Электромагнитной волны в вакууме

Так как рассматривается плоская волна, то для ее иллюстрации достаточно рассмотреть одномерную цепочку взаимодействующих друг с другом вихрей. Силы Е (аналог напряженности электрического поля), с которыми деформированные вихри действуют на частицы жидкости, направлены вертикально – в плоскости рисунка. Вектор углового вращения вихрей (соответствует направлению напряженности магнитного поля Н) направлен перпендикулярно к плоскости рисунка.

 

Рассмотрим подробнее вращательное движение вихрей при распространении волны. Пусть Ψ — положение какой-либо точки на поверхности вихря (координата отсчитывается по поверхности и может рассматриваться как фаза вращения). Будем считать, что положение этой точки одинаково для всех вихрей в невозмущенном вакууме. Тогда уравнение движения вихря можно записать в следующем виде, выражающем второй закон Ньютона:

Правая сторона уравнения является произведением массы поверхности вихря на ускорение, а левая – разность сил, действующих на вихрь со стороны вихрей слева и справа от него. Последнее утверждение поясним подробнее. Изменение параметра Ψ между соседними вихрями вызвано и определяется степенью деформации, то есть, электрическим смещением

Здесь введено обозначение l — размер вихря, ранее принятый нами за единицу (вихрь занимает единичный объем). Соответственно, разность сил, действующих на вихрь со стороны соседних вихрей, можно записать следующим образом:

 

Здесь Е — напряженность электрического поля, численно равная F.

С учетом (1.2), разность сил оказывается пропорциональной второй производной по координате и численно равной ротору сил, действующих на вихрь.

Таким образом, удобство использования модели Максвелла заключается в данном случае в том, что из уравнения движения (вращения) вихря мы получаем не только волновое уравнение (1.1), но и уравнение Максвелла

Левая часть этого уравнения является производной по времени от величины импульса вращательного движения вихря (аналог магнитной индукции). Так как мы считаем всю массу вихря сосредоточенной на его поверхности, то вращение описывается как линейное движение. Знак минус в (1.3) и (1.4) перед ротором появляется потому, что силы, действующие на вихри, имеют, очевидно, противоположное направление силам Е, действующим на частицы (действие и противодействие имеют противоположные направления).

Не менее наглядно с помощью модели можно получить выражение, связывающее между собой величины H и D. Согласно (1.2) набег фазы на одном вихре единичного размера численно равен динамическому смещению, то есть, его деформации. Но так как поле распространяется со скоростью света c_o = (1/εμ)^1/2 (см. (1.1)), то общий “набег” фазы за одну секунду (а это и есть H) окажется в c раз больше, чем на одном вихре

Теперь — о поперечном характере электромагнитного поля.

Поток электромагнитной энергии (вектор Умова-Пойнтинга), как известно, ортогонален и к электрическому, и к магнитному полям. Величина его выражается формулой:

Из приведенной на рис. 4 модели распространения электромагнитного поля видно, что вектор угловой скорости вращения вихрей, соответствующий направлению магнитного поля, направлен перпендикулярно к плоскости изображения, а сила (напряженность электрического поля), с которой деформированные вихри действуют на промежуточные частицы, направлена вертикально (в плоскости рисунка). Поток электромагнитной энергии, согласно правилам векторного произведения [E x H], должен быть направлен по направлению скорости распространения волны с.

И это полностью соответствует модели! Достаточно обратить внимание на то, что сила, действующая на поверхность вихря с правой стороны (рис. 4), совпадает с направлением движения его поверхности и, таким образом, сообщает ему энергию. А с левой стороны сила имеет противоположное скорости направление, то есть, вихрь передает энергию по цепочке в направлении с.

Этим механизмом передачи энергии и объясняется поперечный характер поля электромагнитной волны.

С помощью модели Максвелла можно даже понять появление “загадочного” дополнительного второго члена в уравнении

Первый член с правой стороны уравнения (плотность тока) не вызывает сомнений, так как вокруг проводников с током всегда возникает магнитное поле. Не трудно заметить, что и модель однозначно отвечает на этот вопрос (движение жидкости частиц закручивает вихри). Но появление в уравнении производной от электрического смещения, на первый взгляд, не имеет никакого объяснения.

При выводе формулы (1.5) мы уже говорили о том, что величина электрического смещения (величина деформации вихря) D определяет “набег” фазы на одном вихре. Теперь представим себе цепочку из трех вихрей. Очевидно, фазы левого и правого вихрей отличаются друг от друга на величину D среднего из этих трех вихрей. Что же произойдет, если будет изменяться величина электрического смещения D среднего вихря?

Ясно, что относительная фаза левого и правого вихрей будет меняться с той же скоростью, с которой будет меняться величина D среднего вихря. Но изменение во времени разности фаз левого и правого вихрей – это и есть ротор магнитного поля (при единичной величине размера вихрей)! Ведь оператор ротора выявляет как раз пространственное изменение вектора магнитного поля.

Более того, с помощью модели Максвелла можно представить себе, каким образом в вакууме зарождается электрический заряд, то есть, как образуется ненулевая дивергенция электрического поля (рис. 5). На рисунке в промежутке между верхним и нижним вихрями количество малых частиц зависит от соотношения степени сжатия стенки верхнего вихря и степени растяжения стенки нижнего вихря. Например, если степень сжатия превышает степень расширения, то в промежуток между вихрями “закатывается” больше частиц.

Следовательно, в этом случае в промежутке между вихрями плотность частиц превышает среднюю величину. Но, как мы видели, область пространства, в которую стягивается жидкость частиц, соответствует наличию в ней положительного заряда.

Таким образом, ненулевая дивергенция поля “автоматически” приводит к возникновению заряда. А так как мы положили размеры вихрей единичными, то дивергенция D будет равна плотности заряда:

 

 

Условия, при которых в вакууме возникает объемный заряд (ненулевая дивергенция электрического поля), как мы уже упоминали, имеют место при вращении электромагнитного солитона. Особый вид напряжений между вихрями, “создающий” заряд, является темой отдельного анализа, и мы здесь не будем подробнее останавливаться на этом чрезвычайно важном и интересном вопросе.

Теперь обратим внимание читателя на то, что модель Максвелла обладает, очевидно, существенно большими возможностями в сравнении с известными уравнениями электромагнитного поля. Речь идет не только о том, что параметры электромагнитного поля приобретают наглядный физический смысл. Главное состоит в том, что модель дает возможность осмысленно (а не только формально) анализировать процессы, происходящие в вакууме.

Например, незаметно для себя мы уже обнаружили две разновидности электрического смещения D, которые в теории электромагнитного поля отдельно не рассматриваются, но существование которых логически вытекает из модели Максвелла. Причины деформации вихрей, как мы видели, могут принципиально отличаться друг от друга. Динамическое смещение возникает не в результате смещения “жидкости частиц”, как в случае электростатического смещения (рис. 3), а в результате воздействия вращающихся вихрей друг на друга (рис. 4).

 

 

 

Рис. 5. Образование ненулевой divD.

а — равномерная деформация вихрей (одинаковая степень растяжения верхних стенок и сжатия нижних стенок вихрей) соответствует нулевой divD;

б — в промежутке между вихрями количество частиц зависит от соотношения степени сжатия стенки верхнего вихря и степени растяжения стенки нижнего вихря: например, если степень сжатия превышает степень расширения, то в промежуток “закатывается” больше частиц — в этом случае плотность частиц превышает среднюю величину, что соответствует положительной дивергенции поля.

 

Еще одним примером замечательных свойств двухкомпонентной модели Максвелла является то, что она допускает, образно говоря, “расслоение” вакуума. На рис. 6 условно изображен фрагмент пространства, в котором распространяется электромагнитное поле. Расслоение вакуума приводит к тому, что поле может структурироваться в пространстве, а поток электромагнитной энергии – канализироваться в некоторой области. Вследствие этого, неизбежно возникают динамическая (активная) область (слой), в которой локализуется поток электромагнитной энергии, и внешняя (статическая) область, испытывающая на себе воздействие динамической области.

Кроме того,промежуточные частицы на границах активной и статической областей помимо вращения приобретают и поступательное движение. Как показано на рис. 6, на верхней границе вихри “перекатывают” их налево, а на нижней – направо. Такое направленное движение слоя “жидкости частиц” соответствует, как показал Максвелл, наличию электрического тока.

Это чрезвычайно важный результат! Вакуум может образовывать энергетические структуры, границы которых формируются особыми токами, природа которых не связана с обычным электрическим током, возникающим при движении известных нам заряженных частиц. Мы явно поторопились, назвав элементарным и наименьшим заряд электрона! Заряд электрона – это всего лишь свойство равновесных вращающихся энергетических структур, возникших в вакууме в результате эволюции Вселенной. Впрочем, где-то в других частях Вселенной, вполне возможно, существует другой набор равновесных частиц.

 

 

 

 

Рис. 6. Модель локализации электромагнитного поля в вакууме

1 — неподвижные вихри в статической области; 2 — вращающиеся вихри в активной области (утолщениями условно показана тангенциальная деформация вихрей, в результате которой одна из сторон испытывает деформацию сжатия); D — динамическое смещение в активной области; D_э — статическое смещение вне активной области;

Х — направление распространения электромагнитного поля (энергии); пунктиром очерчена внутренняя — активная (динамическая) область распространения поля.

 

Представим себе динамическую область в виде кольца, по которому распространяется поток электромагнитной энергии (рис. 7). Такая структура в вакууме не только возможна, но и логически легко представима, исходя из рассмотренного нами свойства вакуума, которое мы определили как “расслоение”. Этот своеобразный резонанс вакуума, является ключом к познанию самой простой (элементарной) частицы вещества.

Интересно, что анализ вращающегося электромагнитного солитона с помощью модели Максвелла дает возможность понять не только причины возникновения электрического заряда у элементарных частиц вещества, но и характер особых стоячих волн, существующих как внутри, так и вокруг частиц.

Результаты анализа кольцевой энергетической структуры солитона опубликованы в работах [2, 3]. Некоторые следствия из проведенного исследования изложены также в работах [4, 5, 6].

Подведем некоторые итоги.

Даже краткое знакомство с моделью вызывает чувство восхищения. Поражает не только степень взаимного соответствия свойств модели и уравнений электромагнитного поля Максвелла. В модели мы даже можем использовать те же обозначения, что и для электромагнитного поля!

Но самое ценное состоит в том, что модель дает возможность понять свойства вакуума и исследовать сущность происходящих в нем процессов.

Другими словами, модель обладает глубоким физическим содержанием. Стало ясно, что уравнения Максвелла описывают лишь частный случай из многообразия возможных состояний вакуума.

Очевидно, Максвелл осознавал уникальные возможности модели и, несмотря на критику оппонентов, никогда от нее не отказывался, используя в большинстве своих работах как эффективный и наглядный инструмент анализа свойств электромагнитного поля.

Можно только сожалеть, что при жизни Максвелла электрон еще не был открыт. Гениальный ученый, несомненно, создал бы электромагнитную теорию элементарных частиц. Ведь как мы убедились на модели, важнейшим свойством вакуума как среды, является его способность локализовать в пространстве потоки электромагнитной энергии, в результате чего в нем формируются энергетические структуры. Это свойство вакуума обеспечивает образование структур с вращающимися электромагнитными потоками — элементарных частиц вещества.

 

 

 

Рис. 7. Вращение потока электромагнитной энергии в вакууме.

1 — неподвижные вихри в статической области; 2 — вращающиеся вихри в активной области (как и на предыдущем рисунке, вихри вращаются против часовой стрелки, то есть, магнитное поле направлено на нас);

D — динамическое смещение в активной области; Dэ — статическое смещение (зарождается в динамической области); Х — направление распространения электромагнитного поля; пунктиром очерчена внутренняя — активная (динамическая) область распространения электромагнитного поля. Малые частицы между вихрями на рисунке не показаны.

Известно, что теория электромагнитных явлений, разработанная Максвеллом, современниками была принята “в штыки”, а признание пришло лишь спустя десять лет после смерти ее автора. Но, по сути, теория Максвелла не признана до настоящего времени!

Как это произошло? В погоне за “красивостью” математической формализации теорию Максвелла лишили физического смысла.

Д. К. Максвелл, будучи превосходным математиком, обладал несравненной физической интуицией. Он не только считал вакуум некоторой “особой средой”, но и разработал модель, имитирующую свойства этой среды. Модель вакуума адекватно отражала сущность электромагнитных явлений и была успешно использована им при анализе самых разных электромагнитных явлений.

Как же распорядились гениальным наследием Максвелла последующие поколения ученых? Они выбросили “строительные леса” электромагнитной теории. Последствия этого оказались весьма тяжелыми, так как электродинамика фактически была лишена возможности развития.

По сути, была выброшена физика! Остались бесконечные математические упражнения, замкнутые в тесных рамках уравнений, описывающих только малую часть из множества возможных явлений в вакууме.

В заключение следует еще раз подчеркнуть, что Максвелл, создавая теорию электромагнитного поля, провел подробное исследование модели в трех измерениях. В нашу же задачу входило, с одной стороны, как можно популярнее и нагляднее проиллюстрировать соответствие модели свойствам вакуума, а с другой стороны, показать далеко не исчерпанные возможности модели Максвелла как эффективного инструмента исследований.

 

Литература

· 1. Максвелл Д.К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. Пер. под ред. П.С. Кудрявцева. М.: Гос. изд. технико-теорет. лит., 1952.

• 2. Верин О.Г. Динамика вакуума и солитонная теория элементарных частиц. М. РТ-Пресс. 2002 г.

· 3. Верин О.Г. Природа элементарных частиц, квантовая теория и Великое Объединение. М. Контур-М. 2005 г.

· 4. Верин О.Г. Энергия. Вещество и поле. М. Контур-М. 2006 г.

• 5. Верин О.Г. Постоянная тонкой структуры из компьютера.
• http://comm.roscosmos.ru/ForumMess.aspx?reciD=256&CommiD=7&GroupiD=0&SubGroupiD=1&Lang=RUS
• 6. “ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ МИРЫ” и рассчет массы НЕЙТРИНО
• http://comm.roscosmos.ru/ForumMess.aspx?reciD=262&CommiD=7&GroupiD=0&SubGroupiD=1&Lang=RUS

 

 

 

Дата публикации: 21 января 2008

ПОСТОЯННАЯ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ

“ИЗ КОМПЬЮТЕРА”

 

© Верин О.Г.

Контакт с автором [e-mail]

· “Это одна из величайших проклятых тайн физики:

· магическое число, которое дано нам и которое

· человек совсем не понимает…

· Мы знаем, что надо делать, чтобы экспериментально

· измерить это число с очень большой точностью,

· но мы не знаем, что делать, чтобы получить

· это число на компьютере – не вводя его туда тайно”.

· Р. Фейнман.

Прошло почти пять лет после опубликования книги [1], посвященной динамике вакуума. Именно в этой работе показано, что надо сделать, чтобы “получить… на компьютере” постоянную тонкой структуры и приведены соответствующие выкладки.

В данной статье мы возвращаемся к этому вопросу с тем, чтобы по возможности кратко и наглядно изложить результаты исследования, посвященного “тайне” возникновения знаменитой физической константы как характеристики элементарного возбуждения вакуума.

Подобно безразмерной константе “пи” (отношение длины окружности к ее диаметру), характеризующей фундаментальное свойство классической геометрии физического мира, безразмерная константа – постоянная тонкой структуры интуитивно с самого начала также воспринималась как фундаментальная характеристика окружающего мира.

Теперь можно сказать, что эти ожидания полностью оправдались. По сути, константы оказались родственными. Но, в отличие от “пи”, постоянная тонкой структуры характеризует не евклидово пространство, а свойства вакуума. Также как “пи” является характеристикой окружности в евклидовом пространстве, точно также постоянная тонкой структуры является фундаментальной характеристикой солитона в вакууме.