Про трансформатор и бозоны
Посягну на святое. На трансформатор. Правда, посягну не я, и не на трансформатор, а на математику с физикой, и не сейчас, а много десятилетий назад, но факт имеет место быть.
Недавно восторженной публике объявили, что многолетние труды учёных увенчались фантастическим успехом, нечто похожее на бозон вроде бы замечено, и растроганные налогоплательщики всей европы, вытерев скупую слезу, могут гордиться, что в результате феерического распила бабла в международном масштабе таки удалось завершить создание стройной физической картины мира.
Я только не понял, плакать от таких новостей или смеяться?
Вспомнил про широко освещённый «трансформаторный» вопрос в сборнике «Будущее открывается квантовым ключом» (такую книжку нужно читать как ПУЭ, и если это делать не спеша, то иногда цепляет покруче любой худ. литературы). Что говорит наука по поводу нашего любимого трансформатора? Вот выдержки из одной длинной статьи оттуда (я оставил то, что явно относится к работе трансформатора и к радиоволне, и частично это уже упоминал раньше немного в другом контексте). Сноски я перенёс в текст и выделил уменьшенным шрифтом:
Р.Ф.Авраменко, Л.П.Грачев. В.И.Николаева
ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ И БИОЭНЕРГЕТИКА
Электропунктура и проблемы информационно-энергетической регуляции деятельности человека/ Сборник статей. М.: ЦНИИЭНТИ Минугольпрома СССР, 1976. С.186-214.
[...]
4. Впрочем, необходимо отметить, что здание современной фундаментальной физики кажется стройным и почти закончен только на уровне вузовских и университетских учебников и монографий типа [13, 6, 43].
Локальные характеристики поля E и H в вакууме по Максвеллу должны удовлетворять дифференциальным уравнениям
rotE = -1/c ∂H/∂t (2)
rotH = 1/c ∂E/∂t (3)
при дополнительных условиях
divH = 0 (4)
divE = 0 (5)
(в отсутствии зарядов), причем
H = rotA (6)
Описание закономерностей наблюдаемой природы простейшими дифференциальными, релятивистски ковариантными уравнениями, связывающими явления только в соседних точках пространства-времени, конечно, является притягательным для теоретической физики XX века, со времен Эйнштейна силовым приемом исключившей саму возможность рассмотрения свойств среды (эфира, вакуума) как арены, на которой разыгрываются наблюдаемые физические явления (В духе известного решения Французской Академии о невозможности падения камней с неба).
Однако решающим обстоятельством для суждения о том, возможно ли описать фундаментальные закономерности Природы только дифференциальными уравнениями, является, конечно, эксперимент.
[...]
7. Особо подчеркнем, что за всю историю изучения электромагнетизма измерения локальных характеристик так называемого электромагнитного поля практически не проводилось (В известных работах проф. Хвольсона [36], взявшего на себя огромный труд по систематизации всех физических знаний, накопленных к 1910-1920 гг., приводятся сведения всего о 4-х малоизвестных экспериментах, поставленных для измерения и обнаружения индукционного электрического поля. Эксперименты, выполненные О.Lodge (1889) и P.E.Wolf (1899 г.), дали неопределенные результаты. Cremien (1900) из своих опытов вывел заключение, что электрического поля переменного магнитного поля не существует. И только К.Henrich (1910г.), казалось бы, показал наличие Е от переменного Н. Как видно, опыты (использующие электромеханические датчики), дали либо неопределенный, либо отрицательный результат, что отмечали и сами авторы и проф. Хвольсон).
Во всех широко известных опытах и в их технических приложениях, составляющих основу современной техники - электромоторах, генераторах, трансформаторах, системах радиосвязи и радиолокации и др. - наблюдаемые эффекты существенным образом определяются геометрией материальных тел (в первую очередь проводников), используемых в этих опытах и установках.
В простейшем случае электромагнитной индукции (Экспериментально установленное Фарадеем в 1830-1840 гг. и широко используемое в технике явление электромагнитной индукции полностью заключается в следующем. На концах разомкнутого провода можно создать разность потенциалов тремя способами: - двигая провод вблизи магнита; - двигая магнит вблизи провода; - меняя ток в соседнем проводе. Во всех этих случаях, если проводник замкнут, то может быть замерен циркулирующий по нему переменный ток) измеряется ЭДС и ток в замкнутом контуре в целом, т. е. интегральные характеристики процесса при данной геометрической форме материальных тел, а не та ЭДС и напряженность поля, которая, согласно соотношению rotE = -1/c ∂H/∂t, должна была бы иметь место в каждой данной точке (малой области) рассматриваемого контура. (Нетрудно убедиться, что в радиосвязи и в радиолокации приемная система также не измеряет напряженность поля в точке приема - измеряется величина высокочастотного тока, циркулирующего через контур металл (скажем, диполя) + емкость между элементами антенны (плечами диполя). Отметим, что известен и следующий парадокс приемных антенн: на границе металл-вакуум тангенциальная составляющая Е равна нулю, а для расчета ЭДС приходится умножать на действующую длину диполя напряженность поля, имевшуюся в отсутствие приемной антенны [17, 18]!)
Отметим, что применяемые обычно в технике датчики, по существу, измеряют вторичное поле E, или вызываемый им ток, создаваемый за счет разделения зарядов в проводнике датчика. Действительно, в настоящее время для измерения параметров электромагнитного поля в конечном счете применяются датчики либо в виде петли, либо в виде штыря. При этом методе измерения нет возможности отделить исходное поле от вторичного.
8. Для измерения локальных характеристик поля необходимо использование датчиков, априори не нарушающих существенно ожидаемую структуру и количественную величину поля в окрестностях датчика. Этому требованию применительно к E не удовлетворяет, например, дипольная приемная антенна. Известно, что для измерения локальных характеристик электрического поля проще всего использовать либо точечный неподвижный заряд, либо емкостной датчик типа тонкого плоского конденсатора - двух проводящих пластин с малым воздушным зазором между ними, помещенных своими плоскостями перпендикулярно ожидаемому направлению силовых линий поля. При этих условиях датчик будет вносить в измеряемое поле минимальные искажения [9]. Существенно, что, в отличие от диполя, такой емкостной датчик не закорачивает электрическое поле в непосредственной близости от себя, поскольку, в отличие от диполя, проводящие элементы датчика - тонкие металлические пластины - перпендикулярны этому полю.
Само измерение Е таким датчиком сводится прежде всего к количественному измерению тока заряда-разряда конденсатора, образованного пластинами датчика, при помещении его в измеряемое поле, причем для измерения переменных полей (Для измерения электростатического поля необходимо механически варьировать геометрию датчика (например, поворачивать его и др.) [9, 38]) между пластинами может быть подключен просто электронный усилитель со входным импедансом
|Z| ≥ 1/ωCд, (7)
где ω - круговая частота поля, Cд - емкость между пластинами датчика.
9. Авторами был поставлен вопрос - существует ли индукционное электрическое поле? Или иначе, есть ли отличная от нуля сила F = qE , действующая на неподвижный точечный заряд q в областях пространства, в которых, казалось бы, по современным представлениям и опытам с теми или иными замкнутыми контурами, присутствует электромагнитное поле (и более того, интеграл по контуру от поля E , рассчитанный с теми или иными ухищрениями, совпадает с измеренным на концах контура напряжением?).
10. Актуальность такой постановки вопроса следует из ряда противоречий, свойственных даже обычной электродинамике, и оставшихся с 1900г. практически вне сферы научного анализа.
Рассмотрим два из них, относящихся к областям: а) электромагнитная индукция и работа трансформатора; б) электродинамика движущихся сред и релятивизм.
11. В трансформаторе с ферромагнитным сердечником с магнитной проницаемостью μ>>1 (а в случае тороидальной первичной обмотки и для μ>1) вторичная обмотка находится в области пространства, для которой с высокой точностью выполняется условие Н=0, и, следовательно, ∂H/∂t = 0. Это обстоятельство специально отмечено еще в исходных работах Максвелла [37], который объясняет электромагнитную индукцию в этой ситуации на основе его модели молекулярных шестигранных вихрей, характеризующих поле, и прослойки из холостых колесиков, обеспечивающих скольжение соседних вихрей и соответствующих, при их поступательном движении, электрическому току (Так, в статье «О физических силовых линиях» он пишет: «Если катушка сделана хорошо, то нельзя обнаружить никакого действия на помещенный снаружи магнит независимо от того, является ли ток постоянным или же меняется по силе. Этот опыт показывает, что для того, чтобы получить электродвижущую силу, вовсе не нужно, чтобы проводник был помешен в магнитное силовое поле, или чтобы магнитные силовые линии проходили через вещество проволоки или поблизости от нее» [37]).
Академик Миткевич [40] в 1929-1931 гг. пытался объяснить индукцию в трансформаторе ненаблюдаемым процессом пересечения вторичной обмотки силовыми линиями поля Н (развитие концепции Фарадея), которые (линии), расширяясь при увеличении тока в первичной обмотке, распространяются от нее по направлению к ярму магнитопровода и застревают в сердечнике с μ>>1.
12. С точки зрения математического анализа дело обстоит следующим образом. В пространстве вокруг первичной обмотки, как мы указывали, Н=0 и ∂H/∂t=0, причем, степень приближения к этим условиям возрастает при стремлении μ→∞ и при улучшении конструктивной схемы трансформатора. В то же время при увеличении μ и при улучшении конструкции, приводящих к уменьшению рассеянного магнитного поля, возрастает ЭДС во вторичной обмотке (стремится к пределу, заданному отношением числа витков обмоток).
Для объяснения работы трансформатора Тамм [2] и Фейнман [38] привлекают понятие магнитного потенциала поля А, признавая, что в рассматриваемом случае поле Н содержится только внутри первичной обмотки, а потенциал поля А отличен от нуля и в области вокруг этой обмотки, причем, согласно теореме Стокса для векторного поля А имеем
H = rotA, ∫LAdl = ФS,
где ФS - магнитный поток через площадку S, охватываемую контуром интегрирования L. Следовательно, с учетом уравнения
E = -1/c ∂A/∂t - grad φ = Eинд+Eкул, (8)
либо следующего из него уравнения Максвелла (взяв ротор от обеих частей (8) и приняв, что rot grad φ = 0)
rotE = -1/c ∂H/∂t, (9)
(Отметим чрезвычайно важное обстоятельство. Признав, в соответствии с опытными данными, что потенциал вихревого электрического поля неоднозначен (разность потенциалов на концах обмотки зависит от числа витков), [2], мы не можем полагать, что rot grad φ=0, поскольку это равенство имеет место только для однозначных функций. Более того, неоднозначность потенциала вихревого поля имеет место как в области пространства, где Н=0, так и в области с Н≠0 (определяющим тут является замкнутость силовых линий поля, а не характер изменения интенсивности поля от координат). Если еще учесть, что признанным фактом является, согласно, например, Ландау [13], то. что структура реального вихревого электрического поля определяется не локальным соотношением rotE = -1/c ∂H/∂t (при Н=const(x,y, z) направление линий E(х,у, z) не определено), а граничными условиями (опять старая проблема дальнодействия), то становится очевидным бесполезность попыток адекватно описать простейшую полевую задачу с помощью только математического аппарата обычного векторного анализа и уравнений Максвелла)
имеем, что
∫L(∂A/∂t) = ∂Ф/∂t (10)
или
∫LEиндdl = -1/c ∂Ф/∂t (11)
Сама же напряженность индукционного поля Eинд может быть очевидным образом определена заданием геометрии реального контура интегрирования.
13. Обратим внимание, что в этой цепочке рассуждений фигурировали совместно и дифференциальные и не имеющие ничего общего с ними интегральные соотношения для описания одной и той же реальности - электромагнитного поля.
Если же взять за основу лишь дифференциальные соотношения Максвелла, то мы будем вынуждены сделать вывод, что в области пространства вокруг первичной обмотки трансформатора Eинд отсутствует. Действительно, согласно второму уравнению Максвелла в вакууме
rotH = 1/c ∂E/∂t (12)
но поскольку Н = 0, то и rotH = 0 = ∂E/∂t. Следовательно, в месте расположения вторичной обмотки, согласно указанному уравнению Максвелла, может существовать только неизменное во времени поле E = const, т. е. уравнения Максвелла не могут описать работу даже такого важнейшего и схемно чрезвычайно простого элемента современной техники, как трансформатор.
Отметим, что факт работы индукционных ускорителей - бетатронов - отнюдь не указывает на наличие силы eE = -e/c ∂A/∂t, действующей на покоящийся точечный электрон с зарядом e, находящийся в вакуумном объеме, охватывающем изменяющийся во времени магнитный поток.
Известно, что для успешной работы бетатрона пришлось поместить ускоряющую камеру в магнитное поле с напряженностью Н = (1/2)Н0, где Н0 - напряженность поля в области центрального сердечника ускорителя. При этом, как следует из классических представлений о траектории заряженных частиц в магнитном поле, сила Лоренца
F = (e/c) V×H (13)
(V - скорость частицы, с - скорость света)
обеспечивает в каждый данный момент замкнутость траектории частицы. С точки же зрения квантовомеханических (волновых) представлений покоящийся электрон в свободном от поля пространстве размазан на всю Вселенную, а Ψ-волна электрона в магнитном поле будет размазана по окружностям, аксиальным линиям Н. Мы видим, что в бетатроне мы не имеем условий для определения силы, действующей на покоящуюся точечную заряженную частицу, как этого требует определение E. Измеряемым же эффектом является увеличение энергии (кинетической) объекта, распределенного вдоль окружности, охватывающей меняющийся во времени магнитный поток.
Подчеркнем, что удерживаемый магнитным полем размазанный электрон в бетатроне образует контур, ничем не отличающийся от контура, создаваемого электронами зоны проводимости, размазанными вдоль проводника, охватывающего магнитный поток в обмотке трансформатора (в последнем случае металл выполняет, как известно, функции волновода для электронных Ψ-волн [21, 12]).
[...]
15. Предварительные положительные результаты описанного выше электромеханического опыта позволили разработать методику и поставить решающий эксперимент для ответа на вопрос о существовании индукционного электрического поля.
Основные требования, которым должен был удовлетворить новый эксперимент:
- получение высокой чувствительности в чисто электронной (а не электромеханической) схеме;
- работа при низких уровнях напряжений и напряженностей полей, во избежание различного рода разрядов, ионизации и т. п.;
- однозначность трактовки результатов эксперимента.
Удовлетворяющая поставленным требованиям схема эксперимента приведена на рис.3.
Изображенная на этой схеме установка состоит из двух основных функциональных частей:
- источника индукционного поля с тороидальным магнитопроводом (ферритовое кольцо μ=1000, диаметром 8-22 см при сечении магнитопровода ~3 см2, либо сердечник тех же размеров, навитый из стальной ленты), создающего вблизи магнитопровода напряженность вихревого поля до 0,2...0,3 в/см при частоте синусоидальных колебаний 10...25 кГц;
- емкостного датчика описанного выше типа, с размерами пластин 30 мм × 30 мм и расстоянием между ними 8 мм.
Входной каскад полупроводникового усилителя размещен внутри датчика (между пластинами) и использует полевой транзистор типа КП301Б, имеющий Rвх ~3 ГОм, Свх ~3 пФ.
Во избежание излишних наводок питание генератора колебаний (двухтактный транзисторный автогенератор с индуктивной связью) и усилителя датчика - батарейное (9 В). Отметим, что возможность использования полевых транзисторов, сочетающих чрезвычайно высокое входное сопротивление и малые физические размеры, явилась одним из главных условий успешного и достоверного проведения локальных электромагнитных измерений. Естественно, такие условия практически отсутствовали в 1900 годы и даже в эпоху широкого применения вакуумных приборов (радиоламп).
На фото рис.4 приведен общий вид установки и взаимное расположение датчика и ферритового сердечника.
Для уменьшения кулоновских наводок непосредственно от обмотки первичной катушки, последняя выполнена в виде секции шириной ~15 мм, прикрытой заземленным (разомкнутым) экраном из медной фольги, причем экран частично покрывает ферритовое кольцо (в случае витого стального сердечника верхние края ленты соединены с заземлением, общим для генератора и усилителя датчика). Контроль и калибровка датчика производилась с помощью вторичной обмотки из одного витка произвольной геометрии, охватывающего магнитопровод генератора, на концах которой располагались два профильных электрода, в зазоре между которыми создавалось переменное кулоновское поле с той же локальной геометрией, напряженностью и частотой, что и подлежащее измерению вихревое электрическое поле.
Схема калибровки поясняется на рис.5, устройство для калибровки со вставленным датчиком показано на фото рис.6.
16. Эксперимент показал отсутствие индукционного электрического поля, линии которого должны были бы охватывать магнитопровод.
Именно, датчик, помещенный перпендикулярно ожидаемым силовым линиям Eинд вблизи магнитопровода, регистрировал лишь фоновые сигналы с уровнем 3...5% от расчетного значения Eинд, вызванные прежде всего нескомпенсированным полностью кулоновским полем первичной обмотки, действие которого усиливалось благодаря тому, что у ферритового сердечника ε>>1. Другая часть фоновых сигналов обязана своим происхождением индукционной поляризации материала магнитопровода, о чем будет несколько слов сказано ниже.
Наиболее чисто производятся измерения при использовании витого стального сердечника с уменьшенной высотой (размером, перпендикулярным плоскости кольца). При этом резко падает уровень как фоновых поляризационных сигналов, так и фона от кулоновских наводок с первичной обмотки.
Абсолютный уровень теплового шума на входе датчика составлял 50-100 мкВ в полосе частот 100 Гц - 100 кГц. Измеряемые фоновые сигналы превышали уровень шума в 3...10 раз.
17. Однозначность толкования результатов проведенных измерений обеспечивается следующей из электродинамики Максвелла-Лоренца локальной тождественностью измеряемого и калибровочного полей в отношении ожидаемого воздействия на свободные заряды в пластинах датчика.
Однако опыт показал, что реальное переменное кулоновское поле, связанное с зарядами на пластинах калибровочных устройств, вызывает перезарядку конденсатора датчика и протекание тока через входное сопротивление полевого триода. С другой стороны, явления в пространстве, окружающем магнитопровод с изменяющимся во времени магнитным потоком, не сопровождаются возникновением результирующих сил, действующих на свободные заряды, и не приводят в общем случае к протеканию тока перезарядки пластин датчика.
В то же время факт появления разности потенциалов на концах проводника (или диэлектрика), охватывающего (или помещенного) в изменяющийся во времени магнитный поток, говорит о том, что плотность заряда ρ(x,y,z,t) существенным образом зависит от условий в областях пространства, в которых векторный магнитный потенциал отличен от нуля (даже если Н = 0).
Ниже мы вернемся к этому вопросу в связи с обсуждением некоторых теоретических и экспериментальных следствий релятивистской квантовой (волновой) механики.
[...]
20. Прежде всего обратим внимание на результат опытов Вильсона (см. [3]) с диэлектриком, движущимся в магнитном поле. Как известно, Вильсон использовал диэлектрический стакан с металлизированными стенками, вращающийся вокруг оси симметрии в поле B, параллельном этой оси. Измерялась плотность заряда, возникающего на обкладках при вращении стакана, и делался вывод о величине эквивалентного электрического (радиально направленного) поля, приводящего к наблюдаемой поляризации диэлектрика.
Как известно, в этих опытах было обнаружено, что наблюдаемая величина плотности заряда соответствовала радиально направленному электрическому полю с напряженностью (с точностью до членов порядка v2/c2)
E' = ((1-1/ε)/c) V×H (14)
где V - линейная скорость на образующей стакана.
Множитель (1-1/ε) вошел и в экспериментальные зависимости для наблюдаемого тока Рентгена (тока движущихся «фиктивных» зарядов, возникающих при поляризации диэлектриков) [2, 3, 19].
Наличие этого множителя было истолковано как свидетельство правильности макроскопической теории Лоренца, предполагавшей неподвижность эфира (отсутствие увлечения эфира движущимися телами). Тем самым была показана несостоятельность теории Герца, согласно которой должен был бы присутствовать множитель 1/ε , а не (1-1/ε).
Подчеркнем, что все внимание исследователей в то время было обращено на вопрос существования и увлечения или «неподвижности» эфира. Для выяснения характеристик движения материальных тел и эфира и ставились опыты Эйхенвальда и Вильсона.
21. По-видимому, споры вокруг проблемы эфира отвлекли внимание от важнейшего следствия опытов Эйхенвальда и Вильсона: в вакууме, при ε=1, электрическое поле согласно (14) отсутствует, несмотря на вращение металлических обкладок со скоростью V .
[...]
23. Теоретические и экспериментальные работы, проведенные авторами в 1973-1975 гг., показали, что одной из принципиальных и грубейших ошибок физических теорий последнего столетия явилось принятие уравнений Максвелла-Лоренца (в редакции от 1900-1910 гг. до наших дней) для описания сущности электромагнитного поля в терминах электрических и магнитных напряженностей E,H и индукций D,B.
Эксперименты 1973-1975 гг. показали, что индукционное электрическое поле в вакууме не существует: Eинд = 0, в то время как по современным представлениям, казалось бы, в вакууме Eинд определяется известным дифференциальным уравнением Максвелла
rotEинд = -1/c ∂H/∂t (27)
(в Гауссовой системе единиц). Уравнения Максвелла не описывают наблюдаемую реальность.
Подчеркнем, что опыты, о которых шла речь, свидетельствуют об отсутствии именно вихревого (индукционного) электрического поля и, конечно, подтверждают существование электрического поля свободных зарядов
Eкул = -gradφ, (28)
где φ - скалярный потенциал поля.
Тем не менее, факт отсутствия индукционного электрического поля приводит к необходимости полного пересмотра основ современной теоретической физики, начиная от исходных понятий - движение материальных тел, сила, энергия и т. п.
Требуется полная ревизия основ электродинамики, квантовых (волновых) теорий, ядерной физики и физики элементарных частиц.
24. Таким образом, эксперименты авторов и известные эксперименты Роуланда, Рентгена, Эйхенвальда и Вильсона показали, что динамические эффекты электродинамики не описываются в терминах электромагнитного поля, характеризуемого тензором, ковариантным относительно группы Лоренца.
Не соответствует истине казавшееся основополагающим со времен Эйнштейна и Минковского положение о том, что в различных инерциальных системах координат одна и та же сущность - электромагнитное поле - может проявлять себя либо как магнитное (E=0), либо как магнитное и электрическое (E≠0, H≠0) и т. п.
В отличие от электростатики и магнитостатики динамические эффекты, возникающие при изменении во времени электрического и магнитного полей, существенным образом связаны с материальным телом, в котором и с помощью которого наблюдается тот или иной электродинамический эффект.
В опытах с движущимися диэлектриками или диэлектриками в переменном магнитном поле это положение подтверждается тем, что в экспериментальных зависимостях фигурирует множитель вида (1-1/ε), обращающийся в нуль для вакуума (В случае сред с μ>1, ε>1 аналогичный множитель имеет вид (1-1/με) [4,6].)
Наблюдаемые в электродинамических опытах вокруг материальных тел электрические поля создаются зарядами (распределением плотности заряда), возникающими в этих телах, и полностью отсутствуют при отсутствии материального тела.
Выше было дано описание проведенного авторами эксперимента, показавшего, что под воздействием мощной высокочастотной электромагнитной волны в среде образуется только вторичное электрическое поле с конфигурацией, определяемой текущими свойствами и геометрией среды.
[...]
...В частности, изменение квантово-механической фазы частицы с зарядом q в электромагнитном поле определяется выражением [38]
δΘ = (q/cћ)∫Adl - (q/ћ)∫φdt (34)
В нем первый интеграл берется вдоль траектории (с элементарной длиной dl) частицы, символом t обозначено время; a ћ - постоянная Планка, деленная на 2π. То, что в уравнениях квантовой механики потенциалы (A,φ) не могут быть заменены векторами E и Н, убеждались все исследователи, кто пытался это проделать. Во всяком случае, простого пути для этой замены не существует [38]. Сейчас очевидна связь этого факта с тем, что зависимость для δΘ, например, допускает возможность обнаружения проявления электромагнитного поля в его взаимодействии с веществом в областях пространства, где E=Н=0.
Хотя уравнение (34) было получено с самого возникновения квантовой механики (1926 г.), возможность электрона подвергнуться взаимодействию с полем при движении в области, где компоненты поля E и Н равны нулю, была осознана только в 1955 году. Именно в это время Бом и Аронов сделали вопрос в теоретическом плане достаточно ясным. Ими также была предложена первая схема эксперимента по дифракции электронов в поле А при E=Н=0. Этот эксперимент в 1960 году осуществил R. G. Chambers [33]. Опыт дал положительный результат. В 1964 году R. С. Jaklevic и др. [32] также провели эксперимент, специально поставленный для обнаружения А в областях пространства, где E=Н=0, с использованием эффекта Джозефсона. Результаты их опыта полностью согласуются с предсказаниями квантовой теории. Оба эти эксперимента однозначно показали ограниченность описания электромагнитного поля с помощью E и Н и необходимость описания его только с помощью потенциалов. Характерно, что подобные вещи могут тридцать лет быть на виду, но игнорироваться из-за определенных предрассудков.
[...]
32. Неприменимость существующего набора математических законов электродинамики к анализу электромагнитных явлений индукции (по крайней мере, в областях пространства, где компоненты поля E=Н=0) можно показать следующим образом.
Обычно уравнение движения аналитически получают из принципа наименьшего действия. При этом сложность заключается в выборе функции Лагранжа (L), стоящей под интегралом действия. В релятивистском случае нет строгого алгоритма выбора вида L, какой имеется в классической механике.
[...]
Так как алгоритм выбора L неопределен, то вся мощь современного аппарата аналитической механики в данном случае оказывается бессильной. Качественно объяснение явления индукции может быть проведено, если привлечь понятие потенциалов. Хотя сразу же следует отметить, что состояние соответствующего раздела современной теоретической физики не позволяет дать его точную количественную характеристику.
Так, в рассмотренном выше примере с трансформатором, хотя вне сердечника E=В=0, во всем пространстве, окружающем его, отличны от нуля потенциалы А и φ. Допустим, что явление в проводе, охватывающем магнитопровод, есть макроскопическое квантовомеханическое явление. В этом случае к Ψ-функции каждого электрона может быть применено уравнение [16, 8]
ρ = ΨΨ*[1+(E'-eφ)/m0c2] (36)
где ρ - плотность заряда; e - заряд электрона; E' - разность между полной энергией электрона и его энергией покоя; m0 - масса покоя электрона.
Уравнение (36) утверждает, что в присутствии внешнего неоднородного потенциала волновая функция каждого электрона перекашивается (Как уже отмечалось, в соответствии с опытными данными, потенциал вихревого поля обладает периодической неоднозначностью. Связь φ и А=A(t) вытекает из калибровки Лоренца (37)). Следовательно, в рассматриваемом случае на концах разомкнутого провода, охватывающего соленоид, действительно может наблюдаться разность потенциалов, определяемая разной плотностью электронов на концах провода. Между концами провода можно зафиксировать поле Е , но оно является не вихревым индуцированным полем, а полем, создающимся реальными зарядами на концах провода.
[...]
34. Из приведенного выше анализа очевидно, что современная электромагнитная теория Максвелла-Лоренца вообще неприменима для описания электромагнитных явлений. Аппарат квантовой электродинамики, в принципе, предпочтительней (за неимением лучшего), так как он оперирует с потенциалами, хотя и он не сможет полностью прояснить физику явлений. В рамках квантовой (волновой) механики практически не исследованы случаи слишком глубоких потенциальных ям [39] и ускоряющихся частиц (то есть частиц, Ψ-функции которых существенно модулированы по фазе [11]). В квантовой механике до настоящего времени отказано в физической реальности Ψ-волне, и считается, что физический смысл имеет только произведение ΨΨ* (в смысле плотности вероятности), хотя Ψ-волна обладает всеми необходимыми атрибутами реальной, например, электромагнитной волны. Она распространяется, имея фазовую и групповую скорости, интерферирует, дифрагирует и т. д. (Даже модуль Ψ (а не ΨΨ*!) входит в ряд известных выражений для силы, энергии и т. п. [38]).
Квантовая (волновая) механика, показав неизбежность признания волновых свойств вещества, все же оставила половину старых воззрений, приписав, по существу силовым приемом, дуализм волна-частица наблюдаемым сущностям материального мира, при этом какого-либо рационального объяснения этому дуализму не было дано. Следует отметить непоследовательность в формировании принципов волновой механики. Именно, признав волновые свойства частиц, она продолжает пытаться объяснить различные виды взаимодействий только с помощью близкодействия, то есть свести их к локальным, дифференциальным соотношениям, разрабатывая нелокальные теории только на уровне микромира.
[...]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Попытаемся подвести некоторые итоги и сформулировать некоторые наиболее очевидные следствия из вновь открытых закономерностей.
1. Отсутствие в электродинамических эффектах электрического поля в вакууме говорит о том, что электромагнитная волна не несет энергии в обычном смысле этого слова (вектор Умова-Пойнтинга равен нулю). Энергетические проявления поля в приемниках волны связаны, таким образом, исключительно с веществом приемника (и магнитной компонентой волны) и требуют для своего объяснения привлечения новых, нелокальных и обобщенных законов сохранения.
2. Предпочтительность описания электродинамических эффектов с помощью 4-х потенциала поля (A,φ) и его взаимодействия с волнами вещества (Ψ-волнами де-Бройля), а также проверенная экспериментально возможность обнаружения и измерения потенциала поля А в областях пространства, в которых отсутствуют даже статические поля E и В, говорят о реальности продольных волн векторного потенциала и возможности создания устройств для их обнаружения.
Продольные волны являются не только безэнергетическими сами по себе, в отличие от обычной электромагнитной волны, но и не вызывают каких-либо энергетических эффектов в обычном пассивном приемнике, поскольку их присутствие в данной области пространства приводит только к специфической модуляции фазы квантовомеханической волны в соответствии с интегралом Фейнмана.
Для их обнаружения (что подтверждают эксперименты Жаклевича и Чамберса) необходимо затрачивать энергию от местного источника в самом приемнике (например, пропускать ток через сверхпроводящий переход Джозефсона), т. е. приемник должен быть активным.
Подчеркнем, что обычные классические приемные антенны (датчики электромагнитного поля) не будут каким-либо наблюдаемым образом реагировать на продольную волну потенциала.
3. Электродинамические опыты с движущимися средами (прежде всего опыты Рентгена, Эйхенвальда, Вильсона) также свидетельствуют о том, что при использовании движущегося активного вещества (материального тела) в последнем наблюдаются эффекты, как оказалось при детальном анализе, в принципе не укладывающиеся в рамки классической электродинамики.
4. Принципиальные отличия поведения в электромагнитных явлениях пассивных и активных пробных тел позволяют говорить о возможности существования новой, практически не изученной области явлений, к которым, по-видимому, и относятся первичные физические процессы взаимодействия объектов живой природы, отличающихся именно внутренней активностью, и различных внешних полей, в том числе связанных с Землей, Солнцем и т.п. и описываемых, по крайней мере, в терминах 4-х потенциала (A,φ).
[...]
Недавно восторженной публике объявили, что многолетние труды учёных увенчались фантастическим успехом, нечто похожее на бозон вроде бы замечено, и растроганные налогоплательщики всей европы, вытерев скупую слезу, могут гордиться, что в результате феерического распила бабла в международном масштабе таки удалось завершить создание стройной физической картины мира.
Я только не понял, плакать от таких новостей или смеяться?
Вспомнил про широко освещённый «трансформаторный» вопрос в сборнике «Будущее открывается квантовым ключом» (такую книжку нужно читать как ПУЭ, и если это делать не спеша, то иногда цепляет покруче любой худ. литературы). Что говорит наука по поводу нашего любимого трансформатора? Вот выдержки из одной длинной статьи оттуда (я оставил то, что явно относится к работе трансформатора и к радиоволне, и частично это уже упоминал раньше немного в другом контексте). Сноски я перенёс в текст и выделил уменьшенным шрифтом:
Р.Ф.Авраменко, Л.П.Грачев. В.И.Николаева
ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ И БИОЭНЕРГЕТИКА
Электропунктура и проблемы информационно-энергетической регуляции деятельности человека/ Сборник статей. М.: ЦНИИЭНТИ Минугольпрома СССР, 1976. С.186-214.
[...]
4. Впрочем, необходимо отметить, что здание современной фундаментальной физики кажется стройным и почти закончен только на уровне вузовских и университетских учебников и монографий типа [13, 6, 43].
Локальные характеристики поля E и H в вакууме по Максвеллу должны удовлетворять дифференциальным уравнениям
rotE = -1/c ∂H/∂t (2)
rotH = 1/c ∂E/∂t (3)
при дополнительных условиях
divH = 0 (4)
divE = 0 (5)
(в отсутствии зарядов), причем
H = rotA (6)
Описание закономерностей наблюдаемой природы простейшими дифференциальными, релятивистски ковариантными уравнениями, связывающими явления только в соседних точках пространства-времени, конечно, является притягательным для теоретической физики XX века, со времен Эйнштейна силовым приемом исключившей саму возможность рассмотрения свойств среды (эфира, вакуума) как арены, на которой разыгрываются наблюдаемые физические явления (В духе известного решения Французской Академии о невозможности падения камней с неба).
Однако решающим обстоятельством для суждения о том, возможно ли описать фундаментальные закономерности Природы только дифференциальными уравнениями, является, конечно, эксперимент.
[...]
7. Особо подчеркнем, что за всю историю изучения электромагнетизма измерения локальных характеристик так называемого электромагнитного поля практически не проводилось (В известных работах проф. Хвольсона [36], взявшего на себя огромный труд по систематизации всех физических знаний, накопленных к 1910-1920 гг., приводятся сведения всего о 4-х малоизвестных экспериментах, поставленных для измерения и обнаружения индукционного электрического поля. Эксперименты, выполненные О.Lodge (1889) и P.E.Wolf (1899 г.), дали неопределенные результаты. Cremien (1900) из своих опытов вывел заключение, что электрического поля переменного магнитного поля не существует. И только К.Henrich (1910г.), казалось бы, показал наличие Е от переменного Н. Как видно, опыты (использующие электромеханические датчики), дали либо неопределенный, либо отрицательный результат, что отмечали и сами авторы и проф. Хвольсон).
Во всех широко известных опытах и в их технических приложениях, составляющих основу современной техники - электромоторах, генераторах, трансформаторах, системах радиосвязи и радиолокации и др. - наблюдаемые эффекты существенным образом определяются геометрией материальных тел (в первую очередь проводников), используемых в этих опытах и установках.
В простейшем случае электромагнитной индукции (Экспериментально установленное Фарадеем в 1830-1840 гг. и широко используемое в технике явление электромагнитной индукции полностью заключается в следующем. На концах разомкнутого провода можно создать разность потенциалов тремя способами: - двигая провод вблизи магнита; - двигая магнит вблизи провода; - меняя ток в соседнем проводе. Во всех этих случаях, если проводник замкнут, то может быть замерен циркулирующий по нему переменный ток) измеряется ЭДС и ток в замкнутом контуре в целом, т. е. интегральные характеристики процесса при данной геометрической форме материальных тел, а не та ЭДС и напряженность поля, которая, согласно соотношению rotE = -1/c ∂H/∂t, должна была бы иметь место в каждой данной точке (малой области) рассматриваемого контура. (Нетрудно убедиться, что в радиосвязи и в радиолокации приемная система также не измеряет напряженность поля в точке приема - измеряется величина высокочастотного тока, циркулирующего через контур металл (скажем, диполя) + емкость между элементами антенны (плечами диполя). Отметим, что известен и следующий парадокс приемных антенн: на границе металл-вакуум тангенциальная составляющая Е равна нулю, а для расчета ЭДС приходится умножать на действующую длину диполя напряженность поля, имевшуюся в отсутствие приемной антенны [17, 18]!)
Отметим, что применяемые обычно в технике датчики, по существу, измеряют вторичное поле E, или вызываемый им ток, создаваемый за счет разделения зарядов в проводнике датчика. Действительно, в настоящее время для измерения параметров электромагнитного поля в конечном счете применяются датчики либо в виде петли, либо в виде штыря. При этом методе измерения нет возможности отделить исходное поле от вторичного.
8. Для измерения локальных характеристик поля необходимо использование датчиков, априори не нарушающих существенно ожидаемую структуру и количественную величину поля в окрестностях датчика. Этому требованию применительно к E не удовлетворяет, например, дипольная приемная антенна. Известно, что для измерения локальных характеристик электрического поля проще всего использовать либо точечный неподвижный заряд, либо емкостной датчик типа тонкого плоского конденсатора - двух проводящих пластин с малым воздушным зазором между ними, помещенных своими плоскостями перпендикулярно ожидаемому направлению силовых линий поля. При этих условиях датчик будет вносить в измеряемое поле минимальные искажения [9]. Существенно, что, в отличие от диполя, такой емкостной датчик не закорачивает электрическое поле в непосредственной близости от себя, поскольку, в отличие от диполя, проводящие элементы датчика - тонкие металлические пластины - перпендикулярны этому полю.
Само измерение Е таким датчиком сводится прежде всего к количественному измерению тока заряда-разряда конденсатора, образованного пластинами датчика, при помещении его в измеряемое поле, причем для измерения переменных полей (Для измерения электростатического поля необходимо механически варьировать геометрию датчика (например, поворачивать его и др.) [9, 38]) между пластинами может быть подключен просто электронный усилитель со входным импедансом
|Z| ≥ 1/ωCд, (7)
где ω - круговая частота поля, Cд - емкость между пластинами датчика.
9. Авторами был поставлен вопрос - существует ли индукционное электрическое поле? Или иначе, есть ли отличная от нуля сила F = qE , действующая на неподвижный точечный заряд q в областях пространства, в которых, казалось бы, по современным представлениям и опытам с теми или иными замкнутыми контурами, присутствует электромагнитное поле (и более того, интеграл по контуру от поля E , рассчитанный с теми или иными ухищрениями, совпадает с измеренным на концах контура напряжением?).
10. Актуальность такой постановки вопроса следует из ряда противоречий, свойственных даже обычной электродинамике, и оставшихся с 1900г. практически вне сферы научного анализа.
Рассмотрим два из них, относящихся к областям: а) электромагнитная индукция и работа трансформатора; б) электродинамика движущихся сред и релятивизм.
11. В трансформаторе с ферромагнитным сердечником с магнитной проницаемостью μ>>1 (а в случае тороидальной первичной обмотки и для μ>1) вторичная обмотка находится в области пространства, для которой с высокой точностью выполняется условие Н=0, и, следовательно, ∂H/∂t = 0. Это обстоятельство специально отмечено еще в исходных работах Максвелла [37], который объясняет электромагнитную индукцию в этой ситуации на основе его модели молекулярных шестигранных вихрей, характеризующих поле, и прослойки из холостых колесиков, обеспечивающих скольжение соседних вихрей и соответствующих, при их поступательном движении, электрическому току (Так, в статье «О физических силовых линиях» он пишет: «Если катушка сделана хорошо, то нельзя обнаружить никакого действия на помещенный снаружи магнит независимо от того, является ли ток постоянным или же меняется по силе. Этот опыт показывает, что для того, чтобы получить электродвижущую силу, вовсе не нужно, чтобы проводник был помешен в магнитное силовое поле, или чтобы магнитные силовые линии проходили через вещество проволоки или поблизости от нее» [37]).
Академик Миткевич [40] в 1929-1931 гг. пытался объяснить индукцию в трансформаторе ненаблюдаемым процессом пересечения вторичной обмотки силовыми линиями поля Н (развитие концепции Фарадея), которые (линии), расширяясь при увеличении тока в первичной обмотке, распространяются от нее по направлению к ярму магнитопровода и застревают в сердечнике с μ>>1.
12. С точки зрения математического анализа дело обстоит следующим образом. В пространстве вокруг первичной обмотки, как мы указывали, Н=0 и ∂H/∂t=0, причем, степень приближения к этим условиям возрастает при стремлении μ→∞ и при улучшении конструктивной схемы трансформатора. В то же время при увеличении μ и при улучшении конструкции, приводящих к уменьшению рассеянного магнитного поля, возрастает ЭДС во вторичной обмотке (стремится к пределу, заданному отношением числа витков обмоток).
Для объяснения работы трансформатора Тамм [2] и Фейнман [38] привлекают понятие магнитного потенциала поля А, признавая, что в рассматриваемом случае поле Н содержится только внутри первичной обмотки, а потенциал поля А отличен от нуля и в области вокруг этой обмотки, причем, согласно теореме Стокса для векторного поля А имеем
H = rotA, ∫LAdl = ФS,
где ФS - магнитный поток через площадку S, охватываемую контуром интегрирования L. Следовательно, с учетом уравнения
E = -1/c ∂A/∂t - grad φ = Eинд+Eкул, (8)
либо следующего из него уравнения Максвелла (взяв ротор от обеих частей (8) и приняв, что rot grad φ = 0)
rotE = -1/c ∂H/∂t, (9)
(Отметим чрезвычайно важное обстоятельство. Признав, в соответствии с опытными данными, что потенциал вихревого электрического поля неоднозначен (разность потенциалов на концах обмотки зависит от числа витков), [2], мы не можем полагать, что rot grad φ=0, поскольку это равенство имеет место только для однозначных функций. Более того, неоднозначность потенциала вихревого поля имеет место как в области пространства, где Н=0, так и в области с Н≠0 (определяющим тут является замкнутость силовых линий поля, а не характер изменения интенсивности поля от координат). Если еще учесть, что признанным фактом является, согласно, например, Ландау [13], то. что структура реального вихревого электрического поля определяется не локальным соотношением rotE = -1/c ∂H/∂t (при Н=const(x,y, z) направление линий E(х,у, z) не определено), а граничными условиями (опять старая проблема дальнодействия), то становится очевидным бесполезность попыток адекватно описать простейшую полевую задачу с помощью только математического аппарата обычного векторного анализа и уравнений Максвелла)
имеем, что
∫L(∂A/∂t) = ∂Ф/∂t (10)
или
∫LEиндdl = -1/c ∂Ф/∂t (11)
Сама же напряженность индукционного поля Eинд может быть очевидным образом определена заданием геометрии реального контура интегрирования.
13. Обратим внимание, что в этой цепочке рассуждений фигурировали совместно и дифференциальные и не имеющие ничего общего с ними интегральные соотношения для описания одной и той же реальности - электромагнитного поля.
Если же взять за основу лишь дифференциальные соотношения Максвелла, то мы будем вынуждены сделать вывод, что в области пространства вокруг первичной обмотки трансформатора Eинд отсутствует. Действительно, согласно второму уравнению Максвелла в вакууме
rotH = 1/c ∂E/∂t (12)
но поскольку Н = 0, то и rotH = 0 = ∂E/∂t. Следовательно, в месте расположения вторичной обмотки, согласно указанному уравнению Максвелла, может существовать только неизменное во времени поле E = const, т. е. уравнения Максвелла не могут описать работу даже такого важнейшего и схемно чрезвычайно простого элемента современной техники, как трансформатор.
Отметим, что факт работы индукционных ускорителей - бетатронов - отнюдь не указывает на наличие силы eE = -e/c ∂A/∂t, действующей на покоящийся точечный электрон с зарядом e, находящийся в вакуумном объеме, охватывающем изменяющийся во времени магнитный поток.
Известно, что для успешной работы бетатрона пришлось поместить ускоряющую камеру в магнитное поле с напряженностью Н = (1/2)Н0, где Н0 - напряженность поля в области центрального сердечника ускорителя. При этом, как следует из классических представлений о траектории заряженных частиц в магнитном поле, сила Лоренца
F = (e/c) V×H (13)
(V - скорость частицы, с - скорость света)
обеспечивает в каждый данный момент замкнутость траектории частицы. С точки же зрения квантовомеханических (волновых) представлений покоящийся электрон в свободном от поля пространстве размазан на всю Вселенную, а Ψ-волна электрона в магнитном поле будет размазана по окружностям, аксиальным линиям Н. Мы видим, что в бетатроне мы не имеем условий для определения силы, действующей на покоящуюся точечную заряженную частицу, как этого требует определение E. Измеряемым же эффектом является увеличение энергии (кинетической) объекта, распределенного вдоль окружности, охватывающей меняющийся во времени магнитный поток.
Подчеркнем, что удерживаемый магнитным полем размазанный электрон в бетатроне образует контур, ничем не отличающийся от контура, создаваемого электронами зоны проводимости, размазанными вдоль проводника, охватывающего магнитный поток в обмотке трансформатора (в последнем случае металл выполняет, как известно, функции волновода для электронных Ψ-волн [21, 12]).
[...]
15. Предварительные положительные результаты описанного выше электромеханического опыта позволили разработать методику и поставить решающий эксперимент для ответа на вопрос о существовании индукционного электрического поля.
Основные требования, которым должен был удовлетворить новый эксперимент:
- получение высокой чувствительности в чисто электронной (а не электромеханической) схеме;
- работа при низких уровнях напряжений и напряженностей полей, во избежание различного рода разрядов, ионизации и т. п.;
- однозначность трактовки результатов эксперимента.
Удовлетворяющая поставленным требованиям схема эксперимента приведена на рис.3.
Изображенная на этой схеме установка состоит из двух основных функциональных частей:
- источника индукционного поля с тороидальным магнитопроводом (ферритовое кольцо μ=1000, диаметром 8-22 см при сечении магнитопровода ~3 см2, либо сердечник тех же размеров, навитый из стальной ленты), создающего вблизи магнитопровода напряженность вихревого поля до 0,2...0,3 в/см при частоте синусоидальных колебаний 10...25 кГц;
- емкостного датчика описанного выше типа, с размерами пластин 30 мм × 30 мм и расстоянием между ними 8 мм.
Входной каскад полупроводникового усилителя размещен внутри датчика (между пластинами) и использует полевой транзистор типа КП301Б, имеющий Rвх ~3 ГОм, Свх ~3 пФ.
Во избежание излишних наводок питание генератора колебаний (двухтактный транзисторный автогенератор с индуктивной связью) и усилителя датчика - батарейное (9 В). Отметим, что возможность использования полевых транзисторов, сочетающих чрезвычайно высокое входное сопротивление и малые физические размеры, явилась одним из главных условий успешного и достоверного проведения локальных электромагнитных измерений. Естественно, такие условия практически отсутствовали в 1900 годы и даже в эпоху широкого применения вакуумных приборов (радиоламп).
На фото рис.4 приведен общий вид установки и взаимное расположение датчика и ферритового сердечника.
Для уменьшения кулоновских наводок непосредственно от обмотки первичной катушки, последняя выполнена в виде секции шириной ~15 мм, прикрытой заземленным (разомкнутым) экраном из медной фольги, причем экран частично покрывает ферритовое кольцо (в случае витого стального сердечника верхние края ленты соединены с заземлением, общим для генератора и усилителя датчика). Контроль и калибровка датчика производилась с помощью вторичной обмотки из одного витка произвольной геометрии, охватывающего магнитопровод генератора, на концах которой располагались два профильных электрода, в зазоре между которыми создавалось переменное кулоновское поле с той же локальной геометрией, напряженностью и частотой, что и подлежащее измерению вихревое электрическое поле.
Схема калибровки поясняется на рис.5, устройство для калибровки со вставленным датчиком показано на фото рис.6.
16. Эксперимент показал отсутствие индукционного электрического поля, линии которого должны были бы охватывать магнитопровод.
Именно, датчик, помещенный перпендикулярно ожидаемым силовым линиям Eинд вблизи магнитопровода, регистрировал лишь фоновые сигналы с уровнем 3...5% от расчетного значения Eинд, вызванные прежде всего нескомпенсированным полностью кулоновским полем первичной обмотки, действие которого усиливалось благодаря тому, что у ферритового сердечника ε>>1. Другая часть фоновых сигналов обязана своим происхождением индукционной поляризации материала магнитопровода, о чем будет несколько слов сказано ниже.
Наиболее чисто производятся измерения при использовании витого стального сердечника с уменьшенной высотой (размером, перпендикулярным плоскости кольца). При этом резко падает уровень как фоновых поляризационных сигналов, так и фона от кулоновских наводок с первичной обмотки.
Абсолютный уровень теплового шума на входе датчика составлял 50-100 мкВ в полосе частот 100 Гц - 100 кГц. Измеряемые фоновые сигналы превышали уровень шума в 3...10 раз.
17. Однозначность толкования результатов проведенных измерений обеспечивается следующей из электродинамики Максвелла-Лоренца локальной тождественностью измеряемого и калибровочного полей в отношении ожидаемого воздействия на свободные заряды в пластинах датчика.
Однако опыт показал, что реальное переменное кулоновское поле, связанное с зарядами на пластинах калибровочных устройств, вызывает перезарядку конденсатора датчика и протекание тока через входное сопротивление полевого триода. С другой стороны, явления в пространстве, окружающем магнитопровод с изменяющимся во времени магнитным потоком, не сопровождаются возникновением результирующих сил, действующих на свободные заряды, и не приводят в общем случае к протеканию тока перезарядки пластин датчика.
В то же время факт появления разности потенциалов на концах проводника (или диэлектрика), охватывающего (или помещенного) в изменяющийся во времени магнитный поток, говорит о том, что плотность заряда ρ(x,y,z,t) существенным образом зависит от условий в областях пространства, в которых векторный магнитный потенциал отличен от нуля (даже если Н = 0).
Ниже мы вернемся к этому вопросу в связи с обсуждением некоторых теоретических и экспериментальных следствий релятивистской квантовой (волновой) механики.
[...]
20. Прежде всего обратим внимание на результат опытов Вильсона (см. [3]) с диэлектриком, движущимся в магнитном поле. Как известно, Вильсон использовал диэлектрический стакан с металлизированными стенками, вращающийся вокруг оси симметрии в поле B, параллельном этой оси. Измерялась плотность заряда, возникающего на обкладках при вращении стакана, и делался вывод о величине эквивалентного электрического (радиально направленного) поля, приводящего к наблюдаемой поляризации диэлектрика.
Как известно, в этих опытах было обнаружено, что наблюдаемая величина плотности заряда соответствовала радиально направленному электрическому полю с напряженностью (с точностью до членов порядка v2/c2)
E' = ((1-1/ε)/c) V×H (14)
где V - линейная скорость на образующей стакана.
Множитель (1-1/ε) вошел и в экспериментальные зависимости для наблюдаемого тока Рентгена (тока движущихся «фиктивных» зарядов, возникающих при поляризации диэлектриков) [2, 3, 19].
Наличие этого множителя было истолковано как свидетельство правильности макроскопической теории Лоренца, предполагавшей неподвижность эфира (отсутствие увлечения эфира движущимися телами). Тем самым была показана несостоятельность теории Герца, согласно которой должен был бы присутствовать множитель 1/ε , а не (1-1/ε).
Подчеркнем, что все внимание исследователей в то время было обращено на вопрос существования и увлечения или «неподвижности» эфира. Для выяснения характеристик движения материальных тел и эфира и ставились опыты Эйхенвальда и Вильсона.
21. По-видимому, споры вокруг проблемы эфира отвлекли внимание от важнейшего следствия опытов Эйхенвальда и Вильсона: в вакууме, при ε=1, электрическое поле согласно (14) отсутствует, несмотря на вращение металлических обкладок со скоростью V .
[...]
23. Теоретические и экспериментальные работы, проведенные авторами в 1973-1975 гг., показали, что одной из принципиальных и грубейших ошибок физических теорий последнего столетия явилось принятие уравнений Максвелла-Лоренца (в редакции от 1900-1910 гг. до наших дней) для описания сущности электромагнитного поля в терминах электрических и магнитных напряженностей E,H и индукций D,B.
Эксперименты 1973-1975 гг. показали, что индукционное электрическое поле в вакууме не существует: Eинд = 0, в то время как по современным представлениям, казалось бы, в вакууме Eинд определяется известным дифференциальным уравнением Максвелла
rotEинд = -1/c ∂H/∂t (27)
(в Гауссовой системе единиц). Уравнения Максвелла не описывают наблюдаемую реальность.
Подчеркнем, что опыты, о которых шла речь, свидетельствуют об отсутствии именно вихревого (индукционного) электрического поля и, конечно, подтверждают существование электрического поля свободных зарядов
Eкул = -gradφ, (28)
где φ - скалярный потенциал поля.
Тем не менее, факт отсутствия индукционного электрического поля приводит к необходимости полного пересмотра основ современной теоретической физики, начиная от исходных понятий - движение материальных тел, сила, энергия и т. п.
Требуется полная ревизия основ электродинамики, квантовых (волновых) теорий, ядерной физики и физики элементарных частиц.
24. Таким образом, эксперименты авторов и известные эксперименты Роуланда, Рентгена, Эйхенвальда и Вильсона показали, что динамические эффекты электродинамики не описываются в терминах электромагнитного поля, характеризуемого тензором, ковариантным относительно группы Лоренца.
Не соответствует истине казавшееся основополагающим со времен Эйнштейна и Минковского положение о том, что в различных инерциальных системах координат одна и та же сущность - электромагнитное поле - может проявлять себя либо как магнитное (E=0), либо как магнитное и электрическое (E≠0, H≠0) и т. п.
В отличие от электростатики и магнитостатики динамические эффекты, возникающие при изменении во времени электрического и магнитного полей, существенным образом связаны с материальным телом, в котором и с помощью которого наблюдается тот или иной электродинамический эффект.
В опытах с движущимися диэлектриками или диэлектриками в переменном магнитном поле это положение подтверждается тем, что в экспериментальных зависимостях фигурирует множитель вида (1-1/ε), обращающийся в нуль для вакуума (В случае сред с μ>1, ε>1 аналогичный множитель имеет вид (1-1/με) [4,6].)
Наблюдаемые в электродинамических опытах вокруг материальных тел электрические поля создаются зарядами (распределением плотности заряда), возникающими в этих телах, и полностью отсутствуют при отсутствии материального тела.
Выше было дано описание проведенного авторами эксперимента, показавшего, что под воздействием мощной высокочастотной электромагнитной волны в среде образуется только вторичное электрическое поле с конфигурацией, определяемой текущими свойствами и геометрией среды.
[...]
...В частности, изменение квантово-механической фазы частицы с зарядом q в электромагнитном поле определяется выражением [38]
δΘ = (q/cћ)∫Adl - (q/ћ)∫φdt (34)
В нем первый интеграл берется вдоль траектории (с элементарной длиной dl) частицы, символом t обозначено время; a ћ - постоянная Планка, деленная на 2π. То, что в уравнениях квантовой механики потенциалы (A,φ) не могут быть заменены векторами E и Н, убеждались все исследователи, кто пытался это проделать. Во всяком случае, простого пути для этой замены не существует [38]. Сейчас очевидна связь этого факта с тем, что зависимость для δΘ, например, допускает возможность обнаружения проявления электромагнитного поля в его взаимодействии с веществом в областях пространства, где E=Н=0.
Хотя уравнение (34) было получено с самого возникновения квантовой механики (1926 г.), возможность электрона подвергнуться взаимодействию с полем при движении в области, где компоненты поля E и Н равны нулю, была осознана только в 1955 году. Именно в это время Бом и Аронов сделали вопрос в теоретическом плане достаточно ясным. Ими также была предложена первая схема эксперимента по дифракции электронов в поле А при E=Н=0. Этот эксперимент в 1960 году осуществил R. G. Chambers [33]. Опыт дал положительный результат. В 1964 году R. С. Jaklevic и др. [32] также провели эксперимент, специально поставленный для обнаружения А в областях пространства, где E=Н=0, с использованием эффекта Джозефсона. Результаты их опыта полностью согласуются с предсказаниями квантовой теории. Оба эти эксперимента однозначно показали ограниченность описания электромагнитного поля с помощью E и Н и необходимость описания его только с помощью потенциалов. Характерно, что подобные вещи могут тридцать лет быть на виду, но игнорироваться из-за определенных предрассудков.
[...]
32. Неприменимость существующего набора математических законов электродинамики к анализу электромагнитных явлений индукции (по крайней мере, в областях пространства, где компоненты поля E=Н=0) можно показать следующим образом.
Обычно уравнение движения аналитически получают из принципа наименьшего действия. При этом сложность заключается в выборе функции Лагранжа (L), стоящей под интегралом действия. В релятивистском случае нет строгого алгоритма выбора вида L, какой имеется в классической механике.
[...]
Так как алгоритм выбора L неопределен, то вся мощь современного аппарата аналитической механики в данном случае оказывается бессильной. Качественно объяснение явления индукции может быть проведено, если привлечь понятие потенциалов. Хотя сразу же следует отметить, что состояние соответствующего раздела современной теоретической физики не позволяет дать его точную количественную характеристику.
Так, в рассмотренном выше примере с трансформатором, хотя вне сердечника E=В=0, во всем пространстве, окружающем его, отличны от нуля потенциалы А и φ. Допустим, что явление в проводе, охватывающем магнитопровод, есть макроскопическое квантовомеханическое явление. В этом случае к Ψ-функции каждого электрона может быть применено уравнение [16, 8]
ρ = ΨΨ*[1+(E'-eφ)/m0c2] (36)
где ρ - плотность заряда; e - заряд электрона; E' - разность между полной энергией электрона и его энергией покоя; m0 - масса покоя электрона.
Уравнение (36) утверждает, что в присутствии внешнего неоднородного потенциала волновая функция каждого электрона перекашивается (Как уже отмечалось, в соответствии с опытными данными, потенциал вихревого поля обладает периодической неоднозначностью. Связь φ и А=A(t) вытекает из калибровки Лоренца (37)). Следовательно, в рассматриваемом случае на концах разомкнутого провода, охватывающего соленоид, действительно может наблюдаться разность потенциалов, определяемая разной плотностью электронов на концах провода. Между концами провода можно зафиксировать поле Е , но оно является не вихревым индуцированным полем, а полем, создающимся реальными зарядами на концах провода.
[...]
34. Из приведенного выше анализа очевидно, что современная электромагнитная теория Максвелла-Лоренца вообще неприменима для описания электромагнитных явлений. Аппарат квантовой электродинамики, в принципе, предпочтительней (за неимением лучшего), так как он оперирует с потенциалами, хотя и он не сможет полностью прояснить физику явлений. В рамках квантовой (волновой) механики практически не исследованы случаи слишком глубоких потенциальных ям [39] и ускоряющихся частиц (то есть частиц, Ψ-функции которых существенно модулированы по фазе [11]). В квантовой механике до настоящего времени отказано в физической реальности Ψ-волне, и считается, что физический смысл имеет только произведение ΨΨ* (в смысле плотности вероятности), хотя Ψ-волна обладает всеми необходимыми атрибутами реальной, например, электромагнитной волны. Она распространяется, имея фазовую и групповую скорости, интерферирует, дифрагирует и т. д. (Даже модуль Ψ (а не ΨΨ*!) входит в ряд известных выражений для силы, энергии и т. п. [38]).
Квантовая (волновая) механика, показав неизбежность признания волновых свойств вещества, все же оставила половину старых воззрений, приписав, по существу силовым приемом, дуализм волна-частица наблюдаемым сущностям материального мира, при этом какого-либо рационального объяснения этому дуализму не было дано. Следует отметить непоследовательность в формировании принципов волновой механики. Именно, признав волновые свойства частиц, она продолжает пытаться объяснить различные виды взаимодействий только с помощью близкодействия, то есть свести их к локальным, дифференциальным соотношениям, разрабатывая нелокальные теории только на уровне микромира.
[...]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Попытаемся подвести некоторые итоги и сформулировать некоторые наиболее очевидные следствия из вновь открытых закономерностей.
1. Отсутствие в электродинамических эффектах электрического поля в вакууме говорит о том, что электромагнитная волна не несет энергии в обычном смысле этого слова (вектор Умова-Пойнтинга равен нулю). Энергетические проявления поля в приемниках волны связаны, таким образом, исключительно с веществом приемника (и магнитной компонентой волны) и требуют для своего объяснения привлечения новых, нелокальных и обобщенных законов сохранения.
2. Предпочтительность описания электродинамических эффектов с помощью 4-х потенциала поля (A,φ) и его взаимодействия с волнами вещества (Ψ-волнами де-Бройля), а также проверенная экспериментально возможность обнаружения и измерения потенциала поля А в областях пространства, в которых отсутствуют даже статические поля E и В, говорят о реальности продольных волн векторного потенциала и возможности создания устройств для их обнаружения.
Продольные волны являются не только безэнергетическими сами по себе, в отличие от обычной электромагнитной волны, но и не вызывают каких-либо энергетических эффектов в обычном пассивном приемнике, поскольку их присутствие в данной области пространства приводит только к специфической модуляции фазы квантовомеханической волны в соответствии с интегралом Фейнмана.
Для их обнаружения (что подтверждают эксперименты Жаклевича и Чамберса) необходимо затрачивать энергию от местного источника в самом приемнике (например, пропускать ток через сверхпроводящий переход Джозефсона), т. е. приемник должен быть активным.
Подчеркнем, что обычные классические приемные антенны (датчики электромагнитного поля) не будут каким-либо наблюдаемым образом реагировать на продольную волну потенциала.
3. Электродинамические опыты с движущимися средами (прежде всего опыты Рентгена, Эйхенвальда, Вильсона) также свидетельствуют о том, что при использовании движущегося активного вещества (материального тела) в последнем наблюдаются эффекты, как оказалось при детальном анализе, в принципе не укладывающиеся в рамки классической электродинамики.
4. Принципиальные отличия поведения в электромагнитных явлениях пассивных и активных пробных тел позволяют говорить о возможности существования новой, практически не изученной области явлений, к которым, по-видимому, и относятся первичные физические процессы взаимодействия объектов живой природы, отличающихся именно внутренней активностью, и различных внешних полей, в том числе связанных с Землей, Солнцем и т.п. и описываемых, по крайней мере, в терминах 4-х потенциала (A,φ).
[...]