Твёрдое тело как самоорганизующаяся электромагнитная система

В 1911 году Резерфорд  выяснил, что размеры тел определяются расстояниями между атомными ядрами, которые очень малы, сравнительно далеки друг от друга, взаимосвязаны через поля и составляют пространственную решетку. Объяснить такую связь атомов можно было только одним: электромагнитными волновыми полями, источниками которых должны бы служить сами атомы или, скорее, их ядра. Иных полей, пригодных для объяснения и моделирования твердого тела, физика не знала.

Такого рода упругая связь возникает между «точечными» источниками электромагнитных волн, например, между переменными электрическими диполями - вибраторами Герца (1888г.), к тому времени вполне изученными. Если вибраторы расположены на умеренных расстояниях друг от друга и колеблются согласованно – синхронно и синфазно, то взаимодействуют через волновые поля, которые сами же излучают. Волны, бегущие навстречу друг другу, образуют поле стоячих волн с обычными для таких полей узлами и пучностями. Под действием  электромагнитных сил (когда они достаточно велики) вибраторы поворачиваются вдоль силовых линий электрического поля, движутся к максимумам его синфазной составляющей, где и занимают устойчивые положения (динамические потенциальные ямы) на расстояниях порядка одной, полутора, двух и т.д. длин волн, самопроизвольно образуя упругую решетчатую структуру, в какой-то степени упорядоченную. Как скажем сегодня, происходит самоорганизация пространственной решетчатой структуры. Сама же структура есть простейшая самоорганизующаяся система.

Объяснение межатомных связей какими-либо полями иной природы или особыми законами микромира принципиально противоречило бы классической парадигме, тем более, когда возможно объяснение полями известными и в рамках существующей теории. Это ведет, конечно, как всегда, к новым вопросам и трудностям, но не требует вводить в теорию новые физические сущности и новые законы природы. Таким образом, классическая теория, не выходя за рамки своей парадигмы, могла давать о твердых телах лишь это единственное представление.

А из него вытекает, что элементы микромира способны к электромагнитным колебаниям, излучающим волновые поля, или способны содержать в себе такие колебания, подобно техническим колебательным системам, резонаторам радиотехники, да и вообще в какой-то мере всем предметам. Именно это важнейшее свойство делает элементы микромира элементами самоорганизующихся систем. Особо обратите внимание на то, что это не гипотеза, не предположение, а единственно возможное следствие, которое исходит из теории и факта, не выводит классическую физику за рамки допустимого и не противоречит каким-либо другим фактам или  экспериментам.

Способность элементов микромира становиться осцилляторами - это далеко не новость науки, и доказывать ее не нужно. В «Курсе общей химии» Б.В. Некрасова можно прочесть о так называемых дисперсных химических связях, которые объединяют атомы в молекулы и тела. Такие связи вездесущи, возникают между атомами и молекулами как полярными, так и неполярными, и объясняются колебаниями, которые кратковременно и согласованно деформируют молекулы и атомы, превращая их в электрические диполи переменной полярности. В этой книге они не названы осцилляторами, и речь в ней не идёт об излучениях и длинах волн, а лишь об электрических полях, создающих химические связи. Однако переменные диполи и есть осцилляторы, они всегда излучают поля, поля движутся с конечной скоростью, становясь при этом волнами и превращая микромир в самоорганизующуюся волновую систему. И в данном случае нам безразлично: что именно в атоме становится осциллятором. Судя по межатомным расстояниям и длинам волн, это не вращения и колебания электронов на внешних орбитах, а более быстрые колебания - в самих элементах, которые составляют атом.

Такую же решетку можно построить из реальных автоколебательных устройств как изделие техники, которое становится для классической физики макромоделью твердого тела, причем моделью физической, материальной, хотя лишь первичной и еще далеко не полной. В классической физике модели физические рассматривались как неоспоримый вещественный аргумент и имели  приоритет перед любыми теоретическими построениями. Мы же можем  рассматривать такую модель как устройство техническое - либо как электромагнитную систему, либо как систему самоорганизующуюся.

Так мы получаем в своё распоряжение как бы изделие на стадии проектирования - искусственное упругое тело. Мы могли бы даже построить его в реальности, хотя этого не требуется, поскольку все его свойства и поведение в любых условиях мы можем рассмотреть со всех сторон и выяснить заранее. Изделие – это тоже предмет и тоже имеет размеры, к которым неизбежно относится и постулат об их постоянстве. Ну, а уж определить свойства размеров своего изделия: почему, при каких условиях и по каким причинам они постоянны и непостоянны, – не слишком сложная задача.

Самоорганизующиеся системы в технике – это  предмет науки о системах автоматического управления и регулирования (САУ). Но исследовать такие системы будем здесь в основном как системы электромагнитные и пользоваться теорией электромагнетизма, не САУ, однако имея в виду в виду те представления, которые даёт нам наука о САУ. Пассивный электромагнитный осциллятор, не содержащий колебаний, попадая в волновое поле, действует в нем как элементарный автомат, управляемый этим полем: приобретает индуцированные колебания, движется определенным образом, отыскивает своё устойчивое положение в поле и управляет через своё поле другими подобными автоматами. Так в системе осцилляторов создаются многочисленные контуры обратной связи, которые и составляют систему. Система природных осцилляторов есть в этом смысле тоже автоматическая система, более сложный природный автомат. А всякий автомат, в том числе элементарный, характеризуется не свойствами, заданными раз и навсегда, а гибким поведением, зависящим от его состояния и внешних условий.

Любой объёмный предмет при отсутствии в нем внутренних потерь энергии, как это свойственно микромиру, стал бы осциллятором электромагнитным и звуковым. Колебания электромагнитных осцилляторов столь же разнообразны, как и звуковых – струн, полых объёмов и пр., способных колебаться и звучать на множестве обертонов. При этом поведение электромагнитного осциллятора в полях его соседей и излучаемые им сигналы (поля) зависят от той комбинации «обертонов», которые «звучат» в данный момент. Оно может быть разнообразным чрезвычайно, и обозримо лишь в простейших случаях, какие и будем изучать.

Очевидный недостаток первичной классической модели в том, что она излучает энергию в виде волновых полей. Все реальные тела тоже постоянно излучают волновые поля в виде излучений тепловых, но это никогда не приводит к полной потере ими тепловой энергии и падению температуры до нуля. Сохраняется энергетическое равновесие, для чего достаточно, чтобы излучение не было слишком велико и имел бы место механизм пополнения излучаемой энергии. Как увидим далее, наши системы содержат такой механизм и имеют тенденцию к наименьшему излучению ими энергии. А свойства их размеров, как и ряд иных свойств, вообще не зависят от излучений.

С подобных структур могло бы еще во времена Резерфорда начаться новое направление  классической физики - физики самоорганизующихся систем природы. Микромир, представленный в виде самоорганизующихся и электромагнитных систем, не требует от инженера освоения нового образа мыслей и новых для него теорий. Он был бы ему понятен без дополнительной подготовки и доступен для деятельности, а это значит, что начиная с еще тех времен в микромир бы проникала та самая «сумма технологии». Но случилась научная революция.

Физике и теперь больше нечего изучать, кроме таких систем. Однако она пошла другим путем, почти уже век не обращая внимания даже на эти простейшие системы: они не описаны в научной литературе, они не были ни отвергнуты, ни признаны современной физикой, они, казалось бы, очевидны, но как бы неизвестны, и остаются вне науки. Можно бы думать, что это случайное упущение. Но именно оно решило исход научной революции, как бы изъяв из науки о самоорганизующихся системах природы разделы, посвященные таким системам, и отдав победу физике субъективизма. Так мировой инженерный корпус лишился начальных знаний о микромире и своего передового звена – классической научной школы.

Дальше мы будем изучать такие системы и сопоставлять их с предметами природы по конструкциям, свойствам и проявлениям.

В современной физике аналогичная постоянная для всех частиц микромира считается равной постоянной Планка h (=6,6*10^-34 дж*сек), а сами частицы понимаются не как осцилляторы, а как частицы-волны. Если же рассматривать электрон как осциллятор с этой собственной частотой, то получится, что электрон, падая в потенциальную яму с избыточной для нее энергией E, излучает квант энергии E = h*df, т.е. точно по закону Планка. Таким образом, полагая, что электроны в их устойчивых состояниях находятся в динамических волновых потенциальных ямах как осцилляторы, мы объясняем квантовость излучений из микромира и закон Планка, за исключением постоянства частоты кванта, объяснить которую пока не можем. Это еще одно подтверждение, что микромир устроен как классическая электромагнитная система, где ее элементы занимают потенциальные ямы в ее волновых полях.

 Хотя в каждом учебнике физики можно найти утверждение, что классическая теория не может объяснить квантовость в принципе, всё-таки уже понятно, что в как раз принципе-то объяснение получено, а дальнейшее изучение раньше или позже приведет к полному ответу, включая ответ и на вопрос о постоянстве частоты кванта.