www.ASTROLAB.ru

ASTROLAB.ruСтатьиСвет и его физические модели [Часть 1]
ГлоссарийФото космосаИнтернет магазинКосмос видео



Свет и его физические модели [Часть 1]
Версия для печати

Отклик на статьи Т. Павлюченко «Объяснение природы красного смещения» и «Гипотеза эволюции фотона»

В основе каждого учения лежит одна или несколько моделей, задача которых однозначно объяснить применяемые термины. Модели могут справляться с задачей, могут меняться или исчезать, как, например, теплород или эфир, но обойтись без них невозможно. Жизнестойкость ньютоновской (классической) физики основана на образности и одинаково всеми воспринимаемых понятиях. Картезианское представление об объектах и вся ньютоновская физика - это аппроксимации. Исследуемый процесс дробится на элементы, геометрия исследуемых объектов сводится к одинаково всеми воспринимаемым образам - прямым, дугам, конусам и т.п. Расчеты не могут быть точными. Ошибка зависит от сложности явления, на которое понятие накладывается.

Сейчас невозможно указать того, кто первый предложил отказаться от поиска рассматриваемому явлению аналога, который встречается в повседневной жизни или легко мысленно представляется. Можно упрекнуть Максвелла, а можно начать с Ньютона, придумывавшего центростремительное ускорение там, где нет не только центростремительной скорости, но и движения в заявленном направлении вообще. Были созданы науки, которые не требуют от человека знания законов геометрии, в которых основные физические величины называются так же, как в классической физике, но трактуются иначе и расплывчато. Сегодня, например, можно определить температуру чего угодно, например, реликтового излучения, и все потому, что единицей ее величины стал электрон-вольт и она вычисляется, а не измеряется градусником. Говоря о квантовой механике, Ферми презрительно смеялся над людьми, которые теряли время на интерпретацию теории; ему было достаточно того, что он знал, как пользоваться уравнениями и делать предсказания.

С невозможностью образного представления процесса можно было бы смириться, если бы голые формулы стимулировали творчество изобретателей. Но, с одной стороны, подобное никогда не наблюдалось и вряд ли возможно. С другой стороны, сложные системы, такие, как упомянутая выше квантовая механика, вынуждены прибегать к аппроксимации и этот уход от высокой степени сложности возвращает систему в классическую физику. Заявление, что квантовая механика принципиально отличается от ньютоновской, беспочвенно.

Часто встречается приписываемое разным авторам выражение, что свет является самым темным местом физики. Корпускулярно-волновой дуализм предоставляет всем возможность трактовать явление так, как ему хочется. Например, для объяснения эффекта красного смещения один надувает фотоны, как воздушные шарики, другой расщепляют луч веером и оба ссылаются на основной закон физики - закон сохранения энергии. Почему данные идеи нельзя воспринимать новыми моделями? Причина проста: первоначально надо доходчиво объяснить потенциальным пользователям, чем Ваш фотон или луч отличается от ими используемого, и какую выгоду им сулит внедрение в жизнь данного рацпредложения. В противном случае ситуация подводится к той, с которой столкнулись строители Вавилонской башни - перепутался смысл слов.

Очень хорошо, что появляются желающие создать модель, которая легла бы в основу отраслевых моделей и осталась непротиворечивой. Чтобы не приходилось любителям фотонов при объяснении окраса выстраивать их в шеренгу, говорить о длине волны, не уподобляя в то же время ситуацию парадному маршу. К сожалению, в используемых сегодня моделях, есть элементы, от применения которых в новых моделях следует категорически отказаться. В первую очередь - от электромагнитного поля Максвелла.


Рис. 1

В связи с тем, что законы Максвелла описывают связь только изменяющихся магнитных и электрических полей, разберемся вначале с конструкцией, в которой реализовано превращения одного вида поля в другое по гармоническому закону. Это так называемый колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и электрического конденсатора - рис.1. Принцип его работы изложен в школьных учебниках и я отмечу только, что к тому, о чем речь пойдет ниже, Максвелл отношения не имеет.

В конструкции из катушки провода, обладающей индуктивностью "L", и конденсатора с электрической емкостью "С", соединенных концами, после отключения батареи возникают колебания напряжения со сменой полярности. Можно написать уравнение, удовлетворяющее закону Кирхгофа: напряжение на катушке равно напряжению на конденсаторе



где dJ = dq / dt - изменение тока, dt - бесконечно малый отрезок времени, q - заряд конденсатора. Если принять q = x,

= 1/LC - угловая скорость, то получится формула

x" + 2•x = 0 (1)

Сравним невидимый процесс преобразования электрического поля Е через ток в магнитное поле Н, и наоборот, с тем, что можно наблюдать всюду - с упругими колебаниями.


Рис. 2

В качестве типичной колебательной системы физика рассматривает шарик, прикрепленный к пружине, массой которой можно пренебречь - рис.2. Система должна удовлетворять требованию третьего закона Ньютона: сила действия равна силе противодействия. Под силой действия у нас выступает упругость - F = -k•x, а противодействием является инерционная сила - F = a•m.

Здесь m - масса шарика, а - его ускорение, k - коэффициент жесткости, х - деформация пружины. Если к деформации относиться как к функции, зависящей от времени, то ускорение будет равно её второй производной и можно составить уравнение

x"•m + k•x = 0 или x" + 2•x = 0,

где . Опять получилась формула (1).

Данное уравнение, как большинство дифференциальных уравнений, отражает суть происходящего, но в таком виде она только специалистам, регулярно применяющим в работе математические преобразования, позволяет отождествлять себя с растянутым во времени процессом. Большинство людей связывает колебания с другой формулой

x = Sin(•t) (2),

которая, как выражаются в математике, является решением уравнения (1) - ее вторая производная по времени

x" = - 2•Sin(•t).

Простота формулы (2) позволила ей лечь под описание всех процессов, связываемых не только с упругими колебаниями, а с колебаниями вообще. Движение маятника часов-ходиков не соответствует формуле (1), но разве придет кому-то мысль использовать в расчетах не формулу (2), а другую.

Период колебаний в контуре связан с угловой скоростью и может быть выражен формулой



Представим, что необходимо сократить период. Для этого следует уменьшить емкость С и индуктивность L. Сократим площадь пластин конденсатора, уменьшив ширину до диаметра провода, и отмотаем у катушки витки - оставим один. Но и это не предел! Можно оставить сотую часть витка и сократить длину провода, играющего роль пластины конденсатора, до доли миллиметра. В итоге останется крупинка металла (рис.3). Главное требование к конструкции, обеспечивающей колебательный процесс - наличие относительно свободных электронов, при полном игнорировании объема и формы.


Рис. 3

Что сделал Максвелл? Он не просто ввел в обиход термин поле, а предложил рассуждать с применением к этому термину выражения возмущение. Может у англичан слово «поле» подразумевает помимо пустой степи еще нечто, позволяющее представить бурю как в море или лесу, а у нас, русских, фраза «возмущение поля» никаких ассоциаций не вызывает.


Рис. 4

В изучаемой школьниками и студентами физ. модели, свет распространяется точно так же, как радиоволны, то есть в виде чередующихся зон электрической и магнитной напряженности. В чем напряженность проявляются - замалчивается. Распространение радиоволн изображается обычно так, как показано на рис.4. В оси "Z" находится антенна, по которой течет переменный ток с мгновенным значением "J". Вокруг проводника с током образуется кольцевое магнитное поле напряженностью "H", изменение которого, в свою очередь, согласно теории Максвелла, рождает электрическую напряженность "E". Электрическое поле представляется торообразным. Продолжение не следует, потому что не хватает фантазии представить фигуру, которую рождает тор.


Рис. 5

На рис.5 все проще: оба поля синусоидальны, сдвинуты относительно друг друга во времени и в плоскостях модуляции на девяносто градусов. Сдвиг напряженностей Н и Е во времени обеспечивает выполнение закона сохранения энергии - в любой момент, при таком раскладе, сумма энергий полей остается постоянной. Картинка рис. 5 пространственно ограничена, может быть "сжата" до микронных размеров и поэтому фотон обычно рисуют на схемах синусоидой от нуля до двух-четырех .

Такое представление распространения радио, световых и прочих волн требует минимальный набор понятий и простое математическое обеспечение. Пусть обсчитываемый процесс не соответствует по сути реальному, как в средневековье у алхимиков, но ожидаемое совпадает с фактическим. Почему модель электромагнитных волн нужно воспринимать чисто математической версией?

Вернемся к первому рис.4 и допустим, что тор строит какую-то фигуру. На это построение требуется наложить ограничение: фигура должна расположиться вне цилиндра, образующая которого принадлежит круговому магнитному полю Н. Это требуется для того, что бы, во-первых, процесс расширялся, во-вторых, происходящее, например, слева от антенны по оси Х, не переходило на правую сторону.


Рис. 6

Пусть ограничение существует: кольцо Н перерождается не в тор, а перпендикулярное ему кольцо Е - см. рис.6. Тогда и фотон, и электромагнитная волна - это как два звена цепи: одно, первое разрушается, второе развивается. Рисунок обыкновенной цепи очень популярен в объяснениях распространения радиоволн у локаторщиков.

Теоретически же ограничений нет, наоборот! - каждая точка пространства равноправна с остальными, в нашем случае становится антенной. Так что, свободно ориентированными в пространстве бубликами, кольцами и чем-то еще, надо зарисовывать весь лист, пока не получится "черный квадрат", как у Малевича.

У радиостанции излучение даже не круговое, а объемное. Кто из Вас может представить синусоиды, изображенные на рис.5, заполняющими шар и удовлетворяющими требованиям, указанным при построении нарисованных? Если представили, то ответьте на вопрос: Вы сидите на голове волны и летите со скоростью света, то видите статичные (неподвижные) синусоиды или они вьются, как ленты на ветру? Если принять их статичными, то требуется объяснить, что удерживает напряженности в рамках и заставляет перемещаться. Если изменяются, а это предписано им теорией Фарадея-Максвелла, то требуется пояснить: с какой частотой это происходит и почему данная частота не проявляет себя в точке приема?

Электромагнитные колебания радиочастот обнаруживаются лишь в конструкции, составленной из емкости и индуктивности. Любой проводник обладает этими двумя элементами. Что происходит в контуре, знает каждый, а так же, ссылаясь на опыт эксплуатации микроволновой печи, может подтвердить, что электрический изолятор, например, стекло, с электромагнитными волнами не взаимодействует. Как же можно считать фактом, что вне индуктивного контура, без электронов, в абсолютной пустоте, может происходить перекачка электрической энергии в магнитную, и наоборот?

Дифференциальная формула Максвелла, связывающая магнитную силу и ток, не вносит ясность в природу распространения полей. Две синусоиды в пересекающихся плоскостях (рис.6) - это даже не математическая модель явления, это просто синусоиды. Максвелл, при объяснении того, что он получил в математических преобразованиях, употреблял выражение ток смещения.

Это было в 1865 г, а в 1887 Генрих Герц создал вибратор и резонатор, использующие электромагнетизм - прообразы передатчика и приемника. Волны, генерируемые вибратором, назвали волнами Герца. Так могло случиться только потому, что никакого предвидения их существования в работах Максвелла не просматривалось. Из заявлений Маркони, запатентовавшего радиопередачу, я сделал вывод, что он не только не читал труд Максвелла «Динамическая теория электромагнитного поля», а пользовался своим пониманием процесса. Например, утверждал, что короткие волны бесперспективны. А согласно Максвеллу - наоборот, короткие - более энергичны. Еще большим оригиналом был Тесла. Он наплодил столько идей, не согласующихся с используемыми моделями физики, что до сих пор пытаются сделать из него идола ... нет, не электродинамики, а знающего нечто, что простым смертным понять не дано. Хотя ни одной рабочей модели, использующей что-то новое, у Тесла не было.

В книге [1] прочитал: Столкнувшись с многочисленными загадками природы, современный ученый не может не испытывать чувства радости, если их удастся «похоронить» под грузом математических символов, причем совершить погребение столь тщательно, что многие последующие поколения ученых не в состоянии обнаружить вход в гробницу. Максвелл один из зачинателей. Автору теории электромагнитного поля не хватало воображения объяснить домочадцам прохождение переменного тока через конденсатор, и он очень переживал по этой причине. А объяснять и находить понимание надо, причем с использованием в объяснениях наблюдаемых явлений. Например, Ампер показал наличие кругового магнитного поля вокруг проводника с током с помощью стальных опилок. Торы, синусоиды и цепи пока лишь воображения художников.

Физики ХVII-XVIII веков для объяснения взаимодействия электрических зарядов и магнитов придумали эфир. Сейчас популяризаторы физики называют две причины, которые заставили отказаться от развития эфирной модели: первая - сверхупругость среды, вторая - опыт Майкельсона.

Первая причина могла быть таковой лишь до ХХ века, а ссылка на нее сегодня вызывает удивление. Напомню, что упругость - это способность предметов восстанавливать форму после снятия нагрузки. Жидкости и газы не имеют формы. Упругость мяча нельзя отождествлять с упругостью воздуха. Когда закладывались основы современного естествознания, знали, что все материальное состоит из атомов, но представляли атом не так, как мы. Для Ньютона и его современников атом был мельчайшей частицей вещества, обладающей свойствами представленной материи. Был атом воды, атом кирпича и т.д. Атом алмаза не мог быть атомом угля. О том, что воздух является смесью газов, люди узнают в 1772 году, выделив из него азот.

Считали, что взаимная привязанность атомов могла отличаться значительно от вещества к веществу, но каждый в отдельности старался быть стабильным, то есть упругим. В представлении ученых, все вещества деформировались до некоторого предела, до разрушения атомных связей, упруго. Такой подход применительно к твердым телам и жидкостям вполне современен.

Таким образом, принципиального отличия в устройстве и поведении веществ, разницы, связанной с различием фазового состояния, во времена Ньютона видеть не могли. Во всех средах незначительные возмущения, не проявляемые внешне (невидимые невооруженным глазом), должны были подчиняться одним и тем же законам - законам упругих деформаций.


Рис. 7

Более упругой материи, чем сталь, трудно представить, поэтому определиться с формулой скорости распространения возмущения проще на этом материале.



Самая подробная информация заправка картриджей kyocera тут.



??????.???????