Вихри электрического тока

РЕАНИМАЦИЯ ВИХРЕВОЙ МОДЕЛИ

ИЛИ ПОЧЕМУ, ВОЗМОЖНО, «МОЛЧИТ» КОЛЛАЙДЕР

Еще Декарт утверждал, что элементарные возбуждения материи представляют собой кольцевые вихри. На чем он при этом основывался, сказать трудно, может быть, он их просто видел; бывают же люди, наделенные некоторыми сверхнормальными способностями. По мере развития исследований в области электричества и магнетизма все больше физиков начинали разделять эту концепцию, согласно которой электрон и протон не имели геометрической формы шарика, а представляли собой замкнутые вихри электрического тока, соответственно, отрицательного и положительного. К ним относятся, например, Гельмгольц, Кельвин. Сторонником вихревой модели эфира был Дж. Дж. Томсон, которого Петр Капица называл крупнейшим физиком конца девятнадцатого – начала двадцатого века. Ему удалось в рамках этой модели получить уравнения Максвелла. Дж. Дж. Томсон разрабатывали вихревую модель атома, поскольку по мере развития электродинамики становилось очевидным, что планетарная модель не адекватна атомной системе, так как всякое движение электрического заряда порождает магнитное поле и электромагнитные взаимодействия, которым нет аналогов в планетарной системе из нейтральных тел. Согласно законам электродинамики, ускоренное движение электрического заряда (в планетарной системе имеется центростремительное ускорение) должно тормозиться из-за излучения этим зарядом электромагнитных волн, и потому электрон не может находиться на стационарной орбите, а должен упасть на ядро.

Дж. Дж. Томсон в рамках той же классической электродинамики обнаружил, что если отрицательный заряд атома водорода разделить на несколько, как он выражался, корпускул, вращающихся по одной и той же орбите вокруг ядра, то полное излучение электронной оболочки атома становится много меньше из-за интерференции между излучениями этих корпускул. По его расчетам, при скорости движения корпускул, в десять раз меньшей скорости света, излучение шести вращающихся корпускул в 500 000 раз меньше, чем излучение двух, и в 5 000 000 раз меньше, чем излучение одной [1]. В пределе, когда полный заряд данной оболочки "размыт" в непрерывный замкнутый ток вокруг ядра, ее электромагнитное излучение полностью исчезает.

Конечно, "разделить" заряд электрона на несколько более мелких зарядиков нельзя; а вот считать, что атомный электрон представляет собой вихрь электрического тока (с полным зарядом, равным е), "пиннингованный" на ядре, а не подобный планете шарик, ничто не мешает. Напротив, исчезает существующая в планетарной модели атома трудность с электромагнитным излучением электронной оболочки атома, не допускающим его стационарного состояния.

При использовании вихревой модели исчезает и еще одна трудность, о которой обычно умалчивают. Нейтральное образование (планета) может существовать стационарно, потому что гравитационное сжатие в ней уравновешивается силами упругости; для элементарного заряда, имеющего геометрический образ планеты, отсутствуют силы, препятствующие кулоновскому расталкиванию образующей его субстанции. Всякий же электрический ток порождает магнитное поле. Сила Лоренца, действующая на ток со стороны возбуждаемого им самим магнитного поля, направлена, как известно, по радиусу к оси этого тока, т. е. стремится его сжать, препятствуя, таким образом, кулоновскому расталкиванию образующей токовую нить заряженной субстанции. В макроскопических масштабах такое явление наблюдается в плазме, где оно известно под названием пинч-эффекта.

Правильность полученного в рамках классической электродинамики вывода о возможности стационарного существования замкнутого вихря электрического тока в равновесном состоянии была подтверждена после открытия явления сверхпроводимости; в сверхпроводниках такие вихри имеют макроскопические размеры и наблюдаются экспериментально. При этом они, как известно, обладают определенными дискретными свойствами.

Встречающееся в некоторых книгах утверждение, что Резерфорд своими классическими опытами обосновал планетарную модель атома, не соответствуют действительности. Резерфорд показал только, что положительный заряд атома не размазан по всему его объему (как считалось в «модели пудинга», также предлагавшейся для описания строения атома), а локализован в центре атома, и что в нем сосредоточена почти вся его масса. 'Однако современные представления о строении атома основаны, на использовании планетарной модели, которая с позиций классической науки не может реализовываться по приведенным выше причинам, о вихревой же модели забыли. И сейчас уже необходимо приложить определенные усилия, чтобы выяснить, каким образом произошел здесь, выражаясь языком Вернадского, регресс научного знания. А дело было так.

В 1921 году Штерн и Герлах измерили механические и магнитные моменты атомов водорода и атомов серебра. Моменты этих атомов оказались одинаковы: механический I = h/2, магнитный (h – постоянная Планка, – магнетон Бора).

В рамках вихревой модели атома полные и механический и магнитный моменты, скажем, атома водорода должны складываться из орбитльных моментов ядра (вихря положительного тока малого радиуса - протона) и его электронной оболочки ("пинингованного" на ядре вихря отрицательного тока большего радиуса). Еще за девять лет до этих опытов Штерна и Герлаха Бор предложил теорию атома водорода, которая столь прекрасно объяснила оптические спектры этого атома, что игнорировать ее представлялось невозможным. Согласно данной теории, механический момент электронной оболочки этого атома в равновесном состоянии равен h. Отсюда и из опытов Штерна и Герлаха следует, что механический момент ядра атома водорода должен быть равен h/2 и направлен против механического момента электронной оболочки этого атома. Поскольку отношение магнитного момента токового вихря к его механическому моменту согласно классической науке равно e/2mc, то с учетом результата Бора получаем, что магнитный момент электронной оболочки атома водорода равен . Отсюда следует, что магнитный момент ядра атома много меньше , поскольку масса протона много больше массы электрона.

Исходное классическое уравнение теории Бора, на которую мы выше опирались, отражает тот факт, что действующая на электронную оболочку атома центростремительная сила обусловлена ее кулоновским взаимодействием с ядром:

,

где q – заряд ядра. Оно выглядит так, словно написано в рамках планетарной модели. При использовании вихревой модели это уравнение нужно записать для малого элемента токового вихря длиной , масса которого , а заряд – , т. е. вид уравнения остается прежним.

Моменты ядра атома водорода были измерены спустя почти десять лет после пионерских опытов Штерна и Герлаха. Оказалось, что и в самом деле его механический момент равен h/2, а магнитный много меньше .

Таким образом, представления, сложившиеся в физике к 1921 году, позволяли вполне адекватно объяснить результаты опытов Штерна и Герлаха и правильно предсказать значение механических моментов ядер водорода и серебра, которые были измерены позднее. И для этого не требовалось вводить каких-либо новых постулатов. Не требовалось, но некоторым очень хотелось.

В 1925 году Гаудсмит и Уленбек для объяснения опытов Штерна и Герлаха предложили гипотезу, которую было бы уместнее назвать революционным декретом. Взяв на вооружение планетарную модель атома, они заявили, что измеренный Штерном и Герлахом момент атома определяются только собственным моментом электрона, то есть, отрицательно заряженного шарика, вращающего вокруг ядра, а момент орбитального движения электрона и момент самого ядра равны нулю. При этом они не только проигнорировали теорию Бора, но и вступили в противоречие с правилом арифметики, гласящим, что произведение равно нулю тогда и только тогда, когда равен нулю хотя бы один из образующих его сомножителей ( ); все сомножители в правых частях для электронной оболочки атома водорода, как известно, нулю не равны).

По сравнению с этим мощным ударом по постулату Бору и арифметике уже незначительным недоразумением выглядело то обстоятельство, что отношение M/I для электрона оказалось у Гаудсмита и Уленбека в два раза больше канонической величины . Аргументация их утверждений была чисто революционной: на "микроскопических" масштабах законы "старой" науки (в которую попала даже и теория Бора) не работают, про нее нужно забыть и сочинить новую. Правда, граница, на которой происходит переход от классических законов к новым, Гаудсмитом и Уленбеком была не указана.

Экспериментальное обнаружение у ядра атома водорода механического момента, отличного от нуля, однозначно опровергает гипотезу Уленбека и Гаудсмита. Однако она успела утвердиться в научных кругах, и эти эксперименты ее не пошатнули. Их следствием стало то, что из учебников по физике исчезло упоминание о данной гипотезе, а появилось не соответствующее действительности утверждение, что Штерн и Герлах измерили моменты свободных электронов, чего на самом деле до сих пор еще никто не сделал. Здесь следует отметить, что в рамках вихревой модели "атомный электрон" (электронная оболочка атома водорода) отнюдь не тождествен свободному электрону; из эксперимента известно, что одинаковы их массы и заряды, сильно различаются радиусы и неизвестна скорость движения тока в вихре, образующем свободный электрон.

Вошедшее в научное мировоззрение с легкой руки давно забытых Гаудсмита и Уленбека и противоречащее эксперименту утверждение, что механический момент электрона равен h/2, направило по ложному пути не только науку о строении атома. Оно имело и другие последствия. Обратим внимание на одно из них.

До начала тридцатых годов атомное ядро рассматривали как совокупность протонов и электронов, поскольку всякое ядро при последовательной бомбардировке в конце концов распадалось только на эти и не на какие иные частицы. Массовое число ядра А считалось равным числу протонов в нем. Если число электронов равно N, то заряд ядра Z = A – N. В стабильных ядрах А в два раза больше, чем N. Поскольку заряд одного знака может удерживать на себе два заряда противоположного знака, если они расположены по разные стороны от него, то учет только кулоновского взаимодействия позволял в принципе объяснить стабильность известных ядер, тем более, что величина энергии ( – размер ядра) по порядку величины соответствовала энергии связи ядер.

В рамках этих представлений нейтрон есть связанное состояние вихря положительного тока (протона) и вихря отрицательного тока (ядерного электрона), который, скорее всего, пиннингован на первом на расстоянии много меньшем, чем в атоме; а скажем, дейтрон есть система из одного ядерного электрона и двух расположенных по разные стороны от него протонов. Из эксперимента мы знаем, что механические моменты нейтрона и протона одинаковы и равны h/2, откуда следует, что механический момент ядерного электрона должен быть равен h (т. е. совпадает с моментом атомного электрона) и направлен противоположно моменту протона, который вместе с этим электроном образует нейтрон. Для механического момента дейтрона опыт дает значение, равное h, откуда следует, что моменты входящих в него двух протонов направлены навстречу друг другу. Магнитные моменты ядер естественным образом должны складываться из магнитных моментов образующих их протонов и ядерных электронов.

К началу тридцатых годов планетарная модель атома с характерными для революционных времен энергией и напором уже успела вытеснить модель, создававшуюся упорным трудом нескольких поколений ученых, уже после своей смерти ставших классиками, т. е. модель вихревую. В физике прочно утвердилось положение, что электрон, будь он свободный или связанный в атоме или ядре, есть один и тот же объект, и его момент всегда равен h/2. Это породило две трудности. Если момент протона h/2 (эксперимент) и момент электрона h/2 (выдумка), то момент нейтрона должен быть равен либо нулю, либо h; эксперимент же дает для него значение h/2.

Вторая трудность получила название "азотной катастрофы". Она заключалась в следующем. Ядро азота имеет заряд, равный 7, и должно состоять из 14 протонов и 7 электронов. Поскольку момент протона равен h/2 (опыт) и момент электрона равен h/2 (фантазия), то полный момент ядра азота непременно должен быть полуцелым (в единицах h); эксперимент же давал для него значение, равное h.

В 1932 году Иваненко и Гапон разрешили эти трудности посредством очередного революционного декрета. Было объявлено, что,во-первых, ядро состоит из протонов и нейтронов, и, во-вторых, нейтрон есть элементарная частица вопреки утверждению Максвелла, что возбуждения эфира всегда заряжены, а нейтральное образование – обязательно составной объект, в котором величины положительных и отрицательных зарядов одинаковы; а также вопреки эксперименту, из которого известно, что нейтрон нестабилен и распадается на протон, электрон и еще кое-что. Зато удалось избавиться от названных в предыдущем абзаце трудностей. Отпала необходимость отвечать на вопрос, каким образом моменты протона и электрона, каждый из которых равен h/2, складываясь, дают для нейтрона момент также равный h/2, – нейтрон есть элементарная частица с моментом h/2, и баста. Исчезла и "проблема азотной катастрофы": в рамках этой гипотезы заряд ядра равен числу содержащихся в нем протонов, а массовое число – сумме числа протонов и нейтронов, для ядра атома азота эта величина равна 14. Поскольку данное число четное, полный момент ядра должен быть целым (в единицах h).

Устранив эти мнимые трудности, Иваненко и Гапон своей гипотезой породили другие - истинные. Стало непонятно, откуда у нейтрона – нейтральной элементарной частицы – берется магнитный момент, который наблюдается экспериментально. С данной проблемой расправились без больших хитростей: стали просто говорить, что нейтрон обладает "аномальным" магнитным моментом. На вопрос о том, почему вопреки кулоновскому расталкиванию протоны не разлетаются из ядра, ведь нейтроны не могут удерживать их в нем, как это делают ядерные электроны; ответили тоже без обиняков, очень революционно. Придумали новое взаимодействие, которое назвали «сильным», такое, какое нужно: на расстояниях, равных размерам ядер и меньше оно притягивает друг к другу и протоны, и нейтроны, не различая их между собой, сильнее, чем кулоновское взаимодействие расталкивает протоны; а на расстояниях, превышающих размеры ядра, оно никак себя не проявляет. Правда, тогда стало непонятно, зачем вообще нужны нейтроны в ядре, какую функцию они в нем исполняют, почему не существует ядер из одних протонов, и никто никогда не наблюдал связанного состояния даже из двух таких заряженных частиц. На этот вопрос то ли не смогли ответить, то ли устали сочинять и решили, что и так сойдет. (Здесь тянет на лозунг: "Даешь каждому эксперименту по новому закону или взаимодействию!")

Если пользоваться исторически первой моделью ядра и для ядерного электрона использовать правильное значение его механического момента, равное h, то, очевидно, что ядра с нечетным числом протонов имеют полуцелый момент, а ядра с четным их числом – целый. Все известные ядра без единого исключения удовлетворяют этому правилу.

В заключение приходится с сожалением констатировать, что существующие ныне представления о строении атома и его ядра есть порождение достаточно вольного сочинительства. Возможно, что затянувшееся «молчание» протонного коллайдера обусловлено тем, что ожидаемые от него результаты рассчитывались в рамках этих представлений.

#16910 Александр Ни :

По мере развития исследований в области электричества и магнетизма все больше физиков начинали разделять эту концепцию, согласно которой электрон и протон не имели геометрической формы шарика, а представляли собой замкнутые вихри электрического тока, соответственно, отрицательного и положительного. К ним относятся, например, Гельмгольц, Кельвин.

У электрона, как и у всех частиц, есть оболочка, и возможно, что она имеет форму шара, но электрон не вихрь, а просто волна, вращающаяся внутри этой оболочки, а электрическое поле волны находится за пределами этой оболочки. И в каждый момент времени вектор кулоновских сил направлен в одну сторону. И это объясняет всё. Без всяких преувеличений.

А так он выглядит для внешнего наблюдателя

#16910 Александр Ни :

Устранив эти мнимые трудности, Иваненко и Гапон своей гипотезой породили другие - истинные. Стало непонятно, откуда у нейтрона – нейтральной элементарной частицы – берется магнитный момент, который наблюдается экспериментально. С данной проблемой расправились без больших хитростей: стали просто говорить, что нейтрон обладает "аномальным" магнитным моментом. На вопрос о том, почему вопреки кулоновскому расталкиванию протоны не разлетаются из ядра, ведь нейтроны не могут удерживать их в нем, как это делают ядерные электроны; ответили тоже без обиняков, очень революционно.

Поскольку и протон и электрон являются волнами и у них вектор кулоновских сил направлен в одну сторону и навстречу друг другу, то для внешнего наблюдателя нейтрон кажется нейтральным.

#16910 Александр Ни :

На вопрос о том, почему вопреки кулоновскому расталкиванию протоны не разлетаются из ядра, ведь нейтроны не могут удерживать их в нем, как это делают ядерные электроны; ответили тоже без обиняков, очень революционно. Придумали новое взаимодействие, которое назвали «сильным», такое, какое нужно: на расстояниях, равных размерам ядер и меньше оно притягивает друг к другу и протоны, и нейтроны, не различая их между собой, сильнее, чем кулоновское взаимодействие расталкивает протоны; а на расстояниях, превышающих размеры ядра, оно никак себя не проявляет.

Глупость и невежество не ходят в одиночку, а всегда ходят толпой. Один неправильный термин тянет за собой другие неверные выводы. Заряды одинакового знака не отталкиваются друг от друга, а противодействуют сближению. Это разные взаимодействия. Отталкивание – это когда силы разделения превосходят силам сближения. Если сближать заряды с силой 1кг, то они остановятся там, где сила противодействия будет равна 1 кг. Если сближать заряды с силой 1г, то они остановятся там, где сила противодействия будет равна 1 г. Если сближать заряды с силой 0 г, то они остановятся там, где сила противодействия будет равна 0 г. Поскольку протоны в ядре ничто не сближает, то и силы отталкивания в ядре равны нулю.

Кроме этого все ядра тяжёлых химических элементов, которые легче железа, возникли в результате синтеза водорода и гелия, и при этом выделялась энергию, то протоны в тяжёлых ядрах должны быть неполноценны относительно свободных протонов. Для того, что бы протоны освободить из ядра, надо затратить тоже количество энергии, которое было выделено при синтезе.