Закон Кулона и модели объяснения электричества

…каждый приличный физик-теоретик знает

шесть или семь теоретических обоснований

одних и тех же физических фактов… он помнит

о них всех, надеясь, что это подскажет

ему разные идеи для будущих догадок.

(Ричард Фейнман: «Характер Физических Законов»)

Закон Кулона для силы взаимодействия двух электрически заряженных тел малого размера имеет вид:

F = k·(Q₁·Q₂) / R²

где:

Q₁, Q₂ — величины электрических зарядов взаимодействующих тел,

R — расстояние между телами,

k — коэффициент пропорциональности.

Для единиц системы СИ: k ≈ 9·10⁹ м²/с². Помним, про отказ жёстко связать k со скоростью света, как это сейчас принято в системе СИ.

Далее, для краткости, вместо выражения «электрически заряженное тело» может употребляться выражение «электрический заряд» или просто «заряд».

В электричестве рассматриваются положительные и отрицательные заряды. Знак у выражения для силы получается положительный для отталкивания зарядов одного знака и отрицательный для притяжения зарядов разных знаков. Следовательно, т. к. отрицательных физических величин не бывает, это означает, что за электростатическим притяжением и отталкиванием могут скрываться различные процессы.

Для объяснения фундаментальных взаимодействий в разное время были придуманы разные модели. Разделим их на следующие классы:

абстрактное дальнодействие,
баллистические,
вибрационные,
эфиродинамические,
квазичастичные.

Подробно рассматривать все эти модели нет никакой возможности, любопытных отсылаю к соответствующей литературе. Ниже я описал только основные варианты и их главные достоинства и недостатки.

Абстрактное дальнодействие предполагает, грубо говоря, что мир моделируется неким Вселенским Божественным Компьютером, который хранит в памяти положения всех частиц и вычисляет взаимодействия между ними. Обратноквадратичный закон убывания взаимодействия с расстоянием выбран Господом Богом по известным Ему Одному причинам. Может быть потому, что только в этом случае получаются устойчивые орбиты. Вообще модель абстрактного дальнодействия может имитировать все остальные модели, поэтому имеет смысл сузить её до такого варианта, который не эквивалентен остальным. Возможно, это модель мгновенного дальнодействия, в то время как остальные модели предполагают конечную скорость распространения воздействий.

Глобальное приталкивание. Фундаментального притяжения нет, есть только отталкивание. Иллюзия притяжения возникает потому, что взаимодействующие тела находятся не одни, а во Вселенной, окружённые множеством других тел и эти окружающие тела приталкивают соседние тела друг к другу. А сами тела со своей стороны экранируют друг от друга потоки воздействия удалённых тел Вселенной, находящихся за ними. Идея о приталкивании высказывалась ещё Ломоносовым. На основе данных рассуждений действительно можно вывести формулу закона всемирного тяготения [КАТ/ГРВ]. Однако правдоподобный вид эта гипотеза будет иметь только в модели мгновенного дальнодействия, иначе непонятно как синхронизируется движение всех частиц так, чтобы обеспечивалось стабильное существование макроскопических тел.

Баллистическая модель (БМ) — некий поток частиц, ударяет в тело и производит воздействие. Есть несколько вариантов этой модели:

(БМ1) Поток вылетает из другого взаимодействующего тела.

Очевидно, что плотность потока этого «чего-то» от малоразмерного тела рассеивается в пространстве по сфере площадью 4π·r². Поэтому закон обратных квадратов здесь получается наиболее простым и естественным путём. Первая серьёзная разработка этой модели была предпринята В. Ритцем в начале 20 в. [РИТЦ/ЭД]. Дальнейшее развитие и популяризацию она получила в работах других авторов, в России — у С. Семикова [СЕМ/БТР]. Стоит отметить, что Ритц называл свои частицы фиктивными, что похоже на модель абстрактного дальнодействия, а Семиков явно утверждает их физическую реальность и даёт им название «реоны».

(БМ2) Газокинематическая гипотеза.

Если предположить, что длина свободного пробега реонов намного больше расстояния между взаимодействующими телами, то в области между ними будет пониженная концентрация реонов, летящих к взаимодействующим телам и получится эффект приталкивания, но без необходимости синхронизации всех тел во Вселенной. Таким образом, воздействие будет подчиняться закону обратных квадратов только до некоторого расстояния, а затем оно будет уменьшаться быстрее. Но при этом проблема торможения в среде остаётся нерешённой. Этот вариант теории разрабатывался Лессажем в 18 в. [ПМГ].

Недостаток простых вариантов баллистической модели в том, что если предположить физическую реальность реонов, то надо предположить заполненность всего пространства летящими во все стороны реонами. Таким образом, они образуют газ частиц, ведущий себя по законам классической механики. Но любой такой газ имеет вязкость, поэтому неизбежно будет тормозить движущиеся в нём тела. Если принять разреженность газа реонов или малость импульса от них, то мы тем самым неизбежно слишком сильно уменьшим фундаментальное взаимодействие тел. Если вернуться к идее фиктивности этих частиц, но тогда это будет по существу модель абстрактного дальнодействия.

(БМ3) Модель с «антиреонами» С. Семикова [СЕМ/БТР]:

Существуют античастицы реонов, имеющие отрицательную массу. При попадании в тело они притягивают его, а не отталкивают. Выдвигается и альтернативный механизм: масса антиреонов положительна, но они аннигилируют с реонами в пространстве между взаимодействующими телами и «расчищают» его. Таким образом возникает локальное приталкивание. Антиреоны решают проблему торможения тел в газе реонов, т. к. суммарный импульс торможения от реонов и антиреонов становится равным нулю. Однако сама идея частиц с отрицательной массой противоречит здравому смыслу, а также принятому нами принципу положительности физических величин. Заменять странности одного рода (в теориях относительности) на странности другого рода (отрицательная масса) представляется делом в целом бесперспективным, хотя некоторые понятия здравого смысла, потерянные в СТО, можно будет восстановить, например, абсолютное время.

Вибрационная модель. Известны эффекты притяжения и отталкивания тел, вибрирующих в сплошной среде. Зависимость силы взаимодействия от расстояния оказывается обратно-квадратичной. Первые исследования этого явления проводились Бьёркенсом-старшим в 19 в. Он же попытался создать теорию электромагнетизма на этой основе. У Бьёркенса получалось «электричество наоборот» или «обобщённая гравитация»: тела, колеблющиеся в воде в одной фазе притягивались, а в противоположных — отталкивались. Однако другие исследователи показали, что в упругих средах ситуация может быть как в электричестве: однофазные колебания будут отталкиваться, а противофазные притягиваться.

Интересную разработку этой темы провёл Ю. Иванов в конце 20 в. Он открыл эффект сжатия стоячей волны в среде, движущейся относительно источников. На этой основе он объяснил эффекты специальной теории относительности и опыт Майкельсона-Морли без необходимости отказа от абсолютного времени и понятия об эфире [ИВ/СБЭ]. На основе рассмотрения стоячих волн и резонансов между колеблющимися источниками Ю. Иванов развил т. н. «ритмодинамическую теорию» [ИВ/РД], которая из немногих первопринципов может объяснить многие фундаментальные понятия физики, а также притяжение и отталкивание тел на расстоянии.

Эфиродинамическая модель. Существует много разных теорий эфира, но словом «эфиродинамическая» я буду называть класс эфирных моделей, в которых: (1) все тела состоят из самого эфира, (2) эфир может обладать неограниченной подвижностью, подобно жидкости или газу. Для исключения рассеивания энергии частиц эфир предполагается идеальной жидкостью, либо средой с малой вязкостью. Локальными стабильными образованиями в такой среде могут быть только вихревые кольца. Вихревые кольца могут объединяться в группы, кружащиеся и проходящие друг сквозь друга, но непонятно как построить из них симметричные образования, поэтому есть затруднения в объяснении таким образом гравитационного взаимодействия. Его можно объяснить, если рассмотреть четырёхмерные вихревые кольца в четырехмерном пространстве-времени, ориентированные вдоль оси времени. Тогда по законам динамики сплошной среды такие кольца будут притягиваться. Вихревое кольцо может быть ещё и закрученное вокруг своей оси — т. н. «вортекс». Однонаправлено закрученные вортексы отталкиваются, а разнонаправленные притягиваются, по законам динамики сплошной среды, подобно электрически заряженным частицам.

Главная претензия к эфиродинамическим моделям — почему все элементарные частицы одного вида одинаковы? В жидкости или газе возможны вихревые кольца произвольного размера. Пока на этот вопрос не дано лучшего ответа чем: «они специально созданы одинаковыми Господом Богом, а потом не меняются, потому что среда имеет нулевую вязкость» Это звучит как-то неубедительно. Всё-таки, сомнительно что Господь Бог обязан решать интеллектуальные проблемы физиков-теоретиков.

Квазичастичная модель. В ней элементарные частицы представляются возбуждениями групп соседних атомов некоторого кристаллического тела. Из-за дискретности кристаллической решётки размер этих возбуждений также получается дискретным естественным образом, в отличие от эфиродинамической модели. И базовых форм (мод) колебаний в пространстве может быть больше одного. В обычных кристаллах такие возбуждения известны давно и называются «фононы». Они могут двигаться вдоль кристаллов без потери энергии, отражаться от стенок и неоднородностей. Особенно интересен в этой связи сверхтекучий жидкий гелий, который проявляет свойства как идеальной жидкости, так и кристалла. При температуре сверхтекучести его можно отождествить с физическим вакуумом. При локальном повышении температуры выше температуры сверхтекучести, в нём возможны микрообразования или дефекты, подобные известным элементарным частицам. Подробно этот вопрос рассматривается в [VOL/UHD]. Данная теория также не является до конца разработанной и общепринятой.

С квазичастичной моделью видится такая проблема, что объяснение — «Вселенная в капле гелия» не выглядит фундаментальным. Откуда берутся свойства самого «фундаментального жидкого гелия»? Но может быть это даже и хорошо и в духе философии «истинного позитивизма» — физике будет куда развиваться.

-----

Общая проблема с описанием базового уровня мироздания в том, что, по-видимому, возможно несколько эквивалентных вариантов этого описания и окончательный выбор между ними сделать невозможно, если уровень действительно базовый. Для пояснения рассмотрим следующий простой пример: некоторый гармонический колебательный процесс можно описать как круговым движением на плоскости с постоянной скоростью, так и возвратно-поступательным одномерным движением с синусоидальной зависимостью координаты от времени. Если это для нас базовый уровень, то сделать обоснованный выбор между этими описаниями невозможно — нет никаких «зацепок». Если бы они были, то они были бы проводниками на ещё более базовый уровень описания, а уровень гармонического колебания уже нельзя считать базовым.