Текст книги "Физика пространства"

В результате проведенных исследований было установлено, что существуют заряды двух различных родов – положительные и отрицательные, и что с одинаковыми зарядами тела отталкиваются друг от друга, а с противоположными притягиваются.

Изучение явления электризации показало существование в природе микрочастиц с зарядами противоположных знаков и наиболее распространенными из них являются электроны (-) и протоны (+).

Масса протона в 1840 раз больше, чем электрона, но заряды их равны по модулю и противоположны по знакам.

Из этих частиц построены атомы всех известных в настоящее время веществ и входят они в атомы в таких количествах, что их заряды компенсируют друг друга, поэтому атомы электрически нейтральны.

Представление о структурном строении атома дает ядерная модель атома водорода, предложенная Э. Резерфордом (рис. 6).

Рис. 6. Ядерная модель атома водорода

Атом водорода считается простейшим атомом. Он состоит из положительно заряженного ядра (один протон) и отрицательно заряженного электрона, обращающего вокруг него на расстоянии r – 10^—10м.

Кулоновская сила притягивает электрон к ядру, но он обладает поперечной скоростью V, поэтому не притягивается к ядру, а ускоренно движется вокруг него по орбите с радиусом r.

Электрон, как всякая ускоренно движущаяся заряженная частица, должен непрерывно излучать энергию и в итоге должен быть притянутым к ядру. В действительности этого не происходит. Атом является исключительно устойчивой системой и излучает и поглощает электромагнитные волны только при определенных условиях.

Эти противоречия были сняты в теории шведского физика Бора. Согласно ее электроны в атоме движутся по стандартным орбитам с определенными радиусами r_n, которые не изменяются во времени без воздействия внешних сил. На этих орбитах, несмотря на то, что электроны движутся ускоренно, они не излучают электромагнитных волн. Излучают они лишь при переходе с более удаленной орбиты на близкую к ядру и поглощают квант энергии при переходе наоборот.

Более глубокое понимание закономерности строения и свойств атома дает современная квантовая теория строения атома, согласно которой электрон – это волна-частица и его движения в атоме описываются волновыми уравнениями. Что говорит о их неопределенности. С позиции квантовой теории орбиты электронов в атоме представляют собой геометрическое место точек, где с наибольшей вероятностью может быть обнаружен электрон, при этом с ростом радиуса орбиты вероятность найти электрон убывает.

Квантовая теория дает исчерпывающее представление о внутреннем строении атома и о взаимодействии ядра с электронной оболочкой в зависимости от его энергетического состояния, но сам механизм этого взаимодействия она не объясняет.

С позиций взаимодействия материи и пространства это выглядит следующим образом.

Как известно, электрон и протон обладают импульсом, следовательно, им соответствует определенная длина волны де Бройля, но обе частицы имеют массу и заряд, что позволяет их считать волнами-частицами.

Как волны обе частицы перемещаются по силовым линиям пространства и у каждой волны их определенное количество. Принимая во внимание, что у них огромное различие в массах, но их заряды равны по модулю и противоположны по знаку, можно сделать вывод, что частицы имеют одинаковое количество силовых линий пространства, но с различными расстояниями между ними.

Такая форма связи электрона с протоном позволяет глубже понять механизм их взаимодействия.

Протон представляет собой волну-частицу, имеющую собственный спин и в то же время это совокупность гравитонов, определенным образом размещенных в силовых линиях пространства. Плотно упакованные гравитоны совершают с определенной частотой вращательные движения в силовых линиях пространства, при этом выделяется энергия.

Эта энергия распределена по силовым линиям пространства, соединяющим протон с электроном и распространяется в направлении к электрону.

У электрона также имеется спин и это тоже волна-частица, представляющая собой совокупность гравитонов, определенным образом размещенных в силовых линиях пространства. При вращении электрона выделяется энергия, которая по силовым линиям пространства, соединяющим его с протоном, распространяется в направлении протона.

Плотность распространяющихся энергий уменьшается с увеличением расстояний от центров частиц. Там, где плотность потоков энергий сравнивается, проходят стационарные орбиты электронов.

Таким образом, в результате обращения электронной оболочки вокруг ядра во внутриатомном пространстве, плотности выделяемых энергий равномерно распространены по его объему. Это обеспечивает атому высокую стабильность независимо от зарядового числа атома и количества электронов в его электронной оболочке.

Следует отметить, что несмотря на выделение энергии ядром и его электронной оболочкой, в этом состоянии атом не излучает энергию.

Дело в том, что протон и электрон выделяет различные виды энергии. Равные по модулю и противоположные по действию на силовые линии пространства.

Протон выделяет энергию материи (E_m), которая при движении по силовым линиям пространства сжимает их, а электрон выделяет энергию пространства (-Е_р), которая при движении, наоборот, расширяет их. В этом и заключается фундаментальное различие между положительными и отрицательными зарядами.

Излучает или поглощает энергию атом лишь в случае, когда электрон переходит с одной орбиты на другую.

При переходе электрона с удаленной орбиты на более близкую к ядру, в связи с тем, что расстояние между силовыми линиями пространства уменьшается от электронной оболочки к ядру, электрон расширяет их. При этом выделяется энергия материи, которую атом излучает в виде электромагнитной волны определенной частоты.

Наоборот, при переходе электрона с ближней орбиты на удаленную от ядра, для этого необходимо совершить работу по сжатию силовых линий пространства, а на это необходимо затратить энергию. Дополнительную энергию атом получает, поглощая квант энергии (фотон) в виде электромагнитной волны той же частоты, что и при излучении.

В первом случае атом переходит из состояния с большей в состояние с меньшей энергией, а во втором случае наоборот.

При нулевом энергетическом состоянии атома внутриатомное пространство периодически изменяется за счет периодического изменения расстояния между силовыми линиями пространства, вызванного движением энергетических потоков от ядра к электронной оболочке и наоборот.

Энергия, идущая от ядра, сжимает силовые линии пространства, а энергия, идущая от элементарной оболочки расширяет их, в результате чего атом совершает колебательные движения.

Еще в древности было замечено, что любое изменение положения или состояния материального тела происходит под действием сил и требует затрат определенного количества энергии, при этом энергия переносится от одного материального тела к другому с помощью различных носителей. Одним из таких носителей являются электромагнитные волны.

Электромагнитные волны, образуются в результате отрыва переменного электромагнитного поля от колеблющегося электрического заряда и осуществляют перенос энергии в пространстве в направлении их распространения.

Скорость электромагнитных волн – это скорость перемещения их фронта, она определяется по формуле:

U = λxV,

где λ – длина волны, а V – частота колебаний, в герцах.

Электромагнитные волны – это поперечные волны. Они обладают всеми волновыми свойствами и имеют импульс.

В бегущей электромагнитной волне возникают системы взаимно перпендикулярных периодически изменяющихся электрических и магнитных полей. Векторы этих полей Е и В колеблются в одной фазе, а плотность энергий электрической и магнитной компонент и их амплитуда равны между собой.

Световые волны являются одной из разновидностей электромагнитных волн и представляют собой энергетические пакеты (фотоны), различающиеся между собой количественно переносимой энергией, которая определяется их частотой. Чем выше частота, тем больше энергии несут электромагнитные волны. Из известных в настоящее время световых волн самыми энергонасыщенными являются гамма-излучения.

В вакууме световые волны достигают предельной скорости – 3 х 10⁵ км/сек. Согласно известных физических законов, выше этой скорости ни частицы, ни фотоны двигаться не могут.

Следует отметить, что современная теория электромагнетизма глубоко и всесторонне осветила физические свойства электромагнитных волн, но в их определении остаются еще неясности и сомнения, а именно:

– нет четкого понятия о механизме проявления корпускулярно-волновой двойственности фотонов света:

– нет объяснений предельной скорости света в вакууме.

Рассмотрим эти вопросы с позиции взаимодействия материи и пространства и в качестве примера будет служить излучение света атомами вещества, которое происходит при переходе электрона с удаленной орбиты на более близкую – к ядру. При этом происходит сжатие силовых линий пространства с выделением энергии.

Ее количество пропорционально расстоянию между орбитами и ширине расстояния между силовыми линиями пространства на отрезке перехода электрона с одной орбиты на другую.

Выделенная энергия излучается атомом в виде кванта энергии (фотона) с определенной плотностью. Плотность энергии кванта – это количество энергии, приходящееся на одну силовую линию пространства, следовательно, длина волны фотона с энергией Q определяется количеством силовых линий, несущих эту энергию:

λ = Q/S_e= n, где

Q – количество переносимой энергии,

S_e – количество энергии, приходящейся на одну силовую линию пространства;

n – количество силовых линий пространства.

Из этого вытекает следующее. Фотон – это волна с определенным количеством силовых линий пространства, двигаясь по которым она ведет себя как частица.

Во внутриатомном пространстве выделяются два вида энергии – энергия материи и энергия пространства, поэтому излучаемые атомом фотоны могут иметь только эти виды энергии.

Перенос энергии в пространстве электромагнитной волной (фотоном) осуществляется по силовым линиям в двух взаимно перпендикулярных плоскостях в направлении ее распространения, путем последовательного перехода энергии материи в энергию пространства и наоборот (рис. 7).

Рис. 7. Перенос энергии электромагнитной волной по силовым линиям пространства

E_m – энергия материи; -E_p – энергия пространства; С – направление распространения электромагнитной волны; → (красный) – сжатие силовых линий пространства; → (синий) – расширение силовых линий пространства

При переносе энергии электромагнитной волной происходит периодическое сжатие и расширение силовых линий пространства.

Подводя итоги, можно сказать следующее:

– Фотоны света – это электромагнитные волны, движущиеся по силовым линиям пространства. У каждой волны их кратное количество, соответствующее ее длине. Этим определется их корпоскулярно-волновая двойственность.

– Скорость электромагнитных волн определяется скоростью колебаний силовых линий пространства, по которым они движутся, которая, в свою очередь, зависит от органических свойств среды распространения электромагнитных волн. В вакууме скорость колебаний силовых линий пространства наибольшая. Этим объясняется предельность скорости света в вакууме

Глава 2.
Типы взаимодействий материи и пространства

Движение – это изменение положения материального тела в пространстве с течением времени в результате воздействия на него другого материального тела. Мера этого воздействия называется силой.

Одной из форм взаимодействия материальных тел является сила тяготения.

Согласно закона всемирного тяготения, открытого И. Ньютоном, все материальные тела притягиваются друг к другу. Силы притяжения между ними пропорциональны их массам и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

F_гр= G m₁^гр xm₂^гр/r², где

G – гравитационная постоянная;

m₁^гр m₂^гр – гравитирующие массы;

r² – расстояние между гравитирующими массами.

С другой стороны, в соответствии с уравнением механики (второй закон Ньютона), тело с массой m_ин под действием гравитирующей силы приобретает ускорение.

a = F_гр,/ m_ин, где

a – ускорение;

m_ин – инертные массы.

В законе всемирного тяготения масса тела (m_гр) характеризует его способность притягиваться к другому телу. Во втором законе Ньютона масса характеризует способность тела сопротивляться скорости его движения и называется она инертной массой тела (m_ин).

Экспериментальным путем (опыты с маятником) было установлено равенство между двумя этими массами.

m_гр = m_ин

Однако это равенство масс не следует ниоткуда, кроме опытных данных, более того, сам физический смысл этих понятий в корне различен. Если гравитирующая масса – мера гравитирующего притяжения тела, то инертная масса – мера сопротивления этого тела действию силы.

С позиции моделированной системы гравитационное взаимодействие материальных тел выглядит следующим образом.

Любое материальное тело, обладающее массой, деформирует силовые линии окружающего его пространства. Степень деформации определяется количеством вещества в материальном теле, то есть гравитирующей массой – m_гр.

Силовые линии окружающего тело пространства противостоят этой деформации. Мерой этого сопротивления является сила, равная по модулю и противоположная по направлению гравитирующей силе, которая называется инертной массой – m_ин.

Таким образом, в смоделированной системе термин «масса» теряет свой двойственный смысл.

Здесь термин «масса» понимается однозначно, как сила, деформирующая окружающее тело пространство, которому противостоит сила сопротивления деформации силовых линий окружающего его пространства.

Как уже отмечалось выше, электромагнетизм материальных тел обусловлен существованием в природе частиц, несущих электрические заряды двух родов. Взаимодействие этих зарядов порождает электромагнитные силы, которые определяются с помощью закона Кулона:

F_{э. м.} = kxq¹xq²/r², где

k – оэффициент пропорциональности;

q₁,q₂ – электрические заряды;

r– расстояние между ними.

Если заряды одноименны, то при их взаимодействии возникают отталкивающие силы, а если разноименные, то действуют силы притяжения.

Согласно квантовой электродинамике, любой электрический заряд окружен электрическим полем, силовой количественной характеристикой которого является векторная величина – напряженность электрического поля – Е.

E=F/q, где

F – сила, действующая на заряд;

q – пробный положительный заряд

Напряженность электрического поля характеризуется силовыми линиями, которые начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

Кроме векторной характеристики электрического поля, существует и его скалярная величина – потенциал – φ:

φ=П/q, где

П – потенциальная энергия положительного пробного заряда q;

q – пробный положительный заряд.

Каждой точке электрического поля соответствует свой потенциал. Изменение потенциала поля называется разностью потенциалов или напряжением:

П₁/q – П₂/q = φ₁ – φ₂= △φ = U, где

φ₁ – φ₂ – разность потенциалов; U – напряжение

Упорядоченное движение электрических зарядов называется электрическим током. В электрическом поле оно происходит под действием кулоновских сил, но может происходить и под действием неэлектрических сил, которые называются сторонними силами.

Движущиеся электрические заряды по характеру взаимодействия резко отличаются от взаимодействий неподвижных зарядов. Если неподвижные электрические заряды окружены электростатическими электрическими полями, где действуют кулоновские силы, то вокруг подвижных электрических зарядов, наряду с электрическими формируются магнитные поля и при их взаимодействии проявляются дополнительные магнитные силы.

Таким образом, проведенный литературный обзор говорит о том, что электромагнетизм и электромагнитные взаимодействия хорошо изучены, как теоретически, так и в практических приложениях.

Современная теоретическая физика, опираясь на принципы квантовой механики, глубоко и всесторонне обосновали базовые понятия теории электромагнетизма, вместе с тем следует отметить, что в ней оставались некоторые вопросы и сомнения:

– не ясна природа электрических зарядов;

– не раскрыт механизм взаимодействия электрических зарядов;

– не установлены причины возникновения электрического поля вокруг каждого заряда;

– почему положительные заряды перемещаются по направлению силовых линий напряженности электрического поля, а отрицательные против них;

– нет ответа на вопрос, где сосредоточена энергия неподвижных зарядов, только ли на заряженных телах или во всех точках электрического поля.

Попробуем ответить на эти вопросы с позиций смоделированной системы.

Электрические заряды в ее рамках представляют собой следствие взаимодействия материи и пространства. В качестве доказательства рассмотрим следующие примеры.

Как известно, из электронов и протонов построены все атомы веществ, и в них они входят в таких количествах, что их заряды компенсируют друг друга, поэтому атомы и состоящие из них вещества электрически нейтральны.

Возьмем два материальных тела А и В различной природы и наэлектризуем их контактным способом. При этом тело А потеряет электроны и зарядится положительно, а тело В присоединит электроны и зарядится отрицательно.

В первом случае у тела А появится определенное количество не связанных с электронами протонов, а во втором – у тела В появится такое же количество свободных электронов.

Выше отмечалось, что электроны и протоны по-разному взаимодействуют с силовыми линиями пространства. Протон их сжимает, а электрон расширяет.

Тело А, имея свободные от связей с электронами протоны, будет сжимать силовые линии окружающего его пространства. Чем больше количество «свободных» от связей протонов оно будет иметь, тем выше будет степень этого сжатия.

Протон, как волна-частица, имеет определенное количество силовых линий пространства и сжимает их только в этом диапазоне, поэтому вокруг тела А окружающее его пространство будет сжато отдельными линиями, соответствующими количеству не связанных протонов тела А. Линии силовые и будут исходить от тела А. Они векторны и имеют количественную характеристику. Это позволяет сделать вывод о том, что вокруг тела А сформировалось силовое поле, называемое электрическим.

Вокруг тела В сформировалось аналогичное силовое поле, но в отличие от поля вокруг тела А, здесь вектор напряженности силовых линий направлен не от тела, а к нему. Это связано с тем, что электрон в отличие от протона расширяет силовые линии пространства, поэтому у поверхности тела В расстояние между силовыми линиями пространства будут значительно больше, чем на расстоянии от него, а значит, здесь будут точки с самым низким потенциалом.

Если поместить заряженные тела А и В на определенном расстоянии друг от друга, то они будут взаимодействовать. При этом поле тела А наложится на поте тела В, и наоборот. В результате возникнет единое окружающее оба тела электрическое поле, размещенное в окружающем оба поля пространстве (рис. 8).

Рис. 8. Взаимодействие заряженных тел

В силу того, что электрон и протон имеют одинаковое количество силовых линий пространства, линии напряженности тел А и В имеют одинаковые модули, но противоположные векторы напряженности по отношению к силовым линиям пространства. В результате наложения полей А и В их линии напряженности объединяются и образуется единое силовое поле, линии напряженности которого исходят от тела А и заканчиваются на теле В.

Что же касается распределения энергии между заряженными телами и окружающими их электрическими полями, то это выглядит следующим образом (рис. 9).

Рис. 9. Распределение энергии между заряженными телами А и В и окружающими их электрическими полями.

Энергия материи не связанных протонов тела А движется по силовым линиям пространства и сжимает их. Максимальное количество энергии, а следовательно и максимум сжатия, отмечается на поверхности тела А (рис. 9 a). По мере удаления от тела А энергия убывает, переходя в энергию пространства, и на определенном расстоянии от тела В обе энергии выравниваются (рис. 9 b).

Энергия пространства свободных электронов тела В имеет максимум на поверхности тела В (рис 9 с) и по мере удаления на определенное расстояние от тела В уравнивается с энергией материи тела А (рис. 9 d).

Таким образом, у неподвижных зарядов максимальная плотность энергии S_e (количество энергии, приходящееся на одну силовую линию пространства) достигает максимальных значений на их поверхности. По мере удаления от них она убывает, достигая нулевого значения.