Физика поля. Беседы о сущности Физики поля.

Кеплер и параметры поля

Коллега, все мы (по крайней мере – физики) знаем, что высокое звание «Законодателя небес» заслуженно носил только Иоганн Кеплер (1571-1630). Предлагаю рассмотреть причины этой заслуги и дальнейшее её влияние на развитие Физики.

Очень хорошая тема, мой друг, ибо Кеплеру удалось привести полученные его учителем Тихо Браге (1546-1601) экспериментальные данные в соответствие с теорией Николая Коперника (1473-1543). Кстати, сам Браге эту теорию отвергал.

Тщательно выверенные табличные данные своего учителя Кеплер перевёл в простую и ясную систему кривых и вывел три математических закона, описывающих кинематику движения тел в Солнечной системе:

1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

2. Прямая, проведённая от Солнца к планете описывает равные площади в равные промежутки времени.

3. Периоды обращения и большие полуоси орбит связаны соотношением, одинаковым для всех планет:

R3/T2 = const = 3,362*1018 м32,

где: R – радиус орбиты (при эллиптической орбите – большая полуось эллипса), м;
Т – период обращения по орбите, с.
Здесь надо заметить, что эти параметры можно измерить с достаточной степенью точности и Тихо Браге это удалось.

Умножим обе части этого уравнения на 2 (константа возрастёт, но останется константой) и в результате получим современную константу Кеплера для Солнечной системы:

Кп = 4π2R3/T2 = v2R = const = 1,327*1020 Дж*м/кг или м32,

где v = 2πR/T – орбитальная скорость движения, м/с.

Внимание: Давайте запомним эту константу (Кп = v2R), ибо для каждого конкретного поля (не только макро- но и микрополя внутри атома) на всех его потенциальных уровнях она действительно не изменяет своё значение. Великая заслуга Кеплера в том, что он определил это значение для потенциального поля Солнца.

Это удивительное по своей простоте и очень важное для науки открытие Кеплера способствовало не только быстрому развитию астрономии, но и заложило основу для Физики поля.

Коллега, но при жизни Кеплера поле даже не рассматривалось, как некая реальность.

Вы, мой друг, правы. Кеплер действительно не мог ничего знать о силовых полях, хотя уже и рассуждал о «тяжести», действующей между небесными телами, и даже объяснил приливы и отливы земных океанов воздействием Луны. И всё же, Кеплер был предвестником теории поля.

К примеру, из полученной Кеплером константы (уравнение 1) мы можем вывести параметры, характеризующие гравитационное поле Солнца. Рассмотрим здесь основные из этих параметров.

1. Если константу Кеплера поделить на радиус (R), то получим квадрат орбитальной скорости v2. Теперь этот параметр называется гравитационным потенциалом в данной точке поля.
Измеряется в Дж/кг или (м22).

Физический смысл – удельная энергия, численно равная работе, необходимой для перемещения одного килограмма массы (единичной массы) из данной точки поля за его пределы.

Эта величина скалярная, ибо характеризует поле только по величине. Принципиально важным является то, что гравитационный потенциал может изменяться от своего максимального значения, равного нулю, до минимально возможного: с2 = — 8,9876*1016 Дж/кг.

Вывод: На «границе» поля значение гравитационного потенциала максимально и равно нулю, а к центру поля это значение уменьшается (по модулю – увеличивается) в отрицательную сторону.

К примеру, на поверхности Земли значение гравитационного потенциала составляет минус 6,259*107 Дж/кг. По мере удаления от Земли это значение возрастает (по модулю – уменьшается) и на «границе» поля превращается в нуль (максимально возможное значение).

2. Если гравитационный потенциал (v2) поделить на радиус (R), то получим отношение v2/R = g.

Этот параметр называется напряжённостью гравитационного поля в его заданной точке и может быть выражен как градиент гравитационного потенциала. Данный параметр известен школьникам, как ускорение свободного падения.
Измеряется в Дж/(кг*м) или (м/с2).

Физический смысл – изменение гравитационного потенциала, приходящееся на единицу длины (один метр).

Иными словами можно сказать, что напряжённость в данной точке поля определяет интенсивность изменения удельной энергии, численно равной работе, необходимой для перемещения единичной массы на каждый метр расстояния от центра источника поля.

Эта величина векторная и характеризует поле в каждой его точке не только по величине, но и по направлению, ибо всегда действует по линии, соединяющей исследуемую точку с центром поля.

Дополнение. Классическое определение напряжённости гравитационного поля исходит из действия некой силы тяжести на пробную массу. Причём, если вносить в поле различные пробные массы, то и сила, действующая на них в данной точке поля, будет различной. Однако отношение силы к пробной массе остаётся постоянным и характеризует уже само поле. Именно поэтому напряжённостью также считают силу, действующую в данной точке поля на единичную массу (один килограмм). Однако само понятие «сила» есть интенсивность изменения энергии на каждый метр расстояния и может быть выражено как градиент энергии. Следовательно, и в этом случае мы приходим к определению напряжённости, как интенсивности изменения удельной энергии, численно равной работе, необходимой для перемещения единичной массы на каждый метр расстояния.

3. Если постоянную Кеплера (уравнение 1) поделить на минимально возможный гравитационный потенциал (с2), то получим минимально возможный радиус поля (в данном случае — потенциального поля Солнца):

r0 = v2R/c2 = 1,477*103 м. (2)

Отношение v2R/c2 называется гравитационным радиусом сгустка энергии. Измеряется в метрах. Сгустком энергии в данном случае является Солнце вместе со своим полем (поле, как и вещество, обладает энергией, массой и электрическим зарядом).

Коллега, но эти законы Кеплера связаны только с Солнечной системой.

Ошибаетесь, мой друг. И это можно доказать.

Во-первых, законы Кеплера применимы не только к гравитационному, но и к электрическому полю. В этом легко убедиться.

А, во-вторых, и это главное, третий Закон Кеплера (как и предыдущие два) действует не только в макромире (в потенциальных полях Солнца и планет), но и великолепно описывает (в отличие от так называемого «всемирного» закона Ньютона) орбитальное движение в микромире (потенциальные поля атомов, молекул). И в этом тоже легко убедиться.

К примеру, используя третий Закон Кеплера, можно вывести гравитационный радиус и для атома водорода:

re = ve2RA/c2 = 2,818*10-15 м,

где: ve = 2,188*106 – скорость электрона на Боровской орбите, м/с;
RA = 5,292*10-11 – Боровский радиус атома водорода, м.

Вернёмся к параметрам поля.

Массу поля (мера инертности энергии поля) определяем из следующего уравнения:

mп = 2me(r0/re)3 кг, (4)

где me = 9,109*10-31 – квант массы поля, равный массе электрона, кг.

Значение электрического заряда поля определяем из уравнения:

q2*10-7 = mп*r0 кг*м. (5)

Электрический потенциал (U) и его градиент – напряжённость (E) электрического поля определяем из следующих известных нам уравнений:

U = c2*10-7*q/R Дж/Кл и E = U/R Дж/(Кл*м).

Соотношение параметров электрического и гравитационного полей определяет Закон Единой теории поля:

Uq = v2mп Дж (6) или Eq = gmп Дж/м.

Соотношение напряжённостей магнитного и гравитационного полей определяем из следующего уравнения:

B = g*(mв*10-7/c2R)1/2 Дж*с/(Кл*м2) или Тл, (8)

где: mв – масса вещества в центре поля, кг;
R – амплитуда (радиус) колебаний в поле (радиус орбиты), м.

Объёмная плотность энергии поля: P = hwZ2Km/4πR4 Дж/м3,

где: hw = mec2re = 2,307*10-28 Дж*м – квант момента энергии поля;
Z = q/e – число элементарных электрических зарядов;
е = 1,602*10-19 Кл – элементарный электрический заряд;
Кm = 1+mп/mв – коэффициент приведённой массы;
R – расстояние от центра поля до исследуемой его точки, м.

Этой энергией поле и находящееся в его центре вещество непрерывно обмениваются. При этом, вещество поглощает энергию из окружающего поля, в виде гравитонов (или фононов, как кому нравится), имеющих постоянную массу(me) и изменяющуюся скорость (v) в зависимости от напряжённости гравитационного поля (ускорение свободного падения — g).

Температуру поглощения вычисляем из следующего уравнения:

Тп = 2mev2/3k = 2hw/3k*(Z2Km/2R4)1/4 = (Р/А)1/4 oK,

где: k = 1,381*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана;
А = (1,5k)4/2πhw3 Дж/(м3К4) – постоянная поглощения.

В соответствии с законом сохранения энергии вещество излучает всю поглощённую им энергию в виде фотонов, имеющих постоянную скорость (скорость света – c) и изменяющуюся массу в зависимости от напряжённости все того же гравитационного поля (g). Эффект изменения массы (значит, и энергии фотона) в гравитационном поле называют «гравитационным смещением».

Поток энергии излучения: S = EBv/Z0 Вт/м2,

где: Z0 = c*μ0 = 376,73 Ом – волновое сопротивление вакуума;
c = 2,99792458*108 м/с – скорость света в вакууме;
μ0 = 4π*10-7 кг*м/Кл2 – магнитная постоянная.

Температура излучения: Ти = (S/σSB)1/4 oK,

где σSB = 5,671*10-8 Вт/(м2К4) – постоянная излучения (постоянная Стефана-Больцмана).

Теперь мы можем выполнить соответствующие расчёты для полей у поверхности Земли и Солнца. Результаты этих расчётов сведём для удобства в таблицу.

П А Р А М Е Т Р
Символ
У р а в н е н и е
Ед. изм.
З е м л я
С о л н ц е
Радиус колебаний (радиус орбиты)
Rорб
с п р а в о ч н и к
м
1,496*1011
7,5*1019
Радиус вещества
r
с п р а в о ч н и к
м
6,371*106
6,960*108
Константа Кеплера
Kп
2R3/T2 = v2R
м3/c2
3,988*1014
1,327*1020
Гравитационный радиус
ro
Kп/c2
м
4,437*10-3
1,477*103
Масса поля
mп
2me(ro/re)3
кг
7,111*106
2,622*1023
Электрический заряд
q
(mп*ro*107)1/2
Кл
5,617*105
6,222*1016
Гравитационный потенциал
v2
Кп/R
Дж/кг
6,259*107
1,907*1011
Электрический потенциал
U
c2*10-7*q/r
Дж/Кл или В
7,924*108
8,035*1017
Энергия поля
W
v2mп
Дж
4,451*1014
4,999*1034
Uq
Дж
4,451*1014
4,999*1034
Напряженность гравиполя
g
v2/r
Дж/(кг*м)
9,81
2,74*102
Напряженность электрополя
E
U/r
Дж/(Кл*м)
1,244*102
1,154*109
Градиент энергии поля
F
g*mп
Дж/м
6,986*107
7,183*1025
Eq
Дж/м
6,986*107
7,183*1025
Напряженность магнитного поля
B
g(mв10-72Rорб)1/2
Тл
6,549*10-5
4,697*10-5
Количество электрических зарядов
Z
q/e
шт
3,506*1024
3,884*1035
Плотность энергии
P
hwZ2Km/4πr4
Дж/м3
1,370*10-7
1,180*107
Температура поглощения
Tп
2v2me/3k
К
2,753
8,388*103
Поток энергии излучения
S
EBv/Z0
Вт/м2
1,711*10-1
6,286*107
Температура излучения
Tи
(S/σSB)1/4
К
41,68
5,770*103

Все расчетные параметры почти полностью совпадают с уже известными нам величинами, которые достаточно хорошо изучены и измерены.

Например, известно, что:
• напряженность электрического поля Земли составляет около 130 В/м или Дж/(Кл*м) и отличается от расчетного значения на 4,5%;
• напряженность магнитного поля Земли — около 6*10-5 Тл или Дж*с/(Кл*м2), что на 9,1% меньше расчетной;
• температура поглощения приходящего к поверхности Земли потока энергии (так называемое реликтовое излучение) составляет 2,725 оК и отличается от расчётного в пределах ошибки;
• поток энергии от Солнца составляет 6,29*107 Вт/м2 и практически не отличается от расчетного.

Для подтверждения предложенной методики расчёта можно привести и другие доказательства.
Так, на Юпитере обнаружено магнитное поле примерно в 20 раз больше Земного.
Это – Опыт. А расчеты согласно Теории дают результат 1,325*10-3 Дж*с/(Кл*м2). Действительно магнитное поле Юпитера в 20,28 раз больше Земного.
Теория и Опыт совпадают с достаточной степенью точности.

Из доклада 8 апреля 2008 года. Академия Наук Республики Молдова. Докладчик – Пивоваров Валерий Иванович