Обменное взаимодействие в синхронно связанной паре релятивистских магнитных ротаторов.
В статье показано, что вращающийся релятивистский магнитный ротатор обладает рядом ранее не известных свойств, которые позволяют объяснить поведение элементарных частиц в микро мире: прецессию спинов элементарных частиц, физическую природу обменного взаимодействия в молекулярных и ядерных связях. В статье приведено доказательство существования ранее не известных свойств у синхронно вращающейся пары релятивистских магнитных ротаторов.
В промышленности, в энергетике широко используется синхронная связь, обеспечивающая передачу угла поворота, синхронное вращение силовых генераторов и исполнительных механизмов [1]. Синхронная связь осуществляется с помощью электрической линии связи, называемой «электрическим валом». Вращающийся элемент таких генераторов (ротор) представляет собой магнитный ротатор (МР). МР - это источник магнитного поля, магнит или кольцевой проводник с циркулирующим током который вращается на оси, проходящей по диаметру кольца. Синхронную связь между двумя вращающимися МР можно осуществить так же с помощью магнитной линии связи или «магнитного вала», но этот метод в технике не применяется из-за высокого магнитного (реактивного) сопротивления воздуха. При использовании синхронной связи с помощью «электрического вала» неизбежны активные, тепловые потери электрической энергии. «Магнитный вал» обеспечивает передачу энергии без потерь, что выгодно отличает его от «электрического вала».

При повышении скорости вращения МР до значений, при которых необходимо учитывать релятивистские эффекты, МР становится релятивистским магнитным ротатором (РМР). В микромире элементарные частицы, имеющие магнитный момент, вращаются или прецессируют с высокими, релятивистскими скоростями. Они могут взаимодействовать между собой, объединяясь в синхронно связанные пары с помощью «магнитного вала». Проведенные автором исследования показали [2], что во вращающейся системе связанной с РМР свойства физического вакуума изменяются. На некотором расстоянии от РМР, на образующей поверхности цилиндра, ось которого параллельна оси вращения ротатора, согласно общей теории относительности [3,4], диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума асимптотически стремятся к бесконечности. В пространстве, вокруг РМР, образуется своеобразный цилиндрический волновод, в стенках которого магнитная проницаемость в направлении параллельном оси вращения стремится к бесконечности. Уменьшение магнитного сопротивления вакуума позволяет природе получать синхронную связь и передавать мощность без потерь энергии с помощью, так называемого, «магнитного вала» связывающую два и более РМР в единую синхронно вращающуюся систему.

Известно, что вектор магнитного момента располагается в пространстве вдоль направления внешнего магнитного поля. Потенциальная энергия МР становится минимальной при полном совпадении направлений внешнего вращающегося магнитного поля и магнитного момента ротатора. Поэтому при рассогласова­нии собственных магнитных полей у синхронно связанной вращающейся пары МР на угол Q возникает синхронизирующий мо­мент равный градиенту магнитной энергии, который уменьшает угол рассогласования магнитных ротаторов. Энергия магнитного поля синхронно связанной пары МР принимает минимальное значение при угле рассогласования Q равном нулю. Это происходит при полной соосности вращающихся магнитных полей, угловой синхронизации вращения МР, а также при мини­мальном (стремящемся к нулю) расстоянии между ними. Вышеописанные свойства синхронизиру­ющих магнитных полей хорошо описаны в теории электри­ческих машин и широко применяются в технике [1].

У релятивистской синхронно вращающейся пары маг­нитных ротаторов – РМР появляются еще два замечательных свой­ства:

1. Расстояние X между двумя РМР может быть только кратным половине длины волны , распространяющейся вдоль оси вращения: X = n/2 , где n = 0, 1, 2, 3... — целые числа.

2. Направление магнитных моментов, их мгновенное значение, пары РМР может быть только параллельным при Х= /2+n или антипараллельным при X = n, где

n = 0,1, 2, 3...

Приведем доказательства этих свойств. Потенциальная энергия двух произвольных МР, синхронно вращающихся на одной оси, будет минимальной при согласовании магнит­ного поля (магнитных силовых линий) одного магнитного ротатора — МР1 с пространственным расположением дру­гого магнитного ротатора — МР2, т. е. при угле рассогласования Q, равном нулю. Такое согласование происходит тогда, когда оси вращения обеих МР находятся на одной линии, а их магнитные моменты направлены в противоположные стороны. Для РМР мы обязаны учитывать временную задержку. Магнитное поле ротатора МР1, распространяясь со скоростью света - С, дойдет до ротатора МР2 за время t = X/C (рис.1), поэтому для согласования направления магнитного поля от ротатора МР1 с пространственным расположением ротатора МР2 последний должен отставать от ротатора МР1 на угол Q₁= X/C , где  — частота вращения РМР.

Рис.1.

При постоянном расстоянии между МР1 синхронизирующий момент, действующий на МР2, будет уве­личиваться с увеличением угла рассогласования Q. Момент также будет увеличиваться при увеличении или уменьшении­ расстояния между РМР и постоянном угле Q. С другой стороны, для согласования магнитного поля от ротатора МР2 с пространственным расположением ротатора МР1 последний должен отставать от ротатора МР₂. на угол Q₂ =Хω/С. Так как значения X, ω в обеих формулах равны, то Q₁ = Q₂ = Q, т. е. оба ротатора должны отставать на один и тот же угол Q. Это произойдет тогда, когда Q =n, где n = 0,1,2,3... От­сюда находим расстояние между РМР, при котором значения потенциальной энергии магнитного поля будут минимальными: Хω/С = n; откуда X = n /C = n/2, где n = 0,1,2,3…Синхронно вращаясь на одной оси, пара РМР имеет минимальную, стремящуюся к нулю, потенциальную энер­гию при расстояниях, кратных половине длины волны меж­ду ротаторами и углу рассогласования Q, равном нулю (рис.2). При этом мгновенные направления магнитных моментов могут быть параллельными, при:

Х = /2+n , (1)

или антипараллельными, при:

Х = n , (2)

что и требовалось доказать. При изменении угла Q или расстояния между ротато­рами на сколь угодно малую величину ΔХ одновременное согласование магнитных полей обоих ротаторов невозмож­но. Возникает синхронизирующий момент, пропорциональ­ный смещению или разнице углов Q₁ - Q₂. Появляется консервативная сила — F, равная градиенту потенциальной энергии, которая воз­вращает РМР на расстояние кратное λ/2 (рис.2). В этом случае, поток электромагнитной энергии передаёт часть момента импульса от опережающего по углу ротатора к ротатору отстающему. Ми­нимальное расстояние между двумя синхронно связанны­ми РМР равно половине длины волны, при этом магнит­ные моменты обоих ротаторов должны быть строго параллельны. Изменение расстояния между ротаторами происходит скачкообразно, на полдлины волны.

Рис.2.

Мгновенное направление магнитных моментов меняется с параллельного (при минимальном расстоянии) на антипа­раллельное (при расстояниях, кратных длине волны). На основании вышеизложенного и как показано в [2] можно сделать вывод: вокруг РМР образуется своеобразный цилиндрический волновод внутри, которого, распространяется электромагнитная волна поляризованная по кругу. Между подобными объектами возникают пондеромоторные силы, их частоты и оси вращения выравниваются, воз­никает синхронная связь «магнитным валом». Расстояние между РМР стано­вится кратным /2, а относительное направление магнит­ных моментов устанавливается параллельным или антипа­раллельным. При полной синхронизации вращения пары РМР синхронизирующий момент становится равным нулю, что вызывает в инерционных объектах, обладающих энергией и эквивалентной ей массой, колебательный процесс. Поэтому синхронно связанная пара РМР является динамически устойчивой, когда постоянно совершает «нулевые» колебания по фазе угла вращения и длине связи вблизи значений полной синхронизации этих параметров. Подобные объекты могут, в случае наличия радиальной силы, образовать структуру в виде тора. Длина тора, согласно условиям синхронизации электромагнитного поля РМР, должна быть кратной длине волны, а максимально возможное количе­ство РМР, расположенных внутри, равно удвоенному значению длин волн в торе.

Экспериментальные работы, проведенные Лебеде­вым П.Н. [5], показали, что пондеромоторные силы, воз­никающие между генераторами волн с различной поляризацией и в различных средах (жидких, газовых, физиче­ском вакууме для электромагнитных волн), обусловлены исключительно свойствами среды, расположенной между генераторами. Свойства физического вакуума таковы, что для электромаг­нитных волн, фотонов отношение Е /ω = ћ. Отсюда момент импульса электромагнитной волны, находящейся в объеме, занимае­мом одной длиной волны связанной пары РМР, равен ћ, а его минимальное значение, при длине связи λ/2, равно ћ/2. Для бегущей электромагнитной волны поляризованной по кругу, возбуждаемой РМР, и распространяющейся вдоль направления x в волноводе, запишем уравнение [6] :

- (3)

где k — волновое число равное 2/ λ, Bm— амплитудное значение маг­нитной индукции.

Рассмотрим прецессию релятивистского гироскопа, име­ющего параллельные магнитный и механический моменты. При воздействии на гироскоп внешнего момента сил вокруг его оси возникает прецессионное вращение (рис.3).

Рис.3.

При угле прецессии Q₁ между механическим момен­том импульса гироскопа и внешним моментом сил, равном /2 , возникает поле одного магнитного ротатора. Проекция его момента импульса на ось прецессии равна нулю. При углах Q₂, Q₃, меньших /2 , гироскоп, каждый магнитный полюс которого описывает в пространстве окружность, возбуждает вращающееся магнитное поле двух магнитных квазиротаторов МР1, МР2. Они синхронно вращаются на одной оси, их магнитные моменты параллельны (рис.2). Если прецессионное вращение осуществляется с релятивистс­кими скоростями, то расстояние х между двумя образо­вавшимися РМР согласно (1), может принимать значения x_n = λ/2 + n , где n= 0,1,2,3... Поэтому, при воздействии внешнего момента на релятивистский гироскоп, имеющий магнитный и механический моменты произвольной вели­чины, угол прецессии изменяется скачкообразно таким об­разом, чтобы расстояние между РМР равнялось одному из значений х_n. У прецессирующего РМР расстояние между квазиротаторами может быть только равным: 0; λ/2; Зλ/2; 5λ/2 и т.д. Как показано выше, численное значение момента импульса электромагнитного поля синхронно свя­занной пары РМР пропорционально расстоянию между ро­таторами. Так, при расстоянии между РМР в одну длину волны λ, момент импульса, связывающего электромагнит­ного поля, равен ħ. Вследствие этого, проекция механичес­кого момента РМР произвольной величины на ось прецессии может принимать только следующие значения: 0; ħ /2; Зħ/2; 5ħ/2 и т. д. (рис.3). Изменение проекции момента импульса пре­цессирующего РМР может быть только кратным ħ. Такие же значения проекций спина имеют элементарные частицы, а так же ядра атомов обладающие магнитным моментом.

Движение элементарных частиц в микромире происхо­дит с очень высокими, релятивистскими скоростями. Поэтому поведение элементарных час­тиц обладающих магнитным моментом – фермионов может объясняться свойствами электромагнитных полей РМР. Молекулярную связь между двумя валентными элект­ронами осуществляет электромагнитное поле и силы обменного взаимодействия, уравнение Шредингера точно описывает различные стороны этого явления. Но физическая трактовка процесса молекуляр­ной связи до конца не ясна. Так как энергия магнитного поля электрона на четыре порядка меньше энергии его электрического поля и энергии молекуляр­ной связи, то принято считать, что молекулярную связь обеспечивает энергией электростатическое поле электрона. Как показано выше, динамическая синхронная связь «магнитным валом» обладает неограниченной энергией, так как энергия связывающей электромагнитной волны пропорциональна частоте и ограничена предельной частотой наблюдаемой в природе. Диаметр и длина «магнитного вала» уменьшаются с увеличением энергии связи. Поэтому синхронная электромагнитная связь «магнитным валом», может представлять собой универсальный инструмент, которым пользуется природа для построения окружающего нас мира, в том числе обеспечивает как молекулярную, так и ядерную связь. В пользу вышеописанной модели молекулярной связи можно привести следующие известные факты. Известно, что одну из решающих ролей при химических реакциях играет взаимное расположение спинов валентных элект­ронов. Так как энергия магнитного поля валентных элект­ронов на четыре порядка меньше энергии химической свя­зи, то данный факт не имеет аргументированного (в виде спускового механизма) физического объяснения. Одно из решений уравнения Шредингера для молеку­лярной связи можно представить в виде:

=+ (4)

Уравнение (4) запишем в явном виде:

-) (5)
Физический смысл уравнения (3) для синхронно связанной пары РМР известен и заключается в том, что источник магнитной индукции вращается в плоскости у, z. Он возбуждает электромагнитную волну поляризованную по кругу которая распространяется в цилиндрической области вдоль оси х со скоростью света С. Достигая другого ротатора, элект­ромагнитная волна полностью поглощается и, в случае рассогласования фаз, выравнивает фазы вращения обеих ротаторов. Наиболее прочной связью пара РМР обладает при минимально возможной длине связи, равной λ/2. При этом мгновенные направления магнитных моментов обоих ротаторов параллельны (знаки волновых функций совпа­дают), а их магнитные моменты полностью компенсируют друг друга. Синхронную связь пары РМР обеспечивают пондеромоторные силы возникающие между двумя генераторами электромагнитных волн с круговой поляризацией. Энергия связи увеличивается пропорционально росту частоты, а длина связи и её диаметр, при этом, уменьшаются. Постоянный обмен моментом импульса между РМР и нулевые колебания длины связи обеспечивают динамически устойчивую синхронную связь. Когда значение момента импульса при обмене достига­ет значения ħ/2, длина связи увеличивается на λ/2 , а мгновенные направления магнитных моментов изменяются — становятся антипараллельными (волновые функции имеют разноименные знаки). Два РМР, с одной и той же частотой и направлением вращения, не могут существовать длитель­ное время в ограниченном объеме, так как образуют син­хронно связанную пару РМР, при этом магнитные момен­ты ротаторов компенсируются.

Уравнение волновой функции (5) для связанной пары валентных электронов полностью совпадает (учитывая что ω = E/ħ) с уравнением (3), поэтому его можно трактовать следующим образом. Век­тор , физический смысл, которого до конца не ясен, ха­рактеризующий электромагнитное поле молекулярной свя­зи (молекулярную связь осуществ­ляет электромагнитное взаимодействие), вращается в плос­кости у, z. Волновая функция одного валентного электрона распространяется вдоль оси х со скоростью С и достигает другого валентного электрона когда направление его спина совпадает с вектором . Изменение энергии молекулярной связи происходит при изменении момента импуль­са электромагнитного поля, равного или кратного ħ. Подобно РМР, два электрона не могут обладать всеми одинаковыми квантовыми числами, так как образуют связанную пару с нулевым магнитным моментом (принцип Паули). Синглетное состояние возникает, когда суммарный спин связанной пары валентных элект­ронов равен нулю, а волновые функции имеют одноимен­ные знаки, что соответствует параллельному направлению векторов аргумента . Кажущееся противоречие для синглетных связей (при­тяжение вместо отталкивания при одноименных знаках волновых функций валентных электронов) устраняется и становится ясным при рассмотрении во вращающейся системе координат. За время, необ­ходимое волновой функции одного электрона для прохож­дения расстояния между электронами, другой электрон, с одноименным знаком волновой функции, провернется на угол , и его волновая функция изменит свой знак на про­тивоположный. При этом компенсируются маг­нитные моменты обоих электронов.

Современное научное квантово-механическое толкова­ние обменного взаимодействия, в результате которого воз­никают силы, связывающие два объекта, с помощью классической физики понять невозможно. Отсутствует модель, из которой бы вытекала природа сил обменного взаимо­действия. Уравнение Шредингера верно описывает его свойства, которые зависят от соотношения фаз волновых функций, то есть от взаимного расположения спинов ва­лентных электронов. Синхронно связанная пара РМР как математически, так и физически полностью соответствует модели обменного взаимодействия. Обменное поле в обе­их связях представляет собой обмен порциями электро­магнитной энергии в виде электромагнитной волны, поля­ризованной по кругу. Квадрат волновой функции связыва­ющего электрона равен вероятности нахождения электро­на в данной области или усредненной по времени плотно­сти распределения электронной массы, а квадрат магнит­ной индукции синхронно связанной пары РМР пропорционален энер­гии электромагнитного поля или плотности распределения электромагнитной массы. В обоих случаях направление им­пульса в произвольной точке определить невозможно (нео­пределенность Гейзенберга), так как поток энергии элект­ромагнитного поля — вектор Пойнтинга, кроме поступа­тельного имеет и вращательное движение. Это значит, что физический смысл имеет определение направления импуль­са только для объема, превышающего объем электромаг­нитного поля синхронно связанной пары РМР, в котором может поместиться полдлины волны λ/2 или соответству­ющий этой длине момент импульса ħ /2.

Уникальные свойства электромагнитного поля РМР позволяют интерпретировать ядерные и молекулярные силы как электромагнитные, вызванные синхронным вращением спинов валентных электронов и нуклонов соответственно.

Литература
[1] — В. В. Нечаев. Электрические машины. М.Высшая школа. (1967), с. 218

[2] - В.С.Щербак Энергия шаровой молнии, уникальные свойства релятивистского магнитного ротатора. Краснодар. Советская Кубань. (2003).

[3] — К. Меллер. Теория относителъности. М. Атом.(1975), с.300, 274.

[4] — Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. Теория поля. М.Наука. (1988), с. 333.

[5] — П. Н. Лебедев. Собрание сочинений. М.Академия наук. (1963), с.121.

[6] – Ф. Крауфорд. Берклеевский курс физики. Волны. Том 3. М. Наука. (1984), с.352.