Нелинейные эффекты в физическом вакууме



Скачать 218.67 Kb.
Дата03.07.2014
Размер218.67 Kb.
ТипДокументы
Нелинейные эффекты в физическом вакууме.


author



Физическая активность и энергетика вакуума нашей Вселенной стоит на повестке дня. Некоторые теоре-тические и экспериментальные аспекты этой проб-лемы предлагаются ниже.




Активность вакуума.
Современная квантовая теория и эксперимент утверждают, что вакуум является физически активной материальной средой. В частности, он электродинамически активный, когда с ним взаимодействует система электрических зарядов. В свою очередь, сама активность вакуума зависит от силы реализуемого в нем взаимодействия, т.е. от величины напряженности электрического поля создаваемого зарядами. В относительно слабых полях, создаваемых макросистемами и хорошо описываемых классической теорией Максвелла-Лоренца, поляризация вакуума и связанные с этим нелинейные эффекты слишком малы, чтобы повлиять на результаты соответствующих экспериментов.
Ситуация в корне меняется, когда рост поля приводит к величинам характерным для квантовых систем (микросистем) таких как элементарные частицы, ядра, атомы. В этой области, перекрывающей интервал напряженности электрического поля 109–10²⁰ в/см, нелинейные эффекты (поляризация вакуума, самодействие поля, рождение частиц) уже существенно изменяют классическое поведение заряженной системы [1,10,11]. В случае микросистем подобная ситуация традиционно описывается квантовой электродинамикой, выводы которой, как известно, не согласуются во многом с теорией Максвелла. Тем не менее, создание сверхсильного поля не является прерогативой только квантовых систем.
Классический подход.
В рамках классической физики допускается, совершив работу и затратив энергию, локализировать достаточно большой заряд одного знака в относительно малом объеме. Например, заряд в 1 Кл (электроны) можно локализировать в объеме радиусом 0,1 м. По закону Кулона напряженность поля такой системы оказывается порядка 1010 в/см. Т. е. система попадает в квантовую область взаимодействия с вакуумом. И здесь, естественно, необходимо учитывать нелинейные эффекты, что может существенно изменить классическое поведение макросистемы.
По классической теории (закон Кулона) [2], даже затратив работу, нельзя сделать подобную макросистему стабильной. Предоставленная самой себе она неминуемо распадается с переходом запасенной энергии в кинетическую энергию зарядов. Однако, является ли подобный вывод научно корректным.
Ведь поведение макросистем с таким сильным полем до сих пор ни экспериментально, ни теоретически не исследовалось. Теория Максвелла здесь просто не работает, несмотря на всю свою обоснованность при малых полях.

Не будем утверждать, что макросистемы со сверхсильными полями должны обладать квантовыми свойствами. Все проще. Предполагается только, что уравнения Максвелла в области квантовых напряженностей поля и больших концентраций зарядов не работают без поправок. Что и как при этом надо учесть. Современная макрофизика на это ответ не дает. Тем не менее, автором была предпринята попытка модифицировать уравнения Максвелла с учетом основных нелинейных эффектов квантовой теории таких как поляризация вакуума и самодействие поля [3]. Вкратце упомянем некоторые полученные результаты.
Базовые уравнения.
Теория базируется на современной физике материального континуума и физическом эксперименте. Поляризация вакуума и самодействие поля вводятся при выводе уравнений Максвелла из интегральных законов сохранения (баланса) энергии–импульса и заряда взаимодействующей материальной системы. Никаких особых предположений, выходящих за рамки современной физики, при этом не делается. В результате получается система квазимаксвелловских уравнений, отличающаяся от классических уравнений Максвелла нелинейными добавками, стремящимися к нулю для слабых полей.
В дальнейшем ограничимся исследованием частного случая новой системы, иллюстрирующего характерные особенности взаимодействия сверхсильного электрического поля с вакуумом и отличия в поведении макросистемы от классического. Рассмотрим электростатическое взаимодействие макросистемы зарядов с вакуумом. Для этого случая квазимаксвелловские уравнения существенно упрощаются и записываются в виде:
, . (1)

Здесь – вектор напряженности электрического поля,  – диэлектрическая проницаемость вакуума,  – плотность зарядов, – известная функция [3],

=Q/(mc²).
В определение входят: Q ― “голый” заряд, m ― “голая” масса исследуемой системы, свя- занные с наблюдаемыми в эксперименте величинами Q₀ и m₀ формулами [3]:
Q₀= Q (D―1)/(βD), m₀= m (D―1)/D, D=3π/4,
рассмотренными нами более подробно в одном из следующих разделов. Необходимо только учесть, что D=const и ее значение диктуется глобальной структурой Вселенной, ее топологией и геометрией (соответственно RP3 и эллиптическая).
В рамках уравнения (1) была рассмотрена модельная задача о поле сферически–симмет- ричной системы зарядов локализованных при r R0, где r – радиальная переменная, R0 – радиус области локализации. Требовалось найти внешнее поле. Как известно, в этом случае внутренняя структура распределения роли не играет [2], и поэтому был выбран простейший вариант. Считалось, что заряд Q системы распределен по проводящей сфере радиуса R0. Для такой модели уравнения (1) сводятся к одному нелинейному обыкновенному дифференциальному уравнению
(2)
для радиальной компоненты электростатического поля E=E(r). Здесь (rR) ― дельта-функция.
Решение уравнения (2) имеет вид:
, (3)

где =0, а 0, ― абсолютная и относительная диэлектрические проницаемости вакуума (СИ). Отметим, кроме того, что первый сомножитель в (3) выделяет традиционное кулоновское взаимодействие. Последнее является предельным случаем (3) при Q0, Q/m 0.
Свойства решения.
Решение (3) дифференциального уравнения (2) определяет локальные свойства исследуемой физической системы. Однако, по своей природе система заряд+поле+вакуум является глобальной, так как электрическое поле должно занимать все пространство вне сферы радиуса R0. Учитывая это и современные представления о вакууме и строении Вселенной [4,12,13], удается получить феноменологические соотношения, характеризующие систему зарядполевакуум как единое целое. Выпишем одно из них, определяющее некоторый критический заряд Qκ [3],






(4)


При Q₀<Qκ (R0 и m₀ – фиксированные) поведение рассматриваемой системы не отличается от кулоновского. Электрическое поле занимает весь объем Вселенной (R³), а сами заряды (электроны) стремятся покинуть металлическую оболочку (r=R0 ) за счет интенсивной автоэлектронной эмиссии.
Когда заряд Q₀ достигает величины Q₀>Qκ (при тех же R0 и m₀), классическое поведение системы нарушается. При Q₀=Qκ система (заряженная материя + поле + вакуум) переходит в новое фазовое состояние и с увеличением заряда Q создаваемое ею электрическое поле “сворачиваеться” в объём радиуса R (см. рис.1).


fireball12

Рис.1


1 ― Заряженная материя.

2 ― Сверхсильное поле.

Вне радиуса R электрического поля нет.












(5)


Здесь и выше величина D=const и ее значение диктуется глобальной структурой Вселенной, ее топологией и геометрией (соответственно RP3 и эллиптическая) [3,4 ].
Когда Q₀>Qκ и растет, то R R0 (рис.1). Электрическое поле вне сферы радиуса R при этом отсутствует, но зато его концентрация внутри будет расти. Причем, если при Q₀<Qκ заряды стремятся разлететься, то при Q₀>Qκ между теми же одноименными зарядами возникают коллективные силы притяжения с соответствующей энергией связи ES,







(6)



Здесь N – число заряженных частиц локализованных при r < R0, RU – радиус Вселенной (в рамках замкнутой космологической модели [4]). При этом с ростом Q₀>Qκ и R R0 (R << RU) энергия связи (отрицательная) тоже растет, гарантируя стабильность нового фазового состояния.
Электронный кластер.
Построенный объект, в случае, когда исходные заряды находятся на жесткой проводящей оболочке, является стабильным. Если же, каким либо образом, достаточное количество заряда Q скопилось в области радиуса R0, заполненной аэрозолем с общей массой m, то объект также формируется. Однако, движение зарядов нарушает его стабильность, ограничивая время жизни, определяемое общим балансом сил.
Подобное образование, если в роли одноименных зарядов выступают электроны можно, формально, трактовать как электронный кластер ― динамическая диссипативная структура взаимодействующих электронов, окруженная полевой оболочкой (рис.1). Квазинейтральное вещество (аэрозоль, плазма), находящееся внутри электронного кластера, при r<R0, увлекается им, а рост заряда Q₀ приводит к увеличению энергии связи частиц кластера, росту поверхностного натяжения при r = R0 и стабилизации системы.
Если в объеме электронного кластера (при r < R0) находится термоядерная плазма, то ее высокая температура вызовет более энергичное движение вещества кластера и значит большее нарушение его стабильности. Этого, однако, можно избежать если параллельно с ростом температуры увеличивать, в достаточной мере, и заряд Q₀. При этом за счет роста энергии связи, флуктуации, связанные с ростом температуры будут подавляться, что позволяет достичь стабильности достаточной для длительного удержания термоядерной плазмы.
Шаровая молния.
Отметим, что квазистабильные объекты, подобные рассмотренным выше, но сформированные в воздухе реально наблюдаются в природе. Они могут содержать как низкотемпературную плазму, так и примеси ― твердые, жидкие, газообразные. И это ничто иное, как хорошо известные, но мало изученные шаровые молнии (см. рис.2).


Рис.2new38


c


Согласно современному массиву наблюдательных данных (более 104 наблюдений), шаровые молнии – это автономные светящиеся, подвижные объекты разных размеров, порядка 0,01–10м. Их форма, в основном, ― сферическая, эллипсоидальная и грушевидная.


new21



untitled 7



Движутся они произвольным образом и даже против ветра. Характер поражения контактирующих с ними материальных объектов – электрический.
Однако, несмотря на большой массив наблюдений и определенный задел по искусственному воссозданию шаровых молний в лаборатории (эксперименты Н. Тесла, К. Л. Корум, Дж. Ф. Корум [8]), физическая природа “огненных шаров” оставалась до сих пор неясной. И это не случайно, так как ключ к разгадке феномена лежит в мало исследованной области физики. Он находится в области, где существенны нелинейные эффекты взаимодействия сверхсильного поля с вакуумом, искажающие классическое поведение макросистем.
С этим связанно и возникновение, наряду с кулоновской областью отталкивания одноименных зарядов (относительно слабые поля, линейное приближение), области, где формируются такие стабильные системы как электронный кластер. Это область сверхсиль-ного поля и нелинейных эффектов в вакууме. Что касается электронного кластера, то, если он сформирован в воздухе, то своим поведением, формой и физическими свойствами он неотличим от шаровой молнии.
Структура электронного кластера следующая (рис.1): ядро, где локализуются электроны (r<R0), полевая оболочка (R0<r<R), где сконцентрировано сверхсильное электрическое поле напряженностью 1010 в/см и более). При этом, возбужденные молекулы воздуха и примесей, находящиеся в полевой оболочке, излучают, делая электронный кластер подобным “огненному шару”. Такой объект является квазистабильным, так как электроны, формирующие кластер (ядро), движутся, а это приводит к потере энергии и конечности его времени жизни. Последнее является характерным и для всех шаровых молний.
Кроме внешнего сходства (автономность, форма, свечение, движение), можно убедиться, что такие количественные характеристики шаровых молний как: заряд Q, масса m, радиус R0 ― попадают в область стабильности электронного кластера. При этом они как качественно, так и количественно [3] хорошо согласуются с аналогичными величинами для электронных кластеров. Особенно это касается таких достоверных наблюдений как приведенное ниже [5].
Наблюдательные данные.
Статус работы [5] особый. В ней приводятся не только обычные наблюдательные данные, но и результаты исследований в лаборатории материальных следов взаимодействия шаровой молнии с грунтом. Сюда относятся и результаты по поиску возможных физических механизмов воздействия на грунт, приводящих к тем же последствиям. Все это позволяет использовать результаты, полученные в [5] опытным путем, для определения жизнеспособности уже существующих теорий шаровой молнии. В связи с этим остановимся вкратце на [5] (рис.3).



Рис.3new46








Наблюдаемый многими очевидцами “огненный шар” размером 1,5м при взаимодействии с мокрым грунтом (вспышка) оплавил участок поперечником 1,5м и глубиной 20–25 см. Расчеты показали, что при этом было расплавлено 440 кг сухого грунта и испарилось 175 кг воды. По подсчетам специалистов, тепловая энергия, выделенная шаровой молнией при вспышке, составила порядка 1010 Дж. Кроме того, шаровая молния разрушила электропроводку в радиусе 100 м. По данным проф. Эгели [7], это говорит об участии в процессе взаимодействия электрического заряда (электронов) порядка 3–5 кулон.

Результаты [5] поиска в лаборатории возможных физических факторов воздействия на грунт, которые приводят к тем же последствиям что и воздействие исследуемой шаровой молнии, уже сейчас позволяют сделать однозначный вывод, что большая энергия 1010 Дж и большой заряд 3–5 Кл являются для шаровой молнии внутренними. Таков “странный” облик шаровой молнии, который дают опытные данные в рассматриваемом случае. Разумеется, он странный для традиционных теорий [6,7] в которых допускаемая внутренняя энергия и заряд на 4―5 порядков (в 105 раз) меньше.
В модели электронного кластера с подобными величинами энергии и заряда никаких проблем не возникает. Так, если считать что “огненный шар” в [5] состоит из аэрозольного ядра радиуса R0=0.1 м, где локализован электронный кластер, и полевой оболочки поперечником 2R=1.5 м (см. рис.1), то остальные характеристики, по оценочным формулам для электронного кластера [3,9], определяются, как:
m = 5 г, Q0 = 3 Кл, W = 1012 Дж,
где W – общая энергия поля, находящегося в полевом слое при R0 < r < R.
Последняя, с учетом возможного КПД (1%) преобразования энергии поля в тепловую, и дает величину 1010 Дж. Таким образом, в модели электронного кластера очень большие величины внутренней энергии и заряда шаровой молнии из [5] выглядят вполне естественными. В то время в других теориях [6,7], ссылаясь на закон Кулона, в принципе отрицают существование подобных больших величин.
Повторимся еще раз, что закон Кулона не применим к сверхсильным полям порядка E(R0)=1011 в/см как в [5], так как он не учитывает взаимодействие зарядов с вакуумом ― его поляризацию, нелинейные эффекты. Он не годится даже для качественного описания поведения системы зарядов создающих сверхсильное поле. Кроме того, можно легко показать, что выводы [6,7] относительно внутренней энергии и заряда шаровой молнии не согласуются с большинством наиболее достоверных наблюдений шаровой молнии и с экспериментами по ее воспроизводству [8].
Отметим, что в рамках модели электронного кластера с аэрозольным ядром могут быть объяснены все тонкости поведения и качественные, и количественные не только приведенного наблюдения шаровой молнии, но и всех наиболее достоверных и информативных наблюдений из собранного массива данных.
Накопитель энергии.
Модель электронного кластера, формируемого электронами локализованными на поверхности r=R0 металлической оболочки, является стабильной. И в первую очередь это связанно с тем, что жесткая проводящая оболочка и слой сверхсильного поля вокруг нее выступают в роли потенциальной ямы, ограничивая подвижность электронов кластера и заставляя их равномерно распределяться по поверхности (рис.4).


Рис.4


1 ― Металлическая оболочка.

2 ― Потенциальная яма.


Что касается параметров электронного кластера, сформированного на оболочке, то он характеризуется величинами: Q₀, m₀, R0. Здесь заряд Q₀ больше критического заряда, а m₀ ― масса металлической оболочки. Если задать, например,
R0 = 0,15м, m₀ = 1кг,
то критический заряд, необходимый для перехода исходной системы заряд–поле–вакуум в новое фазовое состояние, оказывается порядка 50 Kл. При этом в полевой оболочке электронного кластера (R0 < r < R ) концентрируется электрическое поле с энергией 1014 Дж. С ростом заряда Q₀ внешний радиус полевой оболочки R R0, R R0 (рис.4).
Оказывается, что представленный выше объект, помещенный в защитный экран, может играть роль генератора ЭДС, используя накопленную энергию для создания тока во внешней цепи. Предварительные расчеты показывают, что подобный источник по удельной энергоемкости в тысячи раз превосходит лучшие современные аналоги, что делает его использование перспективным как при создании экологически чистого автомобиля (электромобиля), так и в аэрокосмической технике. Т.е. всюду, где необходимы автономные источники электроэнергии – легкие, компактные и мощные.
При создании подобных источников (накопителей и генераторов электроэнергии), естественно, возникают свои трудности. Так, совсем не очевидно, как поместить (локализовать) заряд в 50 Кл на металлическую оболочку таких небольших размеров. Ведь, как известно, уже при заряде порядка 10–5 Кл интенсивная автоэлектронная эмиссия (или взрывная, или пробой воздуха) с поверхности такой оболочки препятствует дальнейшему увеличению заряда.
Все это так, но подтверждает лишь то, что традиционными методами этого действитель-но сделать нельзя. Они не рассчитаны на локализацию большого заряда в малом объеме и создание, связанного с этим, сверхсильного поля. Но, тем не менее, существует путь (ноу-хау) на котором это реализуется с небольшой затратой энергии. Сама природа позаботилась об этом. Этот путь задействован ею при создании реально существующих объектов и процессов, а понять его можно, только если “вжиться” в предлагаемый подход и использовать его как “ключ” при анализе наблюдательных и опытных данных по шаровым молниям.
Жизнеспособность теории.
Рассмотрим теперь вопрос о том, насколько доказательно существование объектов типа электронного кластера. Здесь возможны два пути. Первый – чисто формальный. Можно попытаться выделить в математической модели электронного кластера, опирающейся на нелинейные квазимаксвелловские уравнения, ключевые элементы ответственные за его формирование, и опробовать их на хорошо проверенных теоретически и экспериментально задачах. Второй путь – это путь непосредственной лабораторной проверки.
Основным физико-математическим элементом, ответственным за формирование электронного кластера, является нелинейная добавка в квазимаксвелловских уравнениях (1). Для проверки ее на “жизнеспособность” для уравнений (1) были рассмотрены две более сложные, но стандартные, задачи, переходящие, в частном случае, в задачу электронного кластера. В качестве хорошо изученных (теоретически и экспериментально) модельных задач были выбраны модели сферического конденсатора и атома водорода.
Не вдаваясь в подробности [3], отметим, что результаты, полученные при решении этих задач, полностью совпадают, в соответствующем приближении, с уже известными хорошо проверенными на опыте. Это в особенности касается рассмотренной нелинейной модели атома водорода, где полученные формулы полностью эквивалентны известным из квантовой механики.
Уже сам по себе этот факт несколько необычен, так как нелинейная модель является полностью детерминированной, а макроскопические квазимаксвелловские уравнения не были предназначены для описания квантовых явлений. Но тем не менее, полученное совпадение показывает, что нелинейный детерминированный подход к квантовым процессам имеет право на жизнь и, что квантовомеханические эксперименты, подтверждающие модель атома водорода, косвенно подтверждают и модель электронного кластера.
Путь экспериментальной проверки в настоящее время также возможен. На нем можно выделить два момента. Первый момент – это проверка модели электронного кластера с аэрозольным ядром, как модели шаровой молнии. Второй момент – это проверка модели стабильного электронного кластера, формируемого на проводящей металлической оболочке.
Что касается шаровых молний, то уже сейчас можно утверждать, что последовательный анализ [9] современных наблюдательных и опытных данных (в том числе экспериментов американских ученых К.Л. Корум, Дж.Ф. Корум [8]) показал, что все их свойства могут быть описаны в рамках модели электронного кластера с аэрозольным ядром и с полевой оболочкой со сверхсильным электрическим полем.
Экспериментальная проверка модели стабильного электронного кластера, формируемого на металлической оболочке, сложнее. Однако, и здесь, возникающие технические трудности вполне преодолимы в рамках современного физического эксперимента и имеющихся ноу−хау. Это тем более оправдано, что эта модель является прототипом накопителя и генератора энергии нового поколения, основой новой вакуумной энергетики.

ЛИТЕРАТУРА:


1.

Мигдал А.В. Фермионы и бозоны в сильных полях. ― М: Наука, 1978.

2.

Джексон Дж. Классическая электродинамика. ― М.: Мир, 1965.

3.

Buerakov V. A. "Generalization of the Maxwell equations to the case of the superhigh electromagnetic field." ― RIAP Preprint No.7, 93, Kharkov, 1993, pp.1―4 (in English).

4.

Буераков В. А. Некоторые проблемы теории гравитации и космологии. Львов, 1998. – 48с. –/Препринт АН УССР. ИППММ – 11 – 86/.

5.

Дмитриев М. Т. и др. Исследование термического фактора шаровой молнии //Журн. Техн. физ. 1981. Т. 51. Вып. 12. с. 2567―2572.

6.

Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. ― М.: Энергоатомиздат., 1985.

7.

Смирнов Б.М. Физика шаровой молнии. //Усп. физ. Наук. 1990. т. 160. Вып. 4. с. 1–48.

8.

Корум К. Л., Корум Дж. Ф. Эксперименты по созданию шаровой молнии при помощи высокочастотного разряда и электрохимические фрактальные кластеры. // Усп. физ. наук. 1990. т. 160. Вып. 4. с. 48–58.

9.

Буераков В. А. Феномен шаровой молнии. ― www.bvank.net/ru/physics/fireball.

10.

Гриб А. А., Мамаев С. Г., Мостепаненко В. М. Вакуумные квантовые эффекты в сильных полях. ― М.: 1988, с.288.

11.

Мигдал А. Б. Поляризация вакуума в сильных полях и пионная конденсация. ― УФН, т.123, Вып.3, с.369, 1977.

12.


Фомин П. И. Гравитационная неустойчивость вакуума и космологическая проблема. ― Доклады АН УССР. Сер.А, 1975, с.831–835.

13.


Грищук Л. П., Петров А. Н. Замкнутый мир и гравитационное поле. ― Письма в АЖ, 1986, 12, №6, с.429–433.



Похожие:

Нелинейные эффекты в физическом вакууме iconНелинейные эффекты при распространении крутильных волн в упругих стержнях
Работа выполнена в Нижегородском филиале Учреждения Российской академии наук Института машиноведения им. А. А. Благонравова ран
Нелинейные эффекты в физическом вакууме iconЛекция 13. Нелинейные оптические эффекты
Среда, линейная в обычных условиях, т е при обычных интенсивностях света, становится нелинейной, когда напряженность электрического...
Нелинейные эффекты в физическом вакууме iconНелинейные эффекты в тепловой конвекции вязкоупругих жидкостей в статическом и модулированном поле тяжести 01. 02. 05 Механика жидкости, газа и плазмы
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте механики сплошных сред Уральского отделения ран
Нелинейные эффекты в физическом вакууме iconВопросы к коллоквиуму №2 для потока дс
Магнитные явления как следствие релятивистского эффекта. Магнитостатика в вакууме и её задачи. Магнитное поле в вакууме. Вектор индукции...
Нелинейные эффекты в физическом вакууме iconМагнитное поле в вакууме
Закон Био-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиции для магнитных полей (МП). Действие мп на ток. Примеры расчета мп. Сравнительная характеристика...
Нелинейные эффекты в физическом вакууме iconЭкономические эффекты интеграционного расширения
Такие многоплановые социально-экономические эффекты обязательно должны в каждом моменте давать некоторый баланс плюсов и минусов...
Нелинейные эффекты в физическом вакууме iconКогнитивная нагрузка и стереотип в восприятии иммигрантов: эффекты и некоторые взаимодействия
Щебетенко, Балева, 2007. Представлены результаты исследования роли когнитивной нагрузки в восприятии иммигранта, а также ее взаимодействия...
Нелинейные эффекты в физическом вакууме iconА. А. Новакович «Использование современного пакета компьютерной алгебры Maple в физическом образовании бакалавров»
Использование современного пакета компьютерной алгебры Maple в физическом образовании бакалавров: Учебно-методическое пособие. Ростов-на-Дону,...
Нелинейные эффекты в физическом вакууме iconПо курсу Обработка графических изображений Трюки и эффекты
Сборник методических материалов по курсу «Обработка графических изображений. Трюки и эффекты». – М.: Импэ им. А. С. Грибоедова, 2006....
Нелинейные эффекты в физическом вакууме iconПоляризационные и интерференционные эффекты в многомодовых волоконных световодах 01. 04. 21 лазерная физика
Кизеветтер дмитрий владимирович поляризационные и интерференционные эффекты в многомодовых волоконных световодах
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org