Р.Фейнман о природе магнитного поля.

За последние 50 лет было сделано очень много для понимания единой природы различных взаимодействий.  Это было сделано при тесной связи работы теоретиков с  экспериментами на гигантских коллайдерах. Из четырех типов взаимодействий - гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого, в настоящее время объединены в единое взаимодействие три из них- электромагнитное, сильное и слабое. Это объединение называется Великим.

Великое объединение – объединение при сверхвысоких энергиях трёх фундаментальных взаимодействий – сильного, электромагнитного и слабого. Предпосылкой к объединению трёх упомянутых взаимодействий является то, что силы (интенсивности) этих взаимодействий, кардинально различающиеся при обычных (низких) энергиях, с ростом энергии и, соответственно, уменьшением расстояния между частицами, сближаются и по оценкам сходятся при энергии 1015-1016 Гэв, называемой точкой Великого объединения. 

В этой связи интересным является факт объединения электрического и магнитного полей в единое электромагнитное поле.

Очень интересную интерпретацию природы магнитного поля дал Ричард Фейнман. Рассматривая историю создания Специальной Теории Относительности (СТО)  А.Эйнштейном, Р.Фейнман отметил, что создана она была при анализе преобразований уравнений Максвелла в различных инерциальных системах отсчета (ИСО). При этом он отметил, что если бы СТО была известна до введения понятия «магнитное поле», то введения этого понятия (магнитное поле) вовсе бы и не потребовалось, т.к. все магнитные эффекты можно было бы описать с помощью электрического поля, но которое ни в коем случае нельзя воспринимать, как электростатическое поле неподвижных электрических зарядов. Для объяснения модуля магнитных сил (без учета их направления ), Р Фейнман использовал эффект сокращения размеров движущихся объектов в направлении их движения, согласно известным формулам – следствиям теории относительности.

Вот как он это сделал. Известно, что модуль магнитной силы можно рассчитать по формуле для силы Лоренца  F=qBV1, где В- модуль вектора магнитной индукции, создаваемой проводником с током, q – величина электрического заряда, V1 – модуль скорости этого заряда. При этом В=(1/4πε₀c²)2I/r. Если вместо I подставить его выражение, выведенное из электронной теории проводимости, где I=qnSV2, то получим следующее выражение F=q(1/4πε₀c²)(2/r)( qnSV2)V1  ;

В итоге формула выглядит так:    F=(1/2πε₀)(qρS/r)( V2V1/c²)  . В последней формуле ρ-линейная плотность заряда, а произведение ρS-объемная плотность заряда. Записана формула в таком виде, чтобы соответствовать тексту Р.Фейнмана.

Следует обратить внимание, что выражение

 F=(1/2πε₀)(qρS/r) численно соответствует силе, с которой заряженная  нить действует на электрический заряд в электростатическом случае.

Но формулу F=(1/2πε₀)(qρS/r)(V2V1/ c²), выведенную Р.Фейнманом, ни в коем случае нельзя рассматривать как электростатическую силу, уменьшенную в (V2V1/ c²) раз. Это очевидно, т.к. в электростатическом случае пробный заряд q либо всегда притягивался бы, либо всегда отталкивался бы от заряженной нити. В нашем же случае нужно помнить. что произведение V2V1 - это векторное произведение, и направление силы зависит от взаимных направлений этих векторов скорости.

Теперь перейдем к выводу Р.Фейнмана о том, что магнитные явления – это чисто релятивистский эффект. В пятом томе «Фейнмановских лекций», глава 13 параграф 6 проводится расчет изменения плотности движущихся зарядов в соответствии с известной формулой сокращения длин движущихся объектов в направлении движения. В результате Р.Фейнман приходит к выводу, что в результате такого сокращения плотность движущихся объектов увеличивается, он находит избыточную плотность движущихся зарядов, и результирующая сила, действующая на пробный заряд в точности совпадает с уже выведенной формулой F=(1/2πε₀)(qρS/r)(V2V1/ c²). Но теперь сомножители сгруппированы так, что произведение  (qρS)(V2V1/ c²) рассматривается как избыточный движущийся релятивистский заряд. Но, как и в предыдущем случае, было бы ошибочным рассматривать его действие  как электростатическое. При электростатическом взаимодействии направление силы не меняло бы знак, было бы либо всегда отталкивание, либо всегда притяжение.  Но мы видим, что это не так. Векторное произведение V2хV1 изменяет направление в зависимости от взаимного направления векторов скорости.

Если рассмотреть движение электронов проводимости проводника в ИСО связанной с Землей, т.е. в привычной нам ИСО, то сгущение движущихся электронов должно было в электростатическом случае создать отталкивающую силу для движущегося в том же направлении пробного электрона, причем по модулю такую же, как притягивающая сила магнитного поля. Мы совершенно точно эту отталкивающую силу не наблюдаем, а в электростатическом случае должны были бы наблюдать. И пробный электрон никуда бы не отклонялся. Это подтверждает, что избыточная плотность движущегося заряда действует совсем не так, как предсказывает электростатика.

Теперь рассмотрим ситуацию в других ИСО. По принципу относительности все процессы должны протекать так же, как и в нашей ИСО. Если перейти в ИСО, движущуюся со скоростью электронов проводимости, а у пробного электрона взять такую же скорость, то он опять-таки должен притягиваться к проводнику в случае совпадения скоростей всех электронов по направлению. Но теперь избыточный заряд движущихся протонов будет иметь положительный знак. Тем не менее, его нельзя рассматривать как электростатический заряд, т.к. в этом случае пробный электрон всегда бы притягивался к проводу, а он может и отталкиваться, т.к. зависит от взаимной ориентации скоростей движущегося пробного заряда.

Объяснение Р.Фейнманом релятивистской природы магнитного поля через характеристики электрического (а вернее электромагнитного) поля не привело к изменению привычных расчетов, хотя такие попытки некоторыми физиками и предпринимались.