Предпочтительные системы отсчета или инерция наоборот

Почему сила в электромагнитном поле выглядит похожей на силу внеинерциальной системе отсчета? Пожалуй, сложно было бы сформулировать более очевидный вопрос, ответ на который требуется для дальнейшего развития обозначенных идей.

Чтобы ответить на него начнем с самого простого. Сила электромагнитноговзаимодействия, приобретающая ряд дополнительных добавок в случаедвижения источников, имеет самый простой вид в случае покоящегося источника:

(1.3.1)

Другими словами, система отсчета, связанная с частицей-источником поля, является для данного электромагнитного взаимодействия наиболее предпочтительной! Подобно тому как инерциальная система отсчета является наиболее предпочтительной для описания механического движения из-за отсутствия в ней всех дополнительных сил инерции.

Система отсчета, связанная с источником поля, является для электромагнетизма своеобразной «инерциальной» системой, потому что в ней отсутствуют все динамические добавки к статической силе. Мы назовем эту систему отсчета системой поля. Таким образом, для данного электромагнитного взаимодействия система поля – своеобразная «инерциальная» система.

При этом следует отметить важную особенность. Система поля имеет свойства «инерциальной» системы отсчета только для данного электромагнитного взаимодействия. Однако она можем быть совсем не инерциальной с механической точки зрения! Частица-источник электромагнитного поля может совершать сложные движения относительно лабораторной системы отсчета, связанной, например, с Землей, в результате чего в системе поля будет присутствовать весь набор механических сил инерции. Другими словами, система поля является «инерциальной» для электромагнитного взаимодействия, но неинерциальной для механики!

Эта абсурдная с точки зрения традиционной физики картина приобретает совсем иной вид с точки зрения философии физических полей. Согласно представлениям Фарадея-Максвелла, взаимодействие между частицами происходит не через пустоту, а посредством некой реальной среды - электромагнитного поля. В современном мировоззрении представления об электромагнитном поле как о реальной физической сущности, принимающей непосредственное участие во взаимодействиях, во многом стерлись. После «отмены» эфира представление о полях стало в большей степени ассоциироваться с математическими функциями напряженностей, определяющих силы в конкретной точке.

Чтобы вернуться от бытующих представлений о поле как о математической функции к начальным представлениям о физическом поле как о реальной физической субстанции, мы будем использовать понятиеполевая среда. В процессе обсуждения на страницах этой книги понятие полевой среды приобретет более четкое и определенное значение.

На простом наглядном уровне мы можем представить полевую среду в виде некой сферической оболочки, связанной с заряженной частицей. Наличие у заряженной частицы такой полевой оболочки и приводит к возникновениювзаимодействий. Благодаря этим оболочкам заряженные частицы «чувствуют» друг друга на расстоянии. Согласно этой философии сами заряженные частицы не взаимодействуют. Взаимодействуют их полевые оболочки, деформируя друг друга и вызывая как следствие изменения в характере движения связанных с оболочками частиц (рисунок 1.3.1). Таким образом, согласно представлениям ополевой среде именно взаимодействие полевых оболочек приводит к изменению характера движения частиц, которое интерпретируется как действие сил. Силы в этой философии являются вторичными.

Рисунок 1.3.1. Заряженные частицы «чувствуют» друг друга на расстоянии благодаря своимполевым оболочкам. Взаимные деформаци полевых оболочек изменяют характер движения самих частиц, что интерпретируется как действие сил.

Попробуем применить эти представления к решению нашего вопроса о причинах предпочтительного характера системы поля в электромагнитных взаимодействиях. В изложенной философии при взаимодействии двухзаряженных частиц сила их взаимодействия определяется движением полевой оболочки одной частицы относительно полевой оболочки другой. Полевая оболочка частицы-источника подобна некой «платформе», по которой как бы «скользит» частица регистрации и, взаимодействуя с ней, меняет скоростьсвоего движения. Частица-источник и ее полевая оболочка играют в этом случае роль своеобразной «механической подставки», по которой как бы «катится» частица регистрации, подобно механическому шару (рисунок 1.3.2).

Рисунок 1.3.2. Полевая оболочка частицы-источника представляет собой некое подобие «платформы», по которой скользит частица регистрации.

Пока эта «подставка» покоится, частица регистрации движется наиболее простым образом и никаких дополнительных сил - сил инерции - не возникает. Но если ее привести в движение, то возникает различие в характере движения полевой «подставки» и «движущейся по ней» частицы регистрации. А разница в характере движения приводит к появлению относительных сил инерции – добавок к электростатической силе – полевых сил инерции. Вот почему система отсчета, связанная с источником поля, играет в электродинамике рольинерциальной системы отсчета!

В этом смысле силы инерции универсальны. Их сущность, вообще говоря, не связана даже с конкретным видом взаимодействия и вытекает из чистой кинематики. Независимо от субстанции – твердого тела, жидкости, газа, плазмы или даже полевой среды различие в характере движения – траекториях – приводит к появлению относительных сил – сил инерции. Применяя понятие инерции к полевой среде, мы могли бы вообще отказаться от термина силы и оперировать соответствующими относительными ускорениями.

Дополнительно следует отметить, что в случае наличия нескольких источников, движущихся различным образом, для каждого парного взаимодействияпредпочтительная система отсчета будет своя! Также как предпочтительнаясистема отсчета для электромагнитного взаимодействия может быть неинерциальной механически и наоборот, инерциальная для механики система отсчета не является предпочтительной для электромагнитного взаимодействия.

Эти представления позволяют нам сформулировать принцип предпочтительной (инерциальной) системы отсчета:

Для каждого отдельного взаимодействия предпочтительной (инерциальной) системой отсчета, в которой выражение для силы имеет простейшую структуру без дополнительных сил инерции, является система отсчета, связанная с источником поля этого взаимодействия. Эта система отсчета называется системой поля.

Этот принцип предпочтительных систем отсчета может быть применен даже к самой обычной классической механике. Так для всех процессов на Земле и в Солнечной системе наиболее интенсивным является взаимодействие сгравитационным полем нашей Галактики, которое мы назовем глобальным взаимодействием. Следовательно, предпочтительной или инерциальной системой отсчета для всех механических явлений будет система отсчета, связанная с центром Галактики, или другими словами, с системой неподвижных звезд. Если же пренебречь движением Солнечной системы и вращением Земли, то с определенной точностью инерциальную систему отсчета можно связать с самой Землей, что и делают физики еще со времен Галилея.

Однако вернемся к взаимодействию двух заряженных частиц. Предпочтительной системой отсчета, в которой электромагнитная сила имеет простейшую структуру, является система поля или система, связанная с частицей-источником. Но сама частица-источник может совершать сложные движения с произвольной скоростью v, в том числе с ускорением и поворотами относительно лабораторной системы отсчета, связанной с Землей. С точки зрения системы поля эти сложные неинерциальные движения совершает лабораторная система отсчета, двигаясь со скоростью -v. Получается, что лабораторная система отсчета, инерциальная с механической точки зрения, является неинерциальной с точки зрения данного полевого взаимодействия!

Чтобы формулу для электромагнитной силы – силу Лоренца, имеющую простейший вид в системе поля, записать в лабораторной системе отсчета, необходимо воспользоваться формулами для перехода в неинерциальную систему. В этом случае неинерциальной является лабораторная система отсчета, которая движется со скоростью -v относительно системы поля. Другими словами, мы получили неинерциальную систему как бы наоборот!

Именно по этой причине в лабораторной системе отсчета в формуле силы Лоренца к обычному электростатическому члену из системы поля добавятся еще два слагаемых - переносная сила инерции, которая суть вихревоеэлектрическое поле, и сила Кориолиса - магнитная сила. То обстоятельство, что инерциальная с механической точки зрения лабораторная система отсчета дляэлектромагнитного взаимодействия становится неинерциальной, мы назовем явлением полевой неинерциальности.

Явление полевой неинерциальности состоит в том, что инерциальная с механической точки зрения система отсчета (например, лабораторная) является неинерциальной для полевого взаимодействия, если источник полядвижется с ускорением по отношению к этой системе отсчета.

Доказательством явления полевой неинерциальности является наличие всиле Лоренца двух добавок к обычной электростатической силе, которые имеют структуру, аналогичную классическим силам инерции.

Магнитное поле и вихревое электрическое поле не являются самостоятельными физическими полями, а суть силы полевой инерции, возникающие при неравномерном движении зарядов и их электрических полевых оболочек.