3.12. Электромагнитная масса

Рассуждая о вечном, нам следует уделить немного внимания еще одной яркой попытке понять природу массы. Этот подход получил развитие примерно в то же время, что и идеи Маха. Однако он в большей степени был близок к классическим представлениям о массе и содержал те же недостатки, а поэтому и получил гораздо большую популярность. Речь идет о концепции электромагнитной массы.

Следует отдать должное этой идее как первой более-менее значимой и обоснованной попытке понять природу введенного Ньютоном коэффициента, обозначаемого буквой m. Коэффициента, значение которого для каждого конкретного тела давалась до этого как бы «свыше», было доступно путем взвешивания, а гадать о природе возникновения этой самой массы в классической физике не было никаких возможностей.

Первые догадки в направлении концепции электромагнитной массы появились тогда, когда при изучении электрических токов было обнаружено явление самоиндукции. При выключении тока в цепи возникала ЭДС, стремящаяся этот ток сохранить, а при включении, наоборот, воспрепятствовать ему. Такое поведение очень напоминало сопротивление тела изменению его скорости, которое и выражалось свойством массы! Более того, характер уравнений, описывающих эти явления, оказался полностью аналогичным!

Первым делом были предприняты попытки объяснить электромагнитную индукцию с помощью законов механики. То есть реализовать что-то подобное тому, как мы получили вихревое электрическое поле из соответствующей силы инерции. Однако без концепции полевой массы этот переход сделать не удалось, и тогда появилась обратная идея. Объяснить обычную классическую массу с помощью электромагнитного поля.

И логика здесь была примерно следующая. Покоящийся заряд, например электрон, не создает магнитного поля. Однако если он начинает двигаться, то магнитное поле возникает, на что расходуется энергия. А взяться эта энергия может только за счет работы внешней силы, которой электрон будет оказывать сопротивление. Подобно тому, как обычная классическая масса оказывает сопротивление при изменении своего движения, и это отражается на затратах работы по увеличению кинетической энергии электрона.

Математически это выглядит так. Если считать электрон частицей, имеющей обычную классическую массу m, то при разгоне внешней силой он приобретает кинетическую энергию E_k:

где v – скорость электрона. Однако если говорить только об электромагнитной стороне вопроса, то по мере разгона возрастает энергия магнитного поля E_m, создаваемого движущимся электроном, которая тоже оказывается пропорциональна квадрату скорости электрона! Расчет дает:

а

где e — заряд электрона, R_e — его радиус (в модели частицы-шарика), c — скорость света. В этой формуле величина μ, называемая электромагнитной массой, обуславливает те же свойства электрона, что и обычная классическая масса! Поэтому можно сказать, что никакой классической массы у электрона вообще нет, а эффект ее наличия обусловлен исключительно электромагнитными эффектами.

Эта концепция была очень популярна на рубеже XIX–XX веков. Однако впоследствии в ней обнаружился целый ряд объективных и субъективных сложностей, что привело к постепенному отказу от этих взглядов и возврату к обычной классической трактовке массы. Одной из таких проблем послужила необходимость использовать конечный радиус электрона R_e, так как для точечной частицы энергия магнитного поля, как и электромагнитная масса, получались бесконечными. А конечный размер электрона требовал существования неких сил неэлектромагнитной природы, которые удерживали бы разные части электрона вместе. Ведь одноименно заряженные части электрона должны были бы отталкиваться. Эти силы получили название «резинок» Пуанкаре. В одной из следующих глав мы неожиданно обнаружим решение этой проблемы. И найдем механизм стабильности неточечной заряженной частицы. Однако в рамках классической и современной физики подобных возможностей не существовало.

И тем не менее, если смотреть на эту проблему с позиций полевой физики, то становится понятно, что основным недостатком концепции электромагнитной массы послужила попытка снова связать свойство массы с отдельной изолированной частицей. Подобно классической массе – «врожденной» характеристике материальной частицы, электромагнитная масса также приписывалась только одной отдельно взятой частице. С той лишь разницей, что теперь эта собственная масса частицы оказывалась связанной не с материей внутри этой частицы, а с окружающим ее магнитным полем. В противоположность полевой массе, которая возникает только при взаимодействии пары частиц.

Понятие электромагнитной массы, тем не менее, можно свести к полевой массе с помощью следующих искусственных шагов. Наличие магнитного поля означает ни что иное, как движение исследуемой частицы относительно некой другой заряженной частицы. В результате этого и возникает магнитное поле – соответствующая сила инерции. Поэтому описанная нами в классических терминах отдельная частица, окруженная магнитным полем, в полевой физике означает частицу, движущуюся относительно другой заряженной частицы. Их взаимодействие и обуславливает наличие массы у рассматриваемой частицы.

Причем чтобы объяснить этим способом появление всей известной массы электрона, обе частицы должны находиться друг от друга на очень малом расстоянии классического радиуса электрона R_e. Но как мы уже понимаем, все устроено не совсем так. Потому что основная часть массы электрона обусловлена глобальным взаимодействием, которое классическая физика тоже не учитывает. А локальные электромагнитные поля вносят лишь небольшое дополнение к этой массе, потому что в классических условиях электроны никогда не сближаются до таких малых расстояний.