О современной теории поля

Работа над теорией относительности навела нас на мысль подробно остановиться на теории поля – разделом физики, частью которого и является теория относительности. Это решение было принято для того, чтобы ещё раз взглянуть на проблемы теории относительности, но уже с другой стороны – с точки зрения целостной теории поля.

Для начала вспомним сводные выводы, сделанные нами в отношении теории относительности в предыдущих статьях [1,2,3,4,5]:

1. Основное содержание специальной теории относительности и многие результаты общей теории относительности, в виде, очищенном от философских воззрений А. Эйнштейна, не противоречат диалектическому материализму. Они могут и должны быть истолкованы с позиций последнего.
2. Философские воззрения А. Эйнштейна материализму противоречат. Их критика со стороны материалистов в общем и целом справедлива.
3. Принцип постоянства скорости света в вакууме является выводом классической электродинамики. Кроме того, он, наряду с принципом эквивалентности инертной и гравитационной масс, является экспериментально подтверждённым фактом и успешно используется на практике. Эти принципы необходимо признать вместе со всеми их следствиями. Принцип эквивалентности необходимо признать как принцип дуализма инерционных и гравитационных свойств материи, определяемых единым параметром – массой.
4. Электромагнитные волны отличны от большинства известных человечеству волн. Они материальны сами по себе, и не требуют никакой среды для своего распространения. Эфира в том виде, каким его представляли себе физики до середины прошлого века, нет, однако, вопрос о его существовании в ином виде и непосредственно связанный с ним вопрос об истинной природе пространства нельзя считать закрытыми в рамках СТО.
5. Энергия есть характеристика движения материи, значение которой прямо пропорционально её количеству.
6. Концепция четырёхмерного псевдоевклидова пространства-времени Минковского отражает диалектическое единство пространства и времени. Однако оно также является не более чем математическим выражением нашего представления о реальном пространстве-времени.
7. Искривлённое пространство-время ОТО должно быть понято и принято нами как математическая модель, являющаяся не более чем абстракцией действительного пространства-времени. Также мы должны принять, что все выводы, полученные для «искривлённого пространства-времени», на деле относятся к материальным силовым полям, определяющим естественные движения материи и скорости проистечения природных процессов.
8. Не следует удовлетворяться ОТО в том виде, в котором она существует сегодня. В ней есть множество проблем, решением которых заняты современные физики. За результатами их работы необходимо внимательно следить.
9. При включении теории относительности в курс физики, из него была исключена теория привилегированных систем отсчёта, что нанесло ему ущерб. Эти теории необходимо согласовать друг с другом и обе включить в означенный курс. Кроме того, современный курс физики не объясняет, что пространство и время суть атрибуты материи, что также не лучшим образом влияет на его качество.
10. Общая теория относительности хорошо иллюстрирует некоторые законы диалектического материализма. В частности, тот факт, что нет ничего абсолютного, вечного, неизменного, нет абсолютной истины, даже пространство и время разные в разных местах и случаях. Наконец, любое мыслимое нами понятие о чём-либо никогда абсолютно точно не отражает описываемый им объект, но может описывать его сколь угодно точно и должно это делать всё точнее и точнее по ходу развития науки.

Рассмотрев выводы, перейдём теперь к обозначению проблем, которые мы хотим обсудить в настоящей работе. Для начала отметим, что в физике существуют две концепции: близкодействия и дальнодействия. Согласно Википедии, они существовали и противоборствовали в рамках классической физики, однако, есть основания полагать, что и в современной физике эта ситуация осталась. Близкодействие (или короткодействие) — это концепция, согласно которой взаимодействия передаются с помощью материальных посредников и с конечной скоростью. Дальнодействие — концепция, согласно которой тела действуют друг на друга без материальных посредников, через пустоту, на любом расстоянии, с бесконечно большой скоростью (но подчиняется определённым законам). Примером действия тел друг на друга без материальных посредников можно считать силу всемирного тяготения в классической теории гравитации Ньютона и силу кулоновского взаимодействия двух электрических зарядов до создания теории Максвелла. Принципиальное отличие теории близкодействия, принятой на сегодняшний день, можно рассмотреть на примере взаимодействия двух точечных частиц. Концепция близкодействия постулирует, что в процессе этого взаимодействия частица А испускает другую частицу — С, при этом её скорость и импульс меняются согласно законам сохранения. Частица С поглощается частицей В, что, в свою очередь, приводит к изменению импульса и скорости последней. В результате создается иллюзия непосредственного влияния частиц A и B друг на друга.

Концепция близкодействия примечательна тем, что она, в отличие от концепции дальнодействия, является явно материалистической, т.е. основанной на интуитивно очевидных свойствах материи, в то время, как концепция дальнодействия основана на свойствах, интуитивно для материи не очевидных, однако, очевидными на первый взгляд представляются некоторые её результаты. Теория близкодействия вытекает из механики контактных взаимодействий, молекулярной физики, химии, электродинамики Максвелла, корпускулярной оптики и теории колебаний, а теория дальнодействия – из абсолютной механики Галилея-Ньютона, классической теории гравитации, домаксвелловской электродинамики, теории излучения и квантовой механики. Появление теории относительности и метода запаздывающих потенциалов казались полным и окончательным торжеством концепции близкодействия в физике.Однако, в конечном счете концепция дальнодействия вновь вернулась в физику в облачении явления квантовой запутанности.

Настоящая работа выйдет в трех частях. Все вопросы мы будем рассматривать в контексте принципа близкодействия и его противоборства с принципом дальнодействия. Мы начнём с принципа постоянства и максимальности скорости света как скорости распространения материальных взаимодействий вообще. После этого мы коснёмся принципа суперпозиции полей, который есть в электродинамике, но отсутствует в общей теории относительности.

Следующая проблема, которую мы бы хотели рассмотреть в настоящей работе – это проблема третьего закона Ньютона в теории относительности и в теории поля. Она заключается в том, что третий закон Ньютона в них не работает, но зато работает закон сохранения импульса через тензор энергии-импульса. Кроме того, в теории поля используется метод запаздывающих потенциалов. Эта проблема особенно примечательна тем, что третий закон Ньютона – это, с одной стороны, выражение того же закона природы, что и принцип Ле Шателье-Брауна и правила Ленца, на рассмотрении которого мы также остановимся подробно, а с другой стороны – закон сохранения количества движения в дифференциальной форме в системе двух взаимодействующих тел. Обратим внимание, что в релятивистской динамике работает закон сохранения энергии, но не работает закон сохранения массы. Это значит, что масса сложного тела не равна сумме масс составляющих его частей.

Также мы вновь обратим внимание на вопросы, связанные с системами отсчёта, в частности, привилегированными, и принципом взаимности движения. Суть в том, что есть реальный мир, в котором никаких абсолютных систем отсчёта нет, и есть физические задачи, которые мы себе ставим с целью познания мира, и в которых вводить такие системы отсчёта совершенно необходимо. В частности, хотим обратить внимание, что любая задача физики оперирует ограниченным набором объектов, и в абсолютном большинстве этих задач мы можем рассматривать их систему как замкнутую, в то время, как в реальном мире количество материальных объектов неограниченно в принципе, а системы, с которыми мы имеем дело – всегда являются открытыми.

Вторая часть нашей работы будет посвящена истории электродинамики. В третьей же части мы разберём т.н. «физику близкодействия» - альтернативно-научную концепцию за авторством Л. А. Похмельных и В. Н. Гуськова.

Понятие о том, что взаимодействия в природе распространяются с конечной скоростью, появилось тогда же, когда появилась гипотеза близкодействия. Научная проработка этого вопроса начинается с работ английского физика Джеймса Клерка Максвелла и находит своё продолжение в работах немца Эмиля Вихерта, француза Альфреда-Мари Лиенара и голландца Хендрика Антона Лоренца, и достигает кульминации в теории относительности немца Альберта Эйнштейна.

Максвелл научно поставил вопрос о скорости распространения взаимодействий в своих трудах по электродинамике. Строго говоря, в его трудах велась речь только об электромагнитных взаимодействиях, а о скорости распространения материальных взаимодействий вообще впервые заговорил Лоренц – и он же предположил, что она должна быть такой же, как и для электромагнитных взаимодействий – скоростью света в абсолютном вакууме. Сразу же оговоримся, что мы, как диалектические материалисты, ни в коем случае не допускаем существования абсолютной пустоты, тем более, что это не просто философский вывод материализма, это имеет своё выражение в законах физики, а именно – в третьем начале термодинамики. Тем не менее, понятие о скорости света в абсолютном вакууме необходимо для физики так же, как и другие физические модели. Эта скорость, можно сказать, является асимптотическим пределом всех скоростей в природе.

О том, как именно поставлен вопрос о скорости распространения электромагнитных взаимодействий в электродинамике Максвелла, мы вскользь упомянули в своей первой статье, посвящённой специальной теории относительности [5]:

«лежащий в основе СТО постулат о постоянстве скорости света, в свою очередь, сам является выводом из классической электродинамики, согласно которой скорость света в вакууме определяется универсальными константами (постоянными величинами) и сама при этом получается постоянной:

- где ε0 и μ0 – электрическая и магнитная постоянные соответственно.

Эти константы связывают между собой материальные и силовые характеристики электрического и магнитного поля соответственно:»

Иными словами, конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий обнаруживает себя в следующей совокупности фактов:

1. Силовые и энергетические характеристики электрического поля жёстко взаимосвязаны друг с другом, то же самое касается и магнитного поля. Характер этих взаимосвязей зависит от свойств среды, но за этой зависимостью так или иначе стоит фундаментальная природная закономерность. Это проявляется в том, что силы взаимодействия электрических зарядов пропорциональны их величинам. Кстати говоря, в случае гравитационного поля это тоже работает, с той разницей, что зависимость гравитации от свойств среды описывается совершенно иным образом.
2. Существование магнетизма как такового. Вообще, магнитное поле – это ни что иное, как преобразованное движением электрическое поле. В общепринятой концепции электродинамики электричество и магнетизм признаются как единое электромагнитное взаимодействие.

Заслуга Лиенара и Вихерта заключается в том, что они разработали метод запаздывающих потенциалов, позволяющий описывать распространение поля с конечной скоростью от источников, находящихся в движении. Об этом мы подробнее поговорим далее по тексту, в разделе, посвящённом закону сохранения импульса и запаздывающим потенциалам.

Вклад Лоренца в развитие теории поля исследовал научпоп-блогер Егор Леонтьев в своём видеоролике, посвящённом этому учёному:

«Лоренц разработал электронную теорию, которая известна под названием «Теория эфира Лоренца». Историческое значение этой теории на самом деле очень велико, несмотря на то, что на сегодняшний день от этого титанического труда остались фактически «рожки да ножки».

Именно в её рамках были разработаны знаменитые преобразования Лоренца, вошедшие впоследствии в теорию относительности Альберта Эйнштейна и имеющие глубокий смысл не только физический, но и философский, заключающийся в том, что пространство и время зависят от движения материи:

Из этой теории следует, что скорость электромагнитных взаимодействий равна скорости распространения материальных взаимодействий вообще, что совершенно определённо воплощает в себе принцип близкодействия, из которого последовательно вытекает, что пространство, время и движение определяются свойствами материи» [6].

Именно теория Лоренца наряду с первыми открытиями субатомных частиц знаменует переворот в представлениях о структуре вещества. Суть этого переворота описал В. И. Ленин в своей работе «Материализм и эмпириокритицизм»:

«Когда физики говорят: «материя исчезает», они хотят этим сказать, что до сих пор естествознание приводило все свои исследования физического мира к трем последним понятиям — материя, электричество, эфир; теперь же остаются только два последние, ибо материю удается свести к электричеству, атом удается объяснить как подобие бесконечно малой солнечной системы, внутри которой вокруг положительного электрона двигаются с определенной (и необъятно громадной, как мы видели) быстротой отрицательные электроны. Вместо десятков элементов удается, следовательно, свести физический мир к двум или трем (поскольку положительный и отрицательный электроны составляют «две материи существенно различные», как говорит физик Пелла). Естествознание ведет, следовательно, к «единству материи» — вот действительное содержание той фразы об исчезновении материи, о замене материи электричеством и т. д., которая сбивает с толку столь многих. «Материя исчезает» — это значит исчезает тот предел, до которого мы знали материю до сих пор, наше знание идет глубже; исчезают такие свойства материи, которые казались раньше абсолютными, неизменными, первоначальными (непроницаемость, инерция, масса и т. п.) и которые теперь обнаруживаются, как относительные, присущие только некоторым состояниям материи» [7].

Или, иными словами, в физике начинается эпоха, когда электромагнетизм становится «альфой и омегой» материи. Электромагнетизм оказывается способным влиять на пространственные и временные свойства тел, такие как линейный размер в направлении движения и скорость протекания природных процессов в движущихся телах.

Справедливости ради, необходимо отметить, что над теорией Лоренца на самом деле работал не он один. Основными источниками, легшими в основу теории Лоренца, были: электродинамика Максвелла, открытие электромагнитных волн Генрихом Герцем, электронная теория Рудольфа Клаузиуса и эфирная теория Огюстена Френеля. Кроме того, преобразования Лоренца были также получены независимо от него Джорджем Френсисом Фицджеральдом. Одним из источников вдохновения Лоренца на пути создания этой теории были лекции Анри Пуанкаре, который впоследствии стал не только вдохновителем, но и соавтором данной теории. Известно, что в части философии Пуанкаре был сторонником махизма, и этот факт любят использовать критики теории относительности, к которой он также приложил свою руку, однако это не повод отказывать ему в признании научных заслуг. Тем более, что, не в пример теории относительности, теория эфира Лоренца никогда и ни у кого не вызывала сомнений в своей материалистичности, хотя, как сказано выше, Пуанкаре приложил и к ней свою руку. Примечательно, что сторонником ТЭЛ был советский физик Аркадий Климентьевич Тимирязев, известный отрицанием теории относительности и квантовой механики.

Логическим завершением теории эфира Лоренца является полная утрата нужды в самом классическом понятии эфира, на котором эта теория и построена, однако, до этого завершения она не доходит. Эту эстафету принимает Альберт Эйнштейн, разработавший специальную теорию относительности. Она вобрала в себя преобразования Лоренца, интерпретировав их как фундаментальную связь пространства, времени и электронной структуры материи, которая их определяет и, таким образом, оказывается окончательно закреплённой в физике. Важно отметить, что и СТО, и ТЭЛ – обе теории приходят к идее зависимости пространственно-временных свойств материальных объектов от электромагнитной структуры вещества. Эта идея последовательно вытекает из принципа близкодействия, на котором основаны обе означенные теории. В самом деле, если взаимодействия в природе распространяются с конечной скоростью – очевидно, что эта скорость и будет абсолютным максимумом всех скоростей в природе, а если имеется абсолютный максимум скорости – этот факт однозначно повлияет на все законы механического движения, пространства и времени.

«Гипотеза светоносного эфира, как в то время, так и по сей день находит свою базу в лице любителей совместить классическую механику Галилея-Ньютона, основанную на понятиях абсолютного пространства, абсолютного времени и абсолютного движения, с принципом близкодействия, который обнаруживает себя в электродинамике Максвелла, игнорируя принципиальные противоречия между ними. Эти противоречия состоят в том, что классическая механика допускает, что материальные объекты могут двигаться с любой скоростью, в то время, как принцип близкодействия допускает наличие предельно допустимой скорости, которая будет совпадать со скоростью взаимодействия материальных объектов во Вселенной. И вот, некоторые личности пытаются при помощи эфира «исправить» эти противоречия. Делают это они примерно так: в электромагнитных явлениях они рассматривают эфир как неподвижный, а в механических - как текущий. Это приводит к двоемыслию. Кто-то это двоемыслие пытается выдать за диалектику, ведь в ней часто приходится иметь дело с противоречащими вещами, чьё взаимодействие рождает смысл. Но ведь суть диалектики материализма состоит в том, что нельзя утверждать всё что угодно, нужно выводить понятия из реальности, а не реальность из понятий. Нужен всесторонний анализ проблемы.

К сожалению, и по сей день сторонники идеи абсолютности и незыблемости пространства и времени хватаются за теорию Лоренца как спасительную соломинку, не понимая, что в действительности с такого рода представлениями теория Лоренца не мирится. Можно по-разному относиться к теории относительности, но, если вы настаиваете на абсолютной механике Галилея-Ньютона и незыблемости пространства и времени – это значит, вы отвергаете принцип близкодействия и всё, что на нём построено, включая электродинамику Максвелла и теорию Лоренца» [6].

Наконец, вслед за специальной, появляется общая теория относительности за авторством всё того же Эйнштейна, которая развила аналогичные представления касаемо гравитационного поля:

1. Скорость распространения гравитационного взаимодействия равна также скорости света в вакууме.
2. Были предсказаны, а затем и открыты гравитационные волны и гравитационный магнетизм.

В заключение этой темы добавим: не стоит думать, что гипотеза непостоянства скорости света вообще не имеет перспектив. Нарушения постоянства скорости света наблюдаются в квантовой теории поля. Кроме того, физик Поль Дирак и некоторые исследователи в области космологии выдвинули свои гипотезы о том, что целый ряд фундаментальных физических констант меняется со временем. Но что это значит для физики? Это значит то, что во всех уравнениях, где имеется скорость света c, будет фигурировать переменная величина вместо постоянной. Самые серьёзные проблемы в таком случае возникнут лишь с электрической и магнитной постоянными ε0 и μ0 (однако, логичнее всего будет предположить, что электрическая постоянная останется как есть, а магнитная - изменится), и, вероятно, с другими фундаментальными константами. Скорость света, несмотря на свой переменный характер, так и останется в этом случае абсолютным максимумом всех скоростей в природе, а принцип причинности не будет нарушен. Точнее, эти два момента должны иметь место быть в любой теории, основанной на гипотезе переменной скорости света.

В электродинамике ещё со времён Кулона, когда наука об электричестве была основана на принципе дальнодействия, существует принцип суперпозиции полей. В его интерпретации оный принцип выглядит предельно просто:

Эта формула означает, что напряжённость электрического поля, полученного в итоге, равна векторной сумме всех имеющихся электрических полей. Этот принцип, как установили Био, Савар и Лаплас, применим также и к магнитному полю:

Такие результаты очевидны с точки зрения принципа дальнодействия, на котором была построена электродинамика до Максвелла. Однако, и в максвелловской электродинамике, построенной на принципе близкодействия, данный результат остаётся в силе, поскольку уравнения Максвелла изначально линейны:

В особых для электродинамики случаях, таких как гистерезисные вещества (ферромагнетики и сегнетоэлектрики), где диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества зависят от напряжённостей соответствующих полей, а также при учёте квантовых флуктуаций в вакууме при рождении электрон-позитронных пар, линейность уравнений Максвелла нарушается, и тогда принцип суперпозиции утрачивает свою силу.

Этот момент подводит нас к очень важному выводу: в парадигме дальнодействия принцип суперпозиции полей выполняется всегда и без исключений, в то время, как в парадигме близкодействия он работает лишь в частном случае, когда физические поля описываются линейными уравнениями. Очевидно, что в отличие от теории, в реально существующей материи описанные случаи отклонения от линейности являются не исключениями, а напротив, скорее правилом, из чего следует вывод, что уравнения Максвелла применительно к реальной материи в общем случае нелинейны, и лишь приблизительно мы их можем рассматривать как линейные, и то не всегда. Соответственно, принцип суперпозиции электромагнитных полей, вообще говоря, не работает, и его допустимо использовать лишь в приближении линейности законов электромагнитного поля.

Принципа суперпозиции гравитационного поля нет в общей теории относительности, поскольку её уравнения гравитации, в отличие от уравнений Максвелла, a priori нелинейны:

Это приводит, например, к тому, что гравитационное поле Солнца не только притягивает Землю и Луну, но и оказывает влияние на взаимное притяжение Земли и Луны. Однако, так же, как и в электродинамике, принципом суперпозиции допустимо пользоваться в приближении к классической теории гравитации Ньютона.

В этой части статьи мы рассмотрим универсальный закон природы – принцип Ле Шателье-Брауна и на конкретных примерах покажем его универсальность. Собственно, этот принцип именно под таким названием нам известен из химии, где он формулируется следующим образом: «Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо воздействие, то в результате протекающих в ней процессов равновесие смещается в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшается». Раздел химии, из которого мы его узнаём – химическая кинетика, посвящённый скоростям химических реакций, их обратимости и условий, от которых они зависят.

И всё же, данная формулировка недостаточна, т.к. она раскрывает лишь качественную сторону этого закона природы, которая проявляется в том, что всякая система оказывает сопротивление внешнему воздействию. Диалектико-материалистический взгляд на этот принцип с количественной стороны явно указывает на тот факт, что всякое внешнее воздействие на какую-либо систему характеризуется некой количественной мерой, которая передаётся от внешнего источника системе, при этом, соответствующий параметр самой системы ровно на эту меру возрастает, а у внешнего источника – ровно на эту же меру убывает, что и позволяет рассматривать ситуацию с точки зрения сопротивления системы внешнему воздействию. Таким образом, всякие законы сохранения, имеющие место быть в физике и химии являются частным случаем принципа Ле Шателье-Брауна, в частности – законы сохранения импульса, энергии, и т.д., что мы и покажем на примерах ниже.

Автор общего курса физики для ВУЗов Д. В. Сивухин об этом принципе пишет следующее:

«Принцип Ле Шателье-Брауна не является столь всеобъемлющим, как второе начало термодинамики. В частности, он не позволяет высказывать никаких количественных заключений о поведении системы. Необходимым условием применимости принципа Ле Шателье-Брауна является наличие устойчивости равновесия, из которого система выводится внешним воздействием» [8].

Позволим себе не согласиться с этими строками. Принцип Ле Шателье-Брауна представляется нам ничуть не менее всеобъемлющим, чем второе начало термодинамики и применимым не только лишь в случаях наличия устойчивого равновесия. Равновесие системы может быть и безразличным, как в случае с уединённым равномерно и прямолинейно движущимся телом – в этом случае, чтобы изменить параметры движения тела, необходимо приложить внешнее воздействие, которому система (то есть, это самое тело), окажет равное по силе противодействие, т.о. осуществив принцип Ле Шателье-Брауна. Вообще в любом случае, где имеет место быть система и внешнее воздействие на неё, эту систему возможно рассматривать как находящуюся в относительном равновесии, из которого её выводит внешнее воздействие. Неприменим этот принцип может быть лишь в тех случаях, когда чётко определить систему невозможно, и, соответственно, невозможно определить, что для этой системы есть внешнее, а что – внутреннее, либо если изменение состояния системы производится вообще независимо от внешних факторов, силами самой системы, например, если происходит взрыв. Если же внешнее воздействие провоцирует процессы, приводящие систему в более устойчивое состояние, значит, можно поведение системы в целом по этим процессам разложить, и тогда одним из них и будет осуществление принципа Ле Шателье-Брауна. Это значит, что даже в менее устойчивом состоянии система до внешнего воздействия всё равно находится относительно устойчиво, и им из него выводится, и ему оказывает сопротивление. Что же касается количественных заключений о поведении системы, которые, как утверждает Сивухин, якобы, невозможно высказать, мы ответим, что с этим можно согласиться, но только частично. Принцип Ле Шателье-Брауна даёт лишь сугубо качественную информацию о том, как именно внешнее воздействие скажется на системе и не даёт информации о том, насколько изменится конкретно каждый из её параметров и какую меру воздействия примет на себя система при определённом изменении внешнего параметра, но он позволяет совершенно точно утверждать, что система получает ровно ту же меру воздействия, что ей отдаётся извне, и на ту же меру внешнему воздействию сопротивляется.

В химической кинетике существует понятие химического равновесия, которое имеет место быть для обратимых химических реакций и означает равенство друг другу скоростей прямой и обратной реакции.

Скорости химических реакций зависят непосредственно от концентраций реагирующих веществ, их природы, температуры и присутствия катализаторов и ингибиторов, и, опосредованно, – от давления, если среди реагирующих веществ имеются газы:

Катализаторы и ингибиторы – это такие вещества, которые не расходуются в процессе протекания химической реакции, но влияют на её скорость: катализаторы её увеличивают, ингибиторы – снижают. Параметр скорости химической реакции, в котором учитывается действие катализаторов и ингибиторов – это энергия активации Еа.

Как было сказано выше, давление на скорость химической реакции влияет опосредованно, если в числе реагентов присутствуют газы. Оно связано с температурой и общей концентрацией газов уравнением состояния:

Итак, химическое равновесие наступает при том условии, что скорость прямой химической реакции равна скорости обратной:

Важно отметить несколько моментов:

1. Катализаторы и ингибиторы на энергию активации прямой и обратной реакции влияют таким образом, что химическое равновесие от их присутствия никак не зависит. Их действия на скорости прямой и обратной реакции полностью скомпенсированы.
2. Разность энергий активации равна тепловому эффекту химической реакции:

Для экзотермических (в ходе которых выделяется теплота) реакций:

Для эндотермических (в ходе которых теплота поглощается):

3. Существует такая величина – константа равновесия K, равная отношению констант скорости прямой и обратной реакций:

Полученное выражение оказывается убывающим при возрастании температуры для экзотермических реакций и возрастающим – для эндотермических. Это значит, что при повышении температуры химическое равновесие смещается в сторону эндотермических реакций, а при понижении – в сторону экзотермических. То есть, при увеличении температуры система стремится её сбить путём поглощения большего количества энергии, а при уменьшении – напротив, выделить больше теплоты.

Теперь рассмотрим, каким образом на химическое равновесие влияет давление окружающей среды. Из уравнения, рассмотренного выше, становится понятно, что фактором смещения равновесия в данном случае являются концентрации газообразных реагентов и продуктов химической реакции. Это значит, что изменение давления смещает равновесие в тех реакциях, где общие количества газообразных реагентов и продуктов друг другу не равны, например:

В этой реакции количества веществ соотносятся как 3/2. Изменение давления приводит к пропорциональному изменению концентрации каждого из реагирующих веществ (константами Ван-дер-Ваальса мы пренебрегаем ввиду их малости и считаем все газы близкими к идеальному). На скоростях прямой и обратной реакций это отразится следующим образом:

то есть, увеличив давление, например, в 2 раза, мы тем самым увеличим скорость прямой реакции в 8 раз, а обратной – в 4, соответственно, равновесие сместится в сторону меньшего количества газообразного вещества. Снижение давления, напротив, сместит равновесие в сторону больших количеств. То есть, при уменьшении давления, система образует большее количество газообразного вещества для того, чтобы давление вновь возросло, а при увеличении – напротив, делает из большего количества газов меньшее, чтобы его снизить.

Принцип Ле Шателье-Брауна повсеместно встречается в таком разделе физики, как термодинамика, где он наиболее рельефно выступает в явлениях переноса и на фазовых диаграммах.

Явления переноса в физике – это прежде всего теплопроводность, вязкость и диффузия. Именно на этих трёх процессах построен фундаментальный теоретический аппарат, который используется также и в других подобных процессах, в частности, переноса электрического заряда и момента импульса.

Рассмотрим проявление принципа Ле Шателье-Брауна в явлениях переноса на примере теплопроводности – передачи теплоты от тела более нагретого к холодному. В этом случае, мы имеем следующее:

что иллюстрирует нам следующую сумму фактов:

-в ходе теплообмена, более нагретое тело остывает, а холодное – нагревается;
-количество тепловой энергии, полученное холодным телом, равно количеству тепловой энергии, отданном ему телом более нагретым;
-количество тепловой энергии, запасённое в более нагретом теле, снижается ровно настолько, сколько оно её отдало холодному телу;
-интенсивность теплообмена прямо пропорциональна разности температур и обращается в 0 при их выравнивании.

В случае с другими явлениями переноса, такими как вязкость и диффузия, дело обстоит аналогично, только вместо тепловой энергии у нас оказывается скорость потока и концентрация диффундирующего вещества соответственно:

Ещё одним проявлением принципа Ле Шателье-Брауна в термодинамике представляются равновесные процессы при фазовых переходах вещества, происходящих при разных температурах в зависимости от давления. Речь идёт, прежде всего, о фазовых переходах первого рода: плавлении, кипении и сублимации. Для веществ, у которых температурный коэффициент расширения положителен, большему давлению соответствует большая температура фазового перехода, и наоборот, если этот коэффициент отрицателен.

Равновесие в этом случае – это равновесие фаз, например, жидкой и газообразной. Оно характеризуется давлением насыщенного пара. Если давление паров жидкости меньше этой величины – она будет испаряться чтобы это давление увеличить, а если больше – конденсироваться, чтобы оно снизилось.

Система, состоящая из двух фаз химически однородного вещества, путём смещения равновесия фазового перехода стремится скомпенсировать повышение давления, осуществляя этот переход при более высокой температуре (либо при менее высокой, если вещество при нагревании сжимается, как, например, вода при температуре менее 4°С), а понижение – при менее высокой (аналогично). Эти факты отражены в фазовых диаграммах веществ и в уравнении Клапейрона-Клаузиуса:

Весьма разнообразны проявления принципа Ле Шателье-Брауна в физических и химических свойствах растворов. Растворение вещества в растворителе является молекулярным процессом, сопровождаемым выделением либо поглощением тепловой энергии – тепловым эффектом растворения. Кроме того, существует такое явление, как насыщение растворов, которое происходит тогда, когда растворяется максимально возможное количество растворимого вещества, и дальнейшее его добавление приводит не к повышению его концентрации в растворе, а к образованию новой фазы в системе. Растворимость веществ в растворителе зависит от температуры системы соответственно тепловому эффекту растворения: она повышается при повышении температуры, если тепловой эффект отрицателен и наоборот. Для идеального раствора этот закон выглядит так:

Кроме того, растворимость газов также зависит и от давления, возрастая при его повышении и убывая – при понижении. Для идеальных растворов это выражается законом Генри-Дальтона:

Частным случаем явления фазовых равновесий являются таковые в растворах. Наиболее простой и общий случай – это система, состоящая из жидкого раствора и паров растворителя. Особенность такого рода систем состоит в том, что растворы имеют отличные от таковых у чистой жидкости-растворителя физические свойства, такие как температура кипения и замерзания и давление насыщенного пара, причём отклонение этих свойств тем больше, чем больше концентрация растворённого вещества – при условиях, что растворимое вещество является нелетучим, его концентрация мала, а раствор в целом является неэлектролитом. Разумеется, принцип Ле Шателье-Брауна работает и тогда, когда означенные условия не выполняются, однако, в этих случаях он будет работать по-другому. Мы не будем их подробно рассматривать в рамках настоящей работы.

Давление насыщенного пара раствора падает по мере увеличения концентрации растворённого вещества. Это происходит потому, что мольная доля чистой жидкости равна 1, а у растворителя таковая меньше 1, причём она тем меньше, чем больше концентрация растворённого вещества. И если изначально жидкость находится в равновесии со своим насыщенным паром, то растворение в ней вещества, удовлетворяющего описанным абзацем выше условиям, приводит к нарушению равновесия фаз в сторону конденсации пара. Таким образом, мы приходим к первому закону Рауля: давление насыщенного пара над раствором равно произведению его давления над чистым растворителем на мольную долю растворителя; иначе: относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле растворенного вещества:

Из первого закона Рауля и закона Клапейрона-Клаузиуса выводится второй закон Рауля, который гласит, что в растворах при фиксированном давлении изменяются температуры плавления и кипения в зависимости от концентрации растворённого вещества, так что температура кипения растёт, а температура плавления снижается:

Закон сохранения импульса в дифференциальной форме существует в виде третьего закона Ньютона:

что иллюстрирует нам следующую сумму фактов:

1. Изменение импульса движущегося тела во времени есть действующая на него сила (Если действующих сил на тело несколько, изменение импульса соответствует равнодействующей этих сил, то есть, их векторной сумме – см. прим.).
2. Изменение импульса одного из взаимодействующих тел равно таковому у второго взаимодействующего тела, взятому с обратным знаком, что, в свою очередь, означает, что сумма изменений импульсов взаимодействующих тел равна нулю. Этот закон действует и в том случае, если взаимодействующих одновременно тел более двух.
3. Сила действия одного из взаимодействующих тел на второе равна силе противодействия второго тела на первое.

Правило Ленца определяет направление индукционного тока. Оно гласит: Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, при изменении магнитного потока Φ, пронизывающего электрический контур, в нём возбуждается ток, называемый индукционным. Величина электродвижущей силы, ответственной за этот ток, определяется уравнением:

-где знак «минус» означает, что ЭДС индукции действует так, что индукционный ток препятствует изменению потока. Этот факт и отражён в правиле Ленца.

Как видим, электрический контур препятствует действию электромагнитной индукции точно так же, как любое материальное тело сопротивляется внешней силе, изменяющей его количество движения. Этот факт наводит на мысль о том, что мы имеем дело с одним и тем же законом природы, но в разных его проявлениях. То, что в одном случае представлено в виде внешней силы – в другом представлено в виде изменения внешнего электромагнитного поля, либо иной причины, изменяющей проходящий электрический контур магнитный поток. Данное физическое подобие различных по природе явлений находит своё отражение в аналогии между механическими и электрическими колебательными системами:

Вообще, если мы имеем дело с колебательной системой – независимо от того, какова её природа, сами колебания подчинены одинаковым по виду дифференциальным уравнениям. Законы, в соответствии с которыми изменяются параметры, характеризующие системы в зависимости от времени, одинаковы для разных систем. Это значит, что в любой колебательной системе можно найти параметр, аналогичный импульсу и магнитному потоку, изменению которого будет сопротивляться условный осциллятор.

Закон сохранения импульса в том виде, в котором он показан выше – это закон в рамках теории дальнодействия. В теории близкодействия же тела, находящиеся друг от друга на расстоянии, не взаимодействуют друг с другом непосредственно, они это делают при помощи поля. Это значит, что каждый из них создаёт силовое поле, и уже с ним взаимодействует непосредственно второе тело. Первое же тело непосредственно взаимодействует с полем, создаваемым вторым телом. В этой парадигме третий закон Ньютона не работает потому, что поле не является объектом приложения силы. Силу можно приложить только к физическому телу, поскольку оно является целостным унитарным объектом, в то время, как физическое поле представляет собой распределённую среду, для которой такие величины, как импульс или энергия существуют только в виде неких интегралов. Примечательно, что третий закон Ньютона впервые был выведен из экспериментального наблюдения за контактным механическим взаимодействием тел, то есть, из «близкодействующего» экспериментального материала.

Механизм «близкодействующего» взаимодействия тел описывается при помощи тензора энергии-импульса и метода запаздывающих потенциалов.

Тензор энергии-импульса – симметричный тензор второго ранга, описывающий плотность и поток энергии и импульса полей материи. Он представляет собой дальнейшее релятивистское обобщение понятий энергии и импульса классической механики сплошной среды и может быть записан в виде действительной симметричной матрицы 4x4:

Поскольку мы изучаем данный вопрос на примере электромагнитных взаимодействий, мы можем воспользоваться ТЭИ электромагнитного поля, который представляет собой, по сути, ту же самую запись, однако, для объёмной плотности энергии, и компонент потока энергии и тензора напряжений выполняются следующие соотношения:

Для того, чтобы описывать взаимодействие заряженных частиц с электромагнитным полем, нам потребуется также и тензор энергии-импульса для этих частиц. Из курса электродинамики нам известно, что этот тензор зависит только от масс, скоростей и взаимного расположения этих частиц и не зависит от их электрических свойств: последние предполагаются уже учтёнными в ТЭИ электромагнитного поля. Данный тензор выглядит следующим образом:

Расчёт параметров электромагнитного поля движущихся зарядов производится по методу запаздывающих потенциалов Лиенара-Вихерта, который заключается в том, что это поле имеет асимметричную структуру, распространяется со скоростью света и с учётом движения источника поля, изменяясь быстрее впереди его по направлению движения, и медленнее – позади его:

Доказательство данного представления о запаздывающих потенциалах сразу вытекает из известного явления - эффекта Доплера, имеющего место при движении источника электромагнитных волн и заключающегося в уменьшении длины волн впереди источника и увеличении позади с соответствующей обратной разностью амплитуд волн напряженности. Конкретно для источника радиоволн можно положить переменный потенциал на штыревой антенне, находящейся в движении. В этом случае очевидно, что, уменьшая частоту переменного потенциала на антенне вплоть до нуля, придем к стационарной картине "отстающего" поля. По сути, метод запаздывающих потенциалов – прямая аналогия эффекта Доплера, метод его экстраполяции на неволновое распространение поля.

Метод запаздывающих потенциалов Лиенара-Вихерта создал представление о деформации поля движущихся зарядов, как электрических, так и гравитационных, которое оказалось более богатым эвристическими следствиями. Например, оно позволило объяснить такие фундаментальные постулаты физики как закон Ампера о взаимодействии токов и закон электромагнитной индукции Фарадея. Также обнаружилось при интегрировании поля, что «деформационная» добавка энергии поля движущегося заряда по сравнению с покоящимся в классическом представлении оказалась равной кинетической энергии движения заряда (то же и для гравитационного заряда-массы и его гравитационного поля), что объяснило суть явления накопления кинетической энергии при движении этих зарядов.

Наконец, чтобы завершить систему исходных уравнений расчёта движения заряженных частиц в поле и изменений самого поля, дополним её уравнениями зависимости параметров поля от его потенциалов, а также уравнениями движения заряженных частиц:

И из всей полученной системы уравнений получается очень важный результат:

что означает следующее: изменения импульса и энергии заряженных частиц в электромагнитном поле равны изменению энергии и импульса самого поля, взятых с обратным знаком. Таким образом, в системе, состоящей из э-м поля и заряженных частиц, одновременно выполняются законы сохранения энергии и импульса, причём, для записи обоих законов сохранения используется единая математическая форма. Заряженные частицы испытывают на себе действие электромагнитного поля, и противодействуют ему, изменяя импульс и энергию поля на ту же величину, которую они от него получают. Так работает этот закон в парадигме близкодействия.

Особый интерес вызывает поле зарядов, движущихся ускоренно. Распишем выражение для 4-потенциала произвольно движущейся частицы:

Анализ данного соотношения показывает, что, если частица движется с ускорением, создаваемое ею поле будет содержать распространяющиеся от неё электромагнитные волны с потоком энергии:

В данной ситуации наибольший интерес для нас представляют не параметры излучения частицей электромагнитных волн, а сам его факт. Он означает, что ускоренно движущаяся частица через механизм электромагнитного излучения теряет свою энергию. После открытия атома данное явление привело к противоречиям в физике.

Атомы являются типичной дипольной системой, которая могла бы не излучать, если бы отношения зарядов образующих атом частиц к их массам были бы одинаковы. Данный вывод обоснован тем, что в этом случае движения положительных и отрицательных зарядов скомпенсированы относительно центра масс системы. Но, поскольку отношения зарядов образующих атом частиц к их массам неравны, это условие не выполняется, и мы имеем дело с дипольной излучающей системой:

Согласно полученному результату, атомы не могут существовать стабильно, и должны в течение очень короткого по человеческим меркам времени прекращать своё существование путём падения электронов на ядро. Однако, опыт показывает, что ничего подобного не происходит, что атом является стабильной структурой, способной существовать достаточно долго. Данное противоречие было разрешено благодаря созданию квантовой механики.

В предыдущих работах мы писали:

«Нам ничто не мешает перенести элементы практической методологии из классической физики в релятивистскую и применить в рамках теории относительности те же кинетическое условие и принцип взаимности для выбора привилегированной системы координат: первое условие заключается в том, что векторные суммы импульсов и моментов импульса всех образующих систему тел равны нулю, второе – в том, что всякому действию соответствует равное ему по силе (в случае вращательного движения – моменту силы) противодействие. Эти условия подобраны исходя из физической возможности превращения энергии механического движения тел в другие её формы: при любом другом выборе системы отсчёта движущиеся тела будут либо обладать заведомо большим запасом энергии, чем её может быть превращено в другие формы, либо напротив – энергия при ускорении тела будет не поглощаться им, а «чудесным» образом выделяться» [5].

«В привилегированных инерциальных системах отсчёта классической формулой:

Такой подход в классической физике позволяет вычислить кинетическую энергию истинного движения тела»[6].

«Из-за того, что движение в гравитационном поле невзаимно, мы имеем в результате, что гравитационное поле якобы лишено физических свойств, имеют место быть только геометрические свойства пространства в виде его искривления. Таким образом, причиной движения тел в гравитационном поле является не сила гравитации, а искривление геодезической линии свободного движения тела».

«Невзаимность движения, однако, возникает во всякой задаче, где сила, действующая на движущееся тело, выступает сама по себе, без её источника. В ОТО данное положение дел усугубляется произвольностью в выборе системы отсчёта. Здесь укажем лишь, что добиться взаимности движения можно, выбрав такую систему отсчёта, в которой гравитационно взаимодействующие тела действуют друг на друга с силами, равными по величине и противоположными по направлению» [2].

По большому счёту, представленные отрывки представляют собой критику специальной и общей теории относительности И. Орловым и наши ответы на неё. Подумав получше над этим вопросом, мы пришли к выводу о том, что в реальном мире никаких привилегированных, инерциальных, абсолютных систем отсчёта нет и быть не может. Таковыми свойствами реальный мир обладает потому, что он бесконечен, заполнен движущейся материей и повсеместно открыт (для энергетического обмена). Мы критиковали советских физиков за их любовь к абсолютным системам отсчёта, к абсолютным системам координат и времени, за которыми скрывается их механистическое мировоззрение.

Абсолютные системы отсчёта, принцип взаимности движений, закон инерции и кинетическое условие – это полезные инструменты для решения физических задач, которые мы ставим себе для того, чтобы познать реальный мир. В них мы определяем ограниченный набор материальных объектов и сред, а в ряде задач мы определяем даже то, что система этих объектов будет замкнутой. В реальности бывают ситуации, приблизительно соответствующие идеальным, которые можно смоделировать. Например, влиянием материальных объектов и сред, расположенных достаточно далеко, можно пренебречь, и т.д. И, тем не менее, в реальном мире нет и быть не может никаких абсолютных систем отсчёта, взаимных движений, замкнутых систем и остального перечисленного выше, и об этом забывать ни в коем случае нельзя, иначе можно скатиться в механицизм, как это произошло с советскими учёными-физиками. И о том, чтобы отделять действительное движение от кажущегося в реальном мире, увы, придётся забыть. Даже параметры движения отдельных материальных объектов, такие, как импульс и энергия, не имеют однозначной определённости в реальном мире. В своём стремлении познать окружающий мир, мы обязаны мириться с этими фактами.

Развитие науки неумолимо приводит к торжеству диалектико-материалистических представлений о Вселенной, которые шаг за шагом являют познающему субъекту свою истинность. Не стала исключением и теория относительности как продолжение и развитие классической теории поля. Несмотря на тот факт, что количество вопросов, на которые она ответить не может, больше, чем хотелось бы, она прочно завоевала себе заслуженное место в ряду актуальных научных теорий, являя собой полное торжество материалистического принципа близкодействия в физике макромира, оставив конкурирующий с ним принцип дальнодействия исключительно на арене микромира, откуда он тоже когда-нибудь, несомненно, будет изжит.

Именно в теории относительности принцип близкодействия нашёл своё натуральное выражение в виде скорости распространения материальных взаимодействий как абсолютной границы всех скоростей в природе, с которой сообразуются все действительные движения материи во всех существующих системах отсчёта. Теория светоносного эфира, которую окончательно и бесповоротно изгнали из мира актуальной теоретической физики, но, к сожалению, до сих пор используемая отдельными обскурантами от мира науки, имеющими наглость при этом прикрываться красным знаменем диалектического материализма, «сыпется» именно на том, что принцип близкодействия в ней проведён непоследовательно. Понятие эфира становится ширмой, за которой совершается мерзопакостная попытка «скрестить ужа с ежом» и законсервировать морально устаревшие понятия абсолютного пространства, времени и движения для описания реального мира. Разумеется, такого рода научное мошенничество и рядом не стояло с методом диалектического материализма.

Настало время подвести общие итоги статьи, сделать выводы.

1. Принцип близкодействия – материалистический принцип, последовательно проведённый в общей теории относительности. Этот принцип требует наличия абсолютного предела всех скоростей в природе для всех систем отсчёта, но при этом не оставляет шанса концепциям абсолютного пространства, времени и движения.
2. Принцип суперпозиции физических полей является идеализированным приёмом решения физических задач, который лишь приблизительно работает в реальном мире, и то не всегда. Впрочем, это не умаляет утилитарной важности означенного принципа. Пользоваться им – можно и нужно, но при этом нельзя забывать о наличии у него границ применимости.
3. Лишь при диалектико-материалистическом взгляде принцип Ле Шателье-Брауна в полной своей красе перед нами раскрывается. Этот универсальный принцип видится в любом законе сохранения, смещения равновесий внешними условиями, и даже явлении переноса, когда материя стремится статистически выровнять свои параметры.
4. Третий закон Ньютона в парадигме близкодействия не работает, поскольку физическое поле, через которое тела взаимодействуют друг с другом, не является объектом, к которому можно приложить силу. Тем не менее, у него есть количество движения, которое изменяется при его действии на тело соответственно принципу Ле Шателье-Брауна. Взаимодействие частиц в поле описывается методом запаздывающих потенциалов Лиенара-Вихерта, учитывающего, что сначала частица излучает поле, которое за конечное время распространяется до того места, где находится вторая частица, и только тогда это поле начинает на неё действовать.
5. Из законов электродинамики возникает неразрешимый в рамках классической теории парадокс, согласно которому атомы не могут существовать из-за тормозного излучения. Данный парадокс имеет решение в квантовой теории.
6. Мы затронули и вопросы привилегированных систем отсчёта, которые были подняты в наших прошлых работах, основательно пересмотрели их и пришли к выводу, что это очень важные инструменты познания мира, однако, в реальном мире таких систем не существует и существовать не может.

1. URL: https://vk.com/@mkmolot-ots
2. URL: https://vk.com/@mkmolot-ots-2
3. URL: https://vk.com/@mkmolot-ots-3
4. URL: https://vk.com/@mkmolot-ots-4
5. URL: https://vk.com/@mkmolot-specialnaya-teoriya-otnositelnosti-i-dialekticheskii-materia
6. URL: https://youtu.be/Jee1i2I0hn0?si=CAJbc4Ai6yqgwP-Z
7. Ленин В.И. «Материализм и эмпириокритицизм», ПСС 5 изд., 18 том, стр. 274-275.
8. Сивухин Д.В. "Общий курс физики т.2: термодинамика и молекулярная физика" стр.155