Введение. Как показывает опыт, любая материальная система взаимодействует с подобными ей строго определенным образом, зависящим от её свойств. Иными словами, их взаимодействие носит избирательный характер. Таково, в частности, избирательное (резонансное) поглощение энергии упругих или электромагнитных волн; "безразличие" к атомам иного "сорта", выражающееся в понятии парциального давления; взаимодействие различных реагентов в определенных для каждого из них кратных соотношениях; селективная проводимость клеточных мембран по отношению к различным веществам и растворам; избирательное взаимодействие зарядов, масс или токов, приводящее к возникновению независимых силовых полей; явления катализа в химических реакциях; избирательная абсорбция определенных веществ поверхностью тел; диффузия, осмос и фильтрация веществ через полупроницаемые мембраны; синхронизация частот излучения в лазерах; избирательное взаимодействие белков с РНК и избирательное воздействие фармацевтических средств на организм; симбиоз биоорганизмов и растений; преимущественное воспроизведение одних из них и уничтожение других в процессах эволюции и т.д., и т.п.

Именно избирательным характером этого взаимодействия обусловлено своеобразие, качественное отличие и несводимость одного к другому разнообразных процессов. На этом основана и их классификация в естественнонаучных дисциплинах. Между тем изучению причин возникновения самого избирательного взаимодействия и его природы в настоящее время уделяется недостаточно внимания. Современная теоретическая физика, например, признает существование только четырех видов взаимодействий, два из которых (электромагнитное и гравитационное) известно еще из классической физики, оперируют привычным понятием силы, различаются природой этой силы и поддаются количественному описанию. Два других взаимодействия (сильное и слабое), ответственные за распад и взаимопревращение "элементарных" частиц, представляют собой скорее обобщающие термины для двух групп еще не вполне познанных явлений. Считается, что эти взаимодействия различаются лишь по интенсивности, имеют радиус действия, не превышающий размеры ядра атома, и носят обменный характер, т.е. осуществляются путем испускания и поглощения виртуальных (нематериальных) частиц, источником которых служит физический вакуум. При этом каждому независимому виду взаимодействия соответствует своя частица - носитель этого взаимодействия.

Между тем частицы, осуществляющие два последних вида взаимодействия, ввиду чрезвычайно малого радиуса действия не могут быть ответственными за то многообразие макропроцессов, которое наблюдается в природе. Не могут претендовать на эту роль и нейтрино, поскольку они практически не взаимодействуют с веществом. Что же касается гравитационного взаимодействия, то для него частица - носитель взаимодействия до сих пор вообще не обнаружена. Остается единственная частица - фотон. Однако  процесс его испускания и поглощения рассматривается в современной физике как лишенный ускорения и длительности, а сам фотон - как объект, лишенный пространственной протяженности и массы. Поэтому к процессу излучения и поглощения фотонов законы механики, основанные на понятии силы, считаются не применимыми. Все это лишает возможности объяснять избирательное взаимодействие ни как результат обменного взаимодействия с участием большого числа независимых частиц - носителей взаимодействия, ни как следствие силового характера процесса взаимодействия вещества с полем.

В связи с эти возникает необходимость вернуться "в лоно классицизма" и рассмотреть возможность решения этой задачи с позиций единой термодинамической теории процессов переноса и преобразования энергии, названной для краткости "энергодинамикой" [1].

1. Обобщение понятия силы. Понятие силы как причины возникновения того или иного процесса существовало еще до оформления понятий работы и энергии, и не был известен закон ее сохранения. Оно базировались на вере ученых того времени в то, что все процессы в природе происходят с определенной целью, а сила является средством достижения этой цели. В связи с этим сила воспринималось учеными античности как некая данность, привнесенная извне божественной волей или другими неведомыми причинами. Это проявилось в понятии "живая сила", т.е. сила, "оживляющая" природу и составляющие их тела. В механике Ньютона такое "оживление" состояло в возбуждении движения тел, так что понятию силы придавался довольно узкий смысл причины возникновения процесса изменения импульса тела. С тех пор во всех явлениях природы сила, независимо от её природы, рассматривается как причина нарушения равномерного и прямолинейного движения тела и воспринимается только в механическом смысле [2].

Более общий смысл понятию силы придала термодинамика необратимых процессов, [3], основоположник которой, будущий нобелевский лауреат Л.Онсагер ввел понятие термодинамической силы X_i  как производной от энтропии системы S по одной из независимых координат процесса релаксации системы α_i. Тем самым сила в теории Онзагера приобрела смысл скалярного параметра состояния неравновесной системы, служащего мерой отклонения её от состояния локального равновесия по одному из её свойств А_i (температуре, давлению, концентрации какого-либо k-го компонента системы и т.д).    

       Дальнейшее обобщение понятия силы было дано в термокинетике, распространившей методы термодинамики необратимых процессов переноса на процессы полезного преобразования энергии [4]. Эта теория рассматривает пространственно неоднородные среды с протекающими в них векторными процессами релаксации как единое неравновесное целое. Стремление таких систем к внутренне равновесному (однородному) состоянию порождает протекание в них специфических векторных процессов перераспределения по объему системы V таких известных из классической термодинамики экстенсивных параметров Θ_i , как энтропия S, масса М, заряд З, число молей k-х веществ N_k, импульс Р, его момент L и т.д. Это потребовало введения дополнительных координат таких процессов Z_i Смысл этих параметров становится простым и понятным, если обратить внимание на смещение центра величины Θ_i в процессе отклонения системы от однородного состояния. Подобно центру тяжести, это положение определяется радиус-вектором r_i:

             r_i = Θ_i^-1 ∫ ρ_i(r,t) rdV ,  (i =  1,2,...,n)   (1)                        

где  ρ_i(r,t) = dΘ_i/dV - плотность физической величины Θ_i , рассматриваемая как функция пространственных координат (радиус-вектора точки поля r) и времени t.

В однородном состоянии той же системы положение r_iо центра величины Θ_i  можно найти, вынося в выражении (1) среднее значение её плотности (t) = const за знак интеграла:

            r_iо = Θ_i^-1 ∫ (t) rdV = V^-1 ∫ rdV.           (2)

       Рассматривая (1) и (2) совместно, находим, что состояние пространственно неоднородной системы в целом отличается возникновением в ней специфических "моментов распределения" Z_i  параметра Θ_i:

            Z_i = Θ_i(r_i - r_iо) = ∫[ρ_i(r,t) - (t)] rdV  .     (3)

  Векторная величина Δr_i = r_i - r_iо , названная нами "вектором смещения", дополняет описание пространственно неоднородных сред и потому отнесены нами к параметрам неоднородности. Введение моментов расределения Z_i позволило распространить понятие термодинамической силы Х_i на векторные процессы перераспределения, определив её как производную от энергии системы Е по моменту распределения Z_i "носителя"  данной формы движения Θ_i [4]:

    Х_i  = - (∂Е/∂Z_i).            (4)

Согласно (4), термодинамические (внутренние) силы Х_i обусловлены пространственной неоднородностью системы. Связь их с силой F_i в её обычном (ньютоновском) понимании легко установить, рассматривая r_i как внешний параметр, характеризующий положение тела относительно других тел, взаимодействующих с ним. Учитывая неизменность величины Θ_i в процессе её перераспределения по системе, вместо (4) можем написать:

   Х_i  = - (∂Е/∂Z_i) = - Θ_i^-1(∂Е/∂r_i) = F_i/Θ_i.    (5)

Выражение (∂Е/∂r_i)dr_i соответствует известному выражению элементарной работы i-го рода в механике đW_i = - F_i∙dr_i. Таким образом, любые силы F_i приобретают в термокинетике и энергодинамике единый смысл, единое математическое выражение и единую размерность, а термодинамическая сила Х_i - смысл её удельной величины (отнесенной к Θ_i как объекту её приложения). Поскольку же производные от одних параметров состояния (в данном случае энергии Е) по другим (Z_i, r_i) также является параметром состояния системы, силы F_i и Х_i также приобретают в термокинетике и энергодинамике статус параметров неоднородности системы. Именно эти силы являются причиной, по которой замкнутая в целом система изменяет свое состояние, приближая её к равновесию по одним степеням свободы и удаляя от него другие.

Несложно показать, что термодинамические силы Х_i, выражаются отрицательными градиентами обобщенных потенциалов ψ_i (температуры, давления, химического, электрического, гравитационного и т.п.), т.е. Х_i = - Ñψ_i.  Тем самым термокинетика, а вслед за ней и энергодинамика дают единое определение любой силы - внешней и внутренней, дальнодействующей и короткодействующей, полезной и диссипативной, механической и немеханической. Среди них силы кинетической природы, выражающиеся отрицательными компонентами вектор-градиента скорости - Ñv (в том числе удельная ньютоновская сила инерции, равная ускорению тела а), электрические, гравитационные и диффузионные силы, выраженные отрицательными градиентами соответственно электрического, гравитационного и химического потенциала k-го вещества, а также "термическая" и "акустическая" силы, определяемые отрицательными градиентами температуры и давления.

Несмотря на то, что "номенклатура" сил, различающихся своей природой, весьма ограниченна, приложение выражения (5) к макросистемам позволило найти аналитические выражения около трех десятков короткодействующих и дальнодействующих движущих сил целого ряда физико-химических процессов переноса [5,6], рассматриваемых традиционно в термодинамике необратимых процессов [3]. При этом выяснилось, что многочисленные термомеханические, термохимические, термоэлектрические, термомагнитные, термогальваномагнитные, электрокинетические и т.п. эффекты, возникающие при их протекании, обусловлены суперпозицией этих сил в разных соотношениях, зависящих от характера того или иного процесса. Такое единство и разнообразие сил как единственной известной на сегодняшний день меры воздействия одних тел на другие вынуждает критически отнестись к идее обменного взаимодействия.

2. Силовой характер процесса взаимодействия вещества с полем излучения. Продолжая классическую линию развития естествознания, энергодинамика демонстрирует плодотворность приложения понятия силы и к процессу излучения [7]. Придерживаясь  системного подхода, она рассматривает в качестве объекта исследования не одиночный атом (как в модели Н.Бора), а всю совокупность атомов вещества, находящихся во внешних электромагнитных полях. Поскольку энергия атома остается неизменной, если движение орбитальных электронов в нем происходит только под действием центральных сил, об излучении телом энергии можно говорить только в том случае, когда на его  атомы действуют сторонние (нецентральные) силы F, исходящие от этих полей. Когда направление силы F совпадает с направлением скорости движения v орбитальных электронов (F?v > 0), возникает их ускорение. В противном случае  (F?v < 0) электроны испытывают кратковременное торможение, длительность которого определяется полупериодом электромагнитной волны. При этом торможении возникает единичное возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в нем в виде солитона (уединенной волны). На тех же участках траектории электрона, где сила F_н нормальна к направлению движения электрона (F_н?v = 0), такое возмущение отсутствует, вследствие чего излучение предстает как последовательность (поток) солитонов J_с = n (солитон/с), испускаемых подобно пулеметной очереди "пакетами" с некоторым интервалом времени между ними. Эти локализованные в пространстве волновые пакеты с переменной амплитудой волны А_в, плавно спадающей до нуля на его "концах", и воспринимается фотодетектором в виде отдельного импульса, который трактуется в квантовой механике как частица и называется фотоном1). Таким образом, дискретность процесса излучения объясняется самой спецификой волновой формы движения и отнюдь не противоречит классической физике.

Такой подход позволил не только дать новое обоснование закона излучения Планка, не требующее привлечения каких-либо гипотез и постулатов специфического "квантовомеханического" характера, но и подтвердить справедливость для него всех законов классической механики [5]. Попутно выяснилась и возможность устранить значительную часть трудностей существующей квантовой теории [6].

3. Волновая природа взаимодействия поля с веществом. Современная концепция близкодействия требует наличия некоторой промежуточной материальной среды, заполняющей все пространство и взаимодействующей с погруженным в неё веществом. Такая среда в настоящее время именуется (не вполне удачно) полем. Его разновидностью является электромагнитное поле, взаимодействующее с веществом в практически не ограниченном диапазоне частот. В соответствии с господствующей в физике микромира концепцией обменного взаимодействия последнее осуществляется путем "мгновенного" (лишенного длительности) испускания и поглощения элементарных безмассовых частиц - фотонов.

Представляет интерес обосновать противоположную точку зрения и вскрыть волновую природу этого процесса. Установим с этой целью связь найденных выше параметров Z_i  с понятием дипольного момента, известным из классической электродинамики. Представим момент Z_i  в виде:

 Z_i = ∫(ρ_i' - )r'dV' + ∫(ρ_i"- )r"dV" = Θ_i'r_i' + Θ_i"r_i" ,        (9)

где r_i'= (Θ_i')^-1∫(ρ_i' - )r'dV'; r_i"= (Θ_i")^-1∫(ρ_i" - )r"dV" - пространственные координаты центров энергоносителей Θ_i' и Θ_i" с плотностью ρ_i' >  и ρ_i"< . Учитывая, что Θ_i' = - Θ_i", величине Z_i легко придать вид, аналогичный выражению дипольного момента:

Z_i = Θ_i"(r_i"- r_i') = Θ_i^*l_i,                                                (10)

где Θ_i^*= Θ_i" = - Θ_i' - аналог "дипольного заряда"; l_i = r_i"- r_i' - плечо диполя.

Характерно, что подобные дипольные моменты возникают вследствие колебательного движения в изначально скалярных полях, например, при образовании акустических, гидродинамических, эфирных и т.п. волн. Чтобы показать это, рассмотрим волну произвольной скалярной величины ρ_w, обусловленную её периодическим обоюдосторонним отклонением от равновесного значения . Это отклонение порождает пространственную неоднородность среды её распространения. Для наглядности рассмотрим полуволну, амплитуда которой монотонно возрастает от -А до + А (рис. 1). В отличие от гармонической волны в целом, эта полуволна представляет собой минимальный объем V пространства, в котором соответствующая экстенсивная величина Θ_w, перераспределяясь по объему V, сохраняется неизменной2). Как следует из рисунка, полуволна характеризуется некоторым "недостатком" Θ_w' какого-либо её экстенсивного свойства Θ_w в одной четверти волны (что выражается заштрихованной площадкой слева от оси ординат) и возникновением его "избытка" Θ_i" в другой четвертьволновой её области (аналогичная площадка справа от оси ординат). В результате центры величины Θ_i'  и Θ_i" смещаются от положения r_о' и r_о", которое они имели бы при равномерном распределении ρ_w  в течение четверти периода, в положение r' и r", соответствующее центру заштрихованных площадок. В соответствии с (5) это приводит к возникновению в объеме полуволны момента  распределения Z_в  с плечом l_i = r_i"- r_i' подобно тому, как это имело место для системы с иным масштабом неоднородности в выражении (5). Это означает, что если энергия полуволны как функция её амплитуды возрастает с отклонением распределения энергоносителя Θ_i  от однородного, то это порождает силу  Х_в  = - (∂Е_в/∂Z_в) точно так же, как и в других неоднородных средах. Эта сила зависит от "крутизны" фронта волны и направлена в сторону уменьшения амплитуды. Аналогичная сила возникнет и во второй полупериод волны, однако она будет иметь противоположное направление.  В результате солитон как уединенная волна предстанет как диполь, пара сил которого направлена в обе стороны от максимума амплитуды волны. Это и обусловливает силовой характер энергообмена между скалярным полем излучения и веществом.

Покажем теперь, что силовую природу имеет не только взаимодействие волны с веществом, но и сам процесс переноса волновой формы энергии в пространстве. Согласно постулату "взаимности" [3], получившему строгое обоснование в термокинетике [4], поток j_i любого i-го энергоносителя (вещества, заряда, импульса, энтропии и т.п.) зависит в общем случае от всех действующих в системе сил Х_j того же тензорного ранга:

j_i = Σ_j L_ij Х_j ,  ( i,j =1,2,...,n)        (11)

где L_ij - эмпирические коэффициенты пропорциональности составляющих j_ij  результирующего потока j_i = Σ_j j_ij  сопряженной с ним силе Х_j.

         Справедливо и обратное утверждение, согласно которому противодействующая сила Х_j = Σ_iХ_ij  также представляет собой результирующую разнородных сил Х_ij, зависящих  от вклада всех действующих в системе потоков j_ij .Тем самым термокинетика и энергодинамика привнесли в механику Ньютона понимание того, что превращение энергии из одной формы в другую происходит тогда, когда действующей силе F_i  противостоят силы иной природы (F_i = - Σ_jF_j). В противном случае (F_i = - F_i) имеет место перенос энергии в одной и той же форме. Это, казалось бы, небольшое дополнение 3-го закона Ньютона позволило распространить методы термодинамики необратимых процессов [3] на процессы полезного преобразования энергии в технических и биологических системах [1]. В контексте настоящей статьи оно облегчит понимание "механизма" избирательного взаимодействия материальных объектов с различными свойствами (различным спектром действующих в них сил).

Чтобы показать справедливость законов (11) для процесса переноса волновой (лучистой) формы энергии, воспользуемся общим выражением плотности энергии волны (акустической, гидродинамической и электромагнитной) [8]:

            Е_в = ρA²ω²/2 ,        (12)

где ρ - плотность среды распространения волны; A, ω - амплитуда и угловая частота волны3).  Отсюда следует, что dЕ_в = A_вωd(A_вω). Сопоставив его с известным из термодинамики выражением полезной работы dW_i = - Θ_idψ_i, найдем, что роль потенциала ψ_i волновой формы энергии играет величина ψ_в = A_вω, названная нами амплитудно-частотным потенциалом волны [9], а роль плотности её энергоносителя ρΘ_в - величина ρA_вω.  Поскольку плотность любого потока j_i определяется в энергодинамике произведением переносимой величины ρΘ_в на скорость её переноса v_i, а термодинамическая сила Х_j - градиентом потенциала Х_i= - grad ψ_i , то для рассматриваемого случая имеем:

            j_i = ρA_iω_iv_в (Дж/м³); Х_i = - grad(A_iω_i), (м^-1?с).       (13)

где v_в - скорость переноса солитонов, равная скорости света.

Согласно (13), перенос волновой формы энергии также происходит под действием силы Х_i, определяемой отрицательным градиентом амплитудно-частотного потенциала волны. В этом отношении волновой энергоперенос совершенно аналогичен переносу энергии в процессах теплопроводности, электропроводности, диффузии и т.п. Это еще раз подтверждает единство законов переноса любых форм энергии. В системе тел с дискретным спектром излучения перенос энергии на частоте ω_i  происходит в направлении убывания амплитуды волны A_i. Экспериментальным подтверждением этого факта служит поглощение света в полупрозрачных средах (L_ij ≠ 0).

В общем случае среды, переносящей волны любой частоты ω_j, в соответствии с (11) поток энергии на частоте ω_i обусловлен действием многих сил Х_j = - grad(A_jω_j). Однако ввиду известного явления резонанса силы Х_j  с частотой ω_j, отличной от ω_i , практически не оказывают влияние на энергообмен на этой частоте. В таком случае законы переноса лучистой энергии упрощаются, становясь зависящими только от одной силы Х_i =  ω_igradA_i). Аналогичным образом видоизменяются и законы теплопроводности, электропроводности, диффузии и т.п., принимая вид законов Фурье, Ома, Фика, Дарси, Ньютона и т.п., когда перенос энергии обусловлен действием единственной силы - отрицательного градиента температур, электрических, химических и других потенциалов.

Как известно, в явлениях резонансного поглощения или излучения интенсивность энергообмена, зависящая от градиента амплитуды волны, резко возрастает. В соответствии с уравнениями (11) это и обусловливает избирательный характер энергообмена, осуществляемого на резонансных частотах.

4. Обсуждение результатов. Предложенное объяснение явления избирательного взаимодействия с позиций энергодинамики не опирается не какие-либо гипотезы или постулаты квантовомеханического характера, что соответствует классической линии развития макроскопической физики. С этих позиций, не утративших своей актуальности в настоящее время, понятие силы приобретает еще большую общность, становясь основополагающим не только в механодинамике, гидродинамике и электродинамике, но и в термодинамике, которой оно было изначально чуждым. В таком случае удается показать, что любая волна (акустическая, гидравлическая, электромагнитная, эфирная и т.п.) подобна диполю, что обусловливает силовой характер её взаимодействия с веществом. Благодаря этому любые взаимодействия, осуществляются посредством осциллирующей промежуточной среды, как бы мы её ни называли - эфиром или полем - также приобретает силовой характер.

Волновая природа взаимодействия позволяет объяснить многообразие процессов избирательного взаимодействия не какой-либо особой природой действующих сил, а резонансным усилением энергообмена на частотах собственных колебаний различных структурных элементов взаимодействующих тел. Надежным подтверждением такой природы избирательного взаимодействия являются многочисленные явления резонансного поглощения или излучения, наблюдаемые во всех областях естествознания.

Важную роль в объяснении природы избирательного взаимодействия играет данное здесь обоснование правомерности рассмотрения скалярного поля осциллирующей среды в одном ряду с силовыми полями. Становится ясным, что избирательное силовое взаимодействие с веществом может осуществлять и отличное от электромагнитного поле любой осциллирующей скалярной величины. Волновой энергообмен между веществом и этой средой может возникнуть и тогда, когда их структура и свойства совершенно различны, а сама упомянутая среда не обладает теми степенями свободы, которые присущи веществу. В частности, полю излучений вовсе не обязательно обладать электромагнитными свойствами, чтобы переносить в пространстве электромагнитную энергию вещества - для этого ему, как и эфиру, достаточно колебаний плотности, которые будут вновь преобразованы в электромагнитную энергию в детекторе и любом другом приемнике этого вида энергии [10]. Эфирно-волновая или подобная ей полевая среда колеблется в столь широком диапазоне частот, что любые структурные элементы вещества, какими бы собственными частотами колебаний они бы ни обладали, всегда найдут возможность резонансного энергообмена с ней. Экспериментальным подтверждением этого обстоятельства является отсутствие у так называемой электромагнитной волны магнитной составляющей, которая в теории Максвелла должна быть сопоставимой с электрической и переходить в неё, образуя так называемую "цепочку Брэгга". Лишь совсем недавно (в 2009 году) группе голландских физиков под руководством М. Буррези из Института атомной и молекулярной физики в Амстердаме удалось с помощью сканирующего микроскопа обнаружить признаки вторичной магнитной стоячей волны с частотой, характерной для оптического диапазона, и то только на расстоянии 20 нм от волновода [12].

Данная здесь трактовка избирательного взаимодействия как естественного следствия резонансного волнового энергообмена вынуждает критически отнестись к господствующему в физике элементарных частиц понятию "обменного" (несилового) взаимодействия, тем более что поиск частиц - переносчиков взаимодействия для каждого его самостоятельного вида требует колоссальных издержек. Осознание этого позволит сосредоточить внимание исследователей на отыскание технических возможностей нарушения равновесия между веществом и полем, что откроет перспективы использования поистине неисчерпаемой свободной (упорядоченной) энергии его колебательного движения.

Литература

1. Эткин В.А. Энергодинамика (синтез теорий переноса и преобразования энергии).- СПб: Наука, 2008, 409 с.

2.  Розенбергер И. История физики. Ч.1,2. - М.; Л.: Гостехиздат, 1933.

3.  Хаазе Р. Термодинамика необратимых процессов. - М.:  Мир,  1967, 544с.

4.  Эткин В.А. Термокинетика (термодинамика неравновесных процессов переноса и преобразования энергии. Тольятти, 1999, 228 с.

5.  Эткин В.А. Классическое обоснование закона излучения Планка.  Сетевой ресурс (http://sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9220.html). 2.09.2008.

6.  Эткин В.А. Как вернуть физику в лоно классицизма. Ч.1. Квантовая механика. Сетевой   ресурс http://sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/11923.html. 7.04.2012.

7. Эткин В.А. О единстве и многообразии сил в природе. Сетевой ресурс http://zhurnal.lib.ru/e/etkin_w_a/. 1.08.2009.

8.  Крауфорд Ф. Берклеевский курс физики.  T.3: Волны. М.: Мир, 1965, 529 с.

9. Эткин В.А. О потенциале и движущей силе лучистого энергообмена // Вестник Дома Ученых Хайфы, 2010.-Т.20, с. 2...6.

10. Эткин В.А. От фотонов - к солитонам. Сетевой ресурс http://www.sciteclibrary.ru/rus/ catalog/pages/11812.html      19 февраля 2012.

11. Эткин В.А. О неэлектромагнитной природе света. Сетевой ресурс http://  www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/ .31.05.2010.

12. Буррези М. и др. Сетевой ресурс http://www.itlicorp.com/news/2839/.