Статья: Векторный электромагнитный потенциал - это первичное истинное поле частиц микромира
Название: Векторный электромагнитный потенциал - это первичное истинное поле частиц микромира Раздел: Рефераты по науке и технике Тип: статья |
Векторный электромагнитный потенциал - это первичное истинное поле частиц микромира В.В. Сидоренков, МГТУ им. Н.Э. Баумана Фундаментальность закона Природы «корпускулярно-полевого дуализма Материи» состоит в том, что как две стороны одной медали электромагнитные локальные характеристики микрочастицы и ее собственные полевые параметры неразрывно связаны и обусловлены друг другом: электрическому заряду, кратному кванту электрического потока - заряду электрона, соответствует электрический векторный потенциал, а удельному (на единицу заряда) моменту, кратному кванту магнитного потока, отвечает магнитный векторный потенциал. Полевая концепция природы электричества является фундаментом классической электродинамики и основана на признании того факта, что взаимодействие разнесенных в пространстве электрических зарядов осуществляется посредством электромагнитных полей. Физические свойства таких полей взаимодействия математически описываются системой функционально связанных между собой уравнений в частных производных первого порядка, называемых электродинамическими уравнениями Максвелла [1, 2]. В структуре этих уравнений, описывающих поведение электромагнитного поля в неподвижной среде, заложена аксиома классической электродинамики - неразрывное единство переменных во времени электрического и магнитного полей. В современной форме такая система дифференциальных уравнений имеет следующий вид: (a) (в) Здесь соответственно поля: векторов электрической Важнейшим фундаментальным следствием уравнений Максвелла является тот факт, что
Аналогично получается и уравнение волн поля магнитной напряженности С целью ответа на вопрос, что переносят эти волны, воспользуемся уравнениями Максвелла (1), являющимися, в сущности, первичными уравнениями электромагнитной волны, откуда на основе уравнений (1а) и (1в) получаем закон сохранения энергии в форме, так называемой теоремы Пойнтинга:
Видно, что поступающий извне в данную точку среды поток электромагнитной энергии за единицу времени (мощности), определяемый вектором Пойнтинга Однако наряду с этим, следует указать на весьма ограниченный диапазон явных возможностей уравнений Максвелла при описании ряда известных в настоящее время явлений электромагнетизма. В частности, уравнения (1) не могут вскрыть и адекватно описать физическую суть магнитных явлений, поскольку известно [2], что истинный магнетизм – это спиновый магнетизм. Например, они в принципе не способны объяснить эффект Эйнштейна-де Гааза [1, 2], когда в материальной среде при ее однородном намагничивании возникает механический момент вращения, направленный коллинеарно подмагничивающему полю магнитной индукции Здесь как бы существует парадокс, где с одной стороны, теория Максвелла предсказывает равенство нулю момента импульса плоской электромагнитной волны, а, с другой, физически понятно, что электромагнитное излучение – это излучение возбужденными атомами избытка энергии в виде фотонов, которые будут забирать от атома не только часть энергии, но и уносить долю внутреннего углового момента атома. Следовательно, распространяющееся в виде волн электромагнитное поле должно обладать вполне определенной величиной момента импульса, что, кстати, наблюдалось в экспериментах [4, 5]. Таким образом, принципиальный дефект традиционной классической электродинамики в том, что в ее представлениях об электрическом заряде и его поле отсутствует понятие о спине (собственном моменте импульса). Ссылки на ныне существующую квантовую электродинамику [2] неуместны, поскольку это отдельная самостоятельная наука, по сути несвязанная с классической теорией. Правда, известны попытки введения в электродинамику так называемого классического спина [6], но и они оказались неконструктивными. К сожалению, несмотря на серьезную методическую модернизацию исходных максвелловских уравнений Герцем, Хевисайдом и Эйнштеном и грандиозные успехи внедрения достижений электромагнетизма во многих областях жизни современного человеческого общества, общепринятая на сегодня теория электромагнитного поля и поныне базируется только лишь на представлениях 19 века о физических свойствах электрического заряда материальных тел. Для аргументированной иллюстрации данного факта здесь вполне достаточно двух первичных фундаментальных соотношений электромагнетизма - закона Кулона силы взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов и закона сохранения электрического заряда [1], чтобы цепочкой последовательных физико-математических рассуждений построить традиционную систему (1) уравнений электродинамики Максвелла [7]. Но это только то, что лежит на поверхности. Если взглянуть глубже, то те же дивергентные уравнения системы (1) содержат сведения о полях электрического Представления о векторных потенциалах определяются очевидным положением о том, что дивергенция ротора любого векторного поля (а) Таким образом, с точки зрения физического смысла векторные электромагнитные потенциалы непосредственно связаны с электрической и магнитной поляризациями, а потому их можно называть поляризационными потенциалами. Тогда подстановка соотношения для магнитного векторного потенциала (4a) в уравнение вихря электрической напряженности (1а) приводит к известной формуле связи поля вектора указанной напряженности с магнитным векторным потенциалом [1]: описывающей закон электромагнитной индукции Фарадея. Здесь электрический скалярный потенциал: При аналогичной подстановке соотношения для электрического векторного потенциала (4б) в уравнение вихря магнитной напряженности (1в) с учетом закона Ома Здесь Однозначность функций векторных потенциалов, то есть чисто вихревой характер таких полей обеспечивается условием кулоновской калибровки: (а) где абсолютные электрическая Как видим, векторные потенциалы принципиально сопровождают явления электрической и магнитной поляризаций материальной среды, причем, согласно (4), пары векторов Так как взаимодействие электрических зарядов реализуются посредством электрических Как известно, физические представления об электрическом заряде имеют на микроуровне существенное дополнение: элементарная частица характеризуется не только значением заряда q, кратного заряду электрона В соответствии с нашим предположением, сопоставим локальные характеристики микрочастицы и некое ее собственное первичное электромагнитное поле. Конкретно для электрона электрическая компонента этого поля соответствует заряду Итак, вначале рассмотрим электрический векторный потенциал
Эти интегральные соотношения устанавливают физически содержательное положение о том, что величина циркуляции вектора Продолжая анализ соотношений (8), видим, что, согласно этим соотношениям связи векторных полей Эти корпускулярно-полевые представления аргументированно подтверждаются также и непосредственным следствием в виде соотношения (6) связи электрического векторного потенциала Перейдем теперь к магнитному векторному потенциалу Следовательно, соотношение (5) можно, казалось бы, назвать полевым аналогом уравнения динамики поступательного движения в механике (II закон Ньютона). Действительно, указанную размерность магнитного векторного потенциала, другими словами, его физический смысл находят (например, в работе [10]) при анализе действия вихревого поля вектора Для прояснения сложившейся ситуации рассмотрим далее соотношение (6а), которое представим в интегральной форме:
Видно, что величина циркуляции вектора Целесообразно отметить, что сам Максвелл призывал ответственно относиться к математическим операциям над векторами электромагнитного поля и физической трактовке таковых. Вот его слова: “В науке об электричестве электродвижущая и магнитная напряженности принадлежат к величинам первого класса – они определены относительно линии. … Напротив, электрическая и магнитная индукция, а также электрические токи принадлежат к величинам второго класса – они определены относительно площади.” ([9] п. 12). И далее конкретно: “В случае напряженности следует брать интеграл вдоль линии от произведения элемента длины этой линии на составляющую напряженности вдоль этого элемента. … В случае потоков следует брать интеграл по поверхности от потока через каждый ее элементов.” ([9] п. 14). Не преувеличивая, трактат Максвелла [9] можно назвать «Библией электромагнетизма» и физическими основами математического анализа, однако даже в учебной литературе повсеместно встречаются физически бессмысленные математические выражения “div Итак, согласно Максвеллу, в электродинамике линейные (циркуляционные) векторы В итоге, согласно формулам (9), локальной характеристике микрочастицы - моменту импульса на единицу заряда сопоставляется его полевой эквивалент - магнитный векторный потенциал Вернемся к соотношению (5) связи вектора Подводя предварительный итог, приходим к заключению, что установленная здесь принципиальная двойственность физических параметров электрического заряда говорит о реальном существовании фундаментального «корпускулярно-полевого дуализма» природы электричества, кстати, схожего по названию с «корпускулярно-волновым дуализмом» в квантовой механике. Формально и здесь и там имеем неразрывную взаимосвязь материи с ее пространственно-временным собственным полем. Однако их сущностные различия принципиальны: корпускулярно-полевой дуализм реализуется на микро- и макроуровнях строения Материи и основан на объективном единстве частицы материи и ее собственного первичного векторного поля в реальном пространстве физического вакуума, что в свою очередь неразрывно связано с реально наблюдаемым обычным традиционным электромагнитным полем, а в концепции корпускулярно-волнового дуализма микрочастица представляется скалярной волной вероятности в абсолютно пустом, абстрактном пространстве. Говоря более конкретно, фундаментальность корпускулярно-полевого дуализма Материи обусловлена тем, что как две стороны одной медали локальные характеристики микрочастицы (совокупно, и макрообъекта) находятся в неразрывной связи с ее собственными полевыми параметрами. Электрическому заряду Итак, мы видим, что векторные потенциалы – это полноправные физически значимые поля, и учет этого обстоятельства позволяет углубить и кардинально модернизировать концептуальные основы классической электродинамики, где, в частности, необходимо ожидать, что обсуждаемая здесь система уравнений Максвелла будет лишь рядовым частным следствием. Покажем конкретно, какую же роль играют векторные потенциалы в электромагнитных процессах и явлениях? Очевидно, здесь четко прослеживается реальная возможность обратить проведенные выше рассуждения вспять, поскольку из обсуждаемой концепции «корпускулярно-полевого дуализма» физических характеристик микрочастицы необходимо следуют электродинамические уравнения современной теории электромагнитного поля на базе системы соотношений первичной взаимосвязи ЭМ поля с компонентами электрической (а) (в) (д) Объединение соотношений (4) – (7) в систему взаимосвязанных уравнений (10) представляется весьма конструктивным, поскольку в этом случае возникает система дифференциальных уравнений, описывающих значительно более сложное и необычное с точки зрения общепринятых воззрений вихревое векторное поле, состоящее из совокупности функционально связанных между собой четырех полевых компонент. Конкретно оно состоит из реально наблюдаемых в эксперименте полей векторов электрической Объективность существования указанного четырехкомпонентного вихревого поля иллюстрируется нетривиальными следствиями из полученных выше соотношений, поскольку подстановки (10д) в (10в) и (10е) в (10a) приводят к системе новых электродинамических уравнений, структурно аналогичной системе традиционных уравнений Максвелла (1), но уже для поля ЭМ векторного потенциала с электрической (a) (в) Чисто вихревой характер компонент поля векторного потенциала обеспечивается условием калибровки - дивергентными уравнениями (11б) и (11г). Соответственно, аналогичные математические операции с соотношениями (10) позволяют получить еще две других системы уравнений [8]: для электрического поля с компонентами (a) (в) и для магнитного поля с компонентами (a) (в) Таким образом, уравнения системы (10) первичной взаимосвязи компонент ЭМ поля и поля ЭМ векторного потенциала, безусловно, фундаментальны. Кстати, если считать соотношения (10) исходными, то из них подобным образом [8] следуют и уравнения системы (1), справедливые для локально электронейтральных сред ( Далее, как и должно быть, из всех этих систем электродинамических уравнений непосредственно следуют волновые уравнения для соответствующих полевых компонент (полностью аналогично выводу уравнения (2)) и соотношения баланса (аналогично выводу формулы (3)): для потока момента ЭМ импульса из уравнений (11)
для потока электрической энергии из уравнений (12)
и для потока магнитной энергии из уравнений (13)
Эти соотношения еще раз подтверждают и аргументированно доказывают, что, наряду с ЭМ полем с парой векторных компонент Такое четырехкомпонентное векторное поле следует называть реальным электромагнитным полем (или просто, электромагнитным полем), совокупно переносящего посредством традиционной электромагнитной волны электрическую и магнитную энергии, электромагнитные импульс и его момент, главной особенностью которого является фундаментальная неразрывная связь электромагнитных классических Список литературы 1. Матвеев А.Н. Электродинамика. М.: Высшая школа, 1980. 2. Физический энциклопедический словарь. М.: СЭ, 1983. 3. Lebedew P.N. // Annalen der Physik. 1901. fasc. 4. Bd 6. S. 433-458. 4. Beth R.A. // Phys. Rev. 1935. V. 48. p. 471; 1936. V. 50. p. 115. 5. Вульфсон К.С. // УФН. 1987. Том 152. Вып. 4. С. 667-674. 6. Храпко Р.И. // Вестник РУДН. Сер. «Физика». 2002. № 10(1). С. 40-48. 7. Сидоренков В.В. // Труды VI Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. Часть III. С. 215-219; // http://scipeople.ru/users/8652252/ . 8. Сидоренков В.В. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2006. № 1. С. 28-37; // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2007. Т. 3. № 11. С. 75-82; // Материалы X Международной конференции «Физика в системе современного образования». Санкт-Петербург: РГПУ, 2009. Том 1. Секция 1. “Профессиональное физическое образование”. С. 114-117; // Необратимые процессы в природе и технике: Сборник научных трудов. Вып. 3. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. С. 56-83. 9. Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме. В 2-х томах. М.: Наука, 1989. 10. Антонов Л.И., Миронова Г.А., Лукашёва Е.В., Чистякова Н.И. Векторный магнитный потенциал в курсе общей физики / Препринт № 11. М.: Изд-во Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, 1998. |