Текст книги "Общая теория поля и структура вселенной"

Глава 2. Микрогравитация

Термин «микрогравитация» предложен [1] для обозначения взаимодействия масс в виде сфер диаметром до 1,0 мм и менее по закону обратных квадратов с коэффициентом пропорциональности (константа микрогравитации), равным 1,847.10²⁸ см³/гс². Этот термин охватывает все объекты микромира и, следовательно, выражает гравитационную природу химических, молекулярных (межмолекулярных) и межатомных связей взамен электрического взаимодействия. Идея о гравитационной природе связей между частицами вещества не нова. Она выдвигалась на заре появления учения о химических связях в веществе и получила наиболее чёткое отражение в учении П. Лапласа [2] о молекулярных силах.

1. Электрический заряд

Заменить электрические взаимодействия микрогравитационными силами для современного просвещённого человека, видимо, столь же сложно, как для докоперниковского астронома представить себе, что не Солнце вращается вокруг Земли, а Земля обращается вокруг Солнца. Или другой более близкий пример с теплородом. До появления молекулярно-кинетической теории считалось само собой разумеющимся, что тепло переходит от одного тела к другому путём «перетекания» теплорода, особой жидкости (флюида), не обладающей материальными свойствами, но способной переносить тепло. После формулирования основных молекулярно-кинетических закономерностей потребовалось не менее столетия, чтобы в умах людей произошёл переворот в пользу молекулярно-кинетических представлений о тепловых процессах. Характерно, что при этом сохранилась старая терминология – тепло, теплоёмкость, теплопроводность, теплопередача и так далее. Это существенно облегчило переход к новому пониманию тепловых явлений. Подобно этому целесообразно осуществить переход от последнего «электрического флюида» к его истинному микрогравитационному пониманию электрических явлений.

Основным понятием в учении об электричестве является «заряд». Вот как это понятие определяется в «Физической энциклопедии»[3]: «Заряд – это физическая величина, являющаяся источником поля, посредством которого осуществляется взаимодействие частиц». В приведенном определении не раскрывается взаимосвязь между элементарной частицей и зарядом. Между тем частица и заряд могут быть как нечто единое целое или как две разные категории (субстанции). В первом случае частица может быть сама по себе нейтральная или заряженная, так как это её внутреннее свойство. Во втором случае частица обладает электрическими свойствами после взаимодействия с зарядом или иным словами с электрическим флюидом и элементарные частицы рассматриваются как носители заряда. В этом принципиальное различие подхода к пониманию заряда и электричества в микрогравитации и в общепринятой теории. Согласно микрогравитационным представлениям общеизвестные свойства зарядов – притяжение и отталкивание присущи частице, как таковой вследствие необычно высокой плотности вещества в элементарных частицах (~10¹² г/см³) и их вращения вокруг собственной оси. Притяжение осуществляется за счёт взаимодействия масс частиц по закону обратных квадратов при необычно большом коэффициенте пропорциональности (микрогравитационной константе) 1,847.10²⁸ см³/гс². Отталкивание происходит благодаря действию силы Лоренца-Ампера, появляющейся вследствие обращения электронов в собственном магнитном поле атома. Этот вопрос более подробно будет рассмотрен ниже в разделе 3.

Для того чтобы облегчить переход на микрогравитационное понимание электрических явлений сохраним существующую «электрическую» терминологию, как это было сделано при отказе от понятия теплород. Например, электрический ток так и остаётся потоком электронов, но под электронами имеются в виду вращающиеся частицы, обладающие массой электронов и в силу этого способные к притяжению по закону обратных квадратов и отталкиванию по закону силы Лоренца-Ампера.

Электроны, адроны и все другие частицы имеют вследствие высокой плотности гравитационные поля с очень высокой напряженностью, которые обладают свойствами эквивалентными свойствам электростатических полей. При поступательном или вращательном движении частиц поле получает колебательное движение, которое эквивалентно электромагнитным колебаниям. Одним словом, в микрогравитационном понимании электрических явлений меняется их сущность, что обусловлено высокой плотностью частиц и их вращением. Но сохраняется их внешнее проявление. Последовательное применение такого подхода позволяет объяснить все электрические явления без привлечения понятия «заряд», как некой самостоятельно существующей субстанции. Хотя выражение «электрон имеет отрицательный заряд» вряд ли скоро исчезнет. Просто под этим следует понимать, что элементарная частица, обладающая массой электрона и вращающаяся с частотой ~ 10¹⁵-10¹⁷ c^-1 не является носителем отрицательного заряда, а обладает свойствами характерными для электрона вследствие вращения и высокой плотности вещества.

2. Гипотеза Лапласа о видоизменении гравитационных сил в молекулярные силы притяжения

Начнём с цитаты из известной работы Лапласа о молекулярных силах [2]: «Материя подчинена власти различных притягивающих сил: одна из них, бесконечно простираясь в пространстве, управляет движением Земли и небесных тел; всё, что относится к внутреннему строению составляющих их веществ, зависит главным образом от других сил, действие которых чувствительно только на неуловимо малых расстояниях. Поэтому почти невозможно познать законы их изменения с расстоянием. К счастью свойство быть заметными в непосредственной близости контакта достаточно, чтобы подвергнуть анализу большое число интересных явлений, зависящих от этих сил».

Такими «свойствами быть заметными» оказались два: преломление света при его похождении через прозрачную среду и капиллярные явления. И то и другое по мнению Лапласа обусловлено силами молекулярного притяжения. Изучая макроскопические проявления действия молекулярных сил, в том числе углы преломления и величину капиллярного подъёма, можно судить о молекулярных силах их вызывающих.

Наибольший интерес у Лапласа вызвали капиллярные явления: «Я много распространялся о капиллярных явлениях, так как их теория проливает яркий свет на взаимные притяжения молекул, составляющих тела, ибо капиллярные явления – это лишь модификация этих притяжений. В самом деле, вычисления показывают нам, что капиллярное действие происходит от притягивающей силы и находится к ней в отношении, значительно меньшем, чем отношение радиуса сферы заметной активности этой силы к радиусу кривизны капиллярной поверхности. Так, если предположить, что последнее отношение равно 1/ 10 000, притягивающая сила воды, действующая на саму себя, в 20 000 раз превзошла бы капиллярное действие этой жидкости в стеклянной трубке диаметром 0,001 м, действие, эквивалентное столбу жидкости 0,3 м».

Количественно анализируя капиллярное притяжение для разных геометрических форм капилляров, видов жидкостей и материалов, Лаплас пришёл к выводу, что молекулярное притяжение «подобно тяготению не останавливается на поверхности тел, а проникает в них, действуя за пределами непосредственного контакта, на неощутимых расстояниях. Это с очевидностью доказывают явления капиллярности».

С действием молекулярных сил притяжения связывается также упругость твёрдых тел: «Молекулы твёрдого тела располагаются так, что их сопротивление изменению состояния максимально. Каждая молекула, если она выведена из этого положения на бесконечно малую величину, стремится к нему вернуться под влиянием увлекающих её сил, именно это создаёт упругость, относительно которой можно предполагать, что все тела ею наделены, если их форму изменяют лишь на бесконечно малую величину».

Электричеству, которое в те времена было достаточно известно, Лаплас отводит роль только отталкивающей силы. По этому вопросу в его работе можно найти следующее высказывание: «Все эти явления зависят от формы простейших молекул, законов их притягивающих сил, отталкивающих сил электричества и теплоты и, может быть других ещё неизвестных сил». Из приведенной цитаты однозначно следует, что, по мнению Лапласа, природа сил отталкивания основана на электрическом и тепловом взаимодействии тел. Детально механизм этого взаимодействия будет рассмотрен в разделе 3.

Подытожим изложение гипотезы Лапласа о преобразовании гравитационных сил в молекулярные еще одним его высказыванием, которое он делает в завершение главы о молекулярных силах: «Видя все части материи подверженными действию притягивающих сил, из которых одна бесконечно простирается в пространстве, тогда как другие делаются неощутимыми на самых малых расстояниях, доступных нашим чувствам, можно спросить себя, не являются ли эти последние силы видоизменениями первой силы, модифицированной формами и взаимными расстояниями между молекулами тел? Чтобы принять эту гипотезу размеры этих молекул надо предположить такими маленькими по отношению к разделяющим их промежуткам, что их плотность будет несравненно больше, чем средняя плотность их совокупности. Сферическая молекула с радиусом, равным 1/1 000 000 м должна была бы иметь плотность, более чем в 6 000 000 000 раз большую, чем средняя плотность Земли, чтобы на своей поверхности создавать притяжение, равное земному тяготению. А притягивающие силы тел значительно превосходят это притяжение, потому что они отклоняют свет, направление которого не изменяется заметным образом притяжением Земли. Поэтому плотность молекул несравненно превзошла бы плотность тел, если бы их сродство было лишь видоизменением всемирного тяготения. Наконец, ничто не мешает принять этот способ рассмотрения для всех тел».

Таким образом, взаимодействие между молекулами по Лапласу осуществляется за счёт сил притяжения масс молекул по закону обратных квадратов. Учитывая малые расстояния и относительно большую величину капиллярных сил по сравнению с гравитационными, коэффициент пропорциональности в уравнении тяготения должен иметь необычно большую величину. Как показано ниже в 0,2765.10³⁶ раз больше гравитационной постоянной.

Анализируя возможность такого видоизменения гравитационных сил, Лаплас приходит к выводу, что оно может произойти, если плотность вещества в самих молекулах будет выше 10¹⁰ г/см³, что достаточно близко к современным данным о плотности вещества в элементарных частицах. Таким образом, явление микрогравитации является вполне предсказуемым. Повышение плотности вещества, выражаясь словами Лапласа, может привести к такому «видоизменению гравитационных сил», что они превращаются в атомные, молекулярные. Эти силы количественно выражаются уравнениями ньютоновской гравитации и обеспечивают образование химических и межмолекулярных связей и воспринимаются нами, как следствие электрических явлений.

Применимость закономерностей гравитации для количественного выражения взаимодействия атомов и молекул с применением единой константы показана ранее [1], что подтверждает гипотезу Лапласа. Постоянное значение константы соблюдается при её определении по силе взаимодействия микро масс, энергии образования химических связей, уравнению орбитальной скорости и уравнению 3-го закона Кеплера. Наиболее точное значение константы микрогравитации получается двумя последними способами. Поэтому целесообразно кратко остановиться на них.

Уравнение орбитальной скорости имеет вид:

v² = gmd/r, (1)

где v– орбитальная скорость, g– константа микрогравитации, m– атомная масса, d– дальтон, атомная единица массы, равная 1,661.10^-24 г и r– радиус орбиты.

В качестве примера берём атом водорода. Для него m = 1,008. Радиус атома r = 110 пм. Минимальная частота излучения 0 0242.10¹⁵ с^-1, которая по определению реализуется на последней (внешней) орбите. Зная минимальную частоту и радиус атома, находим орбитальную скорость:

v = ν2πr = 0,1673.10⁷ см/с. (2)

Подставив в уравнение (1) значение полученной орбитальной скорости, атомной массы и радиуса, найдём величину константы микрогравитации равную g = 1,839.10²⁸ см³/гс².

Применительно к атомным системам 3-ий закон Кеплера можно записать:

r³/t² = gmd/4π², (2)

где r– радиус орбиты, t– период обращения, g– константа микротяготения (микрогравитации), m– атомная масса, d– дальтон.

Для удобства расчётов выразим 3-ий закон Кеплера для атомных систем через частоту обращения ν:

ν = (gmd)^0,5/2πr^1,5 (3)

В качестве примера для расчёта возьмём связь С – Н, в которой разница масс (12,01d и 1,008d) и удаление центрального и орбитального атома (110 пм) достаточно велики и орбита должна быть близка к круговой. Частота обращения атома водорода равна 0,0876.10¹⁵с^-1. Подставив эти величины в формулу (3), получим значение константы микрогравитации равное g = 1,865.10²⁸ см³/гс², то есть близкое к ранее приведенным значениям этой константы.

Приведенные примеры доказывают, что движение атомов в микромире происходит по гравитационным законам динамики орбитального движения и тем самым количественно подтверждают гипотезу Лапласа о том, что молекулярные силы являются модифицированными гравитационными силами.

В заключение остановимся на терминологическом вопросе, связанном с рассматриваемым явлением. Продолжать говорить о капиллярных явлениях, явно не оправдано. Это не отражает главного содержания рассматриваемого явления – притяжение молекул вследствие взаимодействия их масс. После рассмотрения нескольких вариантов мы пришли к выводу, что наиболее подходящим для обозначения этого явления может быть термин – «микрогравитация».

3. Силы отталкивания в атомах и молекулах

Длина химических связей и, соответственно, размеры молекул определяются соотношением сил притяжения и отталкивания. Силы притяжения, как показано выше, находятся в обратно квадратичной зависимости от расстояния. Кулоновские силы отталкивания между положительно заряженными ядрами атомов с расстоянием также изменяются обратно квадратично. Однако, экспериментально показано, что рост сил отталкивания с уменьшением расстояния происходит значительно круче в шестой и даже большей степени. Для объяснения этого явления привлечен квантовомеханический принцип Паули – взаимодействующие атомы не могут находиться в одинаковом квантовом состоянии. Таким образом, сила отталкивания в соответствии с современными представлениями имеет две составляющих: кулоновскую и квантовомеханическую (принцип Паули).

Согласно развиваемой нами концепции силы отталкивания в атомных системах трактуются на основе классических электродинамических представлений, лежащих в основе объяснения сил Лоренца и Ампера. При этом необходимо учитывать соображения о природе электричества, изложенные в предыдущих разделах.

При движении электрона в магнитном поле на него действует сила Лоренца перпендикулярная линям напряженности магнитного поля и направлению движения электрона. Эта сила ничтожно мала, когда она относится к одному заряду-электрону и приобретает необычно большую величину, когда в магнитном поле перемещается проводник с током электронов. Эта сила и лежит в основе сил отталкивания в атоме, если учесть, что за счёт высокой частоты обращения (10¹⁵-10¹⁷ с^-1) и тесного расположения орбит в атоме поток электронов (сила тока) в атоме необычно велик.

Рассмотрим схему возникновения отталкивающей силы в атоме и выполним оценочный расчёт её величины. На рис. 1 даётся схематичный вид атома в двух проекциях: А– вид в плане, С– боковое сечение. Обозначения в проекции А: 1– вращающееся в плоскости рисунка ядро атома, 2– электрон, движущийся по орбите 3 с орбитальной скоростью v. Перпендикулярно плоскости рисунка на электрон воздействует магнитное поле, линии напряженности которого направлены снизу вверх. В результате взаимодействия магнитного поля и электрона атом подвергается воздействию силы Лоренца F_l, направленной перпендикулярно движению электрона и направлению силовых линий магнитного поля. В проекции С показано образование магнитного поля в атоме с линиями напряжённости В за счёт вращения ядра 1.Электрон 2 обращается по орбите, расположенной в плоскости перпендикулярной плоскости рисунка. При пересечении

Рис. 1. Схема возникновения силы отталкивания F_l в атоме: А вид в плане 1– вращающееся ядро атома, 2– электрон, обращающийся по орбите, 3– орбита; С– боковое сечение 1– ядро атома, 2– электрон, вращающийся на орбите, В– линии магнитной напряженности, образуемые вращающимся ядром.

электроном линий напряженности магнитного поля на атом воздействует сила Лоренца F_l, направленная нормально по отношению силовым линиям магнитного поля и вектору скорости электрона. Эта сила, как уже отмечалось, лежит в основе сил отталкивания в атомах и молекулах.

Учитывая высокую частоту обращения электрона, его движение по орбите можно рассматривать как электрический ток и применить для оценки возникающей силы отталкивания закон Ампера, выражаемый формулой:

F = IBl sinα. (4)

где F– сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной l с силой тока I, находящийся в магнитном поле B. Пересечение линий напряжённости происходит под прямым углом, поэтому sin α = 1. В качестве элемента l принимается длина окружности (виток орбиты) 2πr. Вопрос о возможности количественного описания сил отталкивания законами Лоренца-Ампера решается, если установить зависимость силы F в уравнении (4) от радиуса атома. Ниже даётся анализ этой зависимости.

Напряжённость магнитного поля В по закону Био-Савара-Лапласа выражается величиной пропорциональной силе тока I и обратно пропорциональной квадрату радиуса r:

В = k I /r², (5)

где k– коэффициент пропорциональности.

Силу тока I определим, исходя из следующих соображений. При каждом обороте электрона через сечение орбиты будет перенесён заряд е, равный заряду электрона. За единицу времени окажется перенесенным заряд ne, где n– число оборотов электрона на орбите в единицу времени. Так как сила тока I численно равна заряду, перенесённому в единицу времени, то вращающийся на орбите электрон эквивалентен току силой:

I = ne. (6)

Число оборотов n = v/2πr, откуда:

I = ve/2πr, (7)

Учитывая, что орбитальная скорость электрона обратно пропорциональна квадратному корню из радиуса v ~ 1/r^0,5, уравнение для силы тока получит вид:

I = k₂e/2πr^1,5, (8)

Подставив полученное значение силы тока в уравнение (5), получим уточнённое выражение для напряжённости магнитного поля в зависимости от радиуса:

В = k₃e/2πr^3,5, (9)

После проведенных преобразований мы имеем уточнённые значения силы тока I в уравнении (8) и магнитной напряженности В в уравнении (9). Подставив эти значения в уравнение силы Ампера (4), найдём, что она, то есть сила отталкивания, изменяется обратно пропорциональна радиусу в пятой степени:

F ~ 1/r⁵, (7)

Таким образом, базируясь на классических электродинамических представлениях без использования понятия об отталкивании одноименно заряженных зарядов, нами показано, что при сближении атомов между ними возникает сила отталкивания, величина которой обратно пропорциональна расстоянию между атомами в пятой степени. Полученный результат согласуется с экспериментальными данными о более сильной зависимости от радиуса атомных сил отталкивания по сравнению с силами притяжения.

Выводы

1. Подтверждена гипотеза Лапласа о видоизменении гравитационных сил в молекулярные силы притяжения вследствие повышения плотности вещества в элементарных частицах до 10¹² г/см³. Межмолекулярные и внутриатомные силы подчиняются законам тяготения (обратно квадратичная зависимость от расстояния) с коэффициентом пропорциональности (константа микрогравитации), равным 1,847.10²⁸ см³,гс².

2. Электрические заряды как некая самостоятельная субстанция (электрический флюид) не существуют. Элементарные частицы обладают свойствами заряда (образование силового поля, притяжение, отталкивание) сами по себе в силу внутренне присущих им физических свойств – высокой плотности вещества в частицах и их вращательного движения вокруг своей оси.

3. Сила отталкивания в атоме возникает вследствие взаимодействия электрического тока, образующегося при движении электрона по орбите, с магнитным полем вращающегося ядра (сила Лоренца-Ампера). Она изменяется по величине обратно пропорционально радиусу в пятой степени.

Литература

1. А. Т. Серков, А. А. Серков, О предстоящей смене научной парадигмы в физике, http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/10375.html

SciTecLibrary.ru, 16. 06. 2010.

2. П. С. Лаплас, Изложение системы мира, Ленинград, Изд. «Наука», 1982 г., глава 18, О молекулярном притяжении, с. 226–256.

3. Физическая энциклопедия, 1990, М., Изд. “Советская энциклопедия”, с. 52.