Во многих современных учебниках и книгах посвященных электродинамике или теории относительности [1,2,3] рассматривается взаимодействие заряженной частицы, летящей параллельно проводнику с током. В [3], откуда взят рис. 1, например, рассматривается отрицательно заряженная частица, движущаяся параллельно проводнику с той же скоростью, что и электроны проводника образующие ток.
Рис. 1. Релятивистское увеличение плотности электрических зарядов
Результат взаимодействия частицы с током в проводнике сначала рассматривается в лабораторной системе координат, где ток электронов создает магнитное поле, а частица взаимодействует с этим полем. А затем рассматривается с точки зрения системы отсчета движущейся вместе с частицей. В этой системе отсчета так же существует магнитное поле, но создаётся оно уже движущимися ионами металлической решетки, и поскольку в этой системе частица неподвижна, она не взаимодействует с ним, а проводник оказывается положительно заряженным из-за увеличения плотности этих ионов вследствие релятивистского уменьшения расстояний между ними.
Обе силы, магнитного и электрического взаимодействий, оказываются равными.
Однако авторы в ходе своих рассуждений допускают ошибку. Согласно теории относительности, если в какой-то системе отсчета на тело действует сила, то она будет действовать и во всех других инерциальных системах отсчета движущихся относительно исходной. Хотя величина и, в общем случае, направление этой силы будут другими [4]. Т. е. если в системе отсчета связанной с частицей на нее действует сила электростатического взаимодействия с решеткой, то при переходе в лабораторную систему отсчета на частицу так же будет действовать некоторая сила, равная, по вычислениям Фейнмана, как раз силе магнитного взаимодействия частицы с проводом.
Можно представить себе мысленный опыт. Допустим, ток в проводе выключен, а вместе с частицей движется некая пружинка, создающая такую же механическую силу, действующую на частицу, как и сила электростатического взаимодействия между ней и проводом с током. Частица будет двигаться по той же траектории, что и в первом опыте, но сила, действующая на нее в лабораторной системе координат, будет считаться обычной механической силой.
Но в лабораторной системе координат, при включенном токе, на рассматриваемую частицу должна действовать еще и сила Лоренца от движения ее через магнитное поле вокруг проводника с током, представляющее собою сумму магнитных полей от каждого электрона, создающего ток в соответствии с формулой (63,9) из [4]. Получается, что в лабораторной системе координат на частицу действуют две одинаковые силы – одна от электростатического взаимодействия между частицей и металлической решеткой и вторая, от магнитного взаимодействия между частицей и магнитным полем окружающим проводник с током, что противоречит эксперименту.
Иными словами, физики считают, что механическая сила, пересчитанная из одной системы отсчета в другую, так и остается механической, а вот так же пересчитанная электростатическая сила превращается совсем в другую – магнитную силу, возникающую вследствие существования особого физического поля – магнитного.
С другой стороны, согласно современным представлениям [4] вокруг одиночного движущегося заряда существует электрическое поле, следовательно, магнитное поле существует и вокруг одиночного движущегося заряда:
Это приводит к парадоксу, так как при рассмотрении двух движущихся перпендикулярно друг другу заряженных частиц [3], получается нарушение третьего закона Ньютона (рис. 2). На нем частица I движется в магнитном поле, созданном частицей II и на нее действует полная сила Лоренца, электростатического и магнитного взаимодействий. А на частицу II действует только сила электростатического взаимодействия, поскольку частица I на оси своего движения магнитного поля не создает. Многие физики убеждены, что в электродинамике третий закон Ньютона просто не работает.
Рис. 2. Движение частиц по пересекающимся траекториям
Еще один парадокс возникает при попытке применения уравнения Максвелла для rot H к движущейся одиночной заряженной частице. Рассмотрим некоторый контур L вокруг траектории такой частицы и две поверхности I и II, опирающиеся на этот контур (рис. 3):
Рис. 3. Вычисление rot H
Уравнение для rot H (циркуляции по контуру L) [5]:
В правой части, в соответствии с теоремой Стокса, стоит сумма двух слагаемых, первое учитывает изменение со временем электрического поля на некоторой поверхности, опирающейся на контур L (ток смещения), второе - ток, текущий через такую же поверхность (ток заряженных частиц). На рис. 3 одиночная заряженная частица пересекает в данный момент времени поверхность II. Следовательно, для этой поверхности в правой части уравнения присутствуют оба слагаемых, поскольку на всей поверхности II происходит так же и изменение электрического поля.
С другой стороны на поверхности I происходит только изменение электрического поля и первое слагаемое в рассматриваемом уравнении отсутствует. А поскольку поверхность I может быть взята сколь угодно близкой к поверхности II, то мы приходим к двум значениям для rot H.
Данная ситуация рассмотрена в [5]. Ее автор записывает уравнение для магнитного поля в виде:
где r и r0 соответственно радиус - вектор точки наблюдения и точки, в которой находится заряд.
После ряда преобразований он получает выражение для скорости изменения электрического поля::
и, подставив его в первое уравнение, получает:
Далее он указывает, что решением этого уравнения является закон Био - Савара. Но последний закон получен в предположении, что
пренебрежимо мало по сравнению c
, и, таким образом, из рассмотрения заранее выброшена производная от поля по времени. Фактически автор изначально учел только магнитное поле от движущегося заряда.
Все эти парадоксы получают свое разрешение и нет нужды жертвовать третьим законом Ньютона если предположить, что вокруг одного движущегося заряда не существует никакого магнитного поля. Более того, при рассмотрении движения заряженной частицы вдоль провода с током, электростатическая сила взаимодействия между частицей и металлической решеткой, которую в лабораторной системе считают магнитной, возникала вследствие релятивистского уменьшения расстояний между атомами решетки. А поскольку заряженная частица не может уменьшить расстояние между самой собой, то вокруг нее не может существовать и магнитного поля. И таким образом, формула (38,9) и решение задачи после параграфа 38 в [4] оказываются неверными, поскольку получены путем распространения результатов опытов с проводниками с током на движение отдельных зарядов.
Более того, можно утверждать, что магнитного поля, как особого вида материи, вообще не существует в природе. Существует только электрическое взаимодействие (через электрическое поле) и небольшие поправки к нему обусловленные релятивистскими изменениями плотностей электрических зарядов, которые мы называем магнитным взаимодействием.
К сожалению, недостаток места не позволяет рассмотреть здесь вопросы о распространении электромагнитных волн, электромагнитной индукции. Они рассмотрены в [6].
Выводы. Магнитное поле это чисто релятивистский эффект. Представление о магнитном поле – не более чем удобный расчетный прием, (такой же, например, как и представление о векторном потенциале А) позволяющий существенно упростить вычисления сил между проводниками с токами.
Литература:
1. Парселл Э. Электричество и магнетизм. т. II Берклеевского курса физики-М. Наука,1971 г.
2. Угаров В. А. Специальная теория относительности. М. «Наука» 1977 г.
3. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. т.5, М. «Мир», 1977 г. с. 269 – 276. . т. 6, Электродинамика с. 270.
4. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теоретическая физика. т. 2. Теория поля. М «Наука» 1967 г. с. 46, 47, 127, 214
5. Левич В. Г., Курс теоретической физики. т. I, М. "Наука" 1969 г. с. 41, 44, 84.