1.3. Предпочтительные системы отсчета или инерция наоборот
Почему сила в электромагнитном поле выглядит похожей на силу в неинерциальной системе отсчета? Пожалуй, сложно было бы сформулировать более очевидный вопрос, ответ на который требуется для дальнейшего развития обозначенных идей.
Чтобы ответить на него начнем с самого простого. Сила электромагнитного взаимодействия, приобретающая ряд дополнительных добавок в случае движения источников, имеет самый простой вид в случае покоящегося источника:
Другими словами, система отсчета, связанная с частицей-источником поля, является для данного электромагнитного взаимодействия наиболее предпочтительной! Подобно тому как инерциальная система отсчета является наиболее предпочтительной для описания механического движения из-за отсутствия в ней всех дополнительных сил инерции.
Система отсчета, связанная с источником поля, является для электромагнетизма своеобразной «инерциальной» системой, потому что в ней отсутствуют все динамические добавки к статической силе. Мы назовем эту систему отсчета системой поля. Таким образом, для данного электромагнитного взаимодействия система поля — своеобразная «инерциальная» система.
При этом следует отметить важную особенность. Система поля имеет свойства «инерциальной» системы отсчета только для данного электромагнитного взаимодействия. Однако она можем быть совсем не инерциальной с механической точки зрения! Частица-источник электромагнитного поля может совершать сложные движения относительно лабораторной системы отсчета, связанной, например, с Землей, в результате чего в системе поля будет присутствовать весь набор механических сил инерции. Другими словами, система поля является «инерциальной» для электромагнитного взаимодействия, но неинерциальной для механики!
Эта абсурдная с точки зрения традиционной физики картина приобретает совсем иной вид с точки зрения философии физических полей. Согласно представлениям Фарадея-Максвелла, взаимодействие между частицами происходит не через пустоту, а посредством некой реальной среды — электромагнитного поля. В современном мировоззрении представления об электромагнитном поле как о реальной физической сущности, принимающей непосредственное участие во взаимодействиях, во многом стерлись. После «отмены» эфира представление о полях стало в большей степени ассоциироваться с математическими функциями напряженностей, определяющих силы в конкретной точке.
Чтобы вернуться от бытующих представлений о поле как о математической функции к начальным представлениям о физическом поле как о реальной физической субстанции, мы будем использовать понятие полевая среда. В процессе обсуждения на страницах этой книги понятие полевой среды приобретет более четкое и определенное значение.
На простом наглядном уровне мы можем представить полевую среду в виде некой сферической оболочки, связанной с заряженной частицей. Наличие у заряженной частицы такой полевой оболочки и приводит к возникновению взаимодействий. Благодаря этим оболочкам заряженные частицы «чувствуют» друг друга на расстоянии. Согласно этой философии сами заряженные частицы не взаимодействуют. Взаимодействуют их полевые оболочки, деформируя друг друга и вызывая как следствие изменения в характере движения связанных с оболочками частиц (рисунок 1.3.1). Таким образом, согласно представлениям о полевой среде именно взаимодействие полевых оболочек приводит к изменению характера движения частиц, которое интерпретируется как действие сил. Силы в этой философии являются вторичными.
Попробуем применить эти представления к решению нашего вопроса о причинах предпочтительного характера системы поля в электромагнитных взаимодействиях. В изложенной философии при взаимодействии двух заряженных частиц сила их взаимодействия определяется движением полевой оболочки одной частицы относительно полевой оболочки другой. Полевая оболочка частицы-источника подобна некой «платформе», по которой как бы «скользит» частица регистрации и, взаимодействуя с ней, меняет скорость своего движения. Частица-источник и ее полевая оболочка играют в этом случае роль своеобразной «механической подставки», по которой как бы «катится» частица регистрации, подобно механическому шару (рисунок 1.3.2).
Пока эта «подставка» покоится, частица регистрации движется наиболее простым образом и никаких дополнительных сил — сил инерции — не возникает. Но если ее привести в движение, то возникает различие в характере движения полевой «подставки» и «движущейся по ней» частицы регистрации. А разница в характере движения приводит к появлению относительных сил инерции — добавок к электростатической силе — полевых сил инерции. Вот почему система отсчета, связанная с источником поля, играет в электродинамике роль инерциальной системы отсчета!
В этом смысле силы инерции универсальны. Их сущность, вообще говоря, не связана даже с конкретным видом взаимодействия и вытекает из чистой кинематики. Независимо от субстанции — твердого тела, жидкости, газа, плазмы или даже полевой среды различие в характере движения — траекториях — приводит к появлению относительных сил — сил инерции. Применяя понятие инерции к полевой среде, мы могли бы вообще отказаться от термина силы и оперировать соответствующими относительными ускорениями.
Дополнительно следует отметить, что в случае наличия нескольких источников, движущихся различным образом, для каждого парного взаимодействия предпочтительная система отсчета будет своя! Также как предпочтительная система отсчета для электромагнитного взаимодействия может быть неинерциальной механически и наоборот, инерциальная для механики система отсчета не является предпочтительной для электромагнитного взаимодействия.
Эти представления позволяют нам сформулировать принцип предпочтительной (инерциальной) системы отсчета:
Для каждого отдельного взаимодействия предпочтительной (инерциальной) системой отсчета, в которой выражение для силы имеет простейшую структуру без дополнительных сил инерции, является система отсчета, связанная с источником поля этого взаимодействия. Эта система отсчета называется системой поля.
Этот принцип предпочтительных систем отсчета может быть применен даже к самой обычной классической механике. Так для всех процессов на Земле и в Солнечной системе наиболее интенсивным является взаимодействие с гравитационным полем нашей Галактики, которое мы назовем глобальным взаимодействием. Следовательно, предпочтительной или инерциальной системой отсчета для всех механических явлений будет система отсчета, связанная с центром Галактики, или другими словами, с системой неподвижных звезд. Если же пренебречь движением Солнечной системы и вращением Земли, то с определенной точностью инерциальную систему отсчета можно связать с самой Землей, что и делают физики еще со времен Галилея.
Однако вернемся к взаимодействию двух заряженных частиц. Предпочтительной системой отсчета, в которой электромагнитная сила имеет простейшую структуру, является система поля или система, связанная с частицей-источником. Но сама частица-источник может совершать сложные движения с произвольной скоростью v, в том числе с ускорением и поворотами относительно лабораторной системы отсчета, связанной с Землей. С точки зрения системы поля эти сложные неинерциальные движения совершает лабораторная система отсчета, двигаясь со скоростью –v. Получается, что лабораторная система отсчета, инерциальная с механической точки зрения, является неинерциальной с точки зрения данного полевого взаимодействия!
Чтобы формулу для электромагнитной силы — силу Лоренца, имеющую простейший вид в системе поля, записать в лабораторной системе отсчета, необходимо воспользоваться формулами для перехода в неинерциальную систему. В этом случае неинерциальной является лабораторная система отсчета, которая движется со скоростью –v относительно системы поля. Другими словами, мы получили неинерциальную систему как бы наоборот!
Именно по этой причине в лабораторной системе отсчета в формуле силы Лоренца к обычному электростатическому члену из системы поля добавятся еще два слагаемых — переносная сила инерции, которая суть вихревое электрическое поле, и сила Кориолиса — магнитная сила. То обстоятельство, что инерциальная с механической точки зрения лабораторная система отсчета для электромагнитного взаимодействия становится неинерциальной, мы назовем явлением полевой неинерциальности.
Явление полевой неинерциальности состоит в том, что инерциальная с механической точки зрения система отсчета (например, лабораторная) является неинерциальной для полевого взаимодействия, если источник поля движется с ускорением по отношению к этой системе отсчета.
Доказательством явления полевой неинерциальности является наличие в силе Лоренца двух добавок к обычной электростатической силе, которые имеют структуру, аналогичную классическим силам инерции.
Магнитное поле и вихревое электрическое поле не являются самостоятельными физическими полями, а суть силы полевой инерции, возникающие при неравномерном движении зарядов и их электрических полевых оболочек.