CC BY
13УДК 530.1
К 150-ЛЕТИЮ ТРАКТАТА ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ И МАГНЕТИЗМЕ
ДЖ.К.МАКСВЕЛЛА
СИЛИН НИКОЛАЙ ВИТАЛЬЕВИЧ
Д.т.н, профессор департамента энергетических систем, Дальневосточный Федеральный
Университет, Россия, Владивосток
_ХАЗАНОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ_
Инженер департамента энергетических систем, Дальневосточный Федеральный
Университет, Россия, Владивосток
ГОНЧАРОВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ
Инженер департамента энергетических систем, Дальневосточный Федеральный
Университет, Россия, Владивосток
Аннотация. В статье рассматриваются вопросы, связанные со 150 - летней годовщиной издания трактата об электричестве и магнетизме Максвелла. Дана краткая характеристика этого выдающегося труда, приведены мнения современников. Особое внимание уделяется описанию процесса осознания глубины и значимости доктрин и предсказаний, изложенных Максвеллом в этом труде. Приведены воззрения и взгляды Российских ученых, направленных на расширение физического понимания энергетических процессов в электромагнитном поле. Показано, как в работах В.Ф.Миткевича и К.С.Демирчяна убедительно доказываются справедливость теории близкодействия и возможность вывода основного закона специальной теории относительности из уравнений Максвелла.
Ключевые слова. трактат Максвелла, электромагнитное поле, теории близкодействия и дальнодействия, специальная теория относительности, масса и энергия.
ВВЕДЕНИЕ
В 2023 году исполняется 150 лет со времени опубликования Джеймсом Клерком Максвеллом (1831- 1879), шотландского физика, одного из самых выдающихся теоретиков XIX столетия, монографии «Трактат об электричестве и магнетизме» ((A Treatise on Electricity and Magnetism).
Двухтомный труд Максвелла, содержавший сведения о достижениях в области физики электричества и магнетизма, описание методов измерения, трактовку электромагнетизма с единых фарадеевских позиций, уравнения электромагнитного поля по свидетельству современников прохладно был принят такими учеными как Стоксом, Эйри, Томсоном. Доктрины, принадлежавшие исключительно Максвеллу, — существование токов смещения и электромагнитных колебаний, идентичных свету, — были представлены во втором томе в сложной и не очень привлекательной форме (через скалярный и векторный потенциалы, к тому же в кватернионной записи). Уравнений электромагнитного поля было много — двенадцать.
Человечеству пришлось приложить немало усилий, чтобы осознать глубину теоретических положений Максвелла, экспериментально подтвердить изложенные в трактате положения. Предсказание существования электромагнитных волн экспериментально доказано опытами Герца, теоретические расчеты давления света подтвердились в знаменитых опытах Петра Лебедева. Людвиг Больцман опубликовал результаты исследований по подтверждению теории Максвелла о квадратичной связи между оптическими (показатель преломления n) и электрическими (диэлектрическая проницаемость 8 ) характеристиками среды: 8 = n2.
Знаменитый голландский физик Хендрик Антон Лоренц, одним из первых применивший теорию Максвелла, много лет спустя писал: «Трактат об электричестве и магнетизме» произвёл на меня, пожалуй, одно из самых сильных впечатлений в жизни: толкование света как электромагнитного явления по своей смелости превзошло всё, что я до сих пор знал. Но книга Максвелла была не из лёгких». Действительно, ученые со всего мира шаг за шагом постигали глубину концепций и понятий, изложенных в трактате. Особенно трудной для понимания была концепция тока смещения, который должен существовать даже в отсутствие материи, то есть в эфире. Даже Герц, ученик Гельмгольца, избегал ссылок на Максвелла, работы которого были крайне непопулярны в Германии, и писал, что его опыты по созданию электромагнитных волн «убедительны вне зависимости от какой бы то ни было теории».
Ученые со всего мира посвятили немало научных трудов объяснению основных положений теории поля, физических представлений о природе электромагнитных явлений, представлению их в форме, доступной широкому кругу специалистов. Генрих Герц и Оливер Хевисайд переписали уравнения электромагнитного поля через векторы электрического и магнитного поля, получив в итоге четыре уравнения в современной форме. Русские ученые внесли весомый вклад в разъяснение учения о магнитных и электрических явлениях, основанного на фарадее-максвелловской точке зрения, экспериментального подтверждения теоретических положений.
Целью данной работы является расширение у читателя физического понимания энергетических процессов в электромагнитном поле (физических полях) путем изложения воззрений и взглядов Российских ученых, академиков Владимира Федоровича Миткевича и Камо Сероповича Демирчяна. об основных положениях «Трактата об электричестве и магнетизме « Дж.К.Максвелла.
ДАЛЬНОДЕЙСТВИЕ И БЛИЗКОДЕЙСТВИЕ
В 1933 году в СССР вышло третье издание учебника академика Владимира Федоровича Миткевича «Физические основы электротехники» [1]. В качестве введения в эту книгу помещена речь, прочитанная В.Ф.Миткевичем в торжественном годовом собрании Академии Наук СССР 2 февраля 1933 г., - «Основные воззрения современной физики». В начале своего доклада академик отметил, что времена великих физиков-натурфилософов уже прошли, но тем не менее каждый современный физик должен стремиться быть до некоторой степени натурфилософом. Без определенного философского подхода к исследованию природы физических явлений трудно избегнуть односторонности и, в отдельных, по крайней мере случаях, ошибочности наших физических представлений. Без какого бы то ни было философского обследования частных и общих проблем физики можно уподобиться тому, кто строит здание, не имея надежного фундамента. Считалось, что одним из основных достижений «Трактата об электричестве и магнетизме» является развенчание теории дальнодействия. Однако споры между сторонниками и противниками теорий близкодействия и дальнодействия продолжаются до сих пор.
На момент издания своего доклада (1933 год), представления, вытекающие из точки зрения теории действия на расстоянии, по мнению В.Ф.Миткевича доминируют и составляют, вообще говоря, неизменный фон физической мысли. Известно, что идея о действии на
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
расстоянии, рассматриваемом в качестве первичного физического явления, возникла в связи с работами Ньютона, который дал математическую формулировку открытого им закона всемирного тяготения, а также трудами Кулона, относящимися к развитию математической теории электрических и магнитных явлений. При этом и Ньютон, и Кулон в своих записках утверждали, что и действие, и сила передаются при допущении участия какого-либо агента, то есть промежуточной среды.
Отмечая важную роль приемов и методов математики В.Ф.Миткевич отмечает, что в физическое мышление проникли представления, которые можно назвать объективированными математическими абстракциями. Конечно весьма трудно на практике провести разграничение между новыми математическими представлениями и реальным содержанием явлений. По мнению академика, единственной возможностью решить эту проблему является последовательное и без всяких отступлений следование положению, что предмет его изысканий объективно существует вне нашего сознания и независимо от нашего сознания и что в действительности происходит не то или иное в зависимости от нашей точки зрения, а нечто совершенно определенное и, во всяком случае, совершенно неподчиненное нашим точкам зрения. Возникновение этой точки зрения становится вполне понятным с психологической стороны, если вспомнить, что Фарадей не обладал математическим образованием и своих идей не выражал в математической форме. Его физическое мышление, таким образом, было совершенно свободно от какого бы то ни было влияния со стороны математической символики.
Большое внимание В.Ф.Миткевич уделяет объяснению физической реальности, участвующей в каком-либо физическом явлении в качестве носителя свойств, обнаруживаемых в этом явлении. Например, материальная точка, являющаяся объектом изучения в области теоретической механики, есть не что иное, как математическая абстракция, совершенно необходимая при анализе законов движения, но ни в коем случае не могущая быть рассматриваемой в качестве некоторого реального объекта физического эксперимента, так как объем, занимаемый материальною точкою равен нулю. По мнению В.Ф.Миткевича всякая физическая реальность в целом или сколь угодно малая ее часть обязательно занимает некоторый объем нашего трехмерного пространства. Материальная точка в виде центра тяжести не есть такая реальность, с которою мы можем непосредственно иметь дело в каком -либо физическом эксперименте. Действительно, мы не можем, например, подвесить кольцо за центр тяжести. В.Ф.Миткевич пишет: « Я считаю точку зрения фарадее-максвелловскую единственно приемлемой в самом широком смысле этого слова; точку же зрения действия на расстоянии рассматриваю как допустимую только в области формально-математических построений».
МАКСВЕЛЛ И СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Академик В.Ф.Миткевич обратил внимание на проблемы, связанные с представлениями в области пространства и времени. Эйнштейн в связи с разработкой общей теории относительности пришел к заключению, что пространственно-временная непрерывность, в которой совершаются физические явления, не есть эвклидова непрерывность и что из этого вытекает ряд следствий, имеющих существенное значение и выражающихся в ощутимых на опыте уклонениях от установленных ранее физических закономерностей, по крайней мере в условиях космических масштабов. И в 21 веке не ослабевает интерес к попыткам переосмысливания и формирования предложений по изложению сущности теории электромагнитного поля Максвелла в свете современных взглядов на строение материи и способов учета конечной скорости распространения электромагнитных волн в Пространстве, а также объяснению взаимосвязи между вещественной массой и энергией
Как уже отмечалось физические представления о природе электромагнитных явлений базируются прежде всего на взглядах М.Фарадея и Д.К.Максвелла. М.Фарадей в 1831 году
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
открыл и сформулировал один из фундаментальных законов природы - закон электромагнитной индукции. Его многочисленные эксперименты были нацелены на выявление природы наблюдаемых явлений.
В 2008 году в издательстве ООО «Комтех-Принт» вышла книга Камо Сероповича Демирчяна «Движущийся заряд в четырехмерном пространстве по Максвеллу и Эйнштейну» [2]. В этой работе рассматривается сущность теории электромагнитного поля Максвелла и физические представления М.Фарадея Д.К.Максвелла в свете современных взглядов на строение материи и способов учета конечной скорости распространения электромагнитных волн в Пространстве. Показано, что классическая электродинамика Максвелла при учете зависимости эквивалентного заряда от скорости дает возможность на разумной, физически понятной основе разъяснить эффекты, связанные с «Асимптотической свободой в теории сильных воздействий», удостоенной Нобелевской премии за 2004 год.
Известно, что установление взаимосвязи вещественной массы т с энергией W через скорость света стало наиболее важным результатом специальной теории относительности (СТО). Вывод этого закона получен в предположении роста значения электрического потенциала движущегося заряда вследствие роста напряженности электрического поля до бесконечности. По мнению К.С.Демирчяна эти положения не соответствуют физической картине явлений и противоречат теории электромагнитного поля Максвелла.
В чем же заключается истинный физический смысл закона W = тс2. Для объяснения этих непростых вопросов в книге К.С.Демирчяна приведен вывод этой формулы не прибегая к сложным хитросплетениям теории относительности, а исходя из законов механики Ньютона и электродинамики движущегося заряда по Максвеллу при учете свойств четырехмерных систем координат. Принципиальное отличие динамики заряженного тела по СТО и по Максвеллу заключается в том, что изменение скорости движения заряда при воздействии на него внешнего электростатического поля приводит к зависимости эквивалентного заряда цэ = Цо(1 — V2/с2) = а2ц0 от скорости. Именно эта закономерность, открытая в работе К.С.Демирчяна, отражающая факт экранирования исходного заряда из-за появления поверхностных зарядов за счет явления электромагнитной индукции позволяет утверждать, что что сила воздействия внешнего электрического поля на заряженное тело уменьшается по мере роста скорости его движения. Учет этого фактора позволяет увидеть в ином свете исключительно важные результаты СТО, определившие новизну и оригинальность этой теории, каковыми являются утверждения об установлении закона взаимосвязи вещественной массы т с энергией W через равенство Ш = тс2 и зависимость массы т от скорости V в виде т = т0/(1 — р2/с2)1/2 =
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПРИРОДА МАССЫ ЭЛЕКТРОНА И ЗАКОНА Е=тс2
Одно из основополагающих свойств электромагнитного поля заключается в условности разделения единого электромагнитного поля на составляющие: электрическое и магнитное. Наблюдатель констатирует наличие только электрического поля с напряженностью Ест, если отсутствует взаимное движение пробного заряда и заряда q, создающего электромагнитное поле. Величина вектора напряженности электрического поля Ест одинакова в точках в равной мере отдаленных от заряда во всех движущихся системах, где пробный заряд qпр и заряд q взаимно неподвижны. Следовательно, во всех движущихся вместе с зарядом q и пробным зарядом qпр системах координат, распределение напряженности электрического поля в пространстве заряда q не зависит от скорости движения координатной системы.
При движении заряда объемная плотность энергии результирующего электрического поля wэv вследствие уменьшения только результирующей напряженности Е = (1 — р2)ЕсТ оказывается равной ж^у = (1 — р2)Ест Ост/2. Энергия результирующего электрического поля движущегося заряда будет равна WЭV = (1 — р2)Щэ. К этой энергии следует прибавить энергию магнитного поля с учетом вклада в неё и магнитного спина. Тогда полная энергия
ЖЭМ = + WM, ас учетом равенств = (1 - £2)Жэ и WM = £2ЖЭ 2/3 + £2ЖЭ/3 = ^2Жэ, можно констатировать, что их сумма постоянна и равна Жэм = Жэ^ + Wm = (1 —
Выражение для полной энергии можно записать в ином виде, если энергию движущегося со скоростью v магнитного и электростатического полей представить в качестве кинетической энергии Wэк. В этом случае зависимость кинетической энергии от скорости и массы может быть представлена в традиционной форме = Шэ^2/2. Тогда появляется возможность определить тэ, исходя из условия независимости электромагнитной энергии движущегося заряда
Жэм = И^ + Жэк = (1 — ^2)Жэ + Шэ^2/2 = Жэ — + Шэ^2/2
от скорости движения заряженного тела. Для этого представим последнее равенство в виде Жэм = Жэ — + Шэ^2/2 = Жэ + (—£2 + ШэС2£2/2Жэ)Жэ
= Жэ —(1 —ШэС2/2Жэ)^2Жэ.
Условием независимости Жэм от скорости является равенство
(1 — тЭс2/2ЖЭ) = 0 т.е. 2ЖЭ = шЭс2
или
W0 = ШЭС2.
Следует особо отметить, что этот важнейший закон вытекает из теории электромагнитного поля Максвелла и не имеет никакого отношения к Специальной теории относительности.
Отсутствие излучения электромагнитной энергии движущимся зарядом при v = const и независимость электромагнитной энергии движущегося заряда, обусловливают равенство (1 — ШэС2/2Жэ) = 0, следовательно, и обоснованность с физической точки зрения условия шЭ = 2ЖЭ/с2 = Ж0/с2 или W0 = шЭс2 = qu0.
Полная собственная энергия W0 = + Жэк) = 2Жэ движущегося заряда не связана
с силами, приводящими в движение заряд и придающими ему скорость v. По этой причине преобразование электромагнитной энергии электронного заряда из-за изменения скорости его движения происходит за счет внешнего источника энергии и происходит по законам, свойственным консервативным системам. Соблюдение свойственного консервативным системам механики закона неизменности суммы потенциальной и кинетической энергий в электродинамике движущегося электрона, подтверждает универсальный характер эквивалентности энергии и массы W0 = ШэС2, этого наиболее важного закона, не следующего из специальной теории относительности.
Важным следствием установления связи Шэ = Ж0/с2 = qu0/c2, при условии Жэк = Шэ^2/2, является привязывание понятия инертной массы тэ к энергии электромагнитного поля, в данном случае энергии распределенного в пространстве электрического поля. В такой интерпретации понятия инертной массы, она оказывается связанной с энергией и скоростью распространения электромагнитного поля и приобретает вполне определенное физическое содержание. Свойство инерционности появляется в связи с тем, что оказываемое на заряд силовое воздействие со стороны стороннего электрического поля непосредственно меняет местоположение самого заряда. Однако изменения пространственного распределения электрического поля, вызванные изменением местоположения заряда, распространяются в пространстве со скоростью света и тем самим предопределяют наличие инерционных свойств у этого поля.
Еще одно следствие расширенного толкования закона W0 = ШэС2 и его распространения на массу любой природы в виде W = тс2 будет обоснованным в предложении, что электромагнитной является сама природа вещественной массы. Исходя из этого, можно обоснованно утверждать, что любое неподвижное тело с вещественной массой то также обладает энергией покоя W0 = ШэС2. Если такое тело оказывается заряженным и ускоряется
при помощи стороннего электрического поля, то оно приобретает от стороннего источника энергии еще и кинетическую энергию.
Причиной, определяющей целесообразность введения в рассмотрение величины = ци0 = 2Шэ, является также и то обстоятельство, что масса Шз,связанная с электромагнитным полем заряда, определяется не просто энергией его электрического поля, а её удвоенным значением, равным ци0. Этот на первый взгляд малозначительное отличие дает возможность более детально анализировать физику явлений, связанных с энергетическими процессами, обусловливающими рождение самих элементарных электрических зарядов - электрона и позитрона. Аналогично любой обладающей инерционным свойством системе, когда при импульсном воздействии половина энергии внешнего источника запасается, а вторая половина излучается или преобразовывается в другие формы, например, в кинетическую энергию, и энергия, затраченная на создание массы тэ электрона также равна половине энергии внешнего источника.
ЛИТЕРАТУРА
1. Миткевич, В.Ф. Физические основы электротехники: учебник для вузов/ В.Ф.Миткевич. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: КУБУЧ, 1933. - 459 с.
2. Демирчян, К.С. Движущийся заряд в четырехмерном пространстве по Максвеллу и Эйнштейну/ К.С.Демирчян. - М.: Комтех-Принт, 2008. - 144 с.
