Классическая физика: самоорганизующиеся системы и микромир (стр. 9 из 14)
Чтобы привести, например, все три диполя на рисунке 1 в совместное движение вправо или влево, нужно приложить к ним силы, выводящие диполи из устойчивых положений. Система будет двигаться лишь до тех пор, пока ее движут внешние силы. Поля будут всегда отставать от диполей, и будут действовать силы, движущие диполи назад к устойчивым положениям. Действие этих сил не прекратится, пока что-то не изменится, и элементы не будут двигаться в "ямах". Что же должно измениться, как и почему? Чтобы эти силы не возникали вовсе, нужно, чтобы потенциальные ямы заранее, еще до начала движения, излучались туда, где окажутся элементы, когда поля дойдут от своих источников до "ям". Если же изменения начнутся после начала движения (что и происходит в системах), то эти силы будут действовать при ускорениях, выступая как силы инерции.
Пока поля и силы, создающие целостность тел, оставались в тумане, эта проблема не возникала. Теперь же, отмахнувшись от нее, мы не получим стройной картины движения, а обратив на нее внимание, попадаем в трудное положение. Ведь инерция считается фундаментальным свойством материи, а мы видим какую-то инерцию вместе с ее причиной. И избавиться от нее не можем. Это та же самая инерция или какая-то вторая? Мы заниматься этим не будем, но отметим: классическая физика подошла к вопросу о происхождении инерции масс. Рассмотрим это явление с другой целью и на совсем ином примере, попроще.
Пусть два автоматических подвижных объекта поддерживают расстояние между собой следующим способом. Действуя каждый по своим часам, они одновременно излучают периодические импульсы звука и, находясь на заданном (устойчивом) расстоянии, принимают их друг от друга точно в тот момент, когда излучают очередной импульс. Запаздывание сигнала к этому моменту означает, что расстояние велико, и объект движется, сокращая расстояние. При опережении - увеличивает расстояние.
Если эту пару привести в совместное движение, то задний в движении объект будет принимать сигналы с опережением, т.к. движется навстречу звуку, и будет тормозить, пытаясь увеличить расстояние. Передний же объект будет получать сигналы с запаздыванием и тоже тормозить, пытаясь сократить расстояние. Объекты остановятся. Система не может двигаться по инерции. Система иная, но явление то же и та же причина: конечная скорость сигналов и целостность системы.
Чтобы пара двигалась, нужно сдвинуть часы переднего объекта назад или заднего - вперед на некоторый временной интервал, так, чтобы компенсировать разность во времени хода сигналов вперед и назад при данной скорости. Точнее: сдвинуть во времени текущие в объектах процессы (приема-передачи и обработки сигналов). Тогда объекты будут поддерживать эту скорость и препятствовать ее изменению. Расстояние же между ними уменьшится так, чтобы сигналы снова проходили его взад-вперед за тот же период, несмотря на движение. Если скорость звука в воздухе равна "с", скорость объектов относительно воздуха - "v", то скорость сигнала относительно объектов будет равной в одну сторону c-v, в другую c+v, а средняя скорость сигнала на всем пути окажется равной c(1 - v2/с2), потому расстояние между объектами тоже уменьшится пропорционально величине 1 - v2/с2. При движении в направлении, перпендикулярном расстоянию, размеры уменьшатся как корень квадратный из этой величины.
Итак, движение здесь сокращает размеры системы, а ее устойчивая скорость определяется временным интервалом. Заметим, что, не зная, какова скорость объектов относительно среды, несущей звуковой сигнал, мы не сможем определить, как изменяется расстояние между ними. Поэтому, избегая такой неопределенности в дальнейшем, будем полагать, что все наши объекты погружены в какую-либо среду (газообразную, жидкую), которая и служит проводником электромагнитных или звуковых волн или сигналов. Кроме того, рассматривая движение электромагнитных объектов в средах, мы избегаем столкновения с теорией относительности, которая на движение в средах не распространяется.
Те же изменения будут происходить и в искусственных телах - самоорганизующихся системах. Например, в системе из генераторов. Если поместить такую систему в электромагнитную среду и привести среду в движение, то движение среды будет сносить поля и образуемые ими устойчивые положения в сторону своего движения, и элементы окажутся вне устойчивых положений. Возникнут силы, увлекающие систему вслед за средой и противодействующие их относительному движению. Здесь тоже, чтобы этих сил не стало, нужно сдвинуть во времени колебательные процессы, текущие в генераторах.
Чтобы говорить здесь о времени, мысленно сделаем так: подключим к генераторам электронные счетчики колебаний и выведем результаты счета – целые числа колебаний и их дробные доли - на часовые табло. Получатся обычные электронные часы, но связанные в единую систему, т.к. генераторы входят в синхронизм самопроизвольно, подстраиваются друг к другу; то же происходит и с часами.
Пусть часы при неподвижной системе показывают одинаково. Через некоторое время после начала движения установится новый синхронизм, появятся разности фаз колебаний. Приведя в движение среду, будем говорить о движении системы относительно среды. Поля, которые и служат сигналами синхронизации генераторов, движутся назад (относительно системы) быстрее, чем вперед, поэтому колебания в генераторах, передних в движении, отстанут во времени и по фазам от колебаний в задних генераторах, что мы и увидим на часах. Мы увидим временные интервалы между локальными колебательными процессами в виде разностей в показаниях часов. Установятся временные интервалы, точно соответствующие скорости движения. Каждый последующий в движении процесс опережает предыдущего на некоторый временной интервал.
Когда временные интервалы соответствуют скорости, силы противодействия исчезают. Размеры систем тоже изменяются, уменьшаясь с увеличением скорости, поскольку уменьшается средняя скорость электромагнитного поля в промежутках между элементами, уменьшаются длины стоячих волн и расстояния между элементами. После этого потенциальные ямы излучаются точно туда, где проходят движущиеся элементы, система движется по инерции, и силы противодействия не возникают.
Тройка диполей, показанная на рис.1, при движении вправо по инерции будет выглядеть, как показано на рис.2. Здесь диполь 3 (задний) опережает в своем вращении диполя 2. Его отрицательный заряд уже был вверху некоторое время назад, когда показанный на рисунке фрагмент волны проходил через него. Диполь 1 (передний) отстает в своем вращении. Его отрицательный заряд окажется вверху тогда, когда через него будет проходить волна, излученная диполем 2 и показанная на рисунке. Диполи 1 и 3 и в этом положении параллельны полю, но оно не параллельно плоскости рисунка и потому не показано. Таким образом, все три диполя движутся, оставаясь в устойчивых положениях. Но при ускорениях они не могут мгновенно повернуться относительно друг друга. Для этого нужно двигать систему некоторое время, преодолевая силы устойчивости.
.
.Ели бы все отрицательные заряды были здесь в верхнем положении, то на диполи 1 и 3 действовали бы силы, движущие их назад - в те участки поля, что показаны на рисунке. А их излучения оказались бы слева от диполя 2 - сзади, и на него тоже действовали бы такие силы. Кроме того, действовали бы силы, стремящиеся довернуть диполи в положения, показанные на рисунке 2. До тех пор, пока не сформируются временные интервалы, т.е. пока диполи не повернутся относительно друг друга, силы противодействия не исчезнут, и система не будет двигаться по инерции.
Системе диполей на рис.2 сопоставлена система часов, стрелки которых вращаются как бы вместе с диполями. Разность хода часов показывает временной интервал - относительное опережение или запаздывание местных процессов вращения и излучения. Изображая элементы (точнее: процессы в них) в виде часов в системе координат, можно одним значком показать и текущую фазу процесса, и его координаты. Так и сделаем потом.
С точки зрения классической физики, в природе не существуют статические поля, способные удерживать элементы на расстояниях друг от друга, создавая объемные тела и структуры, и мы вынуждены полагать, что для этого необходимы когерентные волновые поля и процессы. Значит, целостность тела или структуры возможна лишь тогда, когда в них присутствует объемный когерентный процесс - некая система "местных часов", единого внутреннего времени. Любая пространственная структура, если цела, содержит в себе такую систему "часов". А изменение скорости структур связано с перестройкой этой системы единого времени и без нее не происходит.
Самоорганизующаяся система есть единый и цельный электромагнитный объект, поэтому конечный результат изменений, вызванных в ней движением, описывается преобразованиями Лоренца для электромагнитных объектов и процессов, движущихся в пустом пространстве или в той электромагнитной среде, в которую она помещена и сквозь которую движутся в ней волны. Мы привыкли понимать Лоренцево "местное время" как нечто сугубо теоретическое и абстрактное. Теперь же мы знаем объект, в котором можно разместить вполне реальные часы местного времени. Мы используем это в следующем разделе, где рассмотрим свойства самоорганизующихся систем, применяемых в качестве меры пространства-времени.