Физика ХХ века показала нам, что каждый объект содержит в себе противоречия. С одной стороны, каждый предмет обладает свойствами корпускулы, с другой стороны, — свойствами волны. Первым, кто высказал эту, противоречащую нашему повседневному опыту, мысль, был Луи Виктор де Бройль – потомок французских королей и нобелевский лауреат. Он предположил, что не только луч света, но и все тела в природе должны обладать и волновыми, и корпускулярными свойствами одновременно. Поэтому, кроме световых волн и корпускул материи, в природе должны реально существовать и корпускулы света, и волны материи. Вскоре физики пришли к выводу, что действительно все тела в природе обладают одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами, и свойства эти – лишь различные проявления единого корпускулярно-волнового дуализма.
В предыдущей главе было предложено термин «корпускулярно-волновой дуализм» заменить термином «корпускулярно-квантовый дуализм», а так же были определены условия, при которых корпускула превращается в квант, а квант – в корпускулу. Условия эти вытекают из второго закона Ньютона. Если во втором законе Ньютона допустимо массу рассматривать, как величину постоянную, а переменной считать только скорость, то можно утверждать, что перед нами корпускула – частица вещества. Если же имеет место, в соответствии с законом Гегеля, перетекание массы в скорость и обратно, т.е. и масса, и скорость есть величины переменные, то мы имеем дело с процессом, в котором корпускула вещества превращается в квант поля, а квант поля вновь превращается в корпускулу вещества.
Принято материю, как объективную реальность, существующую вне и независимо от человеческого сознания, делить на два основных вида: вещество и поле. Вещество – это совокупность дискретных образований, обладающих массой покоя: молекулы, атомы, ядра атомов и т.п., объединенных общим термином «корпускула». Поле – это совокупность дискретных образований, не обладающих массой покоя: гравитон, фонон, фотон, глюон и т.п., объединенных общим термином «квант». Из определения следует, что квант находится в постоянном движении. Но так как опыт свидетельствует, что поля могут быть стационарными, т.е. фиксированными в определенной области пространства, то следует вывод, что кванты находятся в постоянном движении, и в то же время движение это может осуществляться в строго ограниченной области пространства. Наилучшей моделью такого пространства является модель абсолютно черного тела.
Модель абсолютно черного тела возникла из того факта, что законы теплового излучения зависят от вещества нагреваемого тела. Например, если нагреть до одной и той же температуры два шара, каменный и стальной, то мы увидим, что каменный светится гораздо ярче, чем стальной, т.е. энергия излучения зависит не только от температуры, но и от того вещества, из которого сделано нагреваемое тело. Однако вскоре было замечено, что если шар сделать полым и производить измерения посредством небольшого отверстия, выполненного в шаре, то спектральная функция, характеризующая данное излучение, будет зависеть только от частоты излучения и его температуры. Внутри полого шара устанавливается термодинамическое равновесие между излучением и стенками полости, и вещество перестает влиять на спектр излучения. Почему?
К сожалению, современные представления на протекание процесса внутри абсолютно черного тела ничуть не изменились по сравнению с тем периодом, когда эта модель была создана. Так, в одной из книг, посвященной изучению закона распределения спектральной функции, находим: «Модель абсолютно черного тела – это полый шар, внутренняя стенка которого представляет собой зеркальную поверхность. В стенке шара выполнено небольшое отверстие, через которое в полость попадает изучаемое излучение. Луч, попавший внутрь, начинает путешествовать внутри полости, понемногу теряя свою энергию при каждом отражении, пока совсем не затухнет, так и не выбравшись наружу. А нам это и надо: это и значит, что излучение поглотилось полностью».
И сразу возникают два вопроса. Во-первых, зачем нам надо, чтобы излучение поглотилось? Если излучение поглотится, тем более, полностью, тогда что мы собираемся изучать? Во-вторых, если нам нужно полное поглощение, зачем выстилать внутреннюю стенку зеркальной поверхностью? Зеркало характерно тем, что хорошо отражает излучение, а не поглощает. Логично предположить, что если мы строим модель абсолютно черного тела, то и зеркальная поверхность должна быть абсолютной или идеальной, т.е. идеально отражающей излучение. Луч, попавший в абсолютно черное тело, остается там на вечные времена, бесконечное число раз отражаясь от внутренней поверхности полости и, тем самым, приводя излучение и стенку полости к состоянию термодинамического равновесия.
Термодинамическое равновесие – это такое состояние системы, в котором она остается неизменной во времени, и которое характерно отсутствием переноса через систему вещества и энергии. Иными словами, отсутствие в системе какого-либо макроскопического движения и характеризует состояние термодинамического равновесия. Если каждую из всех траекторий луча выполнить в виде маятника Ньютона, который и будет являться проводником луча-импульса, то мы и получим систему, находящуюся в термодинамическом равновесии. Ведь для макроскопического наблюдателя никакого движения в маятнике Ньютона не происходит, и в то же время внутреннее состояние каждой корпускулы, составляющей тело маятника, беспрерывно видоизменяется. В полном смысле этого слова, мы имеем абсолютное отсутствие макроскопического движения (термодинамическое равновесие), но которое постоянно поддерживается благодаря наличию движения на микроскопическом уровне. Однако по-прежнему непонятно, почему излучение, когда мы его наблюдаем через маленькую дырочку, сделанную в полом шаре, перестает, при нагревании шара, зависеть от материала этого шара? И разобраться в этом нам помогут уравнения Максвелла.
В 60-х годах XIX в. Джеймс Максвелл, развивая гипотезу Майкла Фарадея о силовых линиях, создал теорию электромагнитного поля. Максвелл высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Согласно представлению Максвелла контур, в котором появляется ЭДС, играет второстепенную роль, являясь своего рода лишь прибором, обнаруживающим это поле. Максвелл приходит к выводу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, и, обратно, всякое изменение электрического поля возбуждает в пространстве вихревое магнитное поле. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им вихревым электрическим полем, а переменное электрическое поле – с порождаемым им вихревым магнитным полем. Казалось бы, подобная трактовка возникновения электромагнитной волны полностью подтверждает существование закона Гегеля.
Два поля, приведенные к состоянию динамического взаимодействия, когда вихревое электрическое поле переходит в вихревое магнитное поле и обратно, проявляя при этом свойства диалектических противоположностей, в полном соответствии с законом Гегеля, создают единство, способное к самодвижению. Представления эти хорошо вписываются в закон Гегеля, тем самым объясняя механизм возникновения и движения электромагнитной волны, но они не могут обосновать явление электромагнитной индукции, из чего, собственно, и выросла сама теория электромагнетизма.
Дело в том, что причину движения зарядов в проводнике определяют движением электрического поля. Но электрическое поле, впрочем, как и магнитное, является стационарным. Еще никому не удалось электрическое поле оторвать от зарядов. Как свидетельствует опыт, не заряды движутся вслед за полем, а всегда поле движется вслед за зарядами. Однако открываем справочник и находим.
«Электрический ток в металле – это направленное движение электронов. Двигаться электроны заставляет электрическое поле, создаваемое источником питания. И так как электрическое поле представляет собой одну из компонент электромагнитного поля, следовательно, оно распространяется со скоростью света».
При этом как-то упускается из виду, что, мы имеем дело с двумя принципиально различными источниками питания: аккумулятором и генератором. Если в цепи с аккумулятором ток проводимости действительно возникает при непосредственном воздействии, первоначально созданного, электрического поля, то в цепи с генератором все обстоит как раз наоборот. В цепи с генератором сначала рождается ток проводимости и только после этого может появиться электрическое поле, и то лишь при разрыве цепи. И что уж совсем недопустимо, потенциальное электрическое поле, созданное аккумулятором, отождествляется с вихревым электрическим полем, созданным генератором. Обратимся же к первоосновам, к тому моменту, когда человек впервые создавал вихревое электрическое поле, а не переводил всего лишь из состояния потенциального электрического поля в состояние вихревого электрического поля, как это происходит при разряде. Это произошло 17 октября 1831 года. Вот как этот эксперимент описывается в популярной книге В. Карцева «Приключения великих уравнений».
«Эксперимент триумфальный – 17 октября. Фарадей заранее знает, как это будет. Опыт удается блестяще.
«Я взял цилиндрический магнитный брусок (три четверти дюйма в диаметре и восемь с четвертью дюйма длиной) и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки (220 футов длиной), соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я так же быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался».
Секрет в движении магнита! Импульс электричества определяется не положением магнита, а движением!». (Вл. Карцев «Приключения великих уравнений», стр. 135).
Именно, весь секрет в движении. Согласно закону Гегеля, две диалектические противоположности, заключенные в единство, рождают движение. Фарадей, заставив двигаться одну из диалектических противоположностей – потенциальное магнитное поле, создал вторую диалектическую противоположность – вихревое электрическое поле. Рожденное в лаборатории электрическое торнадо со скоростью, близкой к скорости света, устремилось вдоль по проводнику. Это событие Максвелл записывает в форме второго уравнения электродинамики.
«Изменение магнитной индукции во времени (в частных производных) порождает вихревое электрическое поле».
Очень хорошо. Казалось бы, перед нами открывается столбовая дорога. Увы, не тут то было. Не могу утверждать, но у меня сложилось ощущение, что первое уравнение электродинамики, в отличие от второго, записано не самим Максвеллом, а его последователями и комментаторами. Оно смотрится не только диссонансом на фоне красивейшей из теорий, но искажает саму суть теории, так сказать, ее идею. Следуя выводам Ампера и Фарадея, которые считали, и правильно считали, что каждый электрический ток окружен магнитным полем, в теорию вносится уравнение в следующем виде.
«Вихревое магнитное поле порождает индукционный ток».
И тут встает вопрос. Физическая природа магнитного поля, результатом изменения которого является появление вихревого электрического поля, и магнитного поля, порождаемого током проводимости, одна и та же или нужно их различать? Опыт свидетельствует, что эти поля идентичны друг другу. В таком случае они оба потенциальны и ни одно из них вихревым быть не может. Следовательно, уравнение в таком виде записывать нельзя, оно неверно. К тому же именно индукционный ток порождает круговое магнитное поле вокруг проводника, а не наоборот. Потенциальное магнитное поле может быть круговым, но это вовсе не означает, что оно стало вихревым. В главе четвертой мы останавливались на вкладе Г Гельмгольца в теорию гидродинамики. Напомню, он задался вопросом, возможно ли потенциальное движение, если частицы жидкости будут двигаться по круговым орбитам, и ответил на него утвердительно. Магнитное поле, рожденное током проводимости, являясь круговым, в то же время является и потенциальным. Уравнение, следствием которого является рождение индукционного тока должно выглядеть следующим образом.
«Вихревое электрическое поле порождает индукционный ток».
Это очень важно. Не вихревое магнитное поле, а вихревое электрическое поле порождает индукционный ток, которое в свою очередь порождается изменением во времени потенциального магнитного поля. А как же быть в таком случае с вихревым магнитным полем? Неужели его следует изъять из теории? Ни в коем случае. Вихревое магнитное поле несет на себе основную тяжесть идеи о существовании электромагнитного поля и фиксации его в лаборатории. Не будь вихревого магнитного поля, и не было бы ни приемников, ни телевизоров, ни компьютеров, ни спутников, ни зондов на другие планеты, и многое еще чего, что не смог бы создать человек. Без вихревого магнитного поля радиосвязь невозможна.
Формулируя систему уравнений для описания электромагнитных явлений, Максвелл столкнулся с тем, что первый закон Кирхгофа (уравнение непрерывности) не полностью отражает явление при рассмотрении переменной плотности зарядов внутри некоего объема. В этом случае следует учитывать увеличение (уменьшение) количества зарядов в данном объеме при вычислении потока вектора плотности тока проводимости через замкнутую поверхность, ограничивающую этот объем. Максвелл в уравнение непрерывности, наряду с током проводимости, вводит дополнительный член и называет его током смещения. Первый закон Кирхгофа предстал в более общем виде, а у электромагнитной индукции появился магнитоэлектрический аналог. Уравнения Максвелла обрели значительную симметрию, и все-таки до полного совершенства дело так и не дошло.
Исследуем простейший колебательный контур, катушка которого состоит из одного витка, а конденсатор представляет собой две рядом расположенные металлические пластины. Подключим контур к генератору переменного тока. По витку контура потечет переменный ток проводимости, а между пластинами конденсатора – равный ему ток, который Максвелл и назвал током смещения. Понятно, что между пластинами конденсатора ток проводимости отсутствует. И, несмотря на это, опыт свидетельствует, что в зазоре между пластинами возникает магнитное поле. Принято считать, что это магнитное поле создает ток смещения. Это – заблуждение. Не ток смещения создает магнитное поле, а вихревое магнитное поле создает ток смещения. Упорядочим нашу запись.
1. Переменное потенциальное магнитное поле создает вихревое электрическое поле. Вихревое электрическое поле создает индукционный ток.
2. Переменное потенциальное электрическое поле создает вихревое магнитное поле. Вихревое магнитное поле создает ток смещения.
Если индукционный ток есть поток электронов, то ток смещения есть поток монополей Дирака.
Известно, что уравнения классической электродинамики связывают движение заряженных частиц с вихревыми и потенциальными электрическими и магнитными полями. Сколько времени существуют уравнения, столько же времени физики проявляют неудовольствие имеющейся в них асимметрией относительно электричества и магнетизма. Полной симметрии мешает тот факт, что ученые до сих пор не могут обнаружить магнитные заряды. А может быть не там ищут?
Выше было показано, что уравнения, записанные в современном виде, не имеют права на существование. Они противоречат самой идее Максвелла о возникновении электромагнитных волн. Безусловно, в природе существуют и магнитные заряды, и магнитные токи, и каждое из этих явлений давно имеет свой термин: магнитный заряд – это монополь Дирака, а магнитный ток – это ток смещения.
К сожалению, следует констатировать, что последователи Максвелла несколько исказили его идеи, в том числе идею о токе смещения. Ведь до сих пор бытует мнение, что ток смещения создается непосредственно переменным электрическим полем. В таком случае первое уравнение Максвелла становится вообще излишним. Становится бессмысленным даже вводить в теорию вихревое магнитное поле. Ток смещения рождается не электрическим полем, а полем магнитным, причем, вихревым. Ток смещения и есть тот магнитный поток, который усиленно и давно разыскивается физиками. То, что физики вместо магнитного тока фиксируют возникновение электромагнитной волны, не опровергает, а лишь подтверждает, правда, косвенно факт рождения магнитного тока. Ведь и ток проводимости так же сопровождается излучением фотонов, накаляя проводник докрасна, при чрезмерной электрической нагрузке. Таким образом, мы имеем все основания записать следующее уравнение.
«Вихревое магнитное поле порождает ток смещения».
Как бы этого не хотелось, но нужно признать, что психика естествоиспытателя устроена несколько иначе, чем психика гуманитария. Естествоиспытатель, в отличие от гуманитария, не считает копание в своей душе достойным того, чтобы предъявить его публике. Ему важен результат, а не путь к нему, всегда связанный с тяжелым мучительным трудом, когда порой хочется биться головой о стену от кажущейся невозможности проникнуть в тайну природы. Ученые редко пишут мемуары. Мы лишь приблизительно можем представить себе тот путь, каким Максвелл шел к своим уравнениям. Для нас его мысли, победы и разочарования, радости и печали, зигзаги, крутые повороты и прямые участки остались за кадром. Последователи и интерпретаторы, не ведая об ухабах на том пути, имея перед глазами лишь готовый результат, непроизвольно представляют себе его в виде прямолинейной автострады. Всегда в любой теории есть вопросики, так сказать, мелкие выбоины на пути, оставшиеся неразрешенными первопроходцем. Но последователи на полном ходу проскакивают мимо, не замечая их. А ведь под мизерной выемкой может журчать ручеек, постепенно образуя промоину. И пока в эту промоину не свалится грузовичок, выбоинка так и остается незамеченной. Такие вот выемки имеются и в красивейшей теории, созданной гением Максвелла.
Самое главное, что сделал Максвелл – заострил наше внимание на том, что в явлении, которое мы называем «электричество», имеются два вида полей: потенциальные и вихревые. Но последователи и комментаторы, приглаживая его уравнения, этому факту почему-то не придали должного значения. То магнитное поле, которое создает и магнит, и ток проводимости, является полем потенциальным. Различие в этих полях заключается лишь в том, что в поле магнита пробный магнитик движется поступательно, а в поле, созданном током проводимости – по круговым орбитам. Характеризует вихревое поле не движение частицы по кругу, а отсутствие запрета на вращение частицы в этом поле. Ток проводимости и ток смещения – это разные токи и связывать их единым уравнением недопустимо.
Для полной симметрии электромагнитной теории нам осталось написать еще одно уравнение. Если из первого уравнения теории, как оно ныне существует, изъять индукционный ток, то оно будет выглядеть следующим образом.
«Изменение электрической индукции во времени (в частных производных) порождает вихревое магнитное поле».
Выпишем еще раз все уравнения Максвелла с учетом нашей коррекции:
1. «Изменение магнитной индукции во времени (в частных производных) порождает вихревое электрическое поле».
2. «Вихревое электрическое поле порождает индукционный ток».
3. «Изменение электрической индукции во времени (в частных производных) порождает вихревое магнитное поле».
4. «Вихревое магнитное поле порождает ток смещения».
Как видим, теория приобрела совершенную красоту и симметрию. Более того, из уравнений вытекает, что магнитные токи и, как следствие, магнитные заряды тоже существуют. Нам осталось выяснить, что представляют собой электрические и магнитные заряды, к чему мы и обратимся в следующей главе.
