Эткин В. А.: другие произведения.

О единстве и многообразии сил в природе (About unity and variety of forces in the nature).

Журнал "Самиздат": [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь]
Peклaмa:

Peклaмa:


 Ваша оценка:
  • Аннотация:
    Показано, что любые силы в природе возникают как следствие пространственной неоднородности рассматриваемых систем. Предложено единое энергодинамическое определение силы и на его основе найдены аналитические выражения движущих сил более двух десятков независимых процессов. Высказано мнение, что единый метод нахождения явно различимых сил может служить альтернативой поиску единого силового поля

 

1. Введение.

 

Современное понимание силы как причины возникновения движения (процесса) возникло отнюдь не сразу и явилось результатом переосмысления роли божественной 'первопричины' при взаимодействии природных тел [1]. Еще в 17-18 столетии стала актуальной проблема: как первопричина реализуется в природном механизме всего сотворенного? Представление о том, что создатель всякого движения позаботился о сохранении его количества, и, следовательно, причиной возникновения силы является движение, мы находим и у Р.Декарта. Будучи основоположником нового направления в естествознании, получившего название 'кинетизм', он тем не менее рассматривал движение абстрактной геометрической точки в протяженном пространстве как нечто данное свыше, стремясь лишь найти математические соотношения между параметрами этого движения. Характерно, что и И. Ньютон, основатель другого направления - 'динамизма'  - также строил механику на основе кинематики, формулируя понятие силы F как следствие ускорения тела a (т.е. как функции процесса) [2]:

            F = Мa.                                                                     (1)

Не случайно поэтому введенное им понятие силы оказалось в центре последующих многочисленных дискуссий по проблеме причинно-следственных отношений. Эти дискуссии не прекратились и с принятием физиками-теоретиками так называемой 'Стандартной модели' квантовой теории поля, согласно которой каждому независимому виду элементарных частиц соответствует свое силовое поле, свой вид взаимодействия, свои законы движения и свой вид материи [3]. Эта модель различает 4 вида взаимодействий: сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные. В этимологическом отношении такая классификация сил совершенно неудовлетворительна, поскольку классифицирует их одновременно по двум признакам - по их интенсивности (величине константы связи) и по их природе. Кроме того, само по себе деление элементарных частиц в этой модели на частицы материи и частицы силы (носители взаимодействия) содержит в себе 'бомбу замедленного действия'. Действительно, объяснение взаимодействия испусканием, распространением и поглощением этих 'частиц силы' равносильно признанию, что испускающие их 'частицы материи' содержат их в своей структуре, т.е. не 'элементарны'. Вследствие этого открытие каждого нового вида взаимодействия лишает частицу материи свойства 'элементарности', требуя пересмотра установившихся представлений о мире микрочастиц, создания еще более мощных ускорителей для изучения их структуры, и так до бесконечности.

           Принципиально иной взгляд на проблему различения разнообразных сил природы открывается с позиций энергодинамики как единой теории переноса и преобразования любых форм энергии.

 

2. Сила как мера пространственной неоднородности

 

       Особенностью энергодинамики как фундаментальной научной дисциплины является рассмотрение в качестве объекта исследования такой совокупности взаимодействующих (взаимно движущихся) тел или их частей, для которой без всяких дополнительных условий справедливы все известные науке законы сохранения (энергии, массы, заряда, импульса и его момента) [4]. В наиболее полной мере этому требованию удовлетворяют системы, которые одновременно являются изолированными (не обменивающимися с окружающей средой энергией), закрытыми (не обменивающимися с ней массой) и замкнутыми (не подверженными действию каких-либо сил с ее стороны). Поэтому с позиций энергодинамики любая из частей этой совокупности, для которой упомянутые законы сохранения требуют учета внешнего энергообмена, массообмена, действия внешних сил и т.п., являются лишь подсистемами. Поскольку с этих позиций на роль системы может претендовать (и то с оговорками) лишь Вселенная в целом, а реальные науки имеют дело в лучшем случае с подсистемами, необходимо сформулировать условия применения к ним системного подхода как такого метода изучения части через целое, который учитывает и сохраняет все присущие этому целому 'системообразующие' связи. С этой целью рассмотрим систему объемом V, включающую в себя всю совокупность взаимодействующих материальных объектов. Вне этой системы по определению нет материальных объектов, способных взаимодействовать с ней, а все действующие в ней силы и вызванные ими процессы являются внутренними. Для такой системы вся её энергия Е также является собственной (внутренней) U и в силу закона её сохранения остается неизменной во времени t, т.е. ∂U/∂t = 0. Представим эту энергию в виде объемного интеграла U = ∫ρudV от плотности энергии ρu. В таком случае для системы в целом имеем:

U/∂t =  ∫ (∂ρu/∂t)dV = 0.                               (1)

   Равенство интеграла (1) нулю в случае протекания в системе каких-либо процессов (∂ρu/∂t) ≠ 0) может иметь место только в одном единственном случае: когда знак производной (∂ρu/∂t) в различных областях системы противоположен. Этот вывод можно повторить в отношении любого другого экстенсивного параметра, подчиняющегося закону сохранения, в том числе для массы, заряда, импульса и  момента импульса системы. Более того, для замкнутой системы он справедлив и в отношении действующих в такой системе внутренних сил Fi, для которых в силу замкнутости систем результирующая внешних сил F = 0 и ∂F/∂t = 0. Отсюда следует важнейший для естествознания в целом принцип дихотомии: процессы, протекающие в изолированных (замкнутых) системах, вызывают противоположные изменения её свойств в различных частях (областях) таких систем.  Иными словами, такие объекты не только пространственно неоднородны, но и поляризованы в самом общем смысле этого понятия, и учет этого обстоятельства является необходимым требованием для любой теории, претендующей на системный подход. Вряд ли необходимо доказывать, сколь далеки от этого требования известные 'фундаментальные' теории, которые в силу исторически сложившихся причин дробят системы на конечное или бесконечное число 'пробных' тел, частиц, элементарных областей и.т.п., предполагаемых внутренне равновесными (однородными) в надежде, что свойства систем в целом можно будет описать затем подходящими интегралами. Тщетность этих надежд вытекает из самого принципа дихотомии, согласно которому некоторые свойства системы в целом в принципе неаддитивны (не являются суммой свойств отдельных ее частей). В отношении тепловых машин это положение было осознано еще С. Карно (1824) и заложено им в исторически первой формулировке второго начала термодинамики. Согласно ей, 'живой силой', т.е. способностью к совершению полезной работы, обладают лишь термически неоднородные среды. Отсюда и понятие 'вечного двигателя 2-го рода', как системы, в структуре которой отсутствуют источник и приемник тепла, т.е. части, противоположным образом изменяющие свое состояние.

         Таким образом, уже сам по себе системный подход к объектам исследования диктует необходимость перехода к исследованию пространственно неоднородных и потому неравновесных систем, дихотомия которых (наличие подсистем с противоположными свойствами) и является причиной возникновения в них каких-либо процессов. Следовательно, с позиций системного подхода в качестве объекта исследования можно рассматривать только пространственно неоднородные подсистемы, различные части которой противоположным образом изменяют свое состояние в интересующих исследователя процессах. Благодаря этому энергодинамический метод исследования является одновременно и диалектическим (основанным на анализе противоположностей).

3. Универсальная формула силы.

 

        Как мы только что показали, исследование любой подсистемы при системном подходе требует учета пространственной неоднородности распределения по объему системы известных любых экстенсивных параметров Θi (энтропии S, массы М, заряда Θe, импульса Р, его момента L и т.д.). Как показано в [4], это может быть сделано путем нахождения 'момента распределения' Zi этих параметров. Возникновение таких моментов иллюстрируется рис. 1, на котором изображено произвольное распределение плотности ρi(r,t) произвольной экстенсивной величины Θi по объему системы V. Горизонтальной линией на этом рисунке обозначено равномерное (равновесное) распределение той же величины с плотностью ρi0(t). Как следует из рисунка, при отклонении распределения Θi от равномерного некоторое количество этой величины (помеченное на рисунке звездочкой) переносится из одной части системы в другую, что вызывает смещение центра этой величины из первоначального положения Ri0 в текущее Ri. Это положение определяется известным выражением:

Подпись:  
Рис. 1. Образование момента 
распределения.
Ri = Θi -1 ρi(r,t)rdV, (i = 1, 2, ..., n),                          (2)

где ρi(r,t) - плотность величины Θi как функция пространственной координаты r и времени t; r - радиус-вектор элемента объема dV. В однородном состоянии той же системы положение Ri0 центра величины Θi  определяется тем же образом:

Ri0 = Θi -1 ρi0(t)rdV                                                    (3)

Таким образом, переход системы в пространственно неоднородное состояние характеризуется возникновением специфических 'моментов распределения' Zi 'энергоносителей' Θi:

Zi = Θi(Ri - Ri0) = ∫ i(r,t) - ρi0(t)]rdV,                       (4)

Одним из таких моментов является вектор электрического смещения D , где Θi - электрический заряд, ∆Ri  - вектор его смещения.

  В выражении (4) с особой очевидностью проступает то обстоятельство, что параметры пространственной неоднородности Zi являются величинами аддитивными и суммируются при условии, когда величина ρi0(t) остается одной и той же в различных частях неоднородной системы. Это следует из сохранения интеграла (4) при его разбиении на части с объемом V′ < V. Однако эти параметры обращаются в нуль при 'стягивании' системы в материальную точку, когда ρi(r,t) R ρi0(t). Это совершенно естественно, поскольку в бесконечно малых объемах процессы перераспределения отсутствуют. Тем самым еще раз подтверждается то обстоятельство, что при разбиении системы на элементарные объемы часть свойств системы, связанная с её неравновесностью, утрачивается.

  Для любой однородной изолированной системы величина Ri0 остается неизменной, поскольку протекание в них каких-либо процессов невозможно. Поэтому для таких систем Ri0 можно принять за начало отсчета r или ri и положить равным нулю (Ri0 = 0). В таком случае вектор Ri будет определять смещение центра величины Θi от его положения в состоянии внутреннего равновесия рассматриваемой системы, и момент распределения какой-либо величины Θi в ней примет вид:

Zi = ΘiRi ,                                                                         (5)

где Ri - вектор с компонентами х,у,z в декартовой системе координат. При этом моменты Zi становятся абсолютной экстенсивной мерой пространственной неоднородности системы по любому из ее свойств, подобно таким абсолютным параметрам классической термодинамики, как масса, объем, энтропия и т.п. Отсюда та исключительная роль, которую приобретают моменты распределения Zi как мера отклонения системы в целом от внутреннего равновесия i-го рода. Введение таких параметров позволяет устранить основной недостаток неравновесной термодинамики - отсутствие в ней экстенсивных переменных, сопряженных с градиентами температуры, давления и т.п. так же, как температура - с энтропией, давление - с объемом и т.п. В этом отношении моменты распределения Zi играют в становлении энергодинамики ту же роль, что и энтропия Клаузиуса - в становлении классической термодинамики.

        Как следует из изложенного, внутренняя энергия U пространственно неоднородных подсистем является функцией не только равновесных (термостатических) параметров Θi, но и 'параметров пространственной неоднородности', роль которых играют 'векторы смещения' ∆Ri , т.е. U = Ui, ∆Ri), где i = 1,2,...n - число степеней свободы равновесной системы. Отсюда следует, что выражение полного дифференциала внутренней энергии неравновесной системы имеет вид:

            dU = Σi(∂U/∂Θi)dΘi  + Σi(∂U/∂Ri)dRi) ,                  (6)

            Поскольку производные от одних параметров состояния (в данном случае U) по другим (Θi,Ri) также является параметром состояния системы,           

ψi ≡ (U/Θi) ; Fi ≡ - (U/Ri) 1),                                   (7)

приходим к основному уравнению энергодинамики в виде:

            dU = ΣiψidΘi  - Σi FidRi .                                          (8)

           

          В отсутствие пространственной неоднородности (∆Ri = 0) это выражение переходит в объединенное уравнение 1-го и 2-го начал классической термодинамики открытых систем в форме обобщенного соотношения Гиббса. Следовательно, первая сумма его правой части характеризует процессы теплообмена, массообмена, работу расширения и другие процессы, связанные с переносом энергоносителя Θi через границы подсистемы. Вторая же сумма соответствует всем возможным видам полезной работы We, которые может совершать рассматриваемая неоднородная система:

đWe = Σi FidRi .                                                        (9)

 

Последнее обстоятельство позволяет получить универсальное выражение силы в её обобщенном понимании [4]:

      Fi = - (∂U/∂Ri),                                                        (10)

        Благодаря этому выражению механические, электрические, магнитные, гравитационные, термодинамические, гидродинамические и т.п. силы получают в энергодинамике единый смысл, единое математическое выражение и единую размерность.

   4. Движущие силы независимых процессов.

 

Согласно (10), общее число действующих в системе термодинамических сил Хi равно числу неравновесных координат Zi, характеризующих состояние пространственно неоднородной системы. Это положение резко контрастирует с известным постулатом 'Стандартной модели' теоретической физики, согласно которому число различных силовых полей равно числу независимых квазичастиц, являющихся носителями взаимодействия [3].

         А) Механические силы (ускоряющая и центробежная).

           Представляет теперь интерес показать, что ньютоновское определение силы F =Мa является частным случаем выражения (10), когда ускорение a тела (подсистемы) представлено как следствие неоднородности поля скоростей. С позиций классической механики, рассматривающей в качестве объекта исследования материальную точку, существование поля скоростей с его непременным атрибутом - градиентом скорости - лишено физического смысла. Однако энергодинамика, объектом исследования которой является вся совокупность взаимно движущихся тел, учитывает (в соответствии с законом сохранения импульса) изменение импульсов всех тел замкнутой системы при ускорении одного из них, т.е. перераспределение поля скоростей в ней. Поскольку же скорость любого тела v = v(t) нельзя изменить, не изменив его пространственного положения (координаты r = r(t)), она является сложной функцией времени v = v[r(t)], и ускорение a следует записывать в виде:

a = е∙(∂v/∂R)dR/dt = v gradv,                                      (11)

где R - центр массы тела (частицы); е - единичный вектор в направлении вектора скорости vdR/dt.

         Учитывая, что ускоряющая сила F вызывает отклонение поля скоростей от равновесного (так что ее знак противоположен силе  Fi ), а кинетическая энергия поступательного относительного движения масс в системе (обычно приписываемая 'пробному' телу в качестве его 'внешней' энергии Ек = Мv2/2, в соответствии с (11) имеем:

F  = ∂(Мv2/2)/∂R = Мvgradv = Мa,                                 (12)

где a = vÑv. Таким образом, ускорение тела c позиций энергодинамики приобретает смысл меры неоднородности поля скоростей, а ньютоновское определение ускоряющей силы - частным случаем общего определения понятия силы как меры действия, направленного на удаление системы от равновесного состояния (в данном случае - от равномерного) распределения локальных скоростей по объему подсистемы).

         Несложно также показать, что выражение (10) применимо и к понятию центробежной силы Fц, если кинетическую энергию вращательного движения выразить через момент инерции системы Iω и угловую скорость вращения ω известным выражением Ек = Iωω2/2. Для простоты выкладок рассмотрим вращающийся шарик массой М, удерживаемый пружинкой. Для него радиус-вектор центра массы Rц равен радиусу вращения R, и Iω = МR2. Тогда

Fц ≡ (∂Ек/∂Rц) = ∂(Iωω2/2)/∂R = Мω2R,                (13)

что соответствует известному выражению Fц как силы, приложенной к связи (пружине), удерживающей шарик на окружности. Это выражение также показывает, что центробежная сила также является мерой воздействия, выводящего подсистему из состояния равновесия, характеризующегося отсутствием растяжения пружины.

В) Дальнодействующие силы.

 

     Частным случаем (10) является известное выражение гравитационных, электрических и магнитных сил, если взаимную энергию всей совокупности взаимодействующих масс, зарядов и токов приписать некоему силовому полю, как бы существующему отдельно от указанных 'полеобразующих' материальных объектов. Обычно при этом энергию условно приписывают 'пробному' телу или заряду, как бы находящемуся в поле, созданном другим телом или зарядом, настолько большим, что внесение этого 'пробного' тела или заряда не вносит существенного искажения в это поле. В таком случае под Ri  понимается просто координата пробного тела или заряда в этом поле, и выражение (10) приобретает смысл производной от внешней потенциальной энергии тела или заряда по координате внешнего поля. В частности, так определяются удельная сила тяжести гравитационного поля с потенциалом ψg, равная ускорению свободного падения g и называемая напряженностью гравитационного поля

 

            Хg = - gradψg = g ; Fg = Mg,                                   (14)

а также так называемая кулоновская сила Хe, действующая в поле электрического потенциала φ на свободный электрический заряд Θe :

            Хe = - gradφ ; Fe = - Θe gradφ = ΘeЕ,                     (15)

где  Е - напряженность электростатического поля.

            Сходное выражение можно получить и для магнитного поля Хм = В, если воспользоваться понятием векторного потенциала А = φvе, где vе - скорость перемещения свободных зарядов, и воспользоваться выражением В = Ñ×А. Это сходство станет еще более очевидным, если рассматривать магнитное поле на достаточном удалении от источника, когда можно ввести понятие магнитного потенциала ψм [5]. Тогда

 Хм = В = - Ñψм .                                                     (16)

        С более общих позиций энергодинамики все эти случаи являются следствием данного выше определения силы (10) и характеризуют неоднородность поля соответствующего скалярного потенциала  ψi.

Г) Короткодействующие силы.

 

           Выражение (10) обобщает это понятие на 'короткодействующие' силы, обусловленные неоднородностью скалярных полей температуры, давления, химического  и т.п. потенциала. Это позволяет дать более общее (не зависящее от скорости возникновения энтропии) выражение для так называемой 'термодинамической силы в её энергетическом представлении' Хi, получившей широкое распространение в термодинамике необратимых процессов [6]:

          Хi  = - (∂U/∂Zi).                                                  (17)

           Нетрудно видеть, что термодинамические силы Хi связаны с силой Fi в её обычном (ньютоновском) понимании простым соотношением Fi = ΘiХi, т.е. соответствует известному выражению удельной элементарной работы

đWi = - ХidZi.                                                         (18)

Как показано в [4], эти силы также выражаются отрицательными градиентами соответствующего потенциала ψi (Хi = - gradψi). Тем самым подчеркивается, что выражение (10) определяет как дальнодействующие, так и короткодействующие силы, причем и те, и другие являются функциями неравновесного (неоднородного) состояния вне зависимости от наличия или отсутствия в системе того или иного процесса.

 

         Д) Силы избирательного взаимодействия.

Известно, что атомы и молекулы различных веществ в смеси идеальных газов ведут себя так, как будто они одни занимают объем этой смеси. В смесях взаимодействующих веществ также обнаруживается определенная их 'избирательность', проявляющаяся в том, что они реагируют только с некоторыми из них, имеют собственное 'парциальное' давление, особые условия равновесия и т.п. Это свидетельствует о наличии каких-то особых сил 'избирательного' взаимодействия разнородных веществ, обусловливающих протекание в открытых подсистемах явно различимых физико-химических процессов.

Дж. Гиббс, впервые распространивший методы термодинамики на открытые системы в своей знаменитой работе 'О равновесии гетерогенных веществ' [7], предложил следующее объединенное уравнение 1-го и 2-го начал термодинамики таких систем:

dU = TdS - pdV + Σ k μk dMk ,                     ( 19 )

где U, S, V - внутренняя энергия, энтропия и объем системы; T, p - абсолютные температура и давление; Mk, - масса k-го компонента; μk - его химический потенциал, определенный им как производная от энергии системы по массе этого компонента в условиях постоянства энтропии системы S, её объема V и масс других независимых компонентов системы.

Вводя в уравнение (19) члены последней суммы, Гиббс полагал, что в системе с переменными массами компонентов Mk 'энергия U, очевидно, будет функцией S, V и Mk'. Между тем, выражая энергию через переменные состояния, мы должны позаботиться о том, чтобы эти переменные были независимы. Такая независимость гарантируется лишь в том случае, когда в качестве координаты какого-либо процесса (т.е.  физической величины,  изменение которой является необходимым и  доста­точным признаком его проте­кания) выбираются параметры, не изменяющиеся при протекании процессов иного рода. Для закрытых систем, в которых имели место только процессы теплообмена и объемной деформации, параметры S и V действительно были таковыми. Однако с рассмотрением процессов массопереноса оба этих параметра стали зависимыми от массы и состава системы. Действительно, энтропию смеси S как величину экстенсивную можно выразить через парциальные молярные энтропии компонентов sk и числа молей последних Nk (S = Σk skNk). Отсюда следует, что энтропия подсистемы S с необходимостью изменяется не только при массообмене (изменении числа молей Nk в ней без изменения ее состава), но и при диффузии k-х  веществ через границы системы (т.е. при изменении соотношения между Nk  и неизменной массе системы M). Сказанное относится и к объему системы V, наглядно проявляется в эксперименте в объемных эффектах, сопутствующих диффузии, осмосу и т.п. Это явным образом нарушает условие постоянства энтропии S и объема V, заложенное Дж. Гиббсом в приведенном выше определении понятия химического потенциала μk и вынуждает уточнить аналитические выражения движущих сил этих процессов. Это уточнение связано с нахождением конкретного вида обобщенного потенциала k-го  вещества ψk с

учетом условий однозначности, характерных для конкретного процесса 'избирательного массообмена' (диффузии, осмоса, фильтрации и .т.п.) [4]. Такой подход приводит к различным выражениям потенциала этих процессов ψk, и как следствие - к различению их движущих сил Хk = - gradψk.

Е) Движущая сила лучистого энергообмена.

Эвристическая ценность единого выражения движущей силы (10) состоит также в возможности нахождения неизвестных ранее сил. В частности, изучение особенностей энергообмена между веществом и изотропным полем 'рассеянного' излучения позволяет утверждать существование особой формы передачи энергии, не сводимой в общем случае ни к теплообмену, ни к работе, совершаемой каким-либо полем. Речь идет о процессе передачи 'радиантной' (в терминологии Н. Тесла) энергии, который мы будем называть более привычным термином 'лучистый энергообмен'. До настоящего времени движущая сила этого вида энергообмена остается неизвестной. Известно лишь, что для так называемого теплового излучения, занимающего очень небольшую часть спектра излучения абсолютно черного тела (АЧТ) с длиной волны от 0,4 до 4 мк,  роль такой силы играет разность возведенных в четвертую степень абсолютных температур этого тела и воображаемой 'излучающей полости' с идеально отражающими стенками. Однако явления фотосинтеза, фотоэффекта, фотоионизации, фотолюминесценции, фотоакустические явления, фотоядерные реакции и т.п. показывают, что поле излучения может оказывать не только давление, но и другие виды силового воздействия, выводящие тело из состояния равновесия. Это ставит задачу отыскания движущей силы лучистого энергообмена подобно тому, как это сделано в отношении других скалярных полей (температур, давлений, химических, электрических, гравитационных и т.п. потенциалов). Для этого воспользуемся известным выражением энергии осциллятора [8]: 

    

            Uв = МA2ω2/2 .                                                                 (20)

          Это выражение является общим для волн, энергия которых  Uв  имеет кинетическую Uвк и потенциальную Uвп  составляющую, а смещение её фронта может быть выражено в функции радиус-вектора r и времени t. Хотя физический смысл входящих в это выражение величин и единицы их измерения различаются для акустических, гидравлических и электромагнитных волн, его структура остается единой. В частном случае механических осцилляторов М - масса осциллятора, [кг]; A - амплитуда колебания, [Н]; ω -частота волны, [рад/с].

          Согласно энергодинамике, любая форма энергии может быть представлена в виде произведения экстенсивной величины Θл как количественной меры энергоносителя и фактора интенсивности (потенциала ψл данной формы движения), что в данном случае приводит к выражению:

 

dUв = - Θлdψл = - МAωd(Aω).                                      (21)

 

           Отсюда следует, что количественной мерой носителя лучистой энергии для бегущей волны является величина Θл = МAω, а потенциалом излучения ψл - величина Aω, которую в дальнейшем для определенности мы будем называть амплитудно-фазовым потенциалом.  Таким образом,     

          Zл = МAω∆Rл ,                                                              (22)

где Rл - смещение центра величины Θл = МAω вследствие её неравномерного распределения по длине волны.  В таком случае движущая сила процесса лучистого энергообмена Хл  согласно (17) принимает вид [9]:

Хл = - (∂Ев/∂Zл) = - grad(Aω) .                             (23)

        Как видим, движущая сила процесса переноса лучистой энергии определяется отрицательным градиентом лучистого (амплитудно-фазового) потенциала gradψл = ωgradА + Аgradω.  Это означает, что условием лучистого равновесия является равенство у тела и скалярного поля излучений амплитудно-фазовых потенциалов ψл = Aω, нарушить которое можно, изменив амплитуду, частоту или фазу колебаний в одном из них. При этом лучистая энергия передается телам, обладающим при прочих равных условиях меньшей амплитудой или частотой собственного излучения, а при равенстве того и другого - смещением фазы колебания в одной из взаимодействующих сред. Первые два фактора зависят от 'крутизны' фронта волны, которая, таким образом, убывает по мере её распространения в поглощающей или переизлучающей среде (что проявляется как эффект 'распластывания' волны). Существование силы Хл позволяет объяснить целый ряд явлений, начиная от причин рассеяния реликтового излучения во Вселенной и кончая выделением избыточной тепловой энергии в ряде так называемых 'сверхединичных' устройств [9].

       

Ж) Торсионные силы.

 В последнее время привлекают пристальное внимание процессы взаимодействия вращающихся масс и передачи в пространстве вращательного движения [10]. Сам по себе факт обмена между подсистемами моментом количества вращательного движения (моментом импульса), не является чем-то новым. На этом принципе работают, в частности, гидромуфты. Однако для эфира или физического вакуума как сред, предположительно не обладающих моментом инерции, такой вид энергообмена весьма проблематичен. Поэтому представляет интерес чисто феноменологический (опирающийся на опыт) подход с позиций энергодинамики, которой чужды модельные представления. В этом случае можно показать, что причина возникновения обмена кинетической энергией вращения ('торсионная сила') в обоих случаях одна и та же. Пусть отдельные элементы массы твердых тел или жид­кости (моли) вращаются вокруг мгновенного центра инерции с угловой скоростью ω. Тогда радиус-вектор их общего центра инерции Rω определяется тройкой уравнений (5) по числу компонент ωα  (α =1,2,3) и оказывается смещенным относительно центра потока. Торсионная cила Fтс, обусловленная пространственной неоднородностью поля угловых скоростей, также может быть найдена из выражения (11) как производная от кинетической энергии вращательного движения Еω = Iωω2/2 по радиус-вектору Rи центра момента импульса L = Iωω в условиях изменяющейся угловой скорости ω. Для простоты рассмотрим одномерный случай, когда передача момента импульса осуществляется вдоль оси вращения. Тогда L = Iωω и Zi = LRи. При этом

Fтс = - ∂(Iωω2/2)/∂Rи = - Iωω grad ω,                      (24)

а её удельное значение Хтс определяется, как и в других случаях, отрицательным градиентом угловой скорости Хтс = - grad ω. В более общем случае трехмерного вращения торсионная сила определяется вектор-градиентом угловой скорости gradω и является тензором 2-го ранга. Таким образом, возникновение процессов переноса в пространстве момента импульса получает столь же естественное обоснование, как и все другие процессы переноса (тепла, вещества, заряда, импульса и т.п.).

         Для более наглядного подтверждения универсального характера энергодинамического определения понятия силы все упомянутые выше их виды, порождающие механические, термодинамические, химические, электромагнитные и т.п. процессы, помещены в таблицу 1.

 

                                                                                                                                 Таблица 1

Аналитические выражения движущих сил разнородных процессов

Природа силы

Аналитическое

выражение

Примечание

Гравитационная сила

Хg = - Ñψg = g ; Fg = Mg

M - масса; ψg - гравитац. потенциал

Электрическая сила

Хе = -Ñφ = Е;  Fe = Θe Хе

φ - электрич. потенциал; Θe-заряд

Ускоряющая сила

Хw =  - ÑvFw = Ma

Ñv ≡ Grad v - вектор-градиент скор.

Сила инерции

Хи =  - Ñv;  Fи = Р Хи

v = ׀v׀; Р= ׀ Рw ;Рw- импульс.

Центробежная сила

Хц =  - (Ñv)а ; Fц = M Хц

v)а =2ω; ω - угл. скорость;

Термодвижущая сила

Хq = - ÑT;    Fq = SХq

S - ‎энтропия; T - абсол. температура

Гидродинамич. сила

Хр = - Ñр;    F р =  V Хр

V- объем; р - абсолютное давление

Магнитная сила

Хм = В = Ñ×АFм = ВV

А - векторный пот-л; В - магн. индукция

Химическая сила

Хr= - ÑАrFr =  Mr Хr

Аr - сродство r-й р-ции; Mr - масса реагентов

Поляризующая сила

Хп = - εоεпÑφ = Рп; Fм = VРп

εп о- диэл. проницаемость диэлектрика и вакуума; Рп - вектор поляриз

Намагничивающая сила

Хп = - μоμмН = М; Fм = VМ

μм , μо - магн. прониц. магнетика и вакуума; М- вектор намагничения.

Диффузионная сила

Хд = - ÑζkFд =  Mk Хд

ζk - диффуз. п-л; Mk - масса k-го в-ва

Осмотическая сила

Хос = - ÑςkFос =  Mk Хос

ςk - осмотический потенциал

Фильтрацион. сила

Хф= - ÑhkFф =  Mk Хф

hk - энтальпия фильтрующегося в-ва.

Термоэлектрич. сила

Xeq= - sе*ÑT; Feq= Θe Xeq

sе*- энтропия переноса электронов

Термодиффузионная сила

Xkq= - sk*ÑT;FkqMk Xkq

sk*- энтропия переноса k-го вещества

Электрохимическая сила

Xеk= - Ñμеk;  ;FkqMk Xеk

μеk = μk + еkφ   - электрохимич. п-л

Седиментационная сила

Xkg= - сkÑψg;Fkg= MkÑψg

сk- концентрация k-го вещества

Сила сдвиговой вязкости

Xс = - μсv)s; Fсf Xс

μс - к-т сдвиговой вязкости;  f - поверхн.; (Ñv)s- сим. часть тензора Ñv.

Сила турбулентной вязкости

Xт =- μтv)а; FсМXт

μт - к-т турбулентной вязкости; (Ñv)а - антисимм. часть тензора Ñv

Сила объемной вязкости

Xv =- μvÑ·v; FсV Xт

μv- к-т объемн. вязкости;Ñ·v - след  тензора Ñv

Торсионная сила

Хтс = - Ñω;  Fтс =  Iωω Хтс

Iω- мом. инерции; ω -угл. скорость

Сила лучистого энергообмена

Хл = -ÑAω;  Fл = МAω Хл

A - амплитуда волны.

 

           Данная в этой таблице классификация сил по характеру процесса является на сегодняшний день наиболее полной. Она насчитывает более двух десятков независимых сил, каждая из которых порождает особые, феноменологически отличимые и несводимые к другим изменения состояния исследуемой системы. Это позволяет считать энергодинамику своего рода 'обобщенным учением о силах'. Как следует из таблицы, возникновение каких-либо сил обусловлено изменением энергии системы при отклонении пространственного распределения в ней соответствующего энергоносителя (энтропии, массы, k-го вещества, заряда, импульса, его момента и т.п. от равновесного. Это естественно, поскольку в соответствии с 'общим началом' термодинамики удаление системы от внутреннего равновесия обусловлено исключительно совершением над ней полезной работы, т.е. приложением сил. Вопрос о том, каковы эти силы - внутренние или внешние (по отношению к объекту исследования) - целиком зависит от того, рассматриваем ли мы в качестве него всю совокупность взаимодействующих тел или только часть из них. Что же касается природы этой силы, то она определяется в каждом конкретном случае условиями однозначности исследуемого процесса. При этом удельная (так называемая 'термодинамическая') сила любого независимого процесса Хi, выражается, как следует из таблицы, через производную от соответствующего этому процессу потенциала ψi по пространственной координате, т.е. целиком определяется пространственной неоднородностью распределения этой величины. В свою очередь, полные силы Fi в их обычном (ньютоновском) понимании, пропорциональны термодинамическим силам Хi с коэффициентами пропорциональности Θi, характеризующими количество соответствующего энергоносителя. В этом и проявляется единство сил любой природы.

            С другой стороны, таблица отражает необычайное многообразие сил по их физической природе. Это становится особенно очевидным, если учесть различие сил, приведенных в таблице, для каждого k-го компонента системы и каждой ее независимой фазы. В результате число явно различимых сил, охватываемых таблицей 1, составляет многие десятки. Такая детализация сил по характеру процесса знаменует существенный прогресс в ряде фундаментальных дисциплин. Во-первых, становится ясным, что силы в природе отнюдь не сводятся к сильным и слабым, электромагнитным и гравитационным. Далее, становится ясным, что электрические и магнитные силы различаются не только в электростатике, но и в электродинамике, несмотря на возникающую между ними связь. Это позволяет в дальнейшем объяснить работу устройств, осуществляющих преобразование энергии из электрической в магнитную и обратно. Еще большее разнообразие сил проявляется при протекании физико-химических процессов, изучаемых теорией необратимых процессов [6]. В этой теории, дающей единое описание процессов переноса энергии, вещества, заряда, импульса и т.п., предполагается, что каждый из независимых процессов переноса или релаксации возникает под действием всех имеющихся в системе сил одного и того же (или четного) тензорного ранга. Прогресс в этой области связан с обнаружением существования для каждого независимого процесса единственной (результирующей) движущей силы, с обращением которой в нуль процесс данного рода прекращается. Нахождение таких сил (таблица 1) позволяет обобщить законы Фурье, Ома, Фика, Дарси, Ньютона и т.п. на случай наличия у фигурирующей в них движущей силе нескольких составляющих различной природы, что и предопределяет 'ветвление' траектории процесса в пространстве переменных Θi, разнообразие самих этих процессов, их необратимый характер и т.п. Все это открывает новые возможности описания и исследования налагающихся физико-химических процессов [4].

5. Альтернатива единой теории поля.

 Известно, что А.Эйнштейн посвятил последние 30 лет своей жизни неудавшемуся поиску "единой теории поля", которая объединила бы ОТО (теорию пространства-времени и гравитации) с теорией Максвелла, в свою очередь объединившей электромагнетизм с оптикой. Некоторого прогресса в этом направлении удалось достичь с помощью теории элементарных частиц и сил, известной как 'Стандартная Модель'. Эта теория достигла формального сближения электромагнетизма со слабыми взаимодействиями, управляющими взаимопревращением нейтронов и протонов в радиоактивных процессах и в недрах звезд. Она предлагает также сходное описание сильного взаимодействия, удерживающего протоны и нейтроны вместе внутри атомных ядер.

Однако число 'элементарных' частиц в настоящее время уже превышает 350 и продолжает быстро расти. Это обстоятельство уже само по себе делает создание единой теории поля (часто называемое "Великим Объединением") чрезвычайно сомнительной и, как указано в начале статьи, до конца не решаемой задачей. К тому же нельзя забывать и о том, что такое объединение требует включения гравитации, для которой не известны не только частицы, ответственные за данное взаимодействие, но и принципы, которые могли бы лежать в основе объединения квантовой теории поля с общей теорией относительности. В этих условиях становится в высшей мере целесообразным поиск альтернативы "суперобъединению", т.е. построение теории, которая позволила бы единым образом находить явно различимые силы, ответственные за разнообразные естественные процессы, вместо того, чтобы сводить все виды взаимодействия к действию одной-единственной силы. Такой теорией, как следует из вышеизложенного, и является энергодинамика [4].

            В противовес Стандартной модели энергодинамика классифицирует силы и присущие им взаимодействия исключительно по характеру порождаемых ими процессов. Такой подход, как следует из приведенной таблицы, оказывается не только более информативным - он принципиальным образом изменяет сам объект исследования, акцентируя внимание исследователя не на структуре какой-либо элементарной частицы, а на свойствах пространственно неоднородной совокупности любых (элементарных и неэлементарных) частиц, рассматриваемой как единое неравновесное целое.

          Кроме того, энергодинамика проливает новый свет на происхождение силовых полей. Как следует из выражения (10), силы Fi возникают только там, где имеет место отклонение состояния системы по одному из ее экстенсивных свойств от однородного (равновесного). Это означает, что силовые поля возникают не из-за наличия в системе 'полеобразующих' масс M, зарядов Θe, токов и каких-либо частиц вообще, а вследствие их неравномерного распределения в пространстве, что и порождает напряженное состояние заполняющей его материи (как бы мы её ни называли - эфиром, полем или физическим вакуумом). Благодаря этому открывается возможность создания действительно единой теории поля, объясняющей происхождение явно различимых сил и порождаемых ими процессов независимо от их принадлежности к той или иной области знания.

Литература

1.   Розенбергер И. История физики. Ч. 2. (История физики в новое время). М.; Л.: Гостехиздат, 1933.

2.   Ньютон И. Математические начала натуральной философии. Пер. с лат. А.Н. Крылова, Петроград, 1916.

3.   Утияма Р. К чему пришла физика. (От теории относительности к теории калибровочных полей). М., Знание, 1986, 224 с.

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

5.   Поливанов К.М. Электродинамика движущихся тел.-М.:Энергоатомиздат, 1982, 192 с.

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

7.   Гиббс Дж.В. Термодинамические работы. Ч.3. О равновесии гетерогенных веществ.: Пер. с англ. - М. -Л.: Гостехиздат, 1950.

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

9.    Эткин В.А. О неэлектромагнитной природе света. (http://zhurnal.lib.ru/e/ etkin_w_a/).

10. Шипов Г.И. Теория физического вакуума. Теория, эксперименты и технологии. М.:Наука, 1997, 450 с.

11. Эткин В.А.Альтернатива 'Великому объединению'.(http://zhurnal.lib.ru/e/etkin_w_a/).

       


1) Направление силы, определенной таким образом, соответствует протеканию в подсистеме или в системе как целом релаксационных процессов, приближающих их к внутреннему или внешнему равновесию.


 Ваша оценка:

РЕКЛАМА: популярное на Lit-Era.com  
  М.Ваниль "Исцели меня собой" (Романтическая проза) | | М.Анастасия "Хороший ректор - мертвый ректор" (Любовное фэнтези) | | В.Мельникова "Избранная Иштар" (Любовное фэнтези) | | Е.Лабрус "Держи меня, Земля!" (Современный любовный роман) | | А.Респов "Эскул. Небытие" (ЛитРПГ) | | М.Старр "Ненавижу босса!" (Юмор) | | М.Старр "Мой невыносимый босс" (Современный любовный роман) | | Т.Тур "Женить принца" (Любовное фэнтези) | | Б.Толорайя "Найти королеву" (ЛитРПГ) | | И.Шаман "Реалрпг. Демон разума" (ЛитРПГ) | |
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
Э.Бланк "Атрион. Влюблен и опасен" Е.Шепельский "Пропаданец" Е.Сафонова "Риджийский гамбит. Интегрировать свет" В.Карелова "Академия Истины" С.Бакшеев "Композитор" А.Медведева "Как не везет попаданкам!" Н.Сапункова "Невеста без места" И.Котова "Королевская кровь. Медвежье солнце"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"