Единство электромагнитное

   Этот уходящий 2025 год стал годом примечательных юбилеев в науке физике. Исполнилось 120 лет специальной теории  относительности, теории релятивизма, относительности скоростей (1905 г.), авторами которой были Г. А. Лоренц, А. Пуанкаре и А. Эйнштейн. Исполнилось 110 лет общей теории относительности, релятивистской теории гравитации (1915 г.), автором которой считается А. Эйнштейн и отчасти – Д. Гильберт. Исполнилось 100 лет квантовой матричной механике В. Гейзенберга. Правда, есть те, кто оспоривает авторство специальной теории относительности, мол, Лоренц и Пуанкаре не являются авторами специальной теории относительности, т. к. подход Эйнштейна к решению противоречия между классической механикой и электродинамикой Максвелла был свой, оригинальный, не заимствованный у других. Да, это так. Но формальный, математический инструментарий для решения подобной проблемы был разработан именно Лоренцем и Пуанкаре. И потому они по праву являются соавторами специальной теории относительности (СТО).      
 
  Дуальность, существующее разделение на противоположности, были замечены давно в философии и в науке физике. Например, раздельно существовали магнитные и электрические поля; масса и энергия; массы гравитационные и инерционные; представление о свете, как о волне и корпускуле; существовало противопоставление времени и пространства, как двух различных форм существования материи; существовала дуальность взгляда на время и пространство, как абсолютные и относительные. Считается в научном сообществе, что основная заслуга А. Эйнштейна перед наукой состоит в попытке соединить эти дуальности, так сказать, оптимизировать физику, убрать из неё лишнее, ненужное. Но дело в том, что, соединяя их, дуальности не переставали быть дуальностями! Магнитные и электрические поля стали проявлением единого поля – электромагнитного. Но дуальность полюсов магнитов и электрических зарядов – сохранилась. Закон сохранения массы и закон сохранения энергии стали единым законом сохранения энергии. Но масса при этом, как феномен, не перестала существовать. Единство гравитационной и инерционной масс нашло обоснование в общей теории относительности, релятивистской теории гравитации. Но дуальность природы этих масс не решена окончательно по причине энергетического порядка и природы силы. В специальной теории относительности была решена проблема с абсолютностью пространства и времени, они – не абсолютны, а зависят от относительности скоростей систем отсчёта. Здесь же они были соединены в один неразрывный континуум – пространство-время. На самом же деле, это – континуум скоростей, отношение условных единиц измерения пространства и времени, метров и секунд. И свет сохранил свою дуальную природу – волновую и корпускулярную.               

   Ранее мне приходилось обстоятельно говорить на подобную тему. Но, вижу, тема так важна, так насущна для понимания базовых представлений в электродинамике, что следует напоминать о ней вновь и вновь для прояснения общей картины. Именно поэтому хотелось бы остановиться подробней только на одном моменте в этом перечне реальных и мнимых дуальностей, а именно – единство дуальности магнитного и электрического полей. Специальная теория относительности (СТО) как раз и призвана была объяснить это единство. История создания СТО хорошо известна. В конце 19-го века выяснилось, что классическая механика Галилея-Ньютона несовместима с электродинамикой Максвелла. Это было связано с тем, что электродинамика Максвелла неинвариантна относительно преобразований Галилея, а механика Ньютона, наоборот, инвариантна относительно таких преобразований. Противоречие заключалось в том, что из уравнений Максвелла следовало: скорость распространения электромагнитных волн в эфире постоянна и одинакова по всем направлениям. А в соответствии с преобразованиями Галилея, если источник электромагнитных волн движется, то скорость распространения электромагнитных волн должна быть больше в направлении движения и меньше в противоположном направлении. Чтобы «примирить» электродинамику Максвелла и механику Ньютона, А. Эйнштейн, использую математический формализм Лоренца и Пуанкаре, разработал специальную теорию относительности. В её основе лежат два постулата: все процессы и законы (в том числе и законы электродинамики) одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта; скорость света в пустоте одинакова для всех инерциальных систем отсчёта. Из этих постулатов следует, что и пространство и время не являются абсолютными, как принято в механике Ньютона, а зависят от системы отсчёта.
 
  Вот что пишет по этому поводу А. Эйнштейн в работе «Старые и новые теории поля» (1929 г.): «До создания СТО электрические и магнитные поля рассматривались как существующие независимо, несмотря на тесную причинную связь между ними, определяемую уравнениями Максвелла. СТО выявила, что эта причинная связь соответствует тождественности этих двух полей по существу. Действительно, одно и         то же состояние пространства, которое в одной системе координат проявляется как чисто магнитное поле, одновременно в другой системе координат, находящейся в относительном движении, проявляется как электрическое поле, и наоборот…».

   Этот потрясающий трюк с относительно движущимися системами координат, с «кульбитом» магнитного и электрического полей в пространстве, Эйнштейн проделал в работе 1905 года «К электродинамике движущихся тел». По устоявшимся тогда представлениям, движение (!) постоянного магнита сопровождается рождением в пространстве вихревого электрического поля. Спрашивается – какого движения?! Всякое ли движение магнита будет создавать вихревое электрическое поле? Оказывается, не всякое! Если полосовой магнит вращать вокруг главной оси тела магнита, не меняя положение полюсов, – никакого вихревого электрического поля не возникнет. Если магнит просто поступательно перемещать рукой в пространстве, не меняя положения его полюсов, – никакого вихревого электрического поля не обнаружится. Но картина меняется, если на пути этого поступательного перемещения постоянного магнита появится катушка с проводом, концы которого замкнуты. Если магнит энергично двинуть рукой внутрь катушки с медным проводом, то в проводнике катушки индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), появляется импульс тока в одном направлении, что видно на амперметре. Если магнит рукой энергично вынуть из катушки – появится второй импульс тока, в противоположном направлении. Т. е. чтобы появился полноценный переменный ток в катушке – магнит нужно энергично колебать рукой вдоль витков катушки. Колебать магнит энергично рукой – не очень удобно. Лучше – вращать. Вопрос – как вращать? Поперечно, так, чтобы в пространстве происходила смена полюсов постоянного магнита, т. е. чтобы происходило изменение во времени градиента напряжённости магнитного поля, изменялась плотность силовых линий магнитного поля. И, как сообщается, при таком изменении во времени магнитного поля и появляется дополнительно вихревое электрическое поле! Как бы ниоткуда, из ничего! Лишь от одного принудительного поперечного вращения магнита. Но это новое вихревое электрическое поле не может быть обнаружено, пока в этом новом поле не окажется замкнутый металлический проводник. В проводнике новое вихревое электрическое поле якобы индуцирует ЭДС. В проводнике имеются свободные носители зарядов, которые и приводятся в коллективное движение в виде импульса тока.          

   Однако странное дело: если постоянный магнит будет покоиться, а станем принудительно вращать в поле магнита замкнутый проводник, то эффект будет тот же самый – возникновение ЭДС, появление импульсов тока! Откуда же тогда взялось вихревое электрическое поле, которое обязано приводить в коллективное движение свободные заряды проводника?! Вот этот парадокс и стал поводом для работы А. Эйнштейна 1905 года «К электродинамике движущихся тел». Вихревому электрическому полю тут взяться неоткуда! Здесь надо было как-то изловчиться, чтобы найти это вихревое электрическое поле! И Эйнштейн нашел это поле вышеуказанным способом: «…одно и то же состояние пространства, которое в одной системе координат проявляется как чисто магнитное поле, одновременно в другой системе координат, находящейся в относительном движении, проявляется как электрическое поле, и наоборот». Это – один из величайших фокусов в истории физики, когда из ничего берётся что-то! Из простого принудительного поперечного вращения магнита или даже простого принудительного вращения замкнутой рамки проводника в поле магнита берётся фундаментальная физическая сущность – вихревое электрическое поле! Без этой фундаментальной сущности не было бы развития нашей цивилизации!         

   Скажу сразу: действительно, никакого вихревого электрического поля нет в природе и не было! Во всех случаях в электродинамике мы имеем дело с дипольным магнитным вихревым полем! Т. е. полем, имеющим одновременно левое и правое направление вращения. Магнитное поле постоянного магнита образовано всей суммой вихревых полей сонаправленных спинов частиц-зарядов. Спин – это кольцевое вращение частицы-заряда, а не осевое вращение, как принято ошибочно считать. Спиновое кольцевое вращение частицы рождает в среде физ. вакуума постоянное вихревое дипольное магнитное поле частицы. В атомах металла имеются частицы с неспареными спинами, которые легко поддаются влиянию внешнего вихревого магнитного поля. Это внешнее поле ориентирует их сонаправленно. В атомах железа имеются три неспаренных спинами частицы. Вот почему железо является ферромагнетиком, и хорошо взаимодействует с постоянным магнитом, вихревое поле которого легко ориентирует неспаренные спины частиц сонаправленно. Интерференция, наложение вихревых магнитных полей одного направления (магнита и железа) уменьшает давление и плотность среды физ. вакуума в области наложения. А внешний, более плотный вакуум с бОльшим давлением, сдавливает тела магнита и железа. Что мы и называем притяжением. Когда мы имеем дело с двумя постоянными магнитами, кроме притяжения, мы можем наблюдать отталкивание полюсов магнитов. Это происходит тогда, когда направление вихревых магнитных полей магнитов противоположны. При наложении полей давление и плотность среды физ. вакуума тут возрастают, магниты расталкиваются и пытаются встать сонаправленно. Во всех так называемых электромагнитных взаимодействиях тел и частиц участие давления и плотности среды физ. вакуума играет ключевую роль! Взаимодействующие вихревые магнитные поля могут изменять давление и плотность среды физ. вакуума.       

   А теперь по существу потрясающего трюка А. Эйнштейна в статье 1905 года. Возьмите в руки простой магнит, плоский или круглый, без разницы. Возьмите фломастер и нарисуйте на одном торце магнита кольцевую стрелку, например, по часовой стрелке, слева направо. Какое направление кольцевой стрелки будет на противоположном торце диполя магнита? Если смотреть на магнит не переворачивая его, то – тоже, слева направо. Но тот человек, кто будет стоять с противоположной стороны диполя магнита, скажет, что – нет, стрелка у меня будет не слева направо, а наоборот, справа налево! И он будет прав! То, что нам видится левым вращением, с противоположной стороны будет правым вращением без всякого «кажется»! Вот – подлинная причина удачного фокуса Эйнштейна в соединении природы магнитного и электрического поля! Никакого вихревого электрического поля не возникает при принудительном вращении диполя постоянного магнита, а имеется при вращении диполя магнита периодическая смена полюсов магнита разного направления вихревого магнитного поля, левого и правого! Изменяющееся магнитное поле не только своей напряжённостью (густотой силовых линий), но и полярностью! Всё это вместе заставляет диполи неспаренных спинов частиц-зарядов в проводнике точно также поперечно переворачиваться со скоростью света. Это переворачивание спинов частиц-зарядов приводит к «разделению зарядов», к рождению квазичастиц – электронов левого и правого спина, которые разбегаются в теле проводника в противоположные стороны, что и есть импульс тока.          

   И теперь понятно, почему нет разницы между принудительным вращением диполя магнита внутри замкнутой рамки проводника и принудительным вращением рамки проводника в дипольном поле магнита! Диполен со своим полем и сам магнит, дипольны со своими полями и частицы-заряды в теле проводника! Только так они и могут взаимодействовать посредством своих изменяющихся дипольных вихревых полей при относительном движении! И никакого вихревого электрического поля тут нет и не надо!

   Резюмируя, можно сказать: в работе «К электродинамике движущихся тел» А. Эйнштейн взялся разрешить противоречие между классической механикой и электродинамикой Максвелла. Магнит и проводник, их взаимные движения. Движение магнита вызывает рождение вихревого электрического поля, что создаёт в проводнике ЭДС. Если магнит покоится, но движется в магнитном поле проводник – эффект тот же самый! Но ведь если магнит покоится – вихревого электрического поля не возникает, а ЭДС индуцируется! Как же так?! Проблема разрешилась по щелчку пальцев с помощью уравнения Максвелла-Герца электромагнитной индукции: если в покоящейся системе координат мы имеем в пространстве напряжённость электрического поля, то в движущейся системе координат эта напряжённость будет выглядеть напряжённостью магнитного поля! Знак вектора напряжённости поля сменился с плюса на минус, как и подобает тому быть в электромагнитной волне!..   

   Самая ключевая, самая главная фраза в статье Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» звучит так: «Часы с балансиром, находящиеся на земном экваторе, должны идти несколько медленней, чем точно такие же часы, помещенные на полюсе, но в остальном поставленные в одинаковые условия». В этом фразе – вся физическая суть релятивизма, относительности скоростей! На экваторе осевая скорость вращения Земли – максимальна. На полюсе Земли – скорость минимальна. На экваторе вес тела (в ньютонах) минимален; на полюсе – максимален. Почему? Величина ускорения свободного падения (g) на экваторе минимальна за счёт бОльшей скорости осевого вращения Земли, бОльшей центробежной силы. Часы с балансиром на экваторе отстают по чисто физической причине – уменьшается вес балансира и увеличивается период колебания! Но об этом обстоятельней поговорим в другой раз…   

   Магнитные поля – всегда вихревые, дипольные! А что же тогда с полями статических электрических зарядов? Какова их природа? В школьных учебниках есть такая иллюстрация: нарисован шарик отрицательного заряда, а рядом – шарик положительного заряда. Между ними – соединяющие их силовые линии электрического поля. Принято считать, что силовые линии поля отрицательного заряда и положительного заряда обязательно замыкаются на противоположном заряде. То, что электрические поля зарядов рисуются как ёжики, с радиально расходящимися или сходящимися силовыми линиями, – большая условность; мол, эти линии должны обязательно сходиться на противоположных зарядах. Чего, конечно, на самом деле нет! Посмотрите внимательно на рисунок школьного учебника с двумя противоположными зарядами и их соединяющими линиями электрического поля! Соедините прямой чертой верхнюю часть левого шарика с верхней частью правого шарика. И также соедините чертой нижние части шариков. Что получилось?! Кольцо, лежащее на боку. Переверните его, поставьте вертикально. В сущности, тут мы имеем спиновое кольцевое вращение частицы-заряда со своим вихревым дипольным магнитным полем! Все частицы и квазичастицы имеют спин, кольцевое вращение. Имеет спин и фотон, вернее, спаренное состояние двух противоположных спинов, что делает фотон – бозоном (целый спин). Квазичастица электрон также имеет спин, который может принимать два состояния – по часовой стрелке и против, спин левого и правого вращения (полуцелый спин; фермион). Спин частицы и её дипольное вихревое магнитное поле – неразрывны! Свободные, несвязанные частицы-заряды со своими неспаренными спинами и вихревыми магнитными полями и образуют на поверхности тел так называемые электрические заряды. Электрические поля этих зарядов – это совокупность магнитных вихревых полей частиц-зарядов, ориентированных сонаправленно, как в постоянном магните. Одним прикосновением большого электрического потенциала этот, допустим, положительный заряд на теле можно превратить в отрицательный заряд. Что случилось? Прежние заряды не исчезли, а просто спины частиц-зарядов перевернулись со скоростью света на 180 градусов, и стали из положительных отрицательными! Это как перевернуть поперечно магнит.   

   И в заключение о том, о чём говорю не один год, о том, что является абсолютным доказательством всего того, что здесь изложено. Принудительное вращение любого магнитного диполя рождает в среде физ. вакуума переменные вихревые магнитные волны, где левое вращение магнитного поля периодически сменяется правым, и наоборот. Никакой перекачки энергии в ходе распространения волны нет: напряжённость электрической составляющей волны не порождает индукцию (напряжённость) магнитной составляющей волны, и наоборот! Волны уходят от источника со скоростью света в готовом виде, как родились, лишь увеличивая площадь распространения. И говорить тут надо не о векторе колебания составляющих волну, а о векторе вращения, который противоположный у составляющих! Повторяю, магнитными диполями являются и частица, и атом, и молекула, и постоянный магнит, и колебание тока в проводнике. И потому принудительное поперечное вращение любого диполя будет генерировать переменные магнитные волны, которые мы называем – электромагнитные. Это можно проверить опытом с постоянным магнитом, при быстром, очень быстром его поперечном вращении. В плоскости вращения магнита будут генерироваться волны. Всё сказанное совсем не противоречит уравнениям Максвелла, напротив, доказывает их правоту и делает понятным их смысл! О своём понимании природы тока смещения Максвелла и об уравнениях Максвелла я попробую поговорить в другом опусе.