Электромагнитная инерция

Инерциальные свойства  и гравитационные свойства нейтральной (механической) массы являются свойствами самой той самой массы, что была введена в физику в период бурного развития механики. Электромагнитная масса  не является новой сущностью, ее инерциальные свойства (препятствие разгону заряженной частицы и ее торможению) объясняются причинно-следственными связями, открытыми при изучении электродинамических явлений, в частности, явления электромагнитной индукции, обнаруженного Фарадеем в 1861 году. Согласно Савельеву (Курс общей физики, т.2 стр.215) «Фарадей обнаружил, что в замкнутом контуре при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает электрический ток. Это явление называют электромагнитной индукцией, а возникающий ток – индукционным». С другой стороны, там же (Курс общей физики, т.2 стр.224) сообщается  «электрический ток, текущий в любом контуре, создает пронизывающий этот контур магнитный поток. При изменениях силы тока изменяется также и магнитный поток, вследствие чего в контуре индуцируется ЭДС (электродвижущая сила). Это явление называется  самоиндукция». Результаты исследования явления самоиндукции были обобщены Ленцем в виде правил, которые получили его имя. Согласно этим правилам индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей. Интересно отметить, что аналогично формулируется и принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, оказывается внешнее воздействие, положение равновесия смещается в такую сторону, чтобы противодействовать эффекту этого воздействия. Электрический ток является потоком заряженных частиц. Изменение силы тока происходит при ускорении зарядов, которое обусловливается увеличением ЭДС. Т. е. согласно правилу Ленца индуцируемая ЭДС будет препятствовать увеличению силы тока за счет уменьшения величины ускорения. В том случае, если сила электрического тока уменьшается, индуцируемая ЭДС. будет препятствовать его уменьшению. Согласно электродинамике явление самоиндукции и правило Ленца не зависят от того отрицательный или положительный заряд ускоряется. В обоих случаях система будет сопротивляться изменениям, вносимым внешними силами. Известно, что все материальные тела состоят из положительных и отрицательных зарядов. Не структурированная и не имеющая заряда (не имеющая атомно-молекулярного строения) материя, которая обладала бы нейтральной массой, не была обнаружена, соответственно, сохранение нереальной сущности является ошибочным. Не существующая квинтэссенция не может находиться в причинно–следственных связях с реальными сущностями.  Введение массы в законы, до открытия атомно-молекулярного строения материи было необходимо, а сохранение после ... трудно объяснимо.

Материальное тело, двигающееся с ускорением, представляет собой систему, состоящую из двигающихся с ускорением зарядов. По законами электродинамики эта система должна сопротивляться в направлении, препятствующем происходящим изменениям.  Это  феноменологически объясняет второй закона Ньютона.

Данные о работе трансформаторов электрического тока говорят, что ЭДС индукции и самоиндукции практически равны величине ЭДС генератора, создающего ток в первичной обмотке, т.е. ЭДС, препятствующая изменениям, близка по значению ЭДС, вызывающей изменения в системе. Эти данные позволяют предполагать, что электромагнитная индукция  является основным фактором, препятствующим изменению состояния материального тела (выведение из состояния покоя или равномерного прямолинейного движения).   

В дискуссий мы убедились, что одним из факторов, определяющих понимание слушателем идеи, является способ изложения. Если разговор начинался со слов, что «мы доказали, что массы (как ее понимают со времен Ньютона) не существует», то у собеседника возникала практически единственная мысль, как бы поскорее прекратить разговор с этими сумасшедшими людьми. Если же мы говорили, что наша работа заключается в решении очередных вопросов, возникших в ходе классического (традиционного) развития физики и химии, то  внимание оппонента даровалось нам  несоизмеримо чаще. Наилучшего результата в понимании и принятии предлагаемых объяснений нам удавалось достигнуть, если мы следовали логической цепочкой развития химии и физики.

Традиционное развитие естественных наук шло постадийно. На ранних стадиях происходило накопление фактического материала, в результате наблюдений и в ходе экспериментальной работы. На последующих стадиях проводилась систематизация фактического материала. После систематизации материала выдвигались законы и правила. На последующих стадиях предлагались феноменологические и онтологические объяснения причинно-следственных связей. Именно здесь вскрывался физический смысл (механизм) изучаемых явлений. Т.е. законы и правила являются, не конечным результатом (целью науки), а фундаментальным, но промежуточным этапом в развитии науки.

Таким образом, когда мы говорили, что наша работа заключается в выяснении физического смысла (механизма) физических законов: в первую очередь трех законов Ньютона, на основе экспериментальных данных, полученных за последние 300 лет (выделения огромного количества энергии при ядерных реакциях, выяснения физической сущности массы и т.д.),  то в таком контексте мы находили понимание.

В качестве примера нашего (классического) подхода к решению научных задач в химии приведем работу по выяснению физического смысла периодического закона и правил Льюиса.

Периодический закон, сформулированный Менделеевым в 1869г., выглядел следующим образом: «свойства химических элементов не произвольны, а находятся в периодической зависимости от их атомной массы». В рамках основных научных парадигм, царивших в науке времен Ньютона, этот закон выглядел совершенно парадоксально. Предполагалось, что химические связи и химические превращения обусловлены электрическими силами. После открытия строения атома и выяснения того факта, что атомная масса сосредоточена в ядре атома, парадоксальность периодического закона еще больше возросла. В результате исследования потенциалов ионизации элементов было установлено, что ядра атомов окружены слоями электронов и, что электростатические взаимодействия между электронами и ядрами в 10⁴⁰ раз превышают массовые. Работы Мозли привели к изменению формулировки периодического закона: «заряд ядра, а не атомная масса, является важнейшим свойством элемента, определяющим его химические свойства» (см. Р.Дикерсон, Г.Грей, Дж.Хейт, Основные законы химии Т.1 стр.312). После открытия Мозли очередными вопросами, на которые следовало искать ответы, должны были быть следующие: почему свойства элементов меняются периодически, когда  заряд ядра линейно возрастает? Каким образом (каков механизм) влияния заряда ядра на химические и физические свойства элементов? Почему периодичность изменения физических и химических свойств для второго и третьего периода 8 элементов, а основное химическое свойство элементов валентность во втором и третьем периоде имеет периодичность 4 элемента?

Однако, основные силы научного сообщества были направлены на подтверждение существования Периодического закона. Этих работы доказали, что с ростом заряда ядра периодически изменяется первая энергия ионизации атома, количество электронов во внешнем слое атома, радиус атома, валентность элемента по водороду, и практически все другие физические и химические свойства, не только атомов но и простых и сложных веществ из них состоящих, например, соединений атомов с водородом и кислородом. Т.е.  традиции, сложившиеся в химии после открытия Периодического закона,  философские споры о редукционизме и, самое главное, парадоксальность этого закона,  могут являться одним из возможных объяснений причин увлечения научным сообществом подтверждением  периодического закона, а не выяснением его физической сущности – физического смысла.

Именно  в период «квантово-механической эйфории» Декарт объявил: «…The underlying physical laws necessary for the mathematical theory of a large part of physics and the whole of chemistry are thus completely known, and the difficulty is only that the exact application of these laws leads to equations much too complicated to be soluble.”  [Dirac P.A.M., Proc. Roy. Soc. (London), 123 , 714 (1929).]  Основные физические законы, необходимые для математического описания большей части физики и всей химии полностью известны, и трудность только в том, что точное применение этих законов приводит к уравнениям, слишком сложны, чтобы быть решаемыми. Возвращение к вопросу о физическом смысле периодического закона стало возможным только, когда наступил период «квантово-механического разочарования. Для нас это стали 80 годы прошлого века.

Для выяснения физического смысла периодического закона нами были использованы те же экспериментальные данные, которые использовались для доказательства существования  Периодического закона. Из этих экспериментальных данных нами были отобраны свойства атомов, изменяющиеся периодически с ростом заряда ядра атомов. Этими свойствами являлись: первый потенциал ионизации атомов, радиус атомов и количество электронов во внешем слое атомов. Периодичность изменения этих свойств атомов совпадала с периодичностью изменения химических и физических свойств элементов (например для 2 и 3-го периода 8), что позволяло сделать вывод, что именно эти три свойства атомов определяют химические и физические свойства элементов.

Почему эти три свойства атомов меняются периодически? На какие свойства элементов и как (каков механизм) они влияют на химические свойства элементов? Феноменологическим ответом на первый вопрос являлись экспериментальные данные по энергии ионизации, которые показали, что внутренние электронные слои всех элементов содержат одинаковое количество электронов (два в слое ближайшем к ядру и в остальных внутренних слоях - восемь). Соответственно, увеличение количества электронов в атоме, происходящее при увеличении заряда ядера, (количество электронов в атомах равно количеству протонов в ядре) приводит к тому, что количество электронов в верхнем слое атома при линейном росте заряда ядера меняется периодически. Объяснение равного количества электронов во внутренних слоях всех элементов является следующее. При увеличении заряда ядра атома на единицу протона с одновременным присоединением к нему электрона происходит выигрыш энергии за счет приближения нового электрона к ядру атома. Наибольший выигрыш в энергии происходит при вхождении нового электрона во внешний слой атома. Одновременно происходит потеря энергии за счет приближения этого электрона к электронам, находящемся в атоме, прежде всего к электронам, находящемся во внешнем слое атома. Модель, предполагающая, что электроны, окружающие ядро, вращаются вокруг него по концентрическим окружностям, лежащим в одной плоскости, имеет аналитическое решение и рассмотрена в книге «Как образуется химическая связь и протекают химические реакции раздел» (Глава 1.7. Первое дополнение к G-теории химической связи). Так, согласно этой модели, к атому водорода электрон может присоединиться в существующий верхний слой, а к атому гелия электрон не присоединяется, что и наблюдается в эксперименте: сродство атома гелия к электрону имеет отрицательное значение. Согласно расчету по модели, к атому, имеющему заряд ядра 3 ед.протона   электрон присоединяется, но не в существующий верхний слой, а начинает образовывать новый верхний электронный слой, что также наблюдается в эксперименте. Сродство атома лития к электрону 0,6 еВ. Во всех  расчетах по модели  предполагается, что электроны и ядра являются частицами, между которыми действуют силы Кулона. Количественное совпадение расчета с экспериментом являлось принципиальным объяснением физической природы слоистого строения атома и, соответственно, физической природы периодического изменения количества электронов во внешнем слое атомов, а также периодического изменения радиусов атомов и их энергии ионизации, зависящих от количества электронов во внешнем слое.   

Следующий вопрос - почему валентность элементов первого периода меняется с периодом два элемента, второго и третьего периода меняется с периодом в четыре элемента, а четвертого с периодом 18 элементов, в то время как количество электронов в верхнем слое и такие  свойства атомов как первый потенциал ионизации и радиус атомов меняются с периодом в 2, 8 и18 элементов. Валентность является основным химическим свойством атома, определяющим сколько атомов, например, водорода, может присоединиться к данному атому. Правила Льюиса, согласно которым валентность атомов определяется количеством электронов, которое надо добавить к электронам, уже находящимся в верхнем слое, чтобы их суммарное количество составило 8 для элементов второго и третьего периода соблюдается более чем для 90% устойчивых соединений. Это говорило о том, что количество электронов в верхнем слое является, по крайней мере, одним из главных факторов, определяющих валентность атомов. Об этом же говорило и равенство, существующее между количеством электронов в верхнем слое и валентностью элементов первых четырех груп таблицы элементов. Ответить на вопрос, почему валентность элементов второго и третьего периода меняется с периодом в четыре элемента, в то время как количество электронов в верхнем слое и зависящие от него свойства - первый потенциал ионизации и радиус атомов - менялись с периодом в  8  элементов удалось в ходе выяснения причин аномальности ряда элементов (см. «Как образуется химическая связь и протекают химические реакции раздел»).

И логичен очередной вопрос: каким образом (каков механизм) периодическое изменение потенциалов ионизации атомов элементов влияет на химические и физические свойства образующихся из них веществ. Решение пришло в результате разработки теории химической связи и новой теории химической реакции - теории элементарных взаимодействий (см. разделы 1,2 и 3 «Как образуется химическая связь и протекают химические реакции раздел»).

Почему периодическое изменение энергии ионизации атомов совпадает с периодическим изменением физических и химических свойств образованных из них молекул?  При изучении физических и химических свойств веществ  мы имеем дело не с атомами, а с молекулами.

Нами было выяснено, что энергии ионизации атомов, связываемых химической связью в молекулы, определяют энергию этой связи и, что реакционноспособность химических веществ (химические свойства веществ)  и физические свойства веществ (температуры плавления и кипения) определяются энергиями связей молекул, вступающих в химическую реакцию. Зависимость энергии связи от энергии ионизации и зависимость реакционноспособности молекул (их химических свойств) и их физических свойства от энергии связи описаны в книге («Как образуется химическая связь и протекают химические реакции раздел», разделы 1.5, 2.2 и 3.1 соответственно).  В дальнейшем нами было выяснено (см. V.Gankin Y.Gankin Twenty First Century General Chemistry page 330-335), что и такие физические свойства как электропроводность и теплоемкость твердых веществ определяются энергией ионизации атомов, из которых  состоят эти вещества.

Парадоксально, но факт, что выяснение физического механизма закона, являющееся следующим научным этапом, после открытия закона или правила, вызывает в научных кругах несоизмеримо меньший эмоциональный отклик в сравнении с реакцией общества на открытие закона или правила. Новым законам и правилам, обычно присваиваются имена ученых, сделавших эти открытия, а имена ученых, выяснивших физический смысл этих законов мало известны. Интерес к ученому и закону, им открытому и интерес к ученому и физическому механизму, им выявленному, пропорционален реакции зрительской аудитории на фокус иллюзиониста и, соответственно объяснению, этого фокуса.

Гипотезы о гравитации, предполагавшие иное не ньютоновское объяснение, появлялись после открытия закона Кулона. В это же время был открыт Периодический закон, по которому свойства элементов коррелируют с их атомной массой.

В началеХХ –го века были предложены СТО и ОТО, в которых масса принималась как исходная сущность и гравитация объяснялась без привлечения электродинамики. Наиболее известным, парадоксальным и неожиданным выводом из предложенных теорий явилось уравнение

Е = МС²

Оно было подтверждено полуколичественно экспериментально: взрыв атомной бомбы и количественно - дефект массы при образовании связи между нуклонами.

Тогда же Де–Бройлем была сформулирована неожиданная гипотеза, предполагающая, что частицы, обладающие массой, имеют волновые свойства. Уравнение Де – Бройля послужило основой создания математического описания поведения микрочастиц. Уравнение Де–Бройля было подтверждено количественно в экспериментах Девиссона и Джермера.Теория относительности и  квантовая механика заняли величайшие умы ХХ–го века.

На этом фоне, какие-либо сомнения в реальности существования массы не воспринимались всерьез. Объяснения и расчеты по электромагнитной природе массы до сих пор рассматриваются как занятные. Это интересно, но ненаучно!

В начале наших работ (1982 г) нам представлялось, что наши новые теории и гипотезы вызовут большой переполох в научном мире. Мы ожидали энергичной реакции от публикации «Новой общей теории химической связи, химической кинетики и катализа» (1990 г.). Название книги даже  нам казалось вызывающим. Однако, мы пошли на этот риск, т.к. к этому времени мы поверили в корректность этих объяснений основных химических явлений и в нефизичность квантово-химических объяснений и расчетов. Опубликованные гипотезы, объяснения и предложения не получили  существенных или конструктивных замечаний. Т.е. для того, чтобы хотя бы поставить под сомнение сам факт существования нейтральной массы, представлялось необходимым критическое обсуждение квантовой механики и теории относительности. А эти вопросы даже не затрагивались при выдвижении электродинамических объяснений инерциальных и гравитационных свойств массы.

Гипотеза об электромагнитной природе инерциальных свойств массы и физический механизм объясняются самоиндукцией. Явление самоиндукции позволяет качественно объяснить одно из основных явлений, послуживших исходной точкой для появления преобразований Лоренца и СТО. Экспериментально было установлено, что при увеличении скорости электрона (особенно при приближении его скорости к скорости света) масса электрона  возрастает.  Cогласно  Генри Бурс и Лойду Мотцу (Henry A. Boorse and Lloyd Motz, The World of the Atom, vol.I, p.p.518, 1966) для объяснения наблюдаемого явления Лоренцем была выдвинута  гипотеза, предполагающая, что электрон сжимается (уплотняется) при приближении его скорости к скорости света. В дальнейшем он предположил, что собственное время электрона и его масса  зависит от его скорости согласно уравнению предложенному Лоренцем.

Эйнштейн объяснил изменение массы в этих экспериментах в рамках СТО. Эксперимент, в котором при изменении скорости электрона меняется его масса, служит прямым доказательством электромагнитного происхождения массы. Логика обратного подхода. После открытия индукции и самоиндукции мы предполагаем, что масса это проявление самоиндукции. Величина ЭДС самоиндукции возрастает с ростом магнитного поля, создаваемого электроном при движении. Согласно Соловьеву (Курс общей физики, т.2, стр. 148) отношение электростатических сил к магнитными силам движущегося заряда пропорционально отношению квадрата скорости движения заряда к квадрату скорости света. В экспериментах, в которых достигаемая скорость движения электрона приближалась к скорости света, инерциальная масса при увеличении скорости электрона возрастала пропорционально отношению квадрата скорости заряда к квадрату скорости света.

В 1966 году вышло третье издание широко известных фейнмановских  лекций для Калифорнийского института технологий. В главе «Электромагнитная масса» (гл. 28-12 этих лекций можно прочесть следующее:
«Мы хотели бы подчеркнуть следующие моменты:
Электромагнитная теория предсказывает существование электромагнитной массы, однако не может предложить внутренне согласованную (внутренне непротиворечивую) теорию, тоже справедливо и для квантовой модификации электромагнитной теории, имеются экспериментальные доказательства существования электромагнитных масс, эти все массы могут составлять приблизительно массу электрона.
Т. е. мы можем, вернутся к первоначальной идее Лоренца, что вся масса электрона чисто электромагнитная, возможно, все 0,511МэВ, благодаря электродинамике.
Так это, или не так, мы пока не можем сказать т. к. не имеем внутренне непротиворечивых теории».

Давайте, вспомним чем является масса во всех учебниках по физике. В  учебниках  масса введена как коэффициент между силой и ускорением, или как коэффициент в уравнение для импульса. Однако, уже есть экспериментальные доказательства существования электродинамической массы, что нельзя сказать о существовании истинно нейтральной материи, не включающей в себя никаких заряженных  частиц, и обладающей свойствами: гравитации, инерции и способностью перехода массы в энергию.

Нам думается , что вряд ли сегодня найдется кто-либо, желающий в сложившейся ситуации, предположить и далее доказыть существование дополнительной к электромагнитной массе новой сущности. 

Лимитируещей стадией в признании новых теорий является инерция мышления. Поэтому ускорение признания новых теорий зависит только от этой стадии. Как же ее ускорить? Бороться против догм и установок, которые абсолютное большинство людей считают истиной в последней инстанции. Двигаться  в направлении решения общих, а не частных вопросов. Например, не искать очередное подтверждение электромагнитного происхождения массы электрона, а исключить механическую массу как исходную сущность.

24.09.2008