§ 1.4 Природа электрического отталкивания и закон Кулона

§ 1.4 Природа электрического отталкивания и закон Кулона

Электрические заряды постоянно испускают во всех направлениях частицы, разлетающиеся с постоянной скоростью вдоль прямых линий. Воздействие на заряд зависит лишь от расположения и скорости этих частиц возле него… Можно сказать, что это будет своего рода механическая теория электричества.

Вальтер Ритц, "Критический анализ общей электродинамики" [8]

Прежде чем перейти к электродинамике Ритца — теории взаимодействия подвижных зарядов и токов, рассмотрим сначала взаимодействие неподвижных, иными словами электростатику. Как гласит известный всем со школы закон Кулона, два одноимённых заряженных точечных тела отталкиваются с силой F, пропорциональной величине их зарядов q₁, q₂ и обратно пропорциональной квадрату расстояния R между ними

F~q₁q₂/R².

Как же БТР объясняет закон Кулона?

Согласно Ритцу, сила отталкивания складывается из элементарных сил взаимодействия между элементарными зарядами двух тел. Действительно, известно, что заряд любого тела состоит из стандартных зарядов электронов и протонов ядер, образующих данное тело, поэтому заряд меняется дискретно, скачками. Вот и рассмотрим для начала взаимодействие двух элементарных зарядов (электронов). По гипотезе Ритца электрон испускает во всех направлениях однородные частицы, разлетающиеся со скоростью света c и имеющие стандартную массу m, а значит переносящие стандартный импульс p=mc. Попадая в другой электрон, эти частицы передают ему свой импульс, чем и вызывают кулоновское отталкивание зарядов. Подобно тому, как пули, выстреливаемые из автомата Калашникова со скоростью v, ударяют в консервную банку и заставляют её отлетать в направлении удара, передавая свой импульс Mv, так и частицы, попав в электрон, вызывают отталкивание, сообщая электрону свой импульс p=mc. Огромная скорость частиц, даже при ничтожной их массе m, делает этот импульс p=mc ощутимым. Эта перестрелка зарядов, обмен «выстрелами» и создаёт отталкивание зарядов с силой F, действующей вдоль «линии огня».

Если в электрон попадает n частиц в секунду, ему каждую секунду сообщается импульс nmc, — это и есть кулоновская сила F отталкивания электронов. Ведь сила, по определению, — это импульс, сообщаемый телу в единицу времени. Таким образом, согласно Ритцу, кулонова сила отталкивания имеет чисто механическую, кинетическую природу. Не зря Ритц утверждал, что БТР — это, фактически, механическая теория электричества, по которой скорость c выбрасывания частиц электроном чисто механически задаёт световую скорость распространения электрического взаимодействия, а значит и скорость света, электромагнитных волн.

Ритц показал, что каждый элементарный заряд (электрон) ежесекундно испускает одно и то же число частиц N. Словно пулемёт, строчащий пулями, электрон выбрасывает во всех направлениях со скоростью света c и частотой N микрочастицы. Однако лишь малая их доля n долетают до другого электрона, расположенного на расстоянии R. Эту долю легко найти, считая электрон шариком известного радиуса r. Раз электрон ежесекундно испускает N частиц, то такое же число частиц должно пересекать в секунду поверхность 4?R² окружающей электрон сферы. Поскольку частицы разлетаются по всем направлениям равномерно, то в другой электрон, расположенный на расстоянии R и имеющий поперечное сечение ?r², попадает доля частиц, составляющая ?r²/4?R² от полного их потока N. Другими словами

n=N?r²/4?R²=Nr²/4R².

Таким образом, кулоновская сила отталкивания двух электронов, расположенных на расстоянии R, найдётся в модели Ритца как

F=nmc=Nr²mc/4R² (Рис. 6).

Рис. 6. Испущенные электронами частицы производят своими ударами электрическое отталкивание с кулоновой силой F~1/R².

Тем самым мы получили механическое выражение закона Кулона: сила отталкивания, действующая между двумя элементарными зарядами, обратно пропорциональна квадрату расстояния R между ними. Если заряды не элементарны, а содержат первый — q₁ электронов, второй — q₂ электронов, то результирующая сила взаимодействия будет складываться из элементарных сил взаимодействия отдельных зарядов во всех возможных комбинациях. Каждый из q₁ электронов будет взаимодействовать с каждым из q₂ электронов. То есть, всего будет q₁q₂ одинаковых элементарных сил отталкивания

Nr²mc/4R²,

дающих в сумме силу

F= q₁q₂Nr²mc/4R²= Aq₁q₂/R²,

где A=Nr²mc/4 — некая константа, а q₁ и q₂ — заряды тел, измеренные в единицах заряда электрона. То есть получили полную формулировку закона Кулона:

F=q₁q₂e²/4??₀R²,

где e — заряд электрона, ?₀ — электрическая постоянная. Отсюда находим

A=Nr²mc/4=e²/4??₀,

или

?Nr²m=e²/c?₀.

Это даёт связь фундаментальных констант e, c, ?₀. Также находим число испускаемых электроном в единицу времени частиц

N=e²/?r²mc?₀.

Кроме того, если считать, что радиус электрона равен классическому

r=e²/4??₀Mc²,

где M — масса электрона, то получим интересное соотношение

r/c=(4M/m)/N,

смысл которого раскроем в следующем разделе.

Итак, Ритц не только вскрыл механизм электричества, электрического взаимодействия, но и дал ему наглядную механическую интерпретацию: отталкивание одного заряда другим возникает так же как отталкивание мишени градом пуль из пулемёта. БТР объясняет транспортировку воздействия от заряда к заряду и само это воздействие. Каждая пуля, вылетающая из пулемёта, несёт стандартный импульс mc, который при попадании передаётся мишени. Сила отталкивания складывается из отдельных ударов частиц-пуль, барабанящих по зарядам, словно реальные пули по мишени или град, снежная крупа и капли дождя — по зонту. Такой и должна быть истинная теория электричества — наглядной, открывающей потайные пружины электрического воздействия. А нынешняя электродинамика лишь констатирует наличие электрического воздействия, не объясняя его сути, а ссылаясь на выдуманное электрическое поле с его весьма туманной природой. Подобное объяснение одного непонятного явления другим сомнительным и мистическим, конечно, нельзя считать научным. Максвеллова электродинамика напоминает мифические объяснения электричества и грозы древними греками, считавшими, что молнии метает громовержец Зевс — существо сверхъестественное и ещё более загадочное, непонятное, чем сами молнии. Но в античном мире были и учёные-материалисты — атомисты Демокрит и Лукреций, которые учили, что гроза — это природное явление, и связывали молнии с электричеством и стремительным движением мельчайших частиц, предвосхитив открытие электронов [77] (§ 4.17). Материалистическая наука должна сводить все явления к естественным, известным или интуитивно понятным. Именно это и сделала в отношении электричества теория Ритца.

Нынешнее же состояние электродинамики более всего напоминает состояние термодинамики и химии до создания молекулярно-кинетической теории. Тогда в термодинамике, химии все явления тоже объясняли посредством абстрактных субстанций, таких как теплород, флогистон, и различных алхимических высокоучёных терминов (чем не эфир или электромагнитное поле современной электродинамики?!). Лишь с появлением молекулярно-кинетической теории стало понятно, что тепло — это не какая-то абстрактная субстанция, а всего лишь случайное, хаотическое движение атомов и молекул; давление газа на поршень — это просто бесчисленные удары молекул о стенку; превращения веществ — это никакие не сказочные алхимические превращения, а механическое соединение и разъединение атомов в молекулах. Поэтому молекулярно-кинетическую теорию называют часто механической теорией теплоты. Так же и Ритц назвал свою электродинамику механической теорией электричества. Всякая физическая теория должна сводить явления к механическому движению и взаимодействию тел, частиц, должна быть атомистической. Ибо есть мистика, и есть атомистика. Там, где исчезают частицы, пропадает атомистика, — неизбежно возникают элементы мистики, сверхъестественного, не материалистичного, иррационального и трансцендентного, даже если всё это облекается в наукообразные математические формулировки (§ 5.14).

Именно атомистической была теория Ритца. Если молекулярно-кинетическая теория показала, что сила давления газа на поршень складывается из отдельных ударов молекул газа о стенку, то теория Ритца говорила, что и сила электрического отталкивания зарядов складывается в действительности из отдельных ударов частиц, испускаемых зарядами. Неудивительно поэтому, что и первый атомист Демокрит придерживался тех же взглядов на природу света, электромагнетизма, что и Ритц. Не зря и Дж. Томсон, открывший атом электричества (электрон) и предложивший первую структурную модель атома с электронами (§ 3.1), поддержал баллистическую теорию [6, 93]. Если термодинамика толковала тепло уже не как абстрактную субстанцию теплород, а как движение атомов и молекул, то и Ритц считал электрическое поле не состоянием пространства или абстрактного эфира (как в теории Максвелла), а всего лишь полем скоростей и концентраций движущихся частиц, испущенных зарядами и наполняющих всё окружающее пространство. В теории Ритца полевое взаимодействие описывается как пулевое: поле, то есть степень воздействия на единичный заряд-мишень, определяется в данной точке плотностью огня — потока частиц-пуль, выброшенных зарядами-пулемётами (Рис. 6). То есть поле задано дислокацией зарядов-пушек, этой полевой артиллерии, и выражается через количество частиц-пуль, приходящихся на единицу площади фронта в единицу времени.

Осталось понять, что же это за частицы — эти атомы, кванты электрического воздействия, испускаемые и поглощаемые зарядами? Многие из тех, кто занимался теорией Ритца, ошибочно считали их фотонами. При этом забывали, что фотоны несовместимы с БТР. К тому же фотоны, как следует из их названия, — это кванты света. Тогда как частицы Ритца — это кванты электрического воздействия, существующие даже в отсутствие источников света и совсем не обязательно создающие свет. Поскольку слово квант дискредитировало себя, то лучше будем называть эти частицы всё же не квантами, но атомами электрического воздействия. Ведь "атом" означает "неделимый", — это именно элементарная, неделимая единица материи, воздействия, заряда (так, электрон называют "атомом электричества"). Частицы Ритца — это, по всей видимости, наименьшие среди известных элементарных частиц, имеющие стандартную массу, много меньшую массы электрона. О других их свойствах говорить пока сложно. Эти частицы не имеют ни заряда, ни магнитного момента. В отношении их вообще нельзя говорить об этих характеристиках, поскольку именно эти частицы и создают электрическое и магнитное воздействие. Точно так же в термодинамике нельзя говорить о температуре и давлении одного атома, — это характеристики большого ансамбля атомов, более того, — это характеристики процессов движения частиц, а не самих частиц. Так же и электрический заряд, электрическое воздействие — это, в действительности, феномен, обусловленный движением огромного коллектива частиц.

Чтобы в дальнейшем не повторять из раза в раз "частицы, испускаемые зарядами", дадим для определённости этим элементарным частицам название, как принято в физике. К несчастью, сам Ритц из-за скоропостижной смерти не успел дать им имени. Поэтому, дабы почтить его память, будем называть эти атомы, кванты электрического воздействия реонами (от греч. rheos — "течение", "поток"), ввиду истекания их из заряженных тел и того, что Ритц называл свою концепцию теорией истечения, эмиссии [92, 93]. И обозначать реоны на чертежах будем латинской «R», напоминающей опять же об открывателе этих частиц — Вальтере Ритце. От древнегреческого "rheos" и древнеиндийского "rayas" (поток, бег) происходят и русские слова "реять" (струиться, лететь), "рея" (брус для паруса, улавливающего потоки ветра), "рой" (скопище летящих тел), английское "rain" (дождь). Поэтому очень удачно известное сравнение светонесущих частиц (реонов) с каплями дождя, реющими в пространстве и барабанящими по зонтику-заряду, словно рой дробинок, градин [40]. Если же ищем электрических аналогий, то стоит заметить, что от слова "rheos" происходит и название прибора реостата (переменного сопротивления току), а латинское название корабельной реи дало нам понятие антенны, излучающей и улавливающей потоки реонов в форме радиоволн (§ 1.11). Да и английское слово "ray" (луч, проблеск, излучение), видимо, исторически возникло ввиду представления всех излучений потоками частиц из источников. Не случайно Демокрит и Лукреций говорили об источении телами светоносных частиц, которые реют в пространстве (Часть 1, эпиграф). Там же сказано, что частицы эти должны иметь мизерные размеры, и потому легко проникать через любые преграды, несясь с огромными скоростями. А самое удивительное, что Демокрит и Лукреций именно ударами этих частиц объясняли электрические, магнитные воздействия и свет, удивительным образом догадавшись о единой природе этих явлений [77].

Кстати, как выяснилось, ещё в 1991 г. В.С. Околотин в статье "Корпускулярная концепция полевых взаимодействий", поддерживая и развивая эмиссионную электродинамику, тоже предлагал назвать частицы Ритца в честь их автора "ритцонами" (что созвучно "реонам"), подразумевая под ними элементарные частицы, образующие электрон и много меньшие его по величине. Так же и Ритц считал, что реоны обладают ничтожными (точечными) размерами, даже в сравнении с электроном. Поэтому их можно рассматривать как материальные точки, имеющие нулевые размеры. Благодаря этому реоны движутся в пространстве свободно, без столкновений и взаимодействий друг с другом: их потоки пересекаются и проходят одни сквозь другие без отклонения и рассеяния частиц, — столь ничтожна за счёт малых размеров вероятность столкновения реонов. Это значит, что если два заряда, источающие потоки реонов, действуют на третий, то в силу независимости этих потоков, совместное действие зарядов равно сумме воздействий зарядов, взятых в отдельности. Так теория Ритца объясняет принцип суперпозиции, — принцип наложения полей. В то же время, за счёт малых размеров чрезвычайно мала и вероятность столкновения реонов с частицами вещества. Поэтому, как отмечал Ритц, даже пройдя через достаточно толстые слои вещества, поток реонов ослабевает весьма незначительно. Реоны должны обладать огромной проникающей способностью и иметь гигантские длины пробега в веществе, прошивая его, словно пули навылет. То есть эффективное сечение столкновения с электронами тоже имеет весьма малую величину, возможно, много меньше квадрата классического радиуса электрона. Не случайно Ритц называл электрон "заряженной точкой" (что может отражать не только малые размеры электрона, но и его способность источать реоны: "точка", "ток", "источник" — это всё родственные слова). Огромные длины пробега связаны с тем, что реоны практически не взаимодействуют друг с другом и с веществом, что естественно, если учесть, что они сами выполняют функции переносчиков взаимодействий (§ 3.16).

Даже Демокрит и Лукреций считали естественным свободный пролёт сквозь вещество частиц-реонов световых, электрических и магнитных истечений, зная, что тела не сплошные, а образованы из атомов, между которыми пустота, составляющая основной объём вещества. Спустя тысячелетия наука признала атомы Демокрита, которые веками отвергали из-за их невидимости и малости. Атомы проявляли себя лишь косвенно, и Лукреций привёл ряд наблюдений, подтверждающих их реальность. А теперь учёные не хотят признать реонов, — светоносных частиц, тоже предсказанных Демокритом и имеющих ещё меньшие размеры. Но снова эти частицы косвенно выдают своё присутствие. Сам факт распространения света, электромагнитных воздействий в пустоте, с конечной скоростью, требует присутствия частиц, несущих импульс от заряда к заряду. Известен и эффект дрожания электронов от ударов реонов (ответственный за неопределённость положения и энергии электрона, § 4.13), аналогичный броуновскому движению частиц от ударов атомов. А ведь именно анализ броуновского движения стал решающим доказательством реальности атомов. Не случайно идею Демокрита и Лукреция о том, что электромагнитные силы вызваны давлением потока микрочастиц, источаемых электроном (заряженным янтарём) и магнитами, поддерживали и развивали такие видные атомисты, исследователи электромагнетизма, как У. Гильберт, П. Гассенди, Р. Бойль, И. Ньютон [78, 106].

Рис. 7. По Ритцу заряды подобны бенгальским огням и взаимодействуют посредством выбрасываемых электронами со скоростью света частиц.

Итак, подобно тому, как заряд салюта взрывается сверкающим шаром или бенгальский огонь сыпет снопами искр, так и электроны взрываются каскадами реонов, мечущихся меж двух огней. Этот поток искр, реонный ветер и порождает давление, кулоновское воздействие одного заряда на другой, как обычный ветер (поток атомов) давит на стенку (Рис. 7). Интересно, что уже в работах Б. Франклина, раскрывшего природу электричества и предсказавшего электроны, проскальзывает эта идея о потоках неких атмосфер из всепроникающих частиц, словно ветер, истекающих из зарядов и давящих на другие заряды. Так, созданный им первый электродвигатель (заряженное колесо Франклина, § 3.19) крутится по тому же реактивному принципу, что и огневая турбина Герона или фейерверочное огненное колесо, да и называл Франклин электричество не иначе как "электрический огонь", по примеру древних (§ 4.17). Словно чувствуя огневую, взрывную, баллистическую природу электрического заряда, его назвали зарядом и в русском, и в английском (charge) языках. Ведь, согласно Ритцу, электрический заряд подобен бомбе, заряду дроби, шрапнели, разлетающейся при взрыве сотней мелких осколков с огромной скоростью. Так же и электрический заряд выбрасывает во всех направлениях стремительные осколки-реоны, которые, будто град дробинок из ружья или пуль из автомата Калашникова, барабанят по мишени — по другим зарядам. Поразительно, но даже прибор для измерения заряда назвали баллистическим гальванометром, где для калибровки заряда вводится баллистическая постоянная. Об этом приборе подробно рассказано в наиболее популярном курсе электричества С. Калашникова [60] (параллель с фамилией изобретателя АК служит ещё одним примером стрелковых совпадений, § 5.16).

Не исключено, что и самому Ритцу баллистическую, стрелковую модель света и электрического взаимодействия навеяла легенда о метком стрелке из лука Вильгельме Телле. По легенде этому швейцарскому горцу и борцу за свободу родины пришлось, по приказу жестокого наместника Геслера, сбить стрелой из лука (или арбалета) яблоко с головы своего маленького сына, Вальтера Телля. Эта легенда, на которой воспитывались дети Швейцарии, возможно, и подсказала Вальтеру Ритцу сравнение арбалета и пущенной им стрелы, пронзающей и отбрасывающей яблоко, с зарядом-электроном, отталкивающим другой электрон посредством выстреленных и поглощённых ими снарядов-реонов. Вероятно, та же легенда вдохновляла молодого Ритца, этого сына Швейцарии и потомка свободолюбивых горцев, на отважную борьбу с неправдой в науке. Таких совпадений, на первый взгляд случайных, читатель встретит ещё немало. Им не стоит удивляться, поскольку всё в нашем мире взаимосвязано: люди и вещи получают имена не случайно, а по определённым законам. Уже из анализа слов и языка можно немало узнать о сущностном устройстве мира (§ 5.16). Итак, изложенная выше баллистическая модель, уподобляющая заряды огневым точкам, и составляет суть, основу Баллистической Теории Ритца.