Честная физика. Статьи и эссе.

6. Жмурки с электричеством.

 

6.3. Загадки электрического заряда.

 

 

       Но эти непонятки пришли позже, а в начале ХХ века насчёт электричества у физиков была полная эйфория. Такая радость, такая радость! У свободного электрона есть заряд, и у свободного протона есть заряд. Величина того и другого совершенно определённая и неизменная. Во времени неизменная, прошу заметить! Т.е. заряды у свободных электронов и протонов всё время есть! Вон, и треки свободных электронов и протонов в камере Вильсона об этом вопиют. Смотрите, магнитное поле поворачивает вектор скорости заряженной частицы. Если бы у неё заряд то был, то не был, в её треке криволинейные участки чередовались бы с прямолинейными. Но таких чередований не видать. Ну тогда точно, если уж заряд у частицы есть, то он у неё всё время есть. Это казалось совершенно самоочевидным.

 

       И едва ли кто допускал мысль о том, что у связанных электронов и протонов, входящих в состав атомов, заряды могут вести себя как-нибудь иначе, чем у свободных. С какой, мол, стати им себя иначе вести? Разве атомы состоят не из таких же электронов и протонов, какие в камере Вильсона летают? Или протоны и электроны разные бывают? С этой убойной логикой столкнулся бы каждый, кто усомнился бы в том, что заряды у связанных электронов и протонов всё время есть, как и у свободных.

       Кстати, ведь поначалу думали, что именно благодаря зарядам протонов и электронов, т.е. на электрических взаимодействиях, держатся сами атомные структуры. Больше-то вроде физически не на чем. Это позже обнаружилась смехотворность «электрического» объяснения атомных структур, и пришлось теоретикам наворачивать крутой квантово-механический замес для того, чтобы надёжно скрыть своё бессилие в данном вопросе. Скрыть-то скрыли, но предрассудок о том, что у атомарных протонов и электронов заряды есть всё время, успел крепко засесть физикам в подсознание, т.е. успел приобрести статус высшей научной истины, не нуждающейся в доказательствах.

 

       Из этого предрассудка, тоже вполне подсознательно, вытекало важное следствие. А именно, у атома, содержащего одинаковые количества протонов и электронов, суммарный заряд всё время равен нулю. Значит движущиеся атомы, не говоря уже о покоящихся, не могут дать переноса электричества. Для переноса электричества, дескать, непременно требуется движение частиц с ненулевым зарядом. И венец этой подсознательной логики: переноса электричества без переноса вещества не бывает! Аминь! Во веки веков!

 

       То, что происходило в научных воззрениях на электричество дальше… Нет, дорогой читатель, сначала вас нужно подготовить. Вот нам не раз говорили: «Нужно уважительно относиться к достижениям предшественников!» А то мы не понимаем! К достижениям-то мы относимся уважительно! Просто мы стараемся называть вещи своими именами: как достижения, так и всё остальное. Так вот, для рассказа о том, что происходило в научных воззрениях на электричество дальше, лучше всего подходит ненормативная лексика. Но мы останемся в рамках литературности, так что не обессудьте!

 

       А происходило вот что. Стройная картиночка, где заряды атомов всегда тождественно равны нулю, а перенос электричества возможен только при перемещении заряженных частиц, на корню пресекла разумные объяснения целого ряда феноменов. Первым в этом скорбном списке стоял феномен намагничиваемости. Опыт ясно указывал на то, что магнитное действие порождается движущимися зарядами. А постоянное магнитное действие – постоянно движущимися зарядами, чёрт побери!

       Но не могут в постоянном магните постоянно двигаться заряженные частицы, об этом ещё Максвелл писал: «если бы токи обычного вида протекали вокруг частей магнита заметных размеров, то имелся бы постоянный расход энергии для их поддержания, а магнит бы являлся постоянным источником тепла».

       Здесь, заметим, ключевым является словосочетание «токи обычного вида». Как? Разве бывают ещё токи необычного вида? Ещё как бывают, ведь Максвелл отнюдь не шутил! «Токами обычного вида» он называл перемещение заряженных частиц. Но он говорил ещё о «токах смещения», т.е. о переносе электричества без переноса вещества и без потерь на джоулево тепло. Правда, он не дал разъяснений, как такое возможно, но ток смещения входил в его уравнения на равных с обычным током.

       «Гении тоже иногда ошибаются», – констатировали его последователи, предпочтя не иметь никакого объяснения намагничиваемости, чем разбираться с «необычными» токами смещения. Физика, мол, наука точная! В ней всё должно быть обычно, например, как спин электрона. Хотя он до сих пор физической модели не имеет! Хотя нет ни одного экспериментального свидетельства о том, что свободный электрон спином действительно обладает! Обычное дело, чего там (см. про спин электрона в «Фокусах-покусах квантовой теории»)! Кстати, нас агитировали: уверуйте во спин электрона и обретёте способность объяснять намагничиваемость, даже не приходя в сознание. Для этого будет вполне достаточно спинного мозга!

 

       Разделавшись таким образом с намагничиваемостью, физики переглянулись: «Что бы такое ещё объяснить, не прибегая к токам смещения?» Ну, вон, например, объяснили бы секреты фокусов с пьезоэлектрическими кристаллами. Ведь до чего там доходило: если грамотно тюкали по такому кристаллу, то на его противоположных гранях генерировались разноимённые заряды. Только вы не подумайте сгоряча, будто в нём электрончики утекали с одной стороны и притекали к другой. В диэлектрическом кристалле этот номер не проходит. Хуже того, если бы здесь дело было в недостатке-избытке электрончиков, то грань с избытком электрончиков могла бы выдать некоторое их количество во внешнюю цепь, а грань с их недостатком – наоборот, принять их из внешней цепи.

       Может кто-то думает, что именно так и генерируется импульс тока в цепи пьезозажигалки? Ну что вы! Никаких электрончиков пьезоэлектрический кристалл не выдаёт и не принимает. Диэлектрик же. В диэлектрике электрончики не только не могут передвигаться, там свободных электрончиков вообще нет. А в цепи пьезозажигалки, в её внешней части из металлических проводников свободные электрончики есть. Когда на пьезокристалле генерируются разноимённые заряды, электрончики в проводниках уматывают от отрицательно заряженной грани кристалла и подваливают к положительно заряженной. Вот вам и импульс тока.

 

       Да, но откуда берутся заряды на гранях пьезокристалла? Ну, это хороший вопрос. Понимаете, наука к нему ещё не готова. Были правда попыточки изобразить всё дело так, будто от механического воздействия в пьезокристалле возникает перегруппировка заряженных частиц. Протончики, мол, смещаются, преимущественно к одной грани, а электрончики – к противоположной. Нет уж, не смешите мои тапочки: достигаемые плотности зарядов на гранях пьезокристалла требовали бы таких больших «разъезжаний» протончиков и электрончиков, при которых рассыпались бы атомные структуры, не говоря уже о кристаллических.

 

       Аналогичные чудеса, кстати, творились и с сегнетоэлектриками, с той лишь разницей, что они могли иметь остаточную электризацию противоположных граней, сохраняющуюся без всяких внешних воздействий. И при этом опять же не могли ни выдать электрончиков во внешнюю цепь, ни принять их из неё. Всё это вытворялось связанными зарядами, которые генерировались и группировались загадочным для науки способом.

 

       А ведь оно так просто! Помните, в самом начале мы говорили про программку, которая рисовала танцующие синие и красные шарики? Так это была иллюстрация поведения свободных электрических зарядов. Вторая версия этой программки иллюстрировала поведение и связанных зарядов тоже. Парочки «синий шарик – красный шарик» связывались конечно чисто программными средствами. Смысл связывания был в том, что эти два шарика «подвешивались» на небольшом расстоянии друг от друга, причём это расстояние жёстко фиксировалось. Но самое интересное, в этой сине-красной связке цвета шариков сияли не всё время: когда сиял синий цвет, красный «отдыхал» и наоборот. Частота этих сине-красных мерцаний была довольно высока, так что сами эти мерцания были незаметны невооружённым глазом. Из-за инерции зрительного восприятия казалось, что яркости синего и красного цветов в этой связанной парочке одинаковы. Но так было тогда, когда каждый из двух цветов сиял в течение одной половины периода мерцаний и «отдыхал» в течение другой половины, когда сиял другой цвет. По-научному это называется так: «скважность прерываний цветов составляла 50%».

       Но скважность могла и отличаться от этого центрального значения. В таком случае в сине-красной связке происходило нечто замечательное: синий цвет сиял, скажем, каждые две трети периода мерцаний, а красный – каждую одну треть. То есть в этой связке синий цвет доминировал во времени и, на глаз, сиял ярче, чем красный! И последний штришок: такие разбалансы цвета в связанных парочках были откликом на принудительные разделения синих и красных свободных шариков, а также на их принудительные потоки. И на то, и на другое свободные шарики откликались, как мы помним, своими подвижками, а связанные парочки – разбалансами цвета. При подходящем принудительном дёргании свободных шариков, связанные парочки передавали по эстафете всплески того или иного цвета. Происходил перенос цвета без перемещения цветных шариков! У Дремучего пользователя тихо сносило остатки крыши…

 

       Опять же, аналогия между красно-синими связками шариков и атомарными связками «протон-электрон» довольно удачная. Но не буквальная. Вот нам подсказывают: по логике «цифрового» физического мира, электрический заряд у частицы – это наличие у неё циклических смен всего двух состояний, «тик» и «так», происходящих с частотой, которую называют электронной (около 1.24×1020 Гц). Электрон – это в чистом виде цепочка смен этих двух состояний, и ничего сверх этого в электроне нет. С протоном посложнее: у него электронной частотой промодулирована несущая, которая на три порядка выше, и которой соответствует на три порядка большая масса. И положительный, и отрицательный заряды – это смены двух состояний на электронной частоте. Разница же между зарядами по знаку – из-за того, что у положительных и отрицательных зарядов эти смены состояний происходят в противофазе.

       Алгоритм, который формирует атомарные связки «протон-электрон», попеременно прерывает цепочки этих смен состояний у протона и электрона, т.е. попеременно отправляет их электрические заряды в небытие. Поэтому связанные протон и электрон не притягиваются друг к другу. Электрон не обязан пребывать в орбитальном или ином движении для того, чтобы эта связка была стабильной. Её стабильность обеспечивается автоматически: при конкретной частоте попеременных «выключений» зарядов протона и электрона они оказываются «подвешены» на вполне определённом расстоянии друг от друга. Ну и так далее, по аналогии.

 

       При 50-процентной скважности попеременных «выключений» зарядов в связке «протон-электрон» эта связка ведёт себя в среднем как электрически нейтральная. При сдвиге этой скважности в ту или иную сторону в связке «протон-электрон» доминирует во времени тот или иной заряд. Это называют «зарядовым разбалансом».

 

       Кстати, концепция зарядовых разбалансов даёт единственное на сегодня объяснение разницы между валентными и невалентными электронами, а ведь без объяснения этой разницы не может быть и объяснения химической связи. И разница эта совсем простая: у невалентных связок «протон-электрон» зарядовые разбалансы не допускаются, а у валентных – допускаются. Да, и главное: всплеск зарядовых разбалансов того или иного знака может передаваться от одних связок «протон-электрон» к другим и, таким образом, перемещаться в веществе, что даёт перенос электричества без переноса вещества. Ну, вот. Как выражался один наш сокурсник, «всё тривиальное – просто!»

 

       Всё-таки прав был Максвелл насчёт двух типов электрических токов. Есть движение заряженных частиц, а есть продвижение зарядовых разбалансов. В обоих случаях происходит перенос электричества! Причём программы, которые управляют переносом электричества, обеспечивают и необходимые для этого превращения энергии. В кинетическую энергию заряженной частицы превращается не энергия «поля», а часть собственной энергии частицы, т.е. часть её массы. А энергия зарядового разбаланса появляется за счёт убыли энергии связи в атомарной связке «протон-электрон». Зарядовый разбаланс массой не обладает, и кинетической энергией – тоже; он безынерционен!