AA

3.6. Классическое движение или пассивная инертность

В этой главе мы получили уже немало красивых формул. А также нашли полевое уравнение движения и сделали его похожим на классическое. Однако перейти к каким-либо конкретным прикладным задачам мы пока не можем, потому что теперь необходимо «вписать» полевое уравнение движения как таковое в реалии земных процессов. Провести его адаптацию. И истинная красота перехода полевой физики к классической состоит в следующем (рисунок 3.6.1).

Рисунок 3.6.1. Любой объект на поверхности Земли или в космосе помимо локальных взаимодействий прежде всего испытывает влияние глобального взаимодействия, обусловленного совокупным гравитационным полем Вселенной.

На поверхности Земли любое локальное взаимодействие, будь то сила тяжести, электрическое притяжение заряженных шаров или какое-то другое взаимодействие, мы можем описать потенциальной энергией (или просто потенциалом) W1. Поведение тел под действием таких локальных полей обычно и интересует экспериментаторов и инженеров.

Но чтобы получить правильные результаты поведения отдельных тел на поверхности Земли под действием локальных полей, необходимо принять во внимание тот важный факт, что Земля является частью огромной Вселенной. Как и все изучаемые нами объекты на ее поверхности. И все они постоянно находятся в сильнейшем гравитационном поле, созданном совокупностью всех объектов во Вселенной, которое мы назвали глобальным взаимодействием и будем в дальнейшем описывать потенциалом Wg

Локальные поля и глобальное взаимодействие очень сильно различаются по своим свойствам. Так, глобальное взаимодействие, как правило, гораздо интенсивнее большинства локальных полей, что мы можем выразить следующим соотношением:

(3.6.1)

При этом интенсивность глобального взаимодействия в пределах Земли и Солнечной системы можно считать примерно постоянной. Более того, Солнечная система со всеми планетами движется в этом поле как единое целое. Глобальное взаимодействие не приводит к возникновению относительных сил и перемещений между различными телами в Солнечной системе или на Земле. Это обстоятельство мы можем записать так:

(3.6.2)

или в другой формулировке:

(3.6.3)

Движение любого тела на поверхности Земли или в Солнечной системе будет определяться совокупным влиянием этих двух принципиально различных компонент полевой среды. Мы можем ввести суммарный потенциал W:

(3.6.4)

Пока речь идет о классическом движении, мы можем довольно смело использовать прямое сложение потенциалов. Однако следует также учесть, что все сказанное в предыдущей главе о принципе суперпозиции имеет отношение к объединению однотипных полевых оболочек частиц, например нескольких электронов, в единую полевую оболочку группы частиц. В случае подобного слияния происходит существенное перераспределение плотности полевой среды, и при сложении отдельных оболочек могут возникать перекрестные слагаемые.

В нашем случае речь идет о принципиально ином сложении. Это одновременное влияние на одно и то же тело двух различных компонент полевой среды, которые при этом не являются взаимозависимыми и не сливаются в одну оболочку. Они даже могут иметь совершенно различную природу. Так, глобальное взаимодействие является гравитационным, а локальное может быть электрическим. В этом случае разные компоненты полевой среды выглядят совершенно не связанными, а поэтому пропадают и основания для появления в этом случае каких-либо перекрестных членов.

В результате мы должны подставить полный потенциал W в наше полевое уравнение движения (3.4.1):

(3.6.5)

И именно на этом этапе возникает одно из приближений полевой физики под названием классическая механика. Вся красота этого перехода состоит в том, что классическая физика является идеализацией, в которой все массы определяются исключительно глобальным взаимодействием, а все силы носят только локальный характер. Другими словами, наши приближенные условия (3.6.1) – (3.6.2) в классической механике становятся точными:

(3.6.6)

(3.6.7)

Полевое уравнение движения в классическом приближении принимает вид:

(3.6.8)

Классическая механика является приближением полевой физики, в котором все массы тел определяются только глобальным взаимодействием, а силы носят только локальный характер. Подобная идеализация приводит к полному разделению двух компонент полевой среды, позволяет оперировать постоянной массой и обеспечивает выполнение законов Ньютона.

В результате каждый объект на Земле и в Солнечной системе приобретает в классической механике постоянную положительную классическую массу, обусловленную только глобальным взаимодействием:

(3.6.9)

Подобную массу можно рассматривать как внутреннее, или «врожденное», свойство тела. В определенном смысле ее можно интерпретировать как своеобразную «меру количества материи», заключенной в теле.

Однако следует помнить, что в других областях космоса подобная классическая масса будет уже иной. Хотя в каждой отдельной области пространства, ничтожно малой по сравнению с размерами Вселенной, величина этой массы также будет оставаться примерно постоянной. Мы будем называть такую массу пассивной.

Пассивная инертность создается постоянным внешним полем W(r) = const, имеющим одинаковую величину плотности (функции полевой связи) в рассматриваемой области пространства. В результате такого взаимодействия объект приобретает постоянную массу, а его движение определяется только действием сил. Этот случай соответствует классической механике.

Активная инертность связана с наличием переменной интенсивности поля W(r) в рассматриваемой области пространства, в результате чего объект приобретает массу, которая меняется в процессе его движения. Характер движения объекта с активной инертностью в равной мере зависит как от действия сил, так и от изменения массы. Подобное движение заметно отличается от классического и представляет собой пример принципиально иной механики.

Мы подробно рассмотрим движение тел с активной инертностью в пятой и шестой главах. В классической же механике масса почти не влияет на динамику тел и является лишь постоянным коэффициентом.

С другой стороны, силы, определяющие движение тел в классической механике, определяются только локальными полями. Роль глобального взаимодействия в масштабах Земли и Солнечной системы сводится только к созданию постоянных масс тел, но не создает заметных сил, которые приводили бы к относительному движению объектов. В результате возникает полное разделение двух компонент полевой среды – глобальной и локальной. Первая определяет массы, а вторая – силы. Такое положение дел приводит к известному набору следствий, являющихся приложениями второго закона Ньютона, к которому в классическом приближении свелось полевое уравнение движения:

(3.6.10)

Механизм работы этого уравнения и все его следствия изучены достаточно подробно. И пока мы имеем дело с классическими условиями, удовлетворяющими написанным выше соотношениям (3.6.6 – 3.6.7), классическое уравнение движения идеально описывает все явления природы. Но как только обстоятельства начинают меняться, возникают серьезные проблемы.

Первый класс проблем связан с тем, что далеко не все локальные взаимодействия дают пренебрежимо малый вклад в массу. Мы видели это уже в первой главе на примере полевой добавки, обусловленной обычными электромагнитными полями. Когда речь заходит о сильных полях – взаимодействиях элементарных частиц или ядерных силах, то вклад в массу таких локальных полей может оказаться намного больше обычной классической массы. Отчасти подобные явления формально описаны релятивистскими формулами, однако полевая физика вносит в эту область очень много нового.

Другое отклонение от классического поведения связано с тем, что глобальное взаимодействие не приводит к действию относительных сил только для сравнительно малых областей космоса и только в первом приближении. Как мы уже видели на примере аномального смещения перигелия Меркурия, влияние глобального взаимодействия разрушает классическую идиллию даже в Солнечной системе, хотя эти отклонения и очень малы. Если же рассматривать движение объектов за пределами Солнечной системы, движение Солнечной системы относительно центра нашей Галактики или динамику нашей Галактики в целом, то механика Ньютона оказывается совершенно неприменимой.

Есть и еще одна область явлений, в которых классическое поведение не работает. Речь идет о квантовых процессах. И лежит она даже за пределами написанного нами уравнения движения. Потому что мы вывели его исходя из представлений о том, что возмущения полевой среды могут быть связаны только с движением исследуемых частиц. В этом случае полевая среда подобна спокойному морю в хорошую погоду, а частицы своим движением лишь слегка возмущают ее. Но как мы уже говорили, квантовое поведение возникает тогда, когда полевая среда становится подобной бушующему океану, и частицы во многом следуют за ее движением.

Для описания процессов в этом случае нам потребуется учесть возможность существования собственных возмущений и внутренних движений в полевой среде, которые могут оказаться определяющими для движения исследуемых частиц. Более того, в этом случае будет уже недостаточно найти поведение полевой среды только в окрестности исследуемой частицы, а придется вычислять функцию плотности во всех точках пространства. У полевой среды в этих условиях появляется набор собственных частот, а также устойчивых состояний, которые во многом и определяют характер движения частиц, в том числе неустойчивость и дискретность.

К тому же есть еще более сложные процессы, о которых мы говорили в конце предыдущей главы. Это образование и разрыв связанных состояний частиц и полевой среды, преобразование одних частиц в другие и прочие до конца не понятные явления. Поэтому, несмотря на широкий охват классической физикой большинства обыденных явлений, в фундаментальном смысле она представляет собой лишь очень узкую область физики.