Виртуальный мир N 2 2008

Наш электромагнитный мир

В соответствие с пресс-релизом Европейского космического агентства (ESA) Мартин Таджмар (Martin Tajmar) из австрийской компании ARC Seibersdorf Research и Кловис де Матос (Clovis de Matos) провели эксперимент - гравитационный аналог исторического опыта по электромагнитной индукции, выполненного Фарадеем в 1831 году.

Мартин Таджмар и Кловис де Матос утверждают, что впервые измерили гравитационное подобие этого эффекта, а именно - создали искусственное "гравитомагнитное поле" (gravitomagnetic field).

Прежде чем говорить об эксперименте Таджмара и де Матоса необходимо сделать небольшое "философическое" отступление.

Среди множества открытых человеком физических законов есть два, по нашему мнению, базовых - закон сохранения энергии и закон сохранения электромагнитного поля, более известный как уравнения Максвелла.

Оба этих закона утверждают невозможность уничтожения соответствующих субстанций, что в явной форме присутствует в законе сохранения энергии. За математической формой уравнений Максвелла скрыто аналогичное утверждение относительно электромагнитного поля. Ведь суть этих уравнений в том, что если в какой-то системе отсчёта существует отличное от 0 электромагнитное поле (в виде одной из своих компонент или в их сочетании), то невозможно найти систему отсчёта, в которой обе его компоненты одновременно равнялись 0.

Иначе говоря, оба этих закона могут быть сформулированы так: Нечто (энергия или электромагнитное поле) не возникает и не исчезает, а только меняет форму своего проявления в зависимости от локальных условий. Подчеркнём: не переходит из одной формы существования в другую, а меняет лишь форму своего внешнего проявления.

Это, разумеется, справедливо и для энергии, и для электромагнитного поля. Такая формулировка немедленно приводит к мысли, что закон сохранения электромагнитного поля (особенно, в виде уравнений Максвелла, явно определяющих трансформацию) является формой проявления закона сохранения энергии в нашем электромагнитном мире. Закон же сохранения энергии в традиционной формулировке, в свою очередь, не что иное, как форма проявления закона сохранения материи. Сам же закон сохранения материи должен звучать несколько иначе, чем это привычно: Материя не возникает и не исчезает, а только меняет форму своего проявления в локальных условиях. Вполне очевидно, что базисные законы сохранения (материи, энергии, э/м поля) не нуждаются в предшествующем выборе системы отсчёта, этот выбор сказывается только на уровне форм проявления.

Сказанное не умаляет важности других законов сохранения, но позволяет более чётко представить их область действия. Так, например, закон сохранения импульса применим (и незаменим) в динамике в той метрике, в которой он был сформулирован, но при смене метрики потребует соответствующей модификации. Закон сохранения импульса для евклидовой метрики может давать "осечки" в метрике Римана.

До начала 20-го века независимой от систем отсчёта казалась масса, которая до сих пор исторически и чувственно воспринимается как фундаментальное понятие. Теперь становится очевидной её подчинённая роль. Масса с нашей точки зрения - лишь внешний атрибут энергии, связанный с ней соотношением: m = e₀m₀W Здесь W - полная энергия, включающая, разумеется, и ту, которая ответственна за так называемую массу покоя, а e₀ и m₀- диэлектрическая и магнитная константы соответственно. Формально - это просто иная форма записи знаменитой E = mc², так как e₀m₀= 1/c². Фактически же предлагается инверсия причинно-следственной связи массы и энергии: не масса порождает энергию, а энергия внешне проявляет себя массой.

Наряду с законами сохранения существует ряд законов, которые следовало бы называть законами измерения - это законы, описывающие различные взаимодействия. Часто в их основе лежат некие абстракции (например, материальная точка или точечный заряд), которые при соблюдении определённых математических процедур позволяют выполнять необходимые расчёты.

Взаимодействия зарядов, токов, масс - объективная реальность, а вот методы расчётов - дело субъективное. В классической формулировке законов Кулона, Ампера и тяготения присутствуют пренебрежимо малые размеры объектов взаимодействия и квадрат расстояния. Между тем, в ядерной физике давно и успешно используется понятие сечения (сечения захвата и всякие другие). Если счесть массу, заряд, ток "сечениями взаимодействия", то "правило обратных квадратов" превратится в телесный угол, под которым видно из одного объекта "сечение взаимодействия" другого (см. рис.1). Понятно, что w_kl не равно w_lk!!!

Рис. 1. Схема "сечений взаимодействий" (вверху пространственных, внизу пространственно-временных)

Разумеется, такая формулировка справедлива для достаточно малых углов, что гораздо "мягче" классической "точечности". На рис. 1 показаны два варианта: первый, в котором осуществляется чисто пространственное (статическое, как в законе Кулона) взаимодействие, и второй, в котором взаимодействие динамическое - пространственно-временное, как в законе Ампера, где действующий объект - ток - зависит и от пространства, и от времени (i ~ дq/дt). Вполне естественно, следуя Минковскому, во втором случае ввести в "сечение" мнимую единицу j, которая как раз и обеспечит изменение направления силы взаимодействия.

Подобная "транскрипция" приводит к мысли, что закон всемирного тяготения, закон Кулона и закон Ампера (скажем так, законы дальнего действия) отражают свойства пространственно-временного континуума, а отнюдь не свойства взаимодействующих объектов. То есть в обобщённом виде их можно записать так: "Сила взаимодействия однородных объектов равна произведению сечения взаимодействия одного из объектов на телесный угол, опирающийся на сечение другого:
F = s_kw_kl = s_ks_l /R²= s_lw_lk Здесь F - сила взаимодействия k-го и l-го объектов, s_k и s_l - их сечения, w_kl и w_lk - телесные углы, построенные на объекте (k) из объекта (l) и наоборот. Вот как выглядят в такой трактовке перечисленные законы:

Закон Кулона:

~ q => F ~ q₁q₂ /R²

Закон Ампера:

~ ji => F ~ - i

₁i₂ /R²

Закон всемирного тяготения:

~ jm => F ~ - m

₁m₂/R²

Необходимость использования мнимой единицы при записи закона всемирного тяготения очень симптоматична.

Действительно, с законами Кулона и Ампера всё логично:

закон Кулона описывает взаимодействие в потенциальном поле, то есть таком поле, в котором взаимодействие однозначно определено положением взаимодействующих объектов в пространстве, поэтому и сечение взаимодействия чисто пространственное;
закон Ампера описывает взаимодействие в соленоидальном поле, в котором взаимодействие определено не только пространственными параметрами, но и своего рода "историей взаимодействия", поэтому сечение взаимодействия - пространственно-временное, а присутствие времени приводит к смене знака взаимодействия.

А вот закон всемирного тяготения в эту логику не укладывается, - описывая потенциальное поле (как закон Кулона), этот закон имеет знак взаимодействия, как у закона Ампера (в соленоидальном, динамическом, поле).

Введение мнимой единицы требует признания временной компоненты в сечении взаимодействия, потенциальный характер поля - присутствия в сечении не менее двух пространственных измерений, следовательно, по меньшей мере, трёхмерности "сечения". Конечно, присутствие временной компоненты можно оправдать, сославшись, как это и делают многие теоретики, на расширение Вселенной, которое, разумеется, протекает во времени.

По-видимому, исходя из аналогичных представлений, Мартин Таджмар и Кловис де Матос и ставили свой эксперимент. Напомним, эксперимент Фарадея продемонстрировал наведение ЭДС в проводнике под действием переменного магнитного поля, а Мартин Таджмар и Кловис де Матос утверждают, что впервые измерили гравитационный аналог этого эффекта, а именно - создали искусственное "гравитомагнитное поле" (gravitomagnetic field).

Опыт заключался в измерении слабых гравитационных эффектов, возникающих вблизи вращающегося со скоростью 6,5 тысяч оборотов в минуту кольца из сверхпроводника. При этом вращение ускорялось, то есть, кольцо наращивало угловую скорость. Сверхпроводящий разгоняющийся гироскоп, полагают авторы работы, является гравитационным аналогом электромагнитной катушки.

Рис. 2. Гравитомагнитная индукция поля тяготения.
Гравитомагнитное поле показано серыми линиями, связанное с ним гравитоэлектрическое - жёлтой стрелкой. Серой стрелкой показан разгон сверхпроводящего кольца (иллюстрация ESA).

Экспериментально обнаруженный гравитационный эффект исследователи назвали "Гравитомагнитный момент Лондона" (Gravitomagnetic London Moment), по аналогии с эффектом возникновения магнитного поля при вращении сверхпроводника, называемым просто "момент Лондона".

Вызванное таким способом поле было в 100 миллионов раз слабее гравитационного поля Земли. Авторы открытия говорят, что прежде, чем опубликовать сенсационный результат своих опытов, они поставили 250 таких экспериментов. Это впечатляет, но отнюдь не гарантирует от систематической ошибки. Теперь же они надеются на повтор опыта силами других исследователей.

Рассмотрим этот эксперимент подробнее:

1. Сверхпроводящее кольцо, вращающееся вокруг своей оси, эквивалентно кольцевому электрическому току, так как электронный газ в кольце благодаря сверхпроводимости остаётся в покое, тогда как положительные ионы решётки вращаются. Кольцевой ток "по Фарадею" создаст тороидальное магнитное поле, то есть пока в электромагнитном смысле в эксперименте нет ничего нового, а "момент Лондона" - просто необычная конструкция постоянного магнита. В катушке электромагнита по кругу дрейфуют электроны, здесь - закреплённые в решётке ионы, различие конструктивное, но не принципиальное.

2. Однако, исследователи вращали кольцо с положительным угловым ускорением, то есть создаваемый ионами решётки "ток" и порождаемое им магнитное поле монотонно нарастали. Как известно, знакопеременные изменения электрической и магнитной компоненты электромагнитного поля сопровождаются его распространением в пространстве, то есть излучением, так как знакопеременная магнитная компонента порождает знакопеременную же электрическую, та - снова магнитную и т.д. Линейное нарастание магнитного поля создаст постоянную электрическую компоненту, следовательно, дальнейшего распространения (излучения) быть не должно. И вот здесь возникает вопрос - что же именно измеряли исследователи - то ли "гравитомагнитное" поле, то ли действие на их приборы этого постоянного электрического поля.

3. Показанные на иллюстрации ESA (рис. 2) "гравитоэлектрическое" и "гравитомагнитное" поля конфигурационно полностью совпадают с электрическим и магнитным полями. Поэтому опять-таки суть эксперимента сводится к тому способу измерения, которым авторы измеряли гравитационную, притом очень малую по величине, компоненту на фоне сильной магнитной.

Полагаясь на добросовестность исследователей, автор допускает, что эти опыты будут успешно повторены другими. Если это произойдёт, положение с гравитацией особенно не улучшится, так в эксперименте речь идёт о ещё неизвестном поле - комплементарном к известному нам гравитационному примерно так же, как магнитное комплементарно к электрическому. "Алогичность" традиционной гравитации останется.

Между тем, можно предложить альтернативную интерпретацию этой "алогичности" с использованием пятимерности нашего мира, как об этом говорилось в нашей статье "Альтернативная космология", опубликованной в "Виртуальном мире" № 1 в 2004 году (как обычно, предлагая альтернативное решение, мы преследуем единственную цель - истину искать в споре). Такая интерпретация позволяет сделать некоторый прогноз о свойствах нового поля.

Обратим внимание на то, что открытое ими поле исследователи назвали "гравитомагнитным", а в его создании участвует электродинамика, да ещё и не стационарная, что позволяет допустить следующее:

в этом взаимодействии (если оно подтвердится) участвует телесный угол с двумя временными и одной пространственной координатами ("сечение взаимодействия", как и у обычного гравитационного, трёхмерно);
в таком случае (j⁴ = 1) сила взаимодействия в "гравитомагнитном поле" окажется положительной, то есть будет направлена по радиус-вектору, как в электростатике.

Последнее соображение значительно осложняет регистрацию "гравитомагнитного поля" на фоне гораздо более сильного электростатического, создаваемого "старой доброй" электромагнитной индукцией "по Фарадею".