Модели электромагнитных волн в академической физике настолько не функциональны, что каждый из нас имеет свою, к сожалению, обычно только им и понимаемую. Данный труд является попыткой изобразить невидимое, создать конструкцию, позволяющую трогать руками и рассматривать со всех сторон то, что органами чувств восприниматься не может.
1. Радиоволны Электрическим полем обладают лишь электрические заряды. Сухие древесные опилки, рассыпанные вокруг точечного заряда, расположатся лучами радиально - рис.1-а. Если зарядов два и они разной полярности, то опилки выложат картинку рис.1-б, похожую на ту, что складывается из металлических опилок вокруг постоянного магнита.
Рис. 1
Рознит магнетизм и электричество невозможность существования однополюсного магнита, подобного одиночному заряду. Общее, помимо отображенной на рис.1-б схожести, схожесть в отношениях к себе подобным.
В академической физике нет ответа на вопрос о последовательности прорисовки линий рис.1-б. Следует изобразить на одном полюсе щетину и тянуть одновременно все волоски к другому полюсу, или начать с ближних овалов и продолжить, увеличивая последующие? Эта неясность исключает использование модели в практических целях.
Вторая функция стрелок - представлять силовую характеристику поля. Придавать среде какие-то свойства, позволяющие отличать то, что осталось позади стрелки, от того, что впереди - занятие не благодарное и бесперспективное. Модель как магнитного, так и электрического поля позволяет не только ставить вопрос о скорости его распространения, а о необходимости наделения чего-то в этих полях скоростью вообще.
Рис. 2
Электроны имеют спиновой μs и орбитальный магнитный момент μl - рис.2. Оба магнитные момента представляются векторами, совпадающими в направлении с осями вращения. Так как, векторы не равны и разнесены в пространстве, каждый электрон и атом, независимо от заряда ядра, принято считать маленьким магнитом. Позволяет ли такая модель объяснять взаимодействие магнитов - отталкивание одноименных полюсов и притяжение противоположных? Физика отказалась разбираться с природой магнитного поля (так же с электрическим полем), относится к силе Ампера как к совершающемуся факту.
И все же поведение предметов в электрическом и магнитном поле, мне кажется, моделировать можно. На рис.3 показаны рядом расположенные проводники, токи которых противоположны. Тонкими линиями показаны магнитные индукции, которые между проводами складываются, вне проводов - направлены встречно и взаимно ослабляются.
Рис. 3
Заполним пространство между проводниками молекулами водорода. Ориентировать относительно друг друга свои магнитные моменты они стараются, но не получается. Причина в теплоте, хаосе броуновского движения. Заставить их ориентироваться может внешнее магнитное поле, в том числе - проводников (рис.4). Если без внешнего поля, суммарное значение импульса силы во взаимоотношениях частиц можно принять нулевым, то в показанной на рисунке их ориентации, появляются силы, стягивающие частицы в кучу. Электроны, атомы и прочие частицы поведут себя подобно стальным опилкам, постараются впитать и нейтрализовать магнитную индукцию проводников. При этом очень важно, что магнитные силы начнут стягивать к месту наибольшей индукции не только газ, но и сами проводники. Проводники потянуться друг к другу. Сила, воздействующая на них, несоизмерима с той, что действует на частицы газа. Дело в количестве элементарных зарядов.
Рис. 4
Если в проводниках токи направлены в одну сторону, то сложение магнитных индукций произойдет за проводниками, а между ними магнитное поле будет слабым. Такой расклад вызовет силы, отталкивающие проводники друг от друга. В результате, силы Ампера приобретают образ.
Рис. 5
Особыми, неестественными свойствами поля наделяются в динамических процессах. Им приписывают вещи, без которых они могут, не потеряв функциональности, обойтись. Физической потребности в полях нет. Их приходится упоминать в тексте лишь потому, что так принято называть среду, в которой происходят взаимодействия магнитов и электрических зарядов. Для примера рассмотрим работу трансформатора - рис.5. Представим, что сердечник обладает большой проницаемость и вбирает в себя все магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой. Между вторичной обмоткой L2 и сердечником существует воздушный зазор, магнитный поток в котором ничтожен. Можно утверждать, что магнитное поле, окружающее вторичную обмотку, очень слабое. Казалось бы, что мизерной должна быть ЭДС вторичной обмотки, но это не так. Напряжение на ее выводах соотносится с подводимым напряжением лишь через количество витков. Площадь сердечника и его магнитная проницаемость определяют передаваемую мощность, но не влияют на принцип работы трансформатора. Трансформатору для выхода на режим не нужна раскачка. Такое возможно лишь при условии, что магнитные поля во взаимоотношениях обмоток - вещи вторичные. Говорить об их существовании и распространении в космос, как о чем-то естественном, нельзя потому, что взаимоотношения обмоток трансформатора не зависят от напряженности магнитного поля, в котором они находятся.
Если сердечник убрать, или свести его магнитную проницаемость к проницаемости воздуха, то при пересчете мощности не надо учитывать долю магнитного потока первичной обмотки, проходящую внутри вторичной. Сердечник как бы всегда есть. В учебниках магнитный поток рисуется проходящим как внутри, так и вне катушек, считается «рабочим» лишь проходящий внутри. Но из практических формул расчета трансформатора следует, что прохождение потока безразлично. Формулы не учитывают рассеивание, не имеют коэффициентов, зависящих от зазоров между обмотками и сердечником.
Вывод: 1) Обмотки взаимодействуют непосредственно друг с другом и в «полях» не нуждаются. 2) Обмотки взаимодействуют и с сердечником, если он есть.
Трансформатор позволяет рассматривать его работу вне электромагнитных полей. Уникален ли он?
Предположим, поставлена задача увеличения добротности контура, изображенного на рис.6-а. Добротность характеризуется многими параметрами, в том числе соотношением задействованной энергии и теряемой в электромагнитных превращениях. Первое, что хочется сделать - уменьшить рассеивание магнитного поля. Его можно «запереть» в сердечнике, как на рис.6-б. Но каждый радиолюбитель скажет, что успех не гарантирован. Практически сердечники применяют для уменьшения габаритов катушек, так как они позволяют сократить диаметр и количество витков. На добротность влияют косвенно - уменьшаются потери в проводах, но появляются потери в сердечнике.
Рис. 6
С другой стороны, попытка повысить добротность путем уменьшения расстояния между пластинами конденсатора, также ничего не даст. Более того, если их раздвинуть, как показано на рис.6-в, и этим уподобить усикам антенны, то однозначно о последствиях говорить нельзя. Многое зависит не только от окружающих предметов, но и расположения элементов самого контура.
Личный опыт позволяет утверждать, что уменьшение или увеличение потерь энергии, а с ними и добротности, определяется токами Фуко, возникающими в элементах контура и окружающих его предметах. Утверждать, что в «электромагнитных полях» переменные токи образуют какие-то не поддающиеся описанию волны, свидетельств нет.
Представьте, что из двух одинаковых стержней нужно выбрать намагниченный, а рядом нет ничего железного. Физика утверждает, что магнит, в отличие от простого прутка, при вращении должен буравить все видимое пространство и гнать волны. Магнит, якобы, вращать труднее, чем простую болванку.
С этим не согласится инженер-механик. Согласно третьему закону Ньютона, сила может быть приложена лишь к чему-то, она проявляется в противодействиях. Сопротивление могут оказать лишь внешние предметы, индуцированными в них токами. Токи не могут существовать без свободных зарядов, в вакууме.
Таким образом, получается, во-первых:
- есть рядом предмет, который способен отреагировать, баламутить пространство, не прикладывая сил, не получится;
- если Вас окружает пустота, то поступайте с магнитом, как хочется, обидных слов по поводу своего занятия, как пушкинский Балда, не услышите.
Во-вторых, взаимоотношения должны складываться сразу, реакция одного предмета на поведение другого должна быть моментальной.
Спорить с тем, что скорость распространения электромагнитных волн ограничена, абсурдно. Но причину можно искать в следующем:
Рис. 7
Представим мысленно «замороженное» электронное облако. Заряды равноудалены друг от друга. Сдвинем один из них, центральный, влево, как на рис.7-а. Его соседи будут вынуждены переместиться так, чтобы результирующее воздействие от окружающих зарядов привести к нулю - рис.7-б. Вслед за ними, так же поступят их соседи - рис.7-в. Вслед, а не сразу, потому что дальние экранированы промежуточными зарядами.
Особенно эффектно экранирование выполняют металлы, точнее - их свободные электроны. Но в принципе, это свойство любого заряда. В металлической оболочке не могут существовать электрические напряжения. Свободные электроны перегруппируются, чтобы устранять разницу потенциалов. Она не может существовать, потому что вызывает ток, который ее уничтожает. В итоге, наблюдатель, обладающий соответствующими приборами, снаружи не сможет определить, что происходит внутри оболочки. И наоборот, внешние потенциалы не могут проникнуть внутрь.
Эффект экранирование проявляется и в магнитном поле. Если два электрона сторонними силами подтянуты друг к другу, то их полюса (спины) будут разнонаправлены. На поворот одного, другой ответит поворотом в противоположном направлении. Их поведение подобно поведению постоянных магнитов в схожей ситуации. Когда постоянные магниты выстраиваются сферично вокруг сильного полюса, то конструкция становится похожей недоделанный однополюсный магнит, который не может иметь магнитного поля.
Возвращаемся к рис.7 и что видим по прошествии времени - внутри «облака» образуется дорожка смещенных зарядов. Если у звука прикладывание вектора силы при соударении происходит в произвольной точке молекул, что дает им веер возможных направлений дальнейшего движения, то здесь же картина похожа на прохождение возмущения в твердом теле, когда с увеличением скорости подвижки рассеивание уменьшается. Брошенный камень разбивает оконное стекло, пуля делает в нем цилиндрическое отверстие. Мы можем заменить электроны рис.7 протонами, наделить их собственным и орбитальным вращением, свободой перемещаться, так как это принципиально ничего не меняет. Причин две. Первая - связь зарядов постоянна и имеет место на любом удалении. Вторая - собственные скорости вращения и перемещения зарядов несоизмеримо малы в сравнении со скоростью распространения возмущения. Волны «видят» их как бы замороженными
Технически невозможно получить разряжение подобное космическому вакууму. Промежуточные заряды можно исключить лишь теоретически, тогда скорость наступления взаимодействия между антеннами, например, будет мгновенной. «Радиосвязь» уподобится работе трансформатора.
Можно ли, ссылаясь на классическую физику, утверждать, что скорость реакции на возмущение зависит лишь от количества промежуточных зарядов? И да, и нет.
Скорость света зависит от плотности среды и длины волны. Короткие волны летают быстрее. Скорость света в алмазе в 2,4 раза меньше скорости в воздухе. Это согласуется с данной моделью. Что касается радиоволн, то здесь не так. Их скорость всегда принимается предельно высокой. Из-за малости не только творений человеческих рук, но и планеты, серьезные ошибки не проявляются. Но в космических масштабах, курьезы возникают. Вызывает интерес, определялась ли скорость радиоволн в металлах и других средах?
Рис. 8
Проводник, прикрепленный концом к катушке индуктивности, привычный образ как передающей, так и приемной антенны - рис.8. В современных устройствах радиосвязи, например, мобильных телефонах, катушки отсутствуют, но это не означает, что можно обойтись без индуктивности. Просто, проводник любой формы и размера обладает и индуктивностью, и емкостью. В передающей антенне процесс аналогичен происходящему в колебательном контуре.
Если пространство между антеннами велико и оно заполнено элементами, обладающими собственными магнитными диполями, то легко согласиться с тем, что приемная антенна ими экранирована. Пусть в данный момент ток в передающей антенне направлен от нас. Его магнитное поле успело сориентировать магнитные моменты частиц последовательно одна за другой в зоне, очерченной ближней дугой. До этого ток был направлен в другую сторону. Он образовал зону, в которой вектор индукции направлен вверх. Так были созданы распространяющиеся зоны, в которых вектор магнитной индукции менял направление. Назовем их радиоволнами.
Дошедшее до приемной антенны возмущение магнитного поля индуцирует в ней ток, направление которого ослабляет напряженность в направлении волны. Согласно Фарадею (1831), индуцированный ток всегда стремится стабилизировать внешнее магнитное поле. Природа защищается, пытается возможными средствами помешать себя баламутить. Такая реакция знакома всем. Например, лодка после толчка стремится повернуться корпусом поперек движения не потому, что киль кривой, а потому что такое положение более устойчиво. Подобное поведение позволяет говорить в физическом законе, называемом законом наибольшего сопротивления (ЗНС), одно из проявлений которого - закон подлости. ЗНС позволяет отказаться от использования электромагнитных полей как таковых, не связывать формулы Максвелла с мифическими процессами, а относится к ним как к одному из способов расчета взаимодействий.
Представим передающую антенну металлическим прутком, в котором внешним электрическим полем часть свободных электронов сгруппирована на одном из концов. После исчезновения внешнего поля, сколько времени им необходимо, чтобы потеснить коллег и восстановить статус-кво? Время пропорционально длине проводника и обратно пропорционально скорости прохождения возмущения. Так как скорость распространения возмущения поля внутри антенны принята равной скорости распространения волны вне антенны, то выравнивание напряжений займет четверть периода, а переполюсовка - половину периода волны внешней. Антенна называется полуволновым вибратором. И передающая, и приемная антенна должна иметь период собственных колебаний соответствующий рабочей частоте. Примечательно то, что соотношения длины волны собственных продольных механических колебаний стального стержня и его длины, копирует допустимые соотношения радиоантенн.
В советские времена многие заказывали изготовление телевизионных антенн знакомым, а у тех возникали проблемы с корректировкой размеров под конкретный материал. Что мешало брать длину вибраторов равной длине полуволны? «Научное» объяснение было простым: волны ходили не вдоль проводника, а «по диагонали». Путь, как бы, оказывался длиннее, и для приведения его в норму, антенну следовало делать несколько короче (на 5÷15%). Доверия объяснению нет. Во-первых, удлинение пути волны возможно лишь при условии, что скорость фронта выше скорости флангов, но физика считает скорость независимой от направления. Во-вторых, укорочение размеров антенн, с целью повышения их рабочих качеств, естественней связать с тем, что скорость волны в металлах меньше ее скорости в воздухе.
Рис. 9
Волны на некотором удалении от передающей антенны, изображенной на рис.8, становятся сферическими. Практически невозможна передача лишь в одном направлении в длинноволновом диапазоне. Собрать излучение в пучок получается только при сведении длины волны в сантиметровую область и радикальном изменении конструкции антенны. При этом остается условие: габариты излучателя не должны превышать половину длины волны, что делает его очень компактным - см. рис.9. Компактность ограничивает число электронов, участвующих в колебательном процессе. При равных потенциалах на концах, их количество можно принимать величиной пропорциональной длине антенны (излучателя).
Уточним электрические параметры, которыми мы можем себе позволить наделить передающую антенну. Говоря о процессах с ней связанных, мы употребляем выражение «ток течет от одного конца к другому». Каким же этот ток может быть? В лампочке карманного фонарика ток 0,33 А. Три секунды такого тока достаточно, чтобы у каждой молекулы воздуха, находящегося в шаре диаметром 7,62 мм и нормальных условиях, отобрать электрон. Если молекулы другого шарика ионизировать отобранными электронами и отставить на метр от первого, то шарики будут притягивать друг друга с силой почти в 900 тыс. тонн. Чтобы растащить их, надо затратить 10 12 джоулей, что эквивалентно поднятию на метр 100 миллионов тон груза. Силы, разрывающие сами шарики, считать нет смысла. Материал, способный удержать даже столь незначительный заряд, еще не придуман.
Из сказанного следует, что применительно к антеннам разговоры о токах в них очень условны. Максвелл использовал выражение «ток смещения». Полностью отказаться от тока воображение не позволяет, поэтому будем иметь в виду, что ток в антеннах, это не направленное движение зарядов, а лишь попытка сместиться в одном из двух возможных направлений.
Магнитная индукция короткой антенны уходит на второй план. На первое место выходит собственно смещение электронов. В общем виде мы его рассмотрели выше, используя «замороженное облако». Уточним некоторые детали.
Рис. 10
Пусть правый электрон рис.10 находится в излучателе, а левый принадлежит среде. Смещение правого вызовет не только подвижку левого в том же направлении, но и с высокой долей вероятности заставит вращаться, так как оба обладают магнитными моментами и у подвижного заряда появляется круговое магнитное поле.
Темные круги, изображенные на рис.9, представляют условно зоны, где заряды передают кинетическую энергию - волны. Пятно в центре - излучение левого торца. Окружающее его более светлое кольцо - излучение рефлектора, индуцированное правым торцом. Его можно пустить в противофазе внутренней зоне. В этом случае строение волны уподобляется рис.7. Такая конструкция устойчива к рассеиванию волны, ее прохождение в газе похоже на прохождение по коаксиальному кабелю.
Односторонняя направленность волны излучателя рис.9 объясняется подвижкой в данном направлении зарядов. Они передают свою кинетическую энергию. Что удерживает от рассеивания волну передатчика рис.8? Что заставляет магнитики зоны, ориентированные подобно изображенным на рис.4, переориентировать не всех соседей, находящихся слева и справа, а только тех, которые находятся дальше от передатчика? Одна переориентация магнитных моментов атомов, ионов и свободных электронов не способна создать волну, ослабевающую пропорционально квадрату, а не кубу расстояния. Так же, как в звуковой волне, частицы должны приобретать и в последствии отдавать кинетическую энергию поступательного движения. Способна ли магнитная индукция отталкивать неподвижные заряды, наделять их кинетической энергией? Несомненно!
Отталкивать заряды, обладающие магнитными моментами, способно переменное магнитное поле. Правильнее было бы назвать его электромагнитным, но есть нюанс - в примерах, рассматриваемых далее, при использовании сверхпроводников, ЭДС можно свести до долей вольта, оставляя прежними силовые эффекты.
Рис. 11
В школах на уроке физики показывают опыт с парящим медным кольцом, надетым на сердечник катушки, включенной в розетку переменного напряжения частотой 50 Гц - рис.11. Можно конструкцию сделать такой, что при подключении катушки к автомобильному аккумулятору, кольцо будет выстреливаться. Военные имеют электромагнитные пушки, придающие снарядам (обычным, электрически нейтральным) скорость в 3÷5 раз превышающую ту, что по силам пороховым зарядам. Пушки из-за сложности устанавливаются пока лишь на кораблях. Это же явление - индуцирование в замкнутом проводнике отталкиваемого магнитного поля - положено в основу работы асинхронного электродвигателя. Магнитная индукция молнии раскалывает деревья и рвет внутренние органы человека даже без прямого попадания.
Академическая физика обходит вопрос, почему перемещение фронта не сказывается на направлении вектора магнитной индукции «В»? Предположим, после включения соленоида магнитное поле успело дойти до магнитиков, которые окажутся на фронте волны - рис.12. Некоторое время поле слева от них будет более «плотным». Рассудок отказывается соглашаться с тем, что прохождение фронта на магнитиках не скажется. Изменение напряженности поля всегда вызывает ответную реакцию рядом находящихся зарядов. Индуцируемому току нужны свободные электроны, и они всегда находятся у любой видимой частицы. Ломоносов был убежден в том, что полярные сияния и хвосты комет имеют одну и ту же природу, связанную с магнетизмом и электричеством. Это расходилось с мнением Ньютона, мол, пар и частицы кометной пыли выстраиваются в колонну благодаря световому давлению. Вопрос Ломоносова об отличительных особенностях кометного пара, ведь в быту подобного наблюдать не приходится, западными учеными не просто игнорировался, а понуждал называть «оппозиционера» дилетантом. Лишь в начале прошлого века Н.П. Лебедев экспериментально доказал, что электромагнитные волны (световые, тепловые, ультракороткие радиоволны) оказывают давление на твердые тела. Явление было принято как факт, теоретического обоснования не последовало. Понятно без этого - фотоны не просто так стукаются о препятствия.
Рис. 12
Если исходить из того, что свет представляет собой высокочастотное излучение, то в поведении солнечного ветра, частиц пыли кометных хвостов ничего аномального нет. Они ведут себя так же, как кольцо на соленоиде или ротор асинхронного электродвигателя - убегают от источника электромагнитного возмущения.
Важно то, что изменение магнитного поля воздействует на частицы среды импульсом силы, наделяет направленной кинетической энергией. Есть все основания отождествлять возмущенную зону с волной, потому что выполняется основное требование волны - частицы, находящиеся в ней, приобретают направленную скорость.
2. Свет
Излучение электромагнитной энергии каким-либо веществом можно разделить на два вида - тепловое (сплошной спектр) и атомарное (линейчатый спектр). Тепловое излучение занимает всю полосу частот от радиоволн до ультрафиолета. Атомарное излучение представляется в видимом диапазоне узкими полосками и не может энергетически себя проявить на «тепловом фоне».
Тепловые волны, занимающие нишу между радиоволнами и светом, рождаются свободными электронами в твердых и жидких телах. Движение свободных электронов подобно движению молекул газа, их совокупность называется электронным облаком. В связи с тем, что скорости и направления движения у всех электронов разные, они создают множество возмущений (волн). Напоминаю, речь идет не о волнах, которые существуют сами по себе, как у Максвелла, а о возмущениях частиц среды между объектом и наблюдателем.
Установлено, что наибольшее по мощности излучение имеет длину волны, определяемую по эмпирической формуле Вина
 [м] ,
Обратить внимание следует на то, что при отсутствии свободных электронов, лучевого теплообмена нет. Невозможно определить температуру шерсти, даже пощупав ее, а нагретый металл всегда выдает себя исходящим теплом. Перед окончательными похоронами теплорода, его пытались связать с электронным облаком. Повод давало то, что теплопроводность и электропроводность материалов можно выражать одной величиной с постоянным множителем, вызванным разницей единиц измерения.
Как в твердых телах проявляет себя экранирование свободных электронов другими, в том числе их коллегами? Нагреем до одной и той же температуры - 1000°С (желтого каления)- железные пруток и трубку, с толщиной стенки равной диаметру волоса. Не только глаза, но и приборы не смогут найти отличие как в цвете, так и в энергии излучения. Возмущать среду имеют возможность лишь поверхностные электроны.
Если излучение отдельных атомов какого-либо вещества пропустить через призму, то на экране мы увидим череду цветных полосок - спектр. Размещение полосок совпадет с раскладом радуги при пропускании через эту же призму белого (теплового) света.
Сферичность атомарного излучения подтверждается спектром поглощения. Если между призмой и источником белого света поместить пары вещества, то радуга на экране будет иметь темные полосы в тех местах, которые закрасятся, если вынудить светится пар. Спектры излучения и поглощения совпадают. Появление темных полос объясняется тем, что поглощенные лучи, будучи направленными от фонаря к экрану, переизлучаются затем во все стороны, и лишь небольшая доля новых лучей сохраняет направление родителей.
Классическая физика объясняет многополосицу спектра каждого вещества тем, что валентный электрон перепрыгивает сразу несколько орбит. Здесь явная манипуляция с законами механики и электродинамики. Рассмотрим ситуацию, не обременяя себя необоснованными, не поддающимися логике постулатами. Если классика требует для электрона орбиту, чтобы в нее укладывалось целое число волн де Бройля, то можно заменить их реальными колебаниями, как показано на рис.13.
Будем исходить из модели атома, в которой электроны не только летают по круговым (сферическим) орбитам, а дополнительно колеблются. Колебания электрона е относительно ядра (в нашем случае - протона р) могут быть радиальными, как на рис.13-а, осевыми - 13-б, или в обоих направлениях - 13-в. Удаление и приближение электрона к ядру не является переходом с одной орбиты на другую.
В отличие от атома Бора, наш атом не требует, чтобы поглощаемая им энергия поступала мгновенно и целиком, и таким же образом излучалась. Колебания электронов на орбите возникают при соударениях атомов и от внешнего электромагнитного воздействия. Если электронов у атома много, то они не могут обойтись бес кодекса поведения. Прежде всего, следует исключить возможность пересечения орбит. Для этого достаточно, чтобы орбиты копировали друг друга и внутренние отличались лишь масштабом, пропорциональным соотношению радиусов. Это требование как бы исключает экранирование внутренних электронов. Магнитные моменты электронов, спиновые и орбитальные, направлены так, чтобы магнитное воздействие друг на друга было минимальным. Если колебания на орбите станут настолько велики, что сделают невозможным сосуществование электронов, то виновник покинет территорию. Атом превратится в ион. Это может подтолкнуть химическую реакцию, как происходит с галогенами серебра. Электрон может повысить плотность электронного облака, может быть электрическим потенциалом оторван от тела и использован для создания тока, например, в фотоэкспонометре, может вернуться на место.
Рис. 13
Атом, не имеющий соседей, ведет себя как замороженный: орбиты всех электронов идеально круговые (сферические). Электрон можно представить как бы размазанным по сфере, круговым током. Если в группе родственников-заморозков появится «теплый» атом, похожий на один из изображенных на рис.13, то остальные возмутятся. Орбиты их электронов начнут зеркально подражать орбите возмутителя. Представим мысленно ряд одинаковых качелей, закрепленных на едином неустойчивом основании. Раскачивание одной из качелей вызовет противофазное колебание других. Принципиально важно, что все колебания окажутся синхронными - нижнюю мертвую точку они будут проходить одновременно, и это независимо от индивидуальных амплитуд. Важно так же то, что раскачивание платформы окажет негативное воздействие на первые качели. Можно говорить, что колебания одних качелей передалось нескольким, энергия воздействие на среду не изменилось, а максимальная амплитуда качания уменьшилась.
Вернемся к атомам и сопоставим их поведение с поведением качелей. Положим, имеется газ, у которого возмущение орбит валентных электронов вызывается соударением молекул в броуновском движении. Валентные электроны будут синхронно излучать свою частоту. Реакция на первичное возмущение, распространяется во все стороны, и если среда однородна, то можно говорить о сферических волнах. Длина электромагнитных волн - то же, что расстояние между горбиками на рис.2.1. Она определяется размером орбиты и находится в узком диапазоне, а мощность излучения зависит от амплитуды колебаний. Вопрос экранирования внутренних атомов, то есть, заметна ли разница между «воздушным прутком» и «воздушной трубой», как в ранее рассмотренном эксперименте со стальными предметами, отпадает. Мы каждый день любуемся спектральным излучением воздуха, когда глядим на небо. Тепловым оно быть не может, так как появление электронного облака в газах невозможно. Оптические эффекты в пламени спиртовой горелки, при внесении в огонь, например, медной проволоки, как и мираж, позволяют утверждать, что экранирование очень слабое. Излучаемая газом энергия зависит от количества газа.
Многие объяснения миража похожи на сделанное профессором Клайном в его работе [1]. Примечание: курсив - прямое цитирование; рисунок 14 копирует приведенный в [1].
Рис. 14
Соприкасаясь с поверхностью, сильно нагретой солнцем, воздух нагревается, плотность его становится меньше, и более легкие нижние слои поднимаются вверх. Следовательно, свет в нижних слоях преломляется слабее, чем в верхних. На рисунке представлена последовательность слоев с меняющейся плотностью. Проходя через них, свет попадает в наши глаза из нижних слоев, расположенных у самой земли. Наблюдатель видит свет, идущий в действительности из точки А, как бы приходящим из точки В. Именно такую картину он наблюдал бы, если перед ним простиралась водная поверхность, так как при взгляде на неё он увидел бы отражение неба. Явление порождается совместным действием двух эффектов: разного преломления лучей света в неодинаково нагретых солнцем (и поэтому имеющих разную плотность) слоях воздуха и полного внутреннего отражения.
Предположим, инженеру поручено определить граничные условия, обеспечивающие видимость «мокрого асфальта», своего рода миража, знакомого всем водителям. Он свободен в выборе физических моделей, объясняющих эффект.
Рис. 15
Все видели змееподобные колебания контура предмета в вертикальных плоскостях, если предмет оказывается за костром. Искажения малы, не превышают углового градуса. Рассмотрим эту версию не в «общем виде», а исходя из параметров воздуха и показателей, приводимых в справочниках.
На рис.15-а показан ход луча при переходе в менее плотную среду (переход в более плотную усугубляет ситуацию). Отношение синусов углов a и b обратно пропорционально скоростям или показателям преломления. Справочники зависимости показателя преломления от температуры и плотности газа не приводят. В нагретом воздухе скорость света, надо полагать, выше, чем холодном, так как меньше плотность. Изгиб луча может быть только микроскопическим, так как скорость света в нормальном воздухе лишь на три сотых процента отличается от космической, якобы, максимально возможной. Заметного преломления быть не может, прямая линия, как на рис.15-б.
Пусть луч сталкивается не с горизонтальным слоем, а вертикальной стеной, как на рис.15-в, оптическая плотность которой выше (воздух холоднее). Принципиальной разницы, в сравнении с горизонтальным слоем, нет. Важно отметить, что
- чередование теплых и холодных слоев угол преломления не увеличивают;
- при любых условиях луч не может пересечь горизонталь снизу.
Модель с преломлением луча из-за разницы в плотностях можно смело отбросить. Рассмотрим другие, менее изученные. Учтем вертикальные потоки. К сожалению, это проблему не решает. Дело в том, что скорость среды влияет на скорость света лишь в части, которую среда способна его задержать. В нашем случае, вертикальная составляющая света, при скорости подъема воздуха 0.1 м/с, составит 30 микрон/с. Если учесть, что расстояние от миража до наблюдателя свет преодолевает за две-три миллиардные доли секунды, говорить о серьезном изломе луча по этой причине не приходится.
Клайн ссылается на полное внутреннее отражение, что попавший в слой луч не может из него вылететь, ведет себя аналогично собрату, несущемуся по оптоволоконному кабелю.
Трудно согласиться с тем, что в воздухе родится конструкция, похожая на рис.16. В холодном (можно наоборот - горячем) воздухе возникает канал, стенки которого хоть сделаны из обычного воздуха, но почему-то способны отражать свет с запредельными углами. Если исходить из обратимости прохождения луча (луч не может выйти где угодно, не может и зайти), то, во-первых, мираж должен наблюдателю видеться разрозненными лужицами, блестками, отождествлять которые с озером мысль не придет. Во-вторых, нет требований к температуре асфальта - зимой миражи наблюдаются редко. А самое главное, такая модель не позволяет просчитать возможность наступления события.
Рис. 16
Возможно ли отражение лучей от горизонтального нагретого воздушного слоя как от зеркала? Рис.14 как бы подсказывает это.
Не всякая поверхность способна отражать свет. Благодаря этому мы видим мир разноцветным. Отражающая поверхность должна быть ровной, а дефекты зеркального слоя не превышать толщины масляной пленки на воде. Если ширина зоны, в которой происходит отражение, соизмерима или больше длины волны, то отражение (мираж) должно было бы выглядеть радужным. Таким образом, и эта модель для расчета граничных условий миража не годится. Тем более, что «мокрый асфальт», можно наблюдать на наклонной горной дороге, и на вертикальной стене.
Ни одна физическая модель - как преломления, так и отражения, - за основу расчета взята быть не может. Задача в рамках привычного понимания явления оказалась неразрешимой.
Но, можно посмотреть на мираж по-другому. Сочтем его не отражением неба, а его кусочком, опустившимся на землю.
Температура, определяющим мираж параметром является не потому, что создает конвективные потоки, в свою очередь искривляющие ход лучей, а сама по себе. Почему мы видим небо, ведь воздух прозрачен? Небо было бы черным, как ночью, если бы не переизлучение азотом и кислородом солнечной радиации. Мираж - это не отражение неба, а собственное свечение воздуха. Для того, что бы свечение стало видимым, излучающих молекул, находящихся на линии луча, должно быть много. Воздух для собственного излучения прозрачен. Много нагретых молекул только у поверхности земли или асфальта. Это делает излучение достаточно мощным только в плоскости параллельной поверхности, в вертикальном направлении излучение слишком слабое для восприятия глазом - рис.17.
Рис. 17
Только такая версия не предъявляет требования к шероховатости поверхности, как в модели с отражением, не имеет радужности, а размеры «водной глади» зависят от плоскостности участка и его температуры.
Как взаимодействуют атомы с разным числом протонов, с отличающимися спектрами? Ответить трудно. Сказать «ни как» жизненный опыт не позволяет. В природе все всегда оставляет след. С другой стороны, ничего существенного обнаружить не удалось. Практически, согласно академической физике, можно исходить из того, что лучевого теплообмена между разными газами нет. Но, с другой стороны, электрические заряды не могут игнорировать изменения, происходящие с их соседями. Они обязаны реагировать и, несомненно, делают это. Нельзя исключать и экранирование. Появившееся противоречие - не экранирующий экран - можно устранить следующим допущением: все возмущения, будучи импульсом движения, если не находят в атоме резонанса, то передаются соседям. Лучевой теплообмен отсутствует между различными газами не потому, что потенциальные получатели энергии не хотят ею воспользоваться, а потому, что энергии не за что зацепиться.
3. Выводы
Предлагаемые модели, в отличие от академических, позволяют рассуждать о проблемах, видеть причины неудач в опытах с надеждой на авось.
Академическая физика не может подсказать, почему одни тела прозрачные, другие - зеркальные, а розы - красивые с утра до вечера. Наделяя свет способностью отражаться, не указывая необходимые для этого условия, она лишь усложняет обращение с ним. Если исходить из предлагаемых мной принципов, то многое видится не просто иначе, а появляется возможность вникать в явления. В кратком изложении свет представляется так:
1) Свет проявляет себя в химических реакциях и фотоэффектах. В обоих случаях валентный электрон (один или несколько) покидает молекулу или кристалл. Причина ухода - большая, неприемлемая для других электронов атома, амплитуда колебаний. Колебания вызываются силовым воздействием соседей в тепловых движениях, и потребностью нейтрализовать электромагнитные возмущения в среде.
2) Взаимодействия валентных электронов соседних атомов возникает мгновенно. Задержка в передаче возникшего возмущения далекому объекту вызвана его экранированием частицами среды, их разделяющей. Прохождение возмущения в среде подобно прохождению поверхностной волны в жидкости, и представляет собой сдвиг зарядов по нормали к фронту волны с проворотом в плоскости фронта.
Из сказанного следует, что «сверхсветовая» скорость космолета никак не скажется на использовании световых приборов внутри его салона. Проблемы возникнут при попытке осветить через иллюминатор окружающее пространство.
3) Сохранение кучности светового луча, в отличие от звука, вызвано тем, что электрические заряды (электроны и протоны), являющиеся переносчиками возмущения, благодаря электрическим и магнитным полям находятся в постоянном контакте, и скорость их механических движений пренебрежимо мала, в сравнении со скоростью волн, поэтому в картине передачи возмущения «броуновского хаоса» нет. Эффект проявляется тем больше, чем выше частота или, что одно и то же, скорость возмущения. Постоянный контакт зарядов позволяет говорить о жесткой конструкции, как, например, о палке, с помощью которой пытаются толкнуть некий предмет.
Сделать электромагнитные взаимодействия прозрачными не получилось. Остаются магнитные и электрические поля, непонятно в чем проявляемые, но наделенные способностью на расстоянии притягивать или отталкивать их обладателей. Взаимное притяжение или отторжение зарядов и магнитов - единственное необъяснимое свойство, которое оставлено в изложенных моделях радио и световых волн. Понять природу магнитного поля может быть невозможно вообще. Большой адронный коллайдер помочь в этом не сможет, так как появятся вопросы к склеивающему веществу - бозону Хиггса, если его удастся выделить в виде частицы. Но непонимание даже столь важного, как сути электрического заряда, позволяет строить одинаково всеми понимаемые модели их взаимодействия. Очень хотелось и, кажется, получилось убрать из электромагнитных полей волну Максвелла.
Все используемые в новой модели эффекты взяты из академической физики, кроме одного. Нет в справочниках подтверждения тому, что фронт (изменение) магнитной индукции способен поступать с элементарными зарядами и их владельцами так, как поверхностная волна со щепкой, звуковая волна - с мембраной микрофона. То есть, смещать, воздействуя силой. Хотя, с другой стороны, эффект давно известен, именно он направляет кометам хвосты. В этом я солидарен с Ломоносовым М.В.
Предлагаемый свет позволяет использовать рисунки не только в оптике, но и для рассмотрения эффектов, связанных с параметрами среды и вещества, которые с ним взаимодействуют.
На рис.18-а показано зеркальное «отражение» света от металлической поверхности, микронеровности которой меньше длины волн. Отражение взято в кавычки потому, что его, как такового, нет. Наличие в избытке свободных электронов позволяет металлу откликаться на все внешние изменения электромагнитных полей созданием своих, направленных таким образом, чтобы нейтрализовать внешние. А в итоге получается эффект Гюйгенса - каждая точка поверхности рождает свою сферическую волну, объединение которых воспринимается простым отражением.
Рис. 18
Если поверхность металла неровная (рис.18-б), то она матовая с окрасом, вызванным проявлением спектрального излучения. Микронеровности имеют концентраторы электрического напряжения, которое вызывает свечение отдельных атомов. Все металлы отражают приходящий свет с блесткой, считающейся их общим признаком. Блестки образуются на мелких площадках, ориентация которых позволяет отождествлять их с направленными зеркалами.
Прозрачность предметов (рис.18-в) объясняется тем, что они не имеют свободного электронного облака, а их микроструктуры - атомы, молекулы, отдельные кристаллы, домены или что-то еще, не имеют элементов, способных откликнуться резонансом на проходящее электромагнитное возмущение. Луч преломляется автоматически, если плотность среды, значит и скорость волны, изменяется.
Большинство тел имеет свой цвет. Такое может быть, если излучение спектральное. Поступившая энергия находит потребителей, которые преобразует ее в колебания орбит валентных электронов. Атомы, находящиеся на поверхности, начинают излучать каждый свой спектр, который воспринимается зрением неким единым своеобразным цветом - рис.18-г.
Я не готов сейчас ответить на все вопросы. Например, отполировать до некой зеркальности можно гранит и пластмассу. Это может отвергать предлагаемую модель, а может подсказать, что поведение валентных электронов в многоатомных молекулах подобно их поведению в электронном облаке металла. Соляной раствор прозрачен и имеет высокую электропроводность, но данный принцип позволяет утверждать, что свободы у катионов и анионов нет. Важно то, что академическая модель вообще не позволяет обсуждать как эту проблему, так и многие другие, поэтому нуждается в замене. К «другим», прежде всего, следует отнести воздействие гравитации на световые лучи. Из данной модели следует, что только скорость космического газа может повлиять на ход луча, а искать, например, темную материю по искажению формы галактик, черные дыры как гравитационные линзы - дело не оправданное.
Все наблюдаемые явления ученым приходится доводить до химических реакций в чувствительных органах. Любое проявление норова микрочастицы, с помощью технических средств превращается в новое химическое соединение отростка нейрона зрения, слуха или осязания. Путь преобразований прокладывается исследователем. Учесть все нюансы дороги невозможно. Кому-то результат преобразований кажется твердым доказательством, кто-то видит в начале пути совсем другую картину.
Литература
1. Клайн М., Математика Поиск истины, М, Мир, 1988
Кимерал А.Е., kimeral@quantor-t.ru
Март 2012 г |
