродинамика Максвелла потеряла возможность установить ещё один вид магнитного поля – продольный. В её границах движущиеся по одной прямой заряды взаиодействуют лишь по закону Кулона, между тем как с учётом эффектов запаздывания можно рассчитать возникающие при этом дополнительные магнитные силы [16, 17]. Возможность магнитного взаимодействия движущихся по одной прямой электрических зарядов электродинамика Максвелла допускает лишь при использовании интегральных зависимостей для магнитных полей.
Аналогичные доказательства можно привести и в рамках формализма поля векторного потенциала, принимая во внимание не равное нулю значение энергии взаимодействия одного движущегося заряда с векторным потенциалом другого [19]. Возможность существования продольных сил взаимодействия между движущимися по одной прямой электрическими зарядами рассматривается и в рамках новых подходов в электродинамике [20-25].
Несмотря на ошибочные представления о магнитном поле, электродинамика Максвелла за более чем вековой период своего господства сыграла определенную положительную роль в общем научном прогрессе. Однако каковы были бы результаты этого прогресса, если бы в свое время восторжествовала более реалистическая точка зрения на электрические взаимодействия, в настоящее время просто невозможно вообразить.
Пройденный в электродинамике путь во многом придется пройти заново, но конечно же уже новыми путями. В новой теории электромагнетизма следует учесть гравитационное поле Земли, определяющее также и состояние связанного с ним физического вакуума [26-33].
Источники информации
1. Г.В. Николаев. Современная электродинамика и причины её парадоксаьности. Перспективы построения непротиворечсивой электродинамики. Теории, эксперименты, парадоксы. Изд. второе, дополн. Томск, 2003.
2. Берклеевский курс физики: Для физ. спец. вузов в 5 т. Т.2: Парселл Э. Электричество и магнетизм: Пер. с англ. 3-е изд., испр. – М.: Наука, 1983. 415 с.
3. Ток смещения и его магнитное поле.
4. Николаев Г.В. IV. Обоснование реальности существования аксиального магнитного поля движущегося заряда/ Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". — Томск, 1979. — Деп. в ВИНИТИ, рег. № 528-79.
5. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике, кн. 6. – М.: Мир, 1977. – С. 15 — 30.
6. Наблюдение эффекта Аронова-Бома. Природа. 7/1983, с. 106.
7. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники, Т.2. – Л.: Энергия, 1975. – С. 270-276.
9. Данос М. Эффект Аронова- Бома, квантовая механика электрического трансформатора. Физика за рубежом. Сер. Б. – М.: Мир, 1984. – С. 100—105.
10. Родимое Б.Н. К теории эффекта Аронова-Бома. – Деп. в ВИНИТИ, рег. № 2931-80.
11. Солунин А.М. Электродинамика и эффекты векторного потенциала. – Деп. в ВИНИТИ, рег. № 5416-85.
12. Николаев Г.В. 1. Токи смещения и радиальное магнитное поле движущегося заряда. Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". – Томск, 1979. – Деп в ВИНИТИ, рег. № 3487-78.
13. Николаев Г.В. IV. Обоснование реальности существования аксиального магнитного поля движущегося заряда. Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". – Томск, 1979. – Деп. в ВИНИТИ, рег. № 528-79.
14. Николаев Г.В. II Токи смещения и радиальное магнитное поле линейного тока. Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". – Томск, 1979. – Деп. в ВИНИТИ, рег. № 3488-78.
15. Николаев Г.В. V. Система уравнений для аксиального и радиального ( векторного) магнитных полей движущегося заряда. Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". – Томск, 1980. – Деп. в ВИНИТИ, рег. № 2664-80.
17. Николаев Г.В., Окулов Б.В. Об инерционных свойствах электронов. Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". – Томск, 1978. – Деп. в ВИНИТИ, рег. № 4399-77.
18. Николаев Г.В. XI. Электродинамические явления при движении заряда в физическом вакууме. – Подготовлено для депонирования.
19. Тамм И.Е. Основы теории электричества. – М.: Наука, 1976. – С. 78 – 83,230,233,370,400.
20. Ампер А.М. Электродинамика. – М: АН СССР, 1954.
21. Алешинский В.Г. К вопросу о формуле электродинамического воздействия токовых элементов. Изв. вузов. Электромеханика. – 4/1980. С. 431-434.
22. Синельников Е.М., Синельников Д.Е. Пондеромоторное взаимодействие двух элементарных тел в квазистационарном магнитном поле. Изв. вузов. Электромеханика. – № 1/1976. – С. 13-18.
23. Синельников Д.Е., Синельников Е.М. Формулы для определения силового взаимодействия токовых элементов. Изв. вузов. Электромеханика. №3/1978. –
С. 227- 235.
24. Гейд В. В. Конформный вариант уравнений Максвелла и Лоренца. – Новосибирск, 1985. Препринт СО АН СССР № 588.
25. Солунин А.М. К-электродинамика. Межвузовский сборник ИвГУ, Иваново, 1982. –
Деп. в ВИНИТИ, рег. № 3908-82.
26. Николаев Г.В. Законы механики и электродинамики околоземного пространства. Кн. 1. – С. 541 (НИР. – Гос. регистр. № 74007254, Б324555отУ. 1974г.).
27. Николаев Г.В. Границы применимости классической и релятивистской электродинамики в околоземном пространстве. Кн. 2. – С. 164 (НИР. – Гос. регистр. № 74007254, Б340882 от X. 1974 г.). – Деп. в ВИНИТИ, рег. № 3908-82.
28. Николаев Г.В. О законах электродинамики и оптики во вращающихся относительно Земли системах отсчета. Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". – Томск, 1975. – Деп. в ВИНИТИ, рег. № 2911-74.
29. Николаев Г.В., Окулов Б.В. К вопросу об экспоненциальном обосновании принципа относительности. Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". – Томск, 1975. – Деп. в ВИНИТИ, рег. № 3064-74.
30. Николаев Г.В. Парадокс Фейнмана и асимметрия лабораторной и движущейся систем отсчета. Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". – Томск, 1975. – Деп. в ВИНИТИ, рег. № 1937-75.
31. Николаев Г.В. Эффект Холла и асимметрия лабораторной и движущейся систем отсчета. Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". – Томск, 1975. – Деп. в ВИНИТИ, рег. № 2507-75.
32. Николаев Г.В. Об ограниченности методов классической и релятивистской электродинамики в условиях на поверхности Земли. Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". – Томск, 1976. – Деп. в ВНИТИ, рег. № 3277-75.
33. Николаев Г.В. О проверке фундаментальных соотношений на ИСЗ. Ред. журн. "Изв. вузов. Физика". – Томск, 1976. – Деп. в ВИНИТИ, рег. № 3429-75.