Безинерциальные заряды и токи. Гипотеза об эквивалентности 2-х калибровок (стр. 1 из 3)

Кулигин В.А., Кулигина Г.А., Корнева М.В.

Введение

Исследуя проблемы калибровки уравнений Максвелла [1], [2], мы математически строго доказали следующее.

1. Задача Коши для уравнений в частных производных не имеет единственного решения. Решение зависит от выбора калибровки, т.е. калибровочная инвариантность и градиентная инвариантность в общем случае не имеют места.

2. Предельный переход в уравнениях Максвелла от волновых процессов к квазистатическим при v<<c является незаконным.

3. В силу этого, электромагнитные волны и квазистатические поля заряженных инерциальных частиц (электронов, протонов и т.д.) должны описываться разными группами уравнений. Электромагнитная волна должна удовлетворять волновому уравнению, а квазистатические поля должны описываться уравнением Пуассона.

Поскольку выводы опираются на строгое математическое доказательство и не содержат каких-либо гипотез, они подрывают основы не только классической электродинамики, но и квантовой электродинамики.

В то же время, хорошее согласие уравнений Максвелла с экспериментом (например, прекрасно подтвержденная экспериментом теория антенно-фидерных систем) и ряд важных результатов в квантовой электродинамике требуют поиска объяснения этих фактов.

В настоящей работе показано, что существует условие, при котором имеет место градиентная инвариантность, т.е. эквивалентность кулоновской калибровки и калибровки Лоренца. Рассмотрены также следствия, вытекающие из этого условия.

1. Токи в коаксиальной линии

Первым направлением наших исследований, нацеленным на решение поставленной проблемы, стал анализ различных калибровок уравнений Максвелла и попытки видоизменить эти уравнения так, чтобы сохранить положительные результаты и правильно описать явления. К сожалению, этот путь не привел нас к желаемым результатам.

Второе направление – анализ решений уравнений Максвелла для различных задач электродинамики. Именно этот путь позволил переосмыслить уравнения Максвелла и найти условие, при котором градиентная инвариантность имеет место.

В качестве иллюстрации рассмотрим распространение полей в коаксиальной линии (ТЕМ волна). Когда к линии подключается источник напряжения, между проводниками линии начинает со скоростью света распространяться электромагнитная энергия. Проводник, как известно, можно рассматривать как квазинейтральную систему, в которой заряды электронов и ионов создают суммарное поле, равное нулю при отсутствии сторонних источников полей. В рамках максвелловской теории имеет место закон сохранения заряда. Если заряды возникают (разделяются), то попарно (положительный и отрицательный) без нарушения этого закона.

Мы должны при объяснении процессов принять также во внимание то, что согласно современным воззрениям средняя скорость электронов проводимости в проводнике весьма мала.

Вернемся к полям в коаксиальной линии. Рассмотрим процесс распространения энергии при подключении к линии источника постоянного напряжения. В современной литературе нет ясного объяснения процесса распространения энергии от источника. Мы рассмотрим некоторые варианты.

Рис.1

Вариант первый. Это наиболее распространенный вариант объяснения. В линии будет распространяться волна, которая на поверхности проводников образует заряды. Поверхностные заряды движутся и создают поперечное электрическое и магнитное поле.

Однако, если волна возбуждает эти заряды, то они возникают парами в соответствии с законом сохранения заряда (ион и электрон проводимости). Сразу после прохождения фронта волны заряды должны разделяться в обоих проводниках, причем так, чтобы на центральном проводнике существовали и двигались только положительные заряды, а на периферийном – только отрицательные заряды. В противном случае электрическое поле в коаксиальной линии существовать не может! В этом случае мы должны объяснить следующую проблему. Каким образом при рождении пары разноименных зарядов на каждом из проводников (ион и электрон проводимости) электрон проводимости может перескочить с центрального проводника на периферийный, чтобы обеспечить избыток отрицательных зарядов на внешнем проводнике и недостаток – на внутреннем (положительный ион, конечно же, не может!)? Такого механизма перехода не существует.

Вариант второй. Можно предположить другое. Вдоль проводников от источника напряжения и к нему по разным проводникам движутся электроны проводимости как показано на рис. 2. Однако и это положение не согласуется ни с теорией относительности (например, здесь скорость электронов проводимости должна быть равна скорости света), ни с современными представлениями о малой средней скорости перемещения электронов проводимости в проводнике.

Рис. 2

Третий вариант. Второй вариант объяснения можно дополнить предположением, что электроны проводимости по какой-то причине “теряют” свои инерциальные свойства, т.е. их масса покоя становится равной нулю. Тогда они действительно могут двигаться со скоростью света вдоль поверхности металла. Но и этот вариант имеет дефект. Причина в том, что поверхностные токи на каждом из проводников образуются только электронами проводимости (положительные ионы неподвижны!). Следовательно, при распространении энергии вдоль линии даже при переменном напряжении внутри коаксиальной линии должна образовываться и существовать постоянная составляющая магнитного поля. Экспериментально она не была зафиксирована.

Новый вариант. По этой причине у нас остается единственный вариант объяснения. В проводнике должны существовать положительные и отрицательные заряды, не обладающие инерциальными свойствами. Но это не инерциальные электроны проводимости! Следовательно, не волна возбуждает заряды и токи в коаксиальных линиях, волноводах и т.д. на поверхностях проводников. Такие заряды создаются источником напряжения, и они движутся со скоростью света вдоль поверхности проводников. Именно они порождают в линии электромагнитные поля и переносят энергию; они – источник полей в длинных линиях.

Этот вывод настолько противоречит современным представлениям, что необходимо рассмотреть математическую сторону этого процесса.

Известно, что поля Er и H , которые существуют в коаксиальной линии, образуя ТЕМ волну, удовлетворяют волновым уравнениям.

(1.1)

Выделим кольца шириной dz на поверхностях коаксиальных цилиндров (см. рис. 1) и подсчитаем величину зарядов на этих кольцах:

Внешний коаксиальный цилиндр: dq1=2 b Er(b)dz.

Внутренний коаксиальный цилиндр: dq2=2 a Er(a)dz,  dq1 = dq2 =dq

Поверхностные токи этих проводников соответственно равны:

Внешний коаксиальный цилиндр: I1=2 bH (b).

Внутренний коаксиальный цилиндр: I2=2 aH (a),  I1 = I2 =I.

Принимая во внимание уравнения (2.1), мы можем записать уравнения для зарядов и токов:

. (1.2)

Из уравнений следует, что поверхностные заряды q, создающие поверхностные токи I, движутся вдоль коаксиальной линии с постоянной скоростью, равной скорости света! Эта скорость неизменна. Заряды не могут ускоряться или замедляться под действием каких-либо сил. Они не имеют инерциальных свойств. Масса покоя этих зарядов равна нулю. Мы еще раз хотим повторить, что единственным источником этих зарядов служит источник U.

Описанные выше токи и заряды не являются чем-то новым. Любой учебник, описывающий распространение волн в волноводах, коаксиальных линиях и т.д., содержит упоминание о поверхностных зарядах и токах. Однако авторы учебников по классической электродинамике старательно избегают обсуждать эту проблему. Причина тривиальная.

Ток в проводниках, согласно современным представлениям, обусловлен движением электронов проводимости. Признать, что эти электроны могут двигаться со скоростью света, означает признать несостоятельной Специальную теорию относительности. Добавим, что движение электронов с такой скоростью не согласуется с результатами электронной теории. По этим причинам авторы учебников “списывают” эти явления на электромагнитную волну, избегая подробностей объяснения.

Существование безинерциальных зарядов и токов – не гипотеза. Вся современная теория антенно-фидерных систем подтверждает их существование. Необходимо лишь отбросить предрассудки и догмы современных представлений и опереться на логику и здравый смысл. Нужно осознать и принять этот факт.

2. Условие выполнения “градиентной инвариантности”

Как мы установили в [1], [2], градиентная инвариантность в общем случае не имеет места. Для инерциальных зарядов кулоновская калибровка не эквивалентна калибровке Лоренца. Эквивалентность требует одновременного выполнения двух условий:

(2.1)

В общем случае, если мы рассматриваем движение зарядов с произвольной скоростью v, это условие не выполнимо. Два записанных уравнения несовместны.

Однако пример, рассмотренный в предыдущем параграфе, подсказывает единственное условие эквивалентности калибровок. Оно гласит:

Уравнения (2.1) являются совместными тогда и только тогда, когда плотность пространственного заряда удовлетворяет волновому уравнению.

(2.2)

Как следствие, токи тоже должны подчиняться этому уравнению

(2.3)

где с - вектор скорости, равный по величине скорости света.