|
В 1911 году Резерфорд выяснил, что структуры физических тел имеют вид пространственных решеток, а их размеры определяются расстояниями между атомными ядрами, которые очень малы, сравнительно далеки друг от друга и взаимосвязаны через поля. Объяснить такую связь атомов можно было только одним: электромагнитными волновыми полями, источниками которых должны бы служить сами атомы или, скорее, их ядра. Иных полей, пригодных для объяснения и моделирования твердого тела, физика не знала.
Такого рода упругая связь возникает между «точечными» источниками электромагнитных волн, например, между переменными электрическими диполями - вибраторами Герца, испытанными им еще в 1888-м году, и к 1911-му году вполне изученными. Излучающий вибратор Герца – это переменный электрический диполь или короткий проводник с переменным током. Два вибратора, колеблющихся синхронно и синфазно, будучи параллельными и стоящими вплотную друг к другу, взаимно отталкиваются. А разойдясь при этом на расстояние, чуть меньшее длины волны их излучений, они останавливаются, поскольку поле волновое, его направление меняется с расстоянием через каждую полуволну. На расстоянии, большем длины волны, те же силы становятся силами притяжения. Вибраторы удерживаются электромагнитными силами на расстоянии, при котором эти силы равны нулю. При этом заряды на концах диполей оказываются всякий раз смещенными вдоль силовых линий к нижнему энергетическому уровню в бегущем электрическом поле соседа, т.е. в динамической потенциальной яме, образованной переменным волновым полем. Так образуется упруго связанная пара. Электромагнитные силы противодействуют ее растяжению, сжатию и скручиванию.
Аналогично группа вибраторов, колеблющихся согласованно – синхронно и синфазно, образует упруго связанную пространственную решетку. Вибраторы взаимодействуют через волновые поля, которые сами же излучают. Волны бегут навстречу друг другу и образуют поле стоячих волн с обычными для таких полей узлами и пучностями. Под действием электромагнитных сил (когда они достаточно велики) вибраторы поворачиваются вдоль силовых линий электрического поля, движутся к максимумам его синфазной составляющей, где и занимают устойчивые положения, примерно равные одной, полутора, двум и т.д. длинам волн, самопроизвольно образуя упругую решетчатую структуру, в какой-то степени упорядоченную. Устойчивые положения – это динамические потенциальные ямы в волновом силовом поле.
Как скажем сегодня, происходит самоорганизация пространственной решетчатой структуры. Сама же структура есть простейшая самоорганизующаяся система.
Объяснение межатомных связей какими-либо полями иной природы или особыми законами микромира принципиально противоречило классической парадигме того времени, тем более, когда возможно объяснение полями известными и в рамках существующей теории. Таким образом, классическая теория, не выходя за рамки своей парадигмы, могла давать о твердых телах лишь это единственное представление.
Получалось, что твердое тело – это в некотором смысле пакет стоячих электромагнитных волн, в который «вморожены» источники этих волн. Эксперимент Майкельсона - Морли служил тому доказательством, ибо объяснялся просто: в нем сравнивались длины двух пакетов стоячих волн – светового луча и базы интерферометра как самоорганизующейся решетки, и оба пакета одинаково зависели или не зависели от скорости.
Аналогичную инженерную конструкцию можно сделать из простейших автоколебательных осцилляторов. Одинаковые излучающие осцилляторы, расположенные на расстояниях, немного меньших одной длины волны (или полутора, двух и т.д. длин волн) способны самопроизвольно входить в синхронизм. Синхронные же осцилляторы при таких расстояниях образуют упругую конструкцию, некое упругое тело, которое можно понимать как физическую (материальную) модель твердого тела. Естественно, это лишь первичная модель, весьма неполная, но уже пригодная как для физики, так и для технических наук. Сегодня физика не имеет физической модели тела, а только теоретические.
В качестве элементов модели можно применить любые автоколебательные излучатели, например собранные по простейшей схеме: из колебательного контура – катушки и конденсатора, транзистора и батарейки. Способности к синхронизации таких генераторов изучены еще на заре радиотехники, и в данном случае сомнений не вызывают. Для лучшего синхронизма можно немного сблизить элементы, пропуская по катушкам постоянные токи для их взаимного притяжения. При этом силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания через давление волн, а это приводит к концентрации волновой энергии в пределах модели и уменьшению излучения из нее энергии.
Модель в целом – весьма несложное техническое устройство, которое можно до конца изучить средствами теоретической электротехники и радиотехники. Для этого не требуется строить и испытывать такие устройства, всё в них легко просматривается заранее. Со второй стороны самоорганизующиеся системы изучаются теорией систем автоматического управления как один из видов автоматических систем. В распоряжении инженера еще почти век назад были достаточные средства для начального изучения микромира с этих двух сторон и продвижения в микромир технологии.
Открытия Резерфорда поставили классическую школу физики того времени перед необходимостью изучать самоорганизующиеся системы микромира. Она имела для этого все нужные средства. Классическая школа была передовым звеном технических наук, и была в готовности вести за собой в микромир всё множество технических наук, профессий и, в конечном счете, технологий. Но пала жертвой научной революции. Науки и технологии остались за порогом микромира.
Модель после 1911-го года приобретала чрезвычайное значение для физики по следующим причинам. Во-первых, система мер – это фундамент науки, от выбора системы мер зависит многое. Размеры твердых тел – традиционная мера длины. Но внутреннее устройство этой меры, а потому и свойства меры, ее зависимость или независимость от ряда причин: от скорости, от потенциала гравитации или чего-то еще, не были известны. И все эти зависимости можно было своевременно изучить на физической модели.
Во-вторых, физика впервые столкнулась с самоорганизующейся системой микромира и явлением самоорганизации в нем. Модель становилась первым образцом такой системы, уже тогда доступным для изучения. Сегодня уже никто не сомневается, что все предметы природы, как и сама природа – это самоорганизующиеся системы. Потому изучать природу, не имея понятия о простейших системах такого рода и принципах самоорганизации, как это делает сегодня физика, - занятие не весьма эффективное.
Особое значение модель приобретала в связи с дискуссиями по поводу постоянства размеров тел, «светоносной» среды и преобразований Лоренца. Решался вопрос о выборе физикой меры длины. Модель позволяла однозначно решить эти споры в пользу классической физики примерно следующим путем.
Несложно рассмотреть движение модели, как бы погруженной в идеальную ферромагнитную жидкость, где скорость электромагнитных волн замедлена на один-два порядка. Такая «волноносная» среда сносит волны в сторону своего движения (эксперимент Физо). Поэтому движение среды уменьшает среднюю скорость волн на пути «туда и обратно», при этом сокращаются длины стоячих волн, а вместе с ними и размеры модели. Из этого становится ясно, что Лоренц и Фицджеральд были правы абсолютно: размеры тел сокращаются в зависимости от их скорости в гипотетической светоносной среде, а также в абсолютных движениях, т.е. в движениях по замкнутым траекториям и относительно электромагнитных сред.
Кроме того, движение ферромагнитной среды относительно модели меняет результаты самосинхронизации колебаний в элементах модели, т.к. сносит волны, которые служат сигналами синхронизации. А также приводит к замедлению колебаний – «замедлению времени». Для наблюдения за такими изменениями как бы подключим к каждому осциллятору счетчик числа и долей колебаний и выведем результаты счета на часовые табло. Получатся часы, показывающие ход «местного времени» данной модели. Синхронные колебания и волновые поля образуют когерентный колебательно-волновой процесс, единый по всему объёму тела. Без такого процесса тело не может быть целым, т.е., согласно классической теории, твердое тело может существовать только как объект четырехмерный, пространственно-временной, некое единство предмета и процесса. И можно говорить о пространственно-временной структуре физического тела, которая зависит от скорости тела и меняется при ускорениях.
Система координат классической физики понималась как воображаемые прямые оси во вселенной и единое в ней время. А система координат СТО по определению Эйнштейна – это система жестких стержней, т.е. твердых тел, и часов. Потому та же инженерная конструкция - искусственное упругое тело с часами, подключенными к осцилляторам, – моделирует систему координат СТО и сама может служить такой СО. Весьма нетрудно доказать, что система стержней и часов СТО и инженерная СО, собранная из осцилляторов, идентичны и равноправны. И это позволяет средствами технических наук или классической физики и в ее системе понятий объяснить всё фактическое содержание СТО (но не ее философию), начиная от постулатов, а также механизм действия самого принципа относительности. Искусственное упругое тело делает СО СТО рядовым объектом классической теории, а также теоретической электротехники, радиотехники, автоматики и прочих технических наук. Содержание СТО при этом предстаёт как небольшая глава классической физики или параграф в учебнике теоретической электротехники.
Система координат, собранная из осцилляторов и подключенных к ним часов, тоже может быть изучена как погруженная в идеальный жидкий ферромагнитный диэлектрик. Если скорость волн в этой среде на порядок ниже, чем в пустоте, то и длины волн в нем будут во столько же короче, и масштабы СО тоже. Потому скорость волн в среде, измеренная в этой системе координат, окажется как бы такой же, как в пустоте. Идеальная ферромагнитная среда, если затекает в осцилляторы, то становится ферромагнитным сердечником в катушке и диэлектрической прокладкой в конденсаторе, увеличивая индуктивность и ёмкость и снижая частоту колебаний. При этом длины волн и масштабы СО увеличиваются, но скорость волн, измеренная и в этой системе масштабов и часов, опять остаётся прежней. Таковы уж свойства самой этой СО, она сама подстраивается к скорости волн и ходу процессов во времени. На что годится такая СО?
Если та же идеальная среда пронизывает, подобно светоносному эфиру, все поля осцилляторов и движется сквозь них, то ее движение еще больше увеличивает индуктивности и ёмкости и снижает частоту колебаний. Это называют замедлением времени по Лоренцу. Дело в том, что вокруг, например, магнитного поля при его движении образуется вихревое электрическое поле – согласно теории Максвелла. Оно тоже движется, потому вокруг него образуется вторичное магнитное поле. Оно и увеличивает индуктивность катушки. Аналогично увеличиваются ёмкости конденсаторов. Такое замедление носит абсолютный характер, не относительный, поскольку вызывается движениями, которые считаются абсолютными: относительно «волноносной» среды, вокруг наблюдателя и т.д.
Замедление колебаний движением среды приводит к увеличению длин волн, размеров модели и масштабов СО, но при этом размеры и масштабы вдоль движения всё же остаются уменьшенными, «замедление времени» компенсирует только размеры «поперечные». А всё, вместе взятое, описывается формулами преобразований Лоренца. Но, если движется среда, а модель неподвижна, то с учетом результатов Физо: в формулы нужно подставлять не скорость среды, а скорость сноса волн, она меньше скорости среды. Однако здесь формулы Лоренца описывают не трансформацию пространства-времени (это же просто жидкость), а деформацию твердых тел как самоорганизующихся систем при их движении.
Абсолютное «замедление времени» можно бы и практически наблюдать, вращая вокруг себя достаточно стабильное колебательное устройство. Но при движениях прямолинейных это замедление наблюдается только как относительное – за счет своеобразной и забавной ошибки наблюдения. Часы, подключенные к осцилляторам вдоль всей координат, при движении относительно среды показывают не одинаково. Поля как сигналы синхронизации вдогон за цепочкой часов движутся медленнее относительно часов, а навстречу ей – быстрее. В результате каждые передние часы отстают на некоторый временной интервал от следующих за ними в движении. Если бы такая цепочка часов летала вокруг наблюдателя, то он так бы и видел: передние часы отстают от задних. А когда она пролетает мимо наблюдателя рядом с ним, то он видит часы, которые сменяют друг друга, как кадры кино. Каждые следующие часы сдвинуты вперед по отношению к предыдущим. Даже если бы они не шли, то наблюдатель увидел бы кино, в котором часы идут вперед. Этот «эффект кино» ускоряет наблюдаемую картину ровно в гамма-квадрат раз. В результате часы, в гамма раз замедленные, наблюдаются как во столько же раз ускоренные.
Если при этом наблюдатель знает, что есть такой «эффект кино», то всё равно не может понять: то ли он сам движется, и потому его часы замедлены, то ли он неподвижен и видит «кино» из движущихся замедленных часов. Для него есть замедление только относительное.
Вот так легко и просто можно было почти сто лет назад получить причинные объяснения всем без исключения явлениям, которые фигурируют в СТО, а отчасти и в ОТО.
Отбросив классические представления, физика выбрала в качестве меры длины размеры твердых тел - фактически самоорганизующихся решеток, которые адаптируются к своей текущей скорости и реорганизуются при ее изменениях. Полагая эту меру неизменной, она приписывает измеряемым расстояниям свойства, фактически принадлежащие мере, с ее пространственно-временным единством, откуда и получается пространственно-временной континуум с чудесными и необъяснимыми свойствами.
|
