Баллистическая теория Ритца и картина мироздания
Шрифт:
Электродинамику Максвелла предпочли исконной веберовской ещё и потому, что он рассматривал электромагнитные явления в средах, Вебер же говорил лишь о взаимодействии в пустоте. Вдобавок электродинамику сред проще изучать в рамках полевого, эфирного подхода, на языке физики сплошных сред, к которым относили эфир. Но, как показал Лоренц в своей электронной теории, все выводы электродинамики Максвелла для диэлектриков, металлов, преломляющих сред, получаются и в прежнем описании элементарных взаимодействий зарядов в вакууме. Надо лишь представить среду совокупностью зарядов (электронов и ионов), смещаемых и колеблемых под действием внешних источников, тем самым порождая вторичные воздействия и волны, которые налагаются на исходные и потому преобразуют их. Так что и здесь концепция Ритца — логичней максвелловой, вводящей для каждой среды свои свойства эфира. Впрочем, учёные во главе с Лоренцем пытались встроить электронную теорию, отрицающую особую роль среды, — в максвеллову, хотя куда естественней она вписывалась в электродинамику Вебера.
Объясняет Ритц и электромагнитные волны, давшие признание электродинамике Максвелла (§ 1.11). Как показал Ритц, электромагнитные волны получались и в электродинамике Вебера, причём много проще. Если Максвеллу требовались нескончаемые превращения электрического и магнитного поля для распространения
Физики, однако, боготворят Максвелла и его уравнения. Восхищение уравнениями Максвелла доходит до того, что их обожествляют, словно в них заключена вся мудрость природы, и всё из них следует. А между тем эти уравнения построены чисто формально, как произвольные обобщения эмпирически открытых законов. Так, первое уравнение Максвелла rot H= D/t+ jи четвёртое уравнение div B=0 — это всего лишь обобщения известных законов Био-Савара-Лапласа и Ампера, позволяющих найти величину магнитного поля проводника с током. Второе уравнение Максвелла rot E=- B/t — это просто обобщённый закон электромагнитной индукции Фарадея [88]. Наконец, третье уравнение div D= — это, опять же, не более чем обобщение закона Кулона, задающего электрическое поле Dзаряда, и теоремы Остроградского-Гаусса. Иногда утверждают, что Максвелл, кроме обобщения этих известных законов, сделал важное и даже гениальное добавление — открыл ток смещения ( D/t — плотность этого тока), который, как следует из первого уравнения, создаёт магнитное поле H, подобно току проводимости ( j— его плотность).
А на деле всё это следовало из тех же законов Био-Савара и Ампера. Рассмотрим первое уравнение в интегральной форме L H dl= d/dt S D ds +I. Оно читается так: "циркуляция вектора Hпо замкнутому контуру Lравна изменению по времени потока вектора Dчерез поверхность S, ограниченную контуром L, плюс ток проводимости Iчерез эту поверхность". Возьмём контур Lв виде кольца, а на оси кольца, перпендикулярной его плоскости S, разместим элемент тока, не пересекающий эту плоскость, то есть, в уравнении I=0. Но согласно закону Био-Савара на кольце Lвсё равно индуцируется магнитное поле H, направленное вдоль линии контура L, то есть имеющее отличную от нуля циркуляцию. Потому Максвелл был вынужден добавить в правую часть уравнения ток смещения d/dt S D ds, дабы учесть предсказанное законом Био-Савара и Ампера влияние элементов тока, не пересекающих площадку S. Ток — это движение зарядов, которое ведёт к изменению созданного зарядами потока поля Dчерез поверхность S: если элемент тока направлен к кольцу, то заряды приближаются и созданный ими поток Dнарастает, отчего и создаётся магнитное поле на контуре L. То есть максвеллов ток смещения — это не более чем удобный эквивалент токов проводимости, не пересекающих S, то есть напрямую неучтённых в его уравнении.
С этой точки зрения первое уравнение Максвелла оказывается просто отражением давно известного закона сохранения заряда: нарастание потока созданного зарядами поля Dчерез замкнутую поверхность Sсоответствует притоку через эту поверхность зарядов (то есть электрическому току) [88]. Всё это ещё раз доказывает, что максвеллов ток смещения — это фикция [96], а уравнения Максвелла — это лишь удобное обобщение давно найденных законов электродинамики. Физики считают, что именно этим-то обобщением уравнения Максвелла и замечательны, ибо выражают гораздо больше открытых эмпирически законов Кулона, Ампера и Фарадея. Но, как показал Ритц, именно в силу своей чрезмерной общности уравнения Максвелла часто допускают физически невозможные решения. Истинная же электродинамическая теория должна давать единственное, причём физически верное решение. Поэтому Ритц критиковал электродинамику Максвелла и особенно его уравнения в частных производных, имеющие множество физически недопустимых решений [8]. Ритц считал, что такого рода уравнения должны быть изгнаны из фундаментальных законов Природы.
В баллистической теории Ритца воздействия находится не аналитическим, а синтетическим путём: не из дифференциальных уравнений, а как результат интегрирования элементарных воздействий. Поэтому теория Ритца даёт всегда единственное и, при том, — верное решение. Как видели, БТР легко и естественно объясняет законы Кулона, Ампера и Фарадея — то есть она полна и исчерпывающе объясняет всё то, на чём основаны уравнения Максвелла. При этом теория Ритца не нуждается в абстрактных понятиях электрического и магнитного полей, играющих столь важную роль в электродинамике Максвелла. В теории Ритца речь идёт непосредственно о воздействии. Именно поэтому электродинамику Ритца называют ещё
Впрочем, заданные в каждой точке пространства распределения реонов и ареонов по концентрации и скорости их потока в принципе в какой-то мере эквивалентно прежнему понятию поля. Ведь в каждой точке воздействие на ток или на заряд определяется именно этим распределением. Но, в этом случае, мы уже не говорим о поле как о некой абстрактной физической материи. В БТР поле имеет чисто математический смысл, а не смысл особого рода материи. Исконно именно так и вводили поле в математике и физике. Скажем, в аэродинамике поле скоростей, давлений, температур — это всего лишь пространственные распределения данных характеристик. Так же и в электродинамике поле исконно характеризовало лишь пространственное распределение электрических сил, действующих на пробный единичный заряд. Лишь потом физики стали приписывать полю самостоятельный физический смысл, что, разумеется, — неверно. Примерно так же нереальны силовые линии поля, — это чисто математические образы, введённые для удобства описания. Интересно отметить, что Максвелл и Фарадей, подобно полю, считали реальными объектами и силовые линии. Ясно, что при таком подходе они и не могли построить правильную электродинамику. Таким образом, именно Фарадей и Максвелл направили классическую физику по ложному пути, уведя её от наглядных механических моделей и электродинамики Гаусса-Вебера. Теория относительности, да и квантовая механика были лишь следствием, дальнейшим развитием абстрактно-аналитического пути Максвелла.
Итак, если в дальнейшем мы и будем время от времени употреблять термин "электрическое поле", то лишь в математическом смысле, имея в виду силу, действующую на единичный покоящийся заряд. Также для удобства мы будем в расчётах пользоваться привычными всем обозначениями полей B и E и формулами для них, имея в виду, что те же величины воздействий получаются и в баллистической бесполевой теории Ритца. Лишь из стремления не затруднять читателю понимание дальнейших глав книги, мы будем пользоваться принятыми в электродинамике обозначениями и способами расчёта. Точно так же мы до сих пор пользуемся, например, формулами термодинамики, говорим о давлении, температуре газа, потоке тепла, хотя эти характеристики по сути лишь математически построенные абстракции, характеризующие движение частиц, молекул газа. И возникли эти абстрактные понятия в те времена, когда учёные не имели представления о молекулярно-кинетической теории. Однако понятия давления и температуры оказались весьма удобными макроскопическими статистическими характеристиками газа как ансамбля частиц. Говорить о давлении и температуре газа проще, чем рассматривать микроскопические величины — скорости и координаты отдельных молекул. Так и мы зачастую будем пользоваться привычными понятиями полей, дабы избежать сложного анализа на основе распределения в пространстве реонов и ареонов. При этом, как показал Ритц, знание величины поля, являющейся макроскопическим статистическим параметром, часто недостаточно для определения воздействия, так же, как знание пространственного распределения давления газа ещё недостаточно для нахождения силы давления газа на пластинку, — эта сила зависит также от скорости пластинки в газе и угла атаки (наклона пластинки к потоку).
Электродинамические теории Ампера, Вебера и Гаусса сами по себе были достаточно удачны, поскольку сводили магнитные воздействия к электрическим. Однако, там возникали проблемы при объяснении электромагнитных волн, электродинамических воздействий, особенно в средах. Вдобавок не было механизма, объяснявшего электрические и магнитные силы. Электронная теория Лоренца была первым шагом к упразднению эфира и теории Максвелла. Ведь Лоренц свёл электродинамику сред к электродинамике вакуума, по сути, — к электродинамике Вебера и Гаусса, достаточно лишь было принять, что среда представляет собой набор электронов и ионов, которые создают собственные поля, налагающиеся на внешние и тем самым влияющие на поле в среде. Следующим шагом была ритцева баллистическая модель, предложившая механизм взаимодействия неподвижных и движущихся зарядов, а также позволившая наглядно объяснить электромагнитные волны. Теории Ритца и Лоренца стали для электродинамики тем же, чем была молекулярно-кинетическая теория (МКТ) для термодинамики с аэродинамикой. Термодинамика и электродинамика Максвелла — это чисто феноменологические теории, устанавливающие связь между внешними экспериментально измеримыми характеристиками (давлением, температурой в термодинамике, электрическим и магнитным воздействием в электродинамике). А молекулярно-кинетическая теория дала термодинамике теоретическое обоснование, свела к наглядным, механическим основам, не только строго показав, КАК всё происходит, но и объяснив ПОЧЕМУ. Так же и теории Ритца, Лоренца объяснили законы электродинамики, исходя из наглядных механических моделей, дав, подобно атомистической теории, микроскопическое описание. Электрические и магнитные силы были истолкованы в баллистической электродинамике, подобно силам давления и вязкости в статистической термо- и аэродинамике, как удары микрочастиц, осуществляющих дистанционный перенос и обмен импульсов меж взаимодействующими объёмами.
Такое внутреннее, причинное (микроскопическое) объяснение не только более убедительно и наглядно, чем внешнее (феноменологическое) описание, но и более правильно, точно. Конечно, и феноменологическая электродинамика Максвелла успешно описывает широкий круг явлений, отчего её до сих пор применяют в расчётах. И это понятно, ведь эфирная теория Максвелла-Фарадея, построенная полуэмпирически, специально подгонялась под этот круг явлений (так же как теория Птолемея-Аристотеля с её космическими эфирными шестерёнками и эпициклами — под видимое движение небесных тел). Но зато вне этого круга теория уже не работала, ибо не раскрыла реальный внутренний механизм явлений. Поэтому, когда круг явлений расширился, электродинамика Максвелла стала давать одну осечку за другой. Равно как эмпирические законы аэродинамики оказались непригодными на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях, так же и электродинамика Максвелла отказала на околосветовых и сверхсветовых скоростях. Уже на космической скорости Земли V=30 км/с в опыте Майкельсона открылись необъяснимые теорией Максвелла расхождения порядка V 2/с 2. Ещё заметней были отклонения от предсказаний теории Максвелла в опыте Кауфмана, где электроны двигались с околосветовой скоростью (§ 1.15). Но зацикленные на теории Максвелла учёные, стремясь спасти её любой ценой, выдумали теорию относительности, словно очередной эпицикл в теории Птолемея, призванный согласовать наблюдения с теорией. И только Ритц, идя путём Коперника, построил БТР, вскрывшую внутренние механизмы явлений, а потому сходу предсказавшую все эффекты околосветовой электродинамики, подобно МКТ, позволившей понять законы околозвуковой и сверхзвуковой аэродинамики.