Векторный электромагнитный потенциал - это первичное истинное поле частиц
микромира
В.В. Сидоренков, МГТУ им. Н.Э. Баумана
Фундаментальность закона Природы «корпускулярно-полевого дуализма Материи» состоит в том, что как две стороны одной медали электромагнитные локальные характеристики микрочастицы и ее собственные полевые параметры неразрывно связаны и обусловлены друг другом: электрическому заряду, кратному кванту электрического потока - заряду электрона, соответствует электрический векторный потенциал, а удельному (на единицу заряда) моменту, кратному кванту магнитного потока, отвечает магнитный векторный потенциал.
Полевая концепция природы электричества является фундаментом классической электродинамики и основана на признании того факта, что взаимодействие разнесенных в пространстве электрических зарядов осуществляется посредством электромагнитных полей. Физические свойства таких полей взаимодействия математически описываются системой функционально связанных между собой уравнений в частных производных первого порядка, называемых электродинамическими уравнениями Максвелла [1, 2]. В структуре этих уравнений, описывающих поведение электромагнитного поля в неподвижной среде, заложена аксиома классической электродинамики - неразрывное единство переменных во времени электрического и магнитного полей. В современной форме такая система дифференциальных уравнений имеет следующий вид:
(a) , (б) , (1)
(в) , (г) .
Здесь соответственно поля: векторов электрической и магнитной напряженности, электрической и магнитной индукции, плотности электрического тока ; абсолютные и - электрическая и магнитная проницаемости, - удельная электрическая проводимость материальной среды, а - объемная плотность стороннего электрического заряда.
Важнейшим фундаментальным следствием уравнений Максвелла является тот факт, что и компоненты электромагнитного поля распространяются в пространстве в виде волн. Например, из (1а) и (1в) сравнительно просто получить волновое уравнение для поля электрической напряженности :
. (2)
Аналогично получается и уравнение волн поля магнитной напряженности , структурно тождественное уравнению (2). Видно, что скорость распространения этих волн определяется только лишь электрическими и магнитными параметрами пространства материальной среды: , и . В частности, в отсутствие поглощения () их скорость распространения , а колебания и компонент волн, согласно структуре уравнений (1), синфазны.
С целью ответа на вопрос, что переносят эти волны, воспользуемся уравнениями Максвелла (1), являющимися, в сущности, первичными уравнениями электромагнитной волны, откуда на основе уравнений (1а) и (1в) получаем закон сохранения энергии в форме, так называемой теоремы Пойнтинга:
. (3)
Видно, что поступающий извне в данную точку среды поток электромагнитной энергии за единицу времени (мощности), определяемый вектором Пойнтинга , идет на компенсацию джоулевых (тепловых) потерь в процессе электропроводности и изменение электрической и магнитной энергий, либо наоборот (3) - эти физические процессы вызывают излучение наружу потока электромагнитной мощности. При этом совокупное наличие в пространстве и полей вызывает отклик материальной среды в виде векторного поля объемной плотности электромагнитного импульса: . Экспериментальное открытие импульса электромагнитного поля (давление света) [3] принадлежит русскому ученому-физику П.Н. Лебедеву (1899г.).
Однако наряду с этим, следует указать на весьма ограниченный диапазон явных возможностей уравнений Максвелла при описании ряда известных в настоящее время явлений электромагнетизма. В частности, уравнения (1) не могут вскрыть и адекватно описать физическую суть магнитных явлений, поскольку известно [2], что истинный магнетизм – это спиновый магнетизм. Например, они в принципе не способны объяснить эффект Эйнштейна-де Гааза [1, 2], когда в материальной среде при ее однородном намагничивании возникает механический момент вращения, направленный коллинеарно подмагничивающему полю магнитной индукции . Так же далеко не ясен вопрос о существовании и физической реализации момента импульса электромагнитного поля, соответственно, переносящих его волн.
Здесь как бы существует парадокс, где с одной стороны, теория Максвелла предсказывает равенство нулю момента импульса плоской электромагнитной волны, а, с другой, физически понятно, что электромагнитное излучение – это излучение возбужденными атомами избытка энергии в виде фотонов, которые будут забирать от атома не только часть энергии, но и уносить долю внутреннего углового момента атома. Следовательно, распространяющееся в виде волн электромагнитное поле должно обладать вполне определенной величиной момента импульса, что, кстати, наблюдалось в экспериментах [4, 5].
Таким образом, принципиальный дефект традиционной классической электродинамики в том, что в ее представлениях об электрическом заряде и его поле отсутствует понятие о спине (собственном моменте импульса). Ссылки на ныне существующую квантовую электродинамику [2] неуместны, поскольку это отдельная самостоятельная наука, по сути несвязанная с классической теорией. Правда, известны попытки введения в электродинамику так называемого классического спина [6], но и они оказались неконструктивными.
К сожалению, несмотря на серьезную методическую модернизацию исходных максвелловских уравнений Герцем, Хевисайдом и Эйнштеном и грандиозные успехи внедрения достижений электромагнетизма во многих областях жизни современного человеческого общества, общепринятая на сегодня теория электромагнитного поля и поныне базируется только лишь на представлениях 19 века о физических свойствах электрического заряда материальных тел. Для аргументированной иллюстрации данного факта здесь вполне достаточно двух первичных фундаментальных соотношений электромагнетизма - закона Кулона силы взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов и закона сохранения электрического заряда [1], чтобы цепочкой последовательных физико-математических рассуждений построить традиционную систему (1) уравнений электродинамики Максвелла [7].
Но это только то, что лежит на поверхности. Если взглянуть глубже, то те же дивергентные уравнения системы (1) содержат сведения о полях электрического и магнитного векторных потенциалов, физический смысл которых, несмотря на вполне определенный прогресс в установлении их физической значимости [8], и по сей день концептуально не понят, а потому в теории электромагнетизма эти не наблюдаемые напрямую поля остаются в должной мере непринятыми и, в сущности, неиспользуемыми. Попытаемся еще раз разобраться в этом вопросе, для чего воспользуемся обсуждаемой здесь системой уравнений (1).
Представления о векторных потенциалах определяются очевидным положением о том, что дивергенция ротора любого векторного поля тождественно равна нулю: . Поэтому магнитную компоненту векторного потенциала можно ввести посредством соотношения системы уравнений (1), описывающим магнитную поляризацию (намагниченность) материальной среды, а электрическую компоненту - соотношением , описывающим поляризацию локально электронейтральной () среды:
(а) , (б) . (4)
Таким образом, с точки зрения физического смысла векторные электромагнитные потенциалы непосредственно связаны с электрической и магнитной поляризациями, а потому их можно называть поляризационными потенциалами.
Тогда подстановка соотношения для магнитного векторного потенциала (4a) в уравнение вихря электрической напряженности (1а) приводит к известной формуле связи поля вектора указанной напряженности с магнитным векторным потенциалом [1]:
, (5)
описывающей закон электромагнитной индукции Фарадея. Здесь электрический скалярный потенциал: принципиально не рассматривается, как не имеющий отношения к обсуждаемым в работе вихревым полям.
При аналогичной подстановке соотношения для электрического векторного потенциала (4б) в уравнение вихря магнитной напряженности (1в) с учетом закона Ома получаем в итоге связь этой напряженности с указанным векторным потенциалом:
. (6)
Здесь - постоянная времени релаксации электрического заряда в среде за счет ее электропроводности.
Однозначность функций векторных потенциалов, то есть чисто вихревой характер таких полей обеспечивается условием кулоновской калибровки:
(а) , (б) , (7)
где абсолютные электрическая и магнитная проницаемости, согласно соотношениям (5) и (6), соответствуют в формулах (7) конкретным компонентам векторного потенциала.
Как видим, векторные потенциалы принципиально сопровождают явления электрической и магнитной поляризаций материальной среды, причем, согласно (4), пары векторов и , и - взаимно ортогональны; соответственно, согласно (5) и (6), другие векторные пары и , и - взаимно коллиненарны. Покажем, что векторные потенциалы – это не математические фикции, а физически значимые фундаментальные поля, порождающие (см. соотношения (5) и (6)) традиционные вихревые электромагнитные поля.
Так как взаимодействие электрических зарядов реализуются посредством электрических и магнитных полей, то физически логично предположить, что порождающие такие поля векторные потенциалы и как физические величины есть первичные полевые характеристики самого электрического заряда и как вторая сторона медали есть его прямой полевой эквивалент. Для обоснования правомерности такого предположения рассмотрим конкретные аргументы, позволяющие разрешить проблему физического смысла компонент вектор-потенциала и , обсуждаемую для магнитного векторного потенциала еще Максвеллом при анализе своих электродинамических построений ([9] п. 590). Согласно точке зрения Максвелла, вектор “может быть признан фундаментальной величиной в теории электромагнетизма” [10].
Как известно, физические представления об электрическом заряде имеют на микроуровне существенное дополнение: элементарная частица характеризуется не только значением заряда q, кратного заряду электрона , но и спином s, трактуемым как собственный момент количества движения частицы. Величина этого момента квантована значением , где - модифицированная постоянная Планка. То есть микрочастица принципиально обладает в неразрывной связи электрическим зарядом и собственным магнитным моментом, кратным собственному (спиновому) магнитному моменту электрона - магнетону Бора [2]: в системе физических единиц СИ .
В соответствии с нашим предположением, сопоставим локальные характеристики микрочастицы и некое ее собственное первичное электромагнитное поле. Конкретно для электрона электрическая компонента этого поля соответствует заряду - кванту электрического потока, а магнитная компонента - удельному (на единицу заряда) моменту , определяющему, как известно [2], квант магнитного потока. Наша задача показать, что введенное здесь гипотетически собственное поле микрочастицы (совокупно, и макрообъекта) является именно полем векторных потенциалов.
Итак, вначале рассмотрим электрический векторный потенциал . Для этого соотношение (4б) связи электрических векторов индукции и векторного потенциала для большей наглядности и математической общности представим в интегральной форме:
. (8)
Эти интегральные соотношения устанавливают физически содержательное положение о том, что величина циркуляции вектора по замкнутому контуру С определяется потоком вектора электрического смещения через поверхность SC , опирающуюся на этот контур, соответственно, поляризационным электрическим зарядом , индуцированным на этой поверхности. Отсюда следует определение поля вектора электрического смещения , численно равного плотности заряда на пробной площадке, ориентация которой в данной точке создает на ней максимальное значение этого заряда: , а нормаль к площадке с учетом правила правовинтового обхода контура С указывает направление вектора . Определение как потокового вектора показывает его принципиальное отличие от линейного (циркуляционного) вектора напряженности , являющегося силовой характеристикой электрического поля. Физически, поле потокового вектора электрического смещения (индукции) есть отклик среды на воздействие силового вектора электрической напряженности.
Продолжая анализ соотношений (8), видим, что, согласно этим соотношениям связи векторных полей и , электрическому заряду отвечает его полевой эквивалент - поле электрического векторного потенциала , размерность которого - линейная плотность электрического заряда. В итоге, с целью реализации конечного результата наших рассуждений введем понятие первой фундаментальной корпускулярно-полевой пары с единицами измерения в системе физических единий СИ Кулон Кулон/метр.
Эти корпускулярно-полевые представления аргументированно подтверждаются также и непосредственным следствием в виде соотношения (6) связи электрического векторного потенциала и магнитной напряженности с единицей измерения Ампер/метр, представляющего собой полевой эквивалент полного электрического тока: токов проводимости и смещения , величина (сила тока) которого имеет единицу измерения Ампер.
Перейдем теперь к магнитному векторному потенциалу . Поскольку вектор электрической напряженности измеряется в СИ Вольт/метр, либо формально математически (но не физически) тождественно Ньютон/Кулон, то, согласно соотношению (5) связи магнитного векторного потенциала с вектором , единица измерения вектора будет (Ньютон·сек)/Кулон, то есть имеет размерность импульс на единицу заряда. Данная размерность магнитной компоненты векторного потенциала в настоящее время считается общепринятой и вполне
Следовательно, соотношение (5) можно, казалось бы, назвать полевым аналогом уравнения динамики поступательного движения в механике (II закон Ньютона). Действительно, указанную размерность магнитного векторного потенциала, другими словами, его физический смысл находят (например, в работе [10]) при анализе действия вихревого поля вектора на точечный электрический заряд посредством именно II закона Ньютона, обычного механического. Однако, по нашему мнению, обобщать выводы, полученные в рамках уравнения динамики поступательного движения для точечного заряда на случай макрообъекта (совокупности точечных зарядов), находящегося в вихревых полях: с физической точки зрения, мягко говоря, весьма сомнительно.
Для прояснения сложившейся ситуации рассмотрим далее соотношение (6а), которое представим в интегральной форме:
. (9)
Видно, что величина циркуляции вектора по контуру С определяется магнитным потоком через поверхность SC и имеет единицу измерения в системе СИ Вебер = (Джоуль∙секунда)/Кулон, что соответствует модулю момента импульса на единицу электрического заряда. При этом, согласно (9), размерность магнитного векторного потенциала может быть двоякой: либо указанная выше общепринятая импульс на единицу заряда, либо ей альтернативная линейная плотность момента импульса на единицу заряда. Конечно, с формальной точки зрения обе размерности вектора , выраженные через единицы измерения, математически тождественны, но физически это принципиально различные величины.
Целесообразно отметить, что сам Максвелл призывал ответственно относиться к математическим операциям над векторами электромагнитного поля и физической трактовке таковых. Вот его слова: “В науке об электричестве электродвижущая и магнитная напряженности принадлежат к величинам первого класса – они определены относительно линии. … Напротив, электрическая и магнитная индукция, а также электрические токи принадлежат к величинам второго класса – они определены относительно площади.” ([9] п. 12). И далее конкретно: “В случае напряженности следует брать интеграл вдоль линии от произведения элемента длины этой линии на составляющую напряженности вдоль этого элемента. … В случае потоков следует брать интеграл по поверхности от потока через каждый ее элементов.” ([9] п. 14).
Не преувеличивая, трактат Максвелла [9] можно назвать «Библией электромагнетизма» и физическими основами математического анализа, однако даже в учебной литературе повсеместно встречаются физически бессмысленные математические выражения “div” и “rot”. Такое формальное использование математики создает путаницу понятий и попросту мешает действительно разобраться в физическом содержании соотношений электродинамики. Это усугубляется и абсолютной системой единиц СГС, когда безразмерные коэффициенты e0 = 1 и m0 = 1 делают векторы и , и физически тождественными, где Эрстед и Гаусс равны в пустоте, а в средах различаются только численно.
Итак, согласно Максвеллу, в электродинамике линейные (циркуляционные) векторы и имеют размерность линейной плотности физической величины, а потоковые векторы , и – ее поверхностной плотности. В частности, размерность вектора магнитной индукции равна поверхностной плотности момента импульса на единицу заряда, в системе СИ - Тесла. Экспериментально это наглядно иллюстрируется эффектом Эйнштейна-де Гааза, где в материальной среде при ее однородном намагничивании возникает механический момент вращения, направленный коллинеарно полю, обусловленный упорядочением собственных магнитных моментов, соответственно, моментов импульса электронов в атомах вещества среды. Следовательно, поле вектора - это поле момента импульса среды, порождающее ее вращение. Поэтому в соотношении (4а) размерностью вихревого поля магнитного векторного потенциала является линейная плотность момента импульса на единицу заряда.
В итоге, согласно формулам (9), локальной характеристике микрочастицы - моменту импульса на единицу заряда сопоставляется его полевой эквивалент - магнитный векторный потенциал с размерностью линейной плотности момента импульса на единицу заряда. что дает вторую фундаментальную корпускулярно-полевую пару: для электрона - с единицами измерения (Джоуль∙секунда)/Кулон(Джоуль∙секунда)/(Кулон∙метр).
Вернемся к соотношению (5) связи вектора с вектором . Как теперь показано, размерность вихревого поля вектора электрической напряженности однозначно равна линейной плотности момента силы на единицу заряда с единицей измерения в СИ (Ньютон∙метр)/(Кулон∙метр), что естественно нисколько не опровергает традиционную единицу измерения этой величины Вольт/метр, а лишь уточняет ее физический смысл. Таким образом, в действительности соотношение (5) является полевым аналогом основного уравнения динамики вращательного движения твердого тела, что логически соответствует рассмотренным выше корпускулярно-полевым представлениям.
Подводя предварительный итог, приходим к заключению, что установленная здесь принципиальная двойственность физических параметров электрического заряда говорит о реальном существовании фундаментального «корпускулярно-полевого дуализма» природы электричества, кстати, схожего по названию с «корпускулярно-волновым дуализмом» в квантовой механике. Формально и здесь и там имеем неразрывную взаимосвязь материи с ее пространственно-временным собственным полем. Однако их сущностные различия принципиальны: корпускулярно-полевой дуализм реализуется на микро- и макроуровнях строения Материи и основан на объективном единстве частицы материи и ее собственного первичного векторного поля в реальном пространстве физического вакуума, что в свою очередь неразрывно связано с реально наблюдаемым обычным традиционным электромагнитным полем, а в концепции корпускулярно-волнового дуализма микрочастица представляется скалярной волной вероятности в абсолютно пустом, абстрактном пространстве.
Говоря более конкретно, фундаментальность корпускулярно-полевого дуализма Материи обусловлена тем, что как две стороны одной медали локальные характеристики микрочастицы (совокупно, и макрообъекта) находятся в неразрывной связи с ее собственными полевыми параметрами. Электрическому заряду , кратному кванту электрического потока - заряду электрона |e-|, соответствует электрический векторный потенциал , а удельному (на единицу заряда) моменту, кратному кванту магнитного потока , отвечает магнитный векторный потенциал , при этом ориентации векторов полей и взаимно ортогональны.
Итак, мы видим, что векторные потенциалы – это полноправные физически значимые поля, и учет этого обстоятельства позволяет углубить и кардинально модернизировать концептуальные основы классической электродинамики, где, в частности, необходимо ожидать, что обсуждаемая здесь система уравнений Максвелла будет лишь рядовым частным следствием.
Покажем конкретно, какую же роль играют векторные потенциалы в электромагнитных процессах и явлениях? Очевидно, здесь четко прослеживается реальная возможность обратить проведенные выше рассуждения вспять, поскольку из обсуждаемой концепции «корпускулярно-полевого дуализма» физических характеристик микрочастицы необходимо следуют электродинамические уравнения современной теории электромагнитного поля на базе системы соотношений первичной взаимосвязи ЭМ поля с компонентами электрической и магнитной напряженности и ЭМ векторного потенциала с электрической и магнитной компонентами:
(а) , (б) ,
(в) , (г) , (10)
(д) , (е) .
Объединение соотношений (4) – (7) в систему взаимосвязанных уравнений (10) представляется весьма конструктивным, поскольку в этом случае возникает система дифференциальных уравнений, описывающих значительно более сложное и необычное с точки зрения общепринятых воззрений вихревое векторное поле, состоящее из совокупности функционально связанных между собой четырех полевых компонент. Конкретно оно состоит из реально наблюдаемых в эксперименте полей векторов электрической и магнитной напряженностей - поля электромагнитного силового взаимодействия частиц Материи и ненаблюдаемых напрямую полей электрического и магнитного векторных потенциалов - собственного электромагнитного поля частиц Материи, полевого эквивалента их локальных характеристик: заряда и спина, которые также напрямую ненаблюдаемы, а лишь опосредовано изучением их полей взаимодействия. Такое четырехкомпонентное векторное поле физически логично назвать реальным электромагнитным полем.
Объективность существования указанного четырехкомпонентного вихревого поля иллюстрируется нетривиальными следствиями из полученных выше соотношений, поскольку подстановки (10д) в (10в) и (10е) в (10a) приводят к системе новых электродинамических уравнений, структурно аналогичной системе традиционных уравнений Максвелла (1), но уже для поля ЭМ векторного потенциала с электрической и магнитной компонентами:
(a) , (б) , (11)
(в) , (г) .
Чисто вихревой характер компонент поля векторного потенциала обеспечивается условием калибровки - дивергентными уравнениями (11б) и (11г).
Соответственно, аналогичные математические операции с соотношениями (10) позволяют получить еще две других системы уравнений [8]:
для электрического поля с компонентами и
(a) , (б) , (12)
(в) , (г)
и для магнитного поля с компонентами и :
(a) , (б) , (13)
(в) , (г) .
Таким образом, уравнения системы (10) первичной взаимосвязи компонент ЭМ поля и поля ЭМ векторного потенциала, безусловно, фундаментальны. Кстати, если считать соотношения (10) исходными, то из них подобным образом [8] следуют и уравнения системы (1), справедливые для локально электронейтральных сред (). Существенно здесь и также то, что в системах (1), (11) - (13) их дивергентные уравнения представляют собой начальные условия в математической задаче Коши для соответствующих роторных уравнений, что делает эти системы уравнений замкнутыми.
Далее, как и должно быть, из всех этих систем электродинамических уравнений непосредственно следуют волновые уравнения для соответствующих полевых компонент (полностью аналогично выводу уравнения (2)) и соотношения баланса (аналогично выводу формулы (3)):
для потока момента ЭМ импульса из уравнений (11)
, (14)
для потока электрической энергии из уравнений (12)
(15)
и для потока магнитной энергии из уравнений (13)
. (16)
Эти соотношения еще раз подтверждают и аргументированно доказывают, что, наряду с ЭМ полем с парой векторных компонент и , в Природе существуют и другие поля: поле ЭМ векторного потенциала с компонентами и , электрическое поле с компонентами и , магнитное поле с и . Именно структура конкретного электродинамического поля из двух векторных взаимно ортогональных полевых компонент реализует способ его объективного существования, делает принципиально возможным его перемещение в пространстве в виде потока соответствующей физической величины. В реальности все эти потоки распространяются посредством лишь только одной как бы «обычной» плоской волны с взаимно ортогональными полевыми компонентами попарно коллинеарных векторов (, ) и (, ), совокупно переносящих в пространстве (см. соотношения баланса) электрическую (15) и магнитную (16) энергии, электромагнитные импульс (3) и его момент (14).
Такое четырехкомпонентное векторное поле следует называть реальным электромагнитным полем (или просто, электромагнитным полем), совокупно переносящего посредством традиционной электромагнитной волны электрическую и магнитную энергии, электромагнитные импульс и его момент, главной особенностью которого является фундаментальная неразрывная связь электромагнитных классических и полей взаимодействия с их векторными и потенциалами являющихся собственными первичными полями частиц микромира, обусловленными фундаментальным законом Природы - «корпускулярно-полевым дуализмом физических характеристик Материи».
Список литературы
1. Матвеев А.Н. Электродинамика. М.: Высшая школа, 1980.
2. Физический энциклопедический словарь. М.: СЭ, 1983.
3. Lebedew P.N. // Annalen der Physik. 1901. fasc. 4. Bd 6. S. 433-458.
4. Beth R.A. // Phys. Rev. 1935. V. 48. p. 471; 1936. V. 50. p. 115.
5. Вульфсон К.С. // УФН. 1987. Том 152. Вып. 4. С. 667-674.
6. Храпко Р.И. // Вестник РУДН. Сер. «Физика». 2002. № 10(1). С. 40-48.
7. Сидоренков В.В. // Труды VI Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. Часть III. С. 215-219; // http://scipeople.ru/users/8652252/ .
8. Сидоренков В.В. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2006. № 1. С. 28-37; // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2007. Т. 3. № 11. С. 75-82; // Материалы X Международной конференции «Физика в системе современного образования». Санкт-Петербург: РГПУ, 2009. Том 1. Секция 1. “Профессиональное физическое образование”. С. 114-117; // Необратимые процессы в природе и технике: Сборник научных трудов. Вып. 3. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. С. 56-83.
9. Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме. В 2-х томах. М.: Наука, 1989.
10. Антонов Л.И., Миронова Г.А., Лукашёва Е.В., Чистякова Н.И. Векторный магнитный потенциал в курсе общей физики / Препринт № 11. М.: Изд-во Физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, 1998.