ПРОБЛЕМА ИНЕРЦИИ И ЕЁ РЕШЕНИЕ

Б.С. Курнышев

[email protected]

Проблема инерции и её решение

(происхождение и сущность Ньютоновой силы инерции и её объяснение)

В своё время мне запомнилось высказывание известного американского физика-теоретика, члена Национальной академии наук, профессора А. Пайса [1] (стр. 280): "… по моему мнению, проблема происхождения инерции была и остаётся наиболее тёмным вопросом в теории частиц и полей". В настоящее время ситуация в этом вопросе, по-видимому, практически не изменилась.

Тем не менее, без преувеличения могу сказать, что эта проблема, чётко сформулированная ещё Э. Махом и отражённая в разделении понятий "инерционная" и "гравитационная" массы и в установлении факта их равенства, имеет достаточно обоснованное решение, причём проверяемое на опыте. Даже странно, почему такое решение никому до сих пор не приходило в голову, хотя всё необходимое для этого уже давно есть – и в теоретическом и в экспериментальном плане.

Похоже, что мало кто задумывался над вопросом, с какими ускорениями движутся электроны, например, в проводниках. Давайте посчитаем. К концам проводника длиной L приложено постоянное напряжение U. Напряжённость электрического поля в проводнике будет равна E = U/L. Сила, действующая на электроны в проводнике, вычисляется по формуле F = eE, где e – заряд электрона. Ускорение электронов будет равно a = F/m, где m – масса электрона. В системе единиц измерения СИ при U = 10 В, L = 1 м, e  ~ 1,6*10^(– 19) Кл, m ~ 9,1*10^(– 31) кг, где * – знак умножения, ^ – знак возведения в степень, получим: a = (e/m)(U/L) ~ 1,76*10^12 м/сек^2. Ну как, впечатляет?

Второй пример. В камере Вильсона, помещённой в магнитное поле с индукцией B, движется протон с постоянной линейной скоростью v. Сила, действующая на протон в перпендикулярном к v и к B направлении, вычисляется по формуле F = evB. Центростремительное ускорение будет равно a = F/M, где M – масса протона. При B = 1 Тл, v = 10 м/сек, M ~ 1,67*10^(– 27) получим: a = (e/M)vB ~ 10^9 м/сек^2. Если это будет электрон, то ускорение увеличится ещё на три порядка: до 10^12 м/сек^2.

Рассмотрим ещё один пример. Электроны движутся от катода к аноду обычного электровакуумного пальчикового диода. При напряжении 500 В ускорение, вычисленное по методике первого примера, будет ~ 10^14 м/сек^2.

Мы видим, что всюду в микромире элементарных частиц действуют огромные ускорения, но не обращаем на это внимания, подсознательно считая, что ничтожные массы ни на что ощутимо не влияют, что к ним не нужно относится серьёзно, а ведь из этих ничтожных масс состоят планеты, звёзды, галактики.

Однако благодаря общей теории относительности (ОТО) мы знаем, что массы вещества (энергии) обладают способностью даже в состоянии покоя воздействовать на геометрию пространства. Давайте задумаемся, а частицы вещества – электроны и протоны, – движущиеся в обычных условиях с потрясающими, как мы только что видели, ускорениями, как' они влияют на геометрию пространства? Представьте себе, что шар массой 1 кг движется с ускорением 10^12 м/сек^2. Это будет прядка 10^11 = 100 000 000 000 ускорений свободного падения на Земле! Как будет влиять такой движущийся ускоренно шар на метрику окружающего его пространства?

Если иметь в виду, что линейные размеры атома порядка 10^(–8) см, то можно расчитать порядок максимальных ускорений свободных электронов и заряженных ионов в нанотехнологиях. Эти ускорения по порядку величины достигают значений 10^20 – 10^24 м/сек^2, в электротехнике и мехатронике – до 10^17 м/сек^2 и более, – значений, выходящих за пределы воображения.

Все вышеприведённые примеры показывают, что мы в обычных условиях имеем дело с колоссальными ускорениями частиц в веществе и не замечаем этого, а если и замечаем, то не придаём этому особого значения. Зная по ОТО о реальном существовании взаимодействия между веществом и геометрией пространства-времени, мы до сих пор не видим глубинной физической причинной связи между инерцией и ускоренными движениями, – кроме как в формулировках трёх законов Ньютона.

Наконец, последний пример. И объяснение инерции. Представим себе электрический конденсатор, состоящий из двух параллельных пластин, расстояние между которыми 1 см, расположенных горизонтально в вакуумной камере. Между пластинами находится протон. Пусть потенциал нижней пластины будет положительным, а верхней – отрицательным. Тогда протон будет двигаться вверх. Можно посчитать его ускорение, как это было сделано в первом примере. При напряжении между пластинами 100 В ускорение будет порядка 10^12 м/сек^2 (при таком ускорении протон даже не "почувствует" тяготения Земли). Итак, протон равноускоренно движется вверх, и его движению противодействует сила инерции, причём eE + Мa = 0, где М – масса протона, Ма – сила инерции, то есть в системе отсчёта, связанной с протоном, в его окрестности, похоже, создаётся противодействующая напряжённость электрического поля, равная (– E) = (М/e)a, которое тоже взаимодействует с зарядом протона, нейтрализуя действие напряжённости E внешнего электрического поля конденсатора, в результате чего eE + e(– E) = 0. Спрашивается, откуда взялась предполагаемая напряжённость (– E)? Единственный удовлетворительный ответ состоит в том, что её создала электрически нейтральная масса протона, движущаяся с огромным ускорением (поскольку других причин не просматривается), то есть область пространства сильного взаимодействия, где сконцентрирована практически вся масса протона с её колоссальной плотностью (порядка 10^15 кг/куб. м). При таком ускорении коэффициент (M/e), состоящий, кстати, из фундаментальных констант, а значит и сам по себе являющийся фундаментальной константой, может быть достаточно малым. И действительно, оказывается M/e = 1,0439602*10^(– 8) кг/Кл.

Важнейшие выводы:

1. В обычных условиях все электрически нейтральные материальные тела при ускоренном поступательном движении создают слабое электрическое поле в направлении действия силы инерции.

2. Все электрически нейтральные материальные тела при ускоренном вращательном движении создают слабое магнитное поле в направлении, перпендикулярном  центростремительной силе инерции.

Расчёт показывает, что, например, электрическое поле вблизи материального тела сферической формы диаметром D, с плотностью и массовым числом вещества, равными, соответственно, р и А, при его движении с постоянным ускорением а, можно определить по следующей формуле:

E = ~ {– (M/e)аD[(1/2)(р/M)(A^2)]^(1/3)}

– с ошибкой не более 0,1 % в ту или иную сторону.

Теория кратко изложена в [2].

1. Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна: Пер. с англ. / Под. ред. А.А. Логунова. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. – 568 с.

2. http://vestnik.ispu.ru/sites/vestnik.ispu.ru/files/published/str._68-74.pdf