[вернуться к содержанию сайта]

УПРЯМАЯ ЗАГАДКА МАГНЕТИЗМА
(напечатано в журнале "Инженер" №11-12, 2012)

Тит Лукреций Кар "О природе вещей"

    Людей издревле поражала способность магнита на расстоянии притягивать железо и упрямое стремление магнитных стрелок на север. Это казалось столь странным, что магнит долго считали волшебным камнем: отсюда и возникло слово "магия". Даже в XVIII-XIX вв., начиная с Месмера, гипнотизёров называли магнетизёрами, объясняя их чудо-способности магнетизмом. Казалось бы, наука уже разгадала все тайны магнетизма и "чудесные" свойства магнитов. Но это – иллюзия, ибо ряд магнитных эффектов до сих пор не понят, и ни один учебник не объяснит вам толком, почему магнит притягивает железо. Нынешнее объяснение притяжения действием магнитного поля ничуть не лучше ссылки схоластов на божью волю, ибо никто не объяснил, что это за материя. А громоздкие формулы квантовой механики для описания магнетизма ничем не лучше предложенных схоластами внушительных латинских формул-изречений, тоже рождавших иллюзию объяснения своей заумностью, будучи на деле пустыми и бесполезными. Магия латинских формул-заклинаний сменилась "квантовой магией" символьных формул, а реального объяснения магнетизма так и не появилось.

    На этом фоне объяснения магнетизма, предложенные учёными античности, кажутся более внятными и научными. Первое известное описание магнетизма дал один из семи древнегреческих мудрецов – Фалес, объяснивший действие магнитов исходящей от них "душой". Под душой древние понимали тонкие истечения, испарения, эманации, выделяемые предметами (отсюда слова "дыхание", "духи", "душ", да и "спирт" – от лат. "spiritus" – дух). Душевыми токами Фалес объяснил и электрическое притяжение соломинок к янтарному веретену (греческое имя янтаря – "электрон" и дало название электричеству и электронам, крутящимся наподобие янтарного веретена и ответственным за магнетизм). Поэтому толкование Фалеса через истечения созвучно гипотезе Демокрита, Эпикура и Лукреция, объяснявших магнитное действие ударами микрочастиц, испущенных магнитом (рис. 1). Теми же частицами они объясняли световые, электрические и гравитационные воздействия, что согласуется с теорией света, электричества, магнетизма и гравитации, созданной В. Ритцем в 1908 г. [1].

    Ритц объяснил действие одного электрического заряда на другой тем, что они испускают во все стороны со скоростью света c потоки элементарных частиц-реонов, отталкивающих своими ударами одноимённые заряды, как ветер (поток атомов воздуха) толкает парусное судно. Это атомистическое объяснение в духе Демокрита недавно подтвердил и опыт. Если реальность атомов доказало броуновское движение частиц, беспорядочно мечущихся под ударами атомов, то реальность реонов подтвердили хаотичные метания электрона в камере синхротрона [2], под ударами реонов (рис. 2). Эти метания, открытые в свете синхротронного (магнитотормозного) излучения электрона, списывают на "квантовые флуктуации", но это так же нелепо, как если б Оствальд и Мах (энергетисты, отрицавшие атомы), стали объяснять броуновское движение квантовыми флуктуациями импульса броуновских частиц.

    Притяжение разноимённых электрических зарядов, скажем электрона и позитрона, тоже объяснимо в духе Демокрита и Лукреция. Если электрон испускает потоки реонов, то позитрон – потоки антиреонов (ареонов). Эти встречные потоки аннигилируют, не дойдя до зарядов [1], отчего внешние потоки сходящихся к электрону и позитрону реонов и ареонов оказывают снаружи избыточное давление на заряды, подталкивая их навстречу друг другу. Это объяснение притяжения очисткой пространства меж телами и давлением внешних потоков частиц не раз выдвигалось – сначала Демокритом, Эпикуром и Лукрецием, затем в XVIII веке – М.В. Ломоносовым и Г. Лесажем, а в XX веке – К.П. Станюковичем, которые видели в этом механизме причину электрического, магнитного и гравитационного притяжения.

    И в теории Ритца магнетизм с гравитацией – это частные проявления электрического взаимодействия. Ведь каждое тело составлено из равного числа положительных и отрицательных зарядов, отчего силы притяжения и отталкивания зарядов двух нейтральных тел сбалансированы. По ряду причин этот баланс нарушается, рождая небольшой избыток сил притяжения над силами отталкивания, ощутимый как магнитное и гравитационное притяжение. Да и Кеплер, открыв законы движения планет, считал, что их движет притяжение Солнца, подобное магнетизму и рождённое избытком сил притяжения над силами отталкивания.

    В случае магнетизма этот избыток вызван движением зарядов: если положительно заряженные ядра атомов покоятся, то электроны в атомах крутятся, образуя круговые токи. Этими токами Ампер впервые объяснил магнетизм и этим свёл его к электричеству (рис. 1). Движущийся заряд, как открыли Вебер, Гаусс и как доказал Ритц, наводит чуть иную электрическую силу, чем неподвижный, ввиду запаздывания электрических воздействий, обычно передаваемых реонами со скоростью света c. Но реоны от подвижного заряда получают добавочную скорость, наращивая силу, частоту ударов, то есть электрическую силу. Этот избыток сил со стороны подвижных электронов и рождает все магнитные эффекты. Выходит, античное истолкование магнетизма давлением потока частиц, расчищающих пространство меж магнитами, по сути, сводящее магнетизм к взаимодействию разноимённых зарядов, вполне обосновано. Той же точки зрения о флюиде – потоке тончайшей материи, источаемой магнитом, ещё в XV веке придерживался У. Гильберт – основатель науки о магнетизме.

    Как видим, учёные давно догадывались о скрытом механизме магнитных воздействий. На фоне их механических объяснений нынешнее толкование магнетизма через абстрактные магнитные поля и уравнения Максвелла выглядит нелепым и даже ошибочным, если учесть ряд парадоксов и опытов, противоречащих нынешней электродинамике. Некоторые из них описаны Г.В. Николаевым [3], В.М. Петровым [4, 5], а также В.С. Околотиным [6, 7] – электротехником, специалистом по сверхпроводимости [8] и сторонником теории Ритца.

    Итак, магнит по гипотезе Ампера оказывает магнитное действие, поскольку состоит из атомов, каждый из которых подобен витку с током. Эти токи в атоме рождены электронами – отрицательными зарядами, крутящимися по орбитам и вокруг оси. Когда-то полагали, что сила, удерживающая электрон на орбите,– это электрическая сила притяжения ядра. Но такой атом нестабилен, да и в квантовой механике орбитальное движение электрона отвергли. Однако ещё в 1908 г. Вальтер Ритц допустил, что электрон вращается в атоме под действием не электрической, а магнитной силы. Это объясняет стабильность атомов, их спектры, фотоэффект, элементарный магнитный момент и другие свойства атомов [9, 10].

    Атом генерирует магнитное поле подходящей конфигурации, если имеет форму песочных часов – остова из двух отсеков-пирамид, образованных из цепочек электронов и позитронов, как из магнитиков с моментом μ_e (рис. 3). Магнитное поле такого остова имеет бочкообразную структуру (как в циклотроне), и захваченный атомом электрон устойчиво летит по орбите в средней плоскости остова. На расстоянии r от центра остова O индукция атомного поля B_a=h/πer², где h – постоянная Планка, e – заряд электрона. Это поле велико, но снаружи не заметно, будучи собрано внутри атома и исчезая вне его от компенсации магнитных моментов остова моментами замыкающих граней ("крышек атомной бочки", нейтрализующих бочкообразное поле, рис. 3). Зато действие поля на электроны атома вполне заметно. На электрон, летящий по орбите радиуса r со скоростью V, действует сила Лоренца F=eVB_a, равная произведению массы m электрона на его ускорение a=V²/r. Отсюда hV/πr²=mV²/r. Домножив на r/2, получим hV/2πr=mV²/2. Раз V/2πr=f – это частота обращения электрона, а mV²/2=E – его кинетическая энергия, то получим их связь по формуле Планка hf=E. Тогда свет частоты f, резонируя с крутящимся на той же частоте электроном, сводит его с орбиты, сохранив его энергию E=hf, как у камня, выпущенного пращей. Этим магнитная модель атома объясняет фотоэффект, где роль магнетизма отмечал ещё Дж. Томсон [11].

    Структура поля остова объясняет и стандартный магнитный момент атомов, вызванный орбитальным вращением электронов и якобы невозможный в классической теории, где величины не квантуются [12, 13]. Магнитный момент электрона, крутящегося по орбите радиуса r с частотой f, равен магнитному моменту μ_a=IS витка с током I=ef того же радиуса r и площади S=πr², то есть μ_a=efπr². Подставив сюда найденную из условия hf=E=m(2πrf)²/2 частоту f=h/2π²r²m, получим константу μ_a=eh/2πm. Значит, хотя электроны могут лететь по орбитам с разными непрерывно меняющимися радиусами r и частотами обращения f, любой из них придаст атому стандартный магнитный момент μ_a. Часто его называют магнетоном Бора, поскольку Н. Бор показал, что в квантовой модели момент атомов меняется дискретно, на величину кратную eh/4πm. Но стандартный магнитный момент следует и из классической модели атома. А если атом удерживает в магнитной ловушке несколько электронов, то его магнитный момент вырастет в целое число раз. Да и предсказан был элементарный магнитный момент (магнетон) задолго до Бора физиками-классиками – В. Ритцем и П. Вейссом [9]. Этим моментом Ритц объяснил спектры атомов, а Вейсс – ферромагнетизм. Будучи другом и коллегой Ритца, Вейсс даже написал душевное предисловие к посмертной книге Ритца.

    У отдельного электрона стандартный магнитный момент μ_e=eh/4πm тоже имеет классическую природу, ведь электрон вертится вокруг оси, словно волчок, с частотой f. Такой крутящийся заряженный шарик или диск среднего радиуса r₀ эквивалентен витку с током I=ef и магнитным моментом μ_e=efπr₀². Электрон вертится от реакции отдачи при выбросе реонов (как фейерверочное колесо, выбрасывающее искры) и от ударов сходящегося потока реонов, раскручивающих электрон так же, как поток ветра вертит мельничное колесо [1]. Подобный механизм раскрутки электрона ещё 50 лет назад предложил В. Демиденко, отметивший, что носящиеся в пространстве со скоростью света частицы-переносчики воздействий ударяют в электрон и крутят его, аналогично струе воздуха в опыте Отточека, поддерживающей вращение даже симметричного маховика [14]. В обоих случаях скорость вращения стабилизируется на стандартном уровне. Вот откуда стандартный магнитный момент электронов: причина в равенстве их размеров и скоростей реонов, задающих стандарт скорости вращения. Не случайно именно Ритц первым предсказал стандартный магнитный момент, ось электрона и осевое вращение элементарных зарядов для объяснения магнетизма и гравитации [1, 9].

    Но и это открытие хотят ныне приписать квантовым физикам Дж. Уленбеку и С. Гаудсмиту. Хотя Уленбек, приняв вслед за Ритцем магнитный момент и вращение (спин) электрона для описания атомных спектров, исходно был физиком-классиком и учеником Эренфеста, знакомого с Ритцем и его идеями. А Гаудсмит, как квантовый теоретик, не имел отношения к открытию спина и лишь подписал работу Уленбека. И вообще кванторелятивисты теперь отвергают вращение электрона, считая спин абстрактным свойством. Ведь вращение электрона означает наличие у него структуры, противореча принципу неопределённости и теории относительности (т.к. окружная скорость V крутящегося электрона вышла бы сверхсветовой). И всё же лишь механическое вращение электронов объясняет появление магнитного момента у раскрученного цилиндра (эффект Барнетта) и механического момента – у намагниченного цилиндра (эффект Де Гааза), с измеренным отношением магнитного момента электрона μ_e=efπr₀² к его моменту импульса L=mr₀²πf, равным e/m, в согласии в предсказанием классической теории. Отметим, что реоны мог бы испускать и не сам электрон, а вытолкнутые им частицы-бластоны B, распадающиеся на расстоянии r₀ на реоны (рис. 2). Эти частицы предсказал ещё Никола Тесла (в честь которого названа единица магнитной индукции B), утверждавший, что "выталкиваемые электроном комья материи… расщепляются на фрагменты столь маленькие, что они полностью теряют некоторые физические свойства",– эти фрагменты (реоны) и производят своими ударами электромагнитные действия. Тогда максимальный пробег r₀ бластонов, превышающий радиус электрона, и задаёт магнитный момент электрона μ_e=efπr₀², даже при скорости вращения V=2πr₀f много ниже скорости света.

    Орбитальное и осевое вращение электронов объясняет все три типа магнетизма веществ (диамагнетизм, парамагнетизм и ферромагнетизм), смотря по их реакции на внешнее магнитное поле B₀ и по проницаемости для него. Диамагнетики (скажем, золото) слабо выталкиваются из внешнего поля и чуть снижают его до B=μB₀<B₀ (где μ<1 – магнитная проницаемость вещества). Парамагнетики (например, древесина) слабо втягиваются в магнитное поле и слегка увеличивают его до B=μB₀>B₀ (μ>1). Наконец, ферромагнетики (включая железо) сильно втягиваются в магнитное поле и наращивают его до B=μB₀>>B₀: их проницаемость μ>>1. Удивительно, но такое деление веществ на три типа по проницаемости для магнитного поля (потока реонов из магнита) впервые произвёл всё тот же Лукреций, который, выделив железо, отметил: "Ток из магнита не в состояньи совсем на другие воздействовать вещи. Частью их тяжесть стоять заставляет,– как золото,– частью пористы телом они, и поэтому ток устремляться может свободно сквозь них, никуда не толкая при этом; к этому роду вещей мы дерево можем причислить, среднее место меж тем и другим занимает железо".

    Самые упрямые и странные – диамагнитные вещества, действующие наперекор внешнему полю. Причина диамагнетизма в том, что электроны, летящие по орбитам вокруг атомов и эквивалентные виткам с током, при наложении внешнего поля B₀ порождают, по правилу Ленца, поле обратное внешнему, то есть снижающие его до B<B₀. Однако электроны, летя по орбитам в магнитном поле атома, постепенно теряют энергию, отдаляются от ядра и в итоге его покидают. То есть намагниченность, казалось бы, возникнет лишь вначале, а затем плавно сойдёт на нет, раз генерирующие его электроны выбывают из игры. На деле намагниченность сохраняется, ведь, если прежде электроны вращались лишь в поле атома B_a=h/πer², то теперь они движутся в суммарном поле B_a+B₀ (рис. 4). Тогда их магнитный момент μ_a=efπr², направленный против поля, вырастет от повышенной частоты вращения f=e(B_a+B₀)/2πm. А если магнитное поле атома направлено навстречу внешнему, то электроны в таких атомах станут вращаться в поле B_a–B₀ медленней, с частотой f=e(B_a–B₀)/2πm, отчего их магнитный момент μ_a=efπr², направленный вдоль поля, снизится. Выходит, если без поля B₀ моменты орбитальных электронов компенсировали друг друга, то во внешнем поле преобладают моменты, направленные против поля и снижающие его. И снижение сохраняется, ибо взамен электронов, покинувших атомы, приходят новые, попадающие в те же условия.

    Что касается эффекта индукции, то он как раз раскручивает одни электроны, тормозя другие, причём с лихвой. Это позволяет понять результаты опытов, показавших, что магнитная проницаемость μ порой зависит от скорости изменения поля. Быстрый прирост поля может намагнитить вещество сильнее (хотя ненадолго), чем такой же, но медленный прирост, чего не могла объяснить квантовая физика. Отчасти эффект можно объяснить и влиянием на осевое вращение электронов: эффект индукции мог бы раскрутить одни электроны чуть быстрее, а электроны с обратным вращением – чуть замедлить. Эти сбои частоты вращения и магнитного момента быстро устранит стабилизация частоты вращения электронов в потоке реонов (рис. 2). В итоге останутся лишь слабые отклонения моментов электронов от стандарта, объясняющие диамагнетизм свободных электронов, частично вызванный и закруткой электронов вокруг линий поля B₀, которую ошибочно трактуют по квантовой теории Ландау.

    Проще понять поведение парамагнитных веществ. В них внешнее поле ориентирует магнитики атомов, словно стрелки компасов на столе, создающие при параллельной ориентации добавочное поле (намагниченность M), направленное вдоль внешнего поля B₀ (рис. 5). Однако тепловое движение атомов, их столкновения то и дело сбивают этот порядок, как при тряске стола с компасами, отчего их стрелки беспорядочно мельтешат, хотя в среднем больше стрелок, повёрнутых вдоль поля. Чем ниже температура T (чем слабее тряска), тем выше процент атомов (или стрелок), ориентированных вдоль поля и тем выше созданное ими поле M, усиливающее внешнее B=B₀+M. Поэтому при охлаждении магнитная проницаемость парамагнетиков растёт по закону Кюри μ=B/B₀=1+С/T, где С – константа для данного вещества.

    Наконец, ферромагнетизм связан с постройкой вдоль поля осевых магнитных моментов атомных электронов (рис. 6). По мере увеличения внешнего поля B₀ растёт его ориентирующее действие и собственное поле M ферромагнетика. Когда оси всех электронов установятся параллельно, намагниченность M перестанет расти – наступит насыщение (рис. 7). Эта кривая намагничивания ферромагнетика была открыта А.Г. Столетовым. При снятии внешнего поля намагниченность не исчезает, а лишь снижается (гистерезис), ибо намагниченный образец, создав сильное поле, уже сам поддерживает свою намагниченность. Так и создают "волшебные" камни-магниты, образованные элементарными магнитиками-электронами.

    Стандартный магнитный момент электрона отвечает и за такое "волшебное" явление как квантование магнитного потока в сверхпроводящем кольце, где индуцированный незатухающий ток создаёт поток Φ магнитного поля B через кольцо, меняющийся дискретно, на величину ΔΦ=h/2e (квант магнитного потока), принимая ряд значений Φ=nh/2e, где n – целое число [13]. В классике это казалось немыслимым: раз образующие ток электроны могут двигаться с любой скоростью и по любым орбитам, то и поток принимает любые значения. А в квантовой механике орбитальный момент импульса электронов меняется дискретно, отчего дискретно меняется и поток. И всё же опыт легко объясним классически, ведь магнитное поле сверхпроводника реально создаётся не током проводимости, т.к. рассечение сверхпроводящего кольца не меняет магнитного поля [15]. Скорее, по гипотезе, выдвинутой ещё в 1915 г. Дж. Томсоном и возрождённой В.М. Петровым [4, 5] и В.К. Федюкиным [15], сверхпроводник генерирует поле так же, как магнит,– крутящимися электронами. Магнитное поле магнита создано параллельными магнитными моментами электронов. А раз их величина стандартна, то и общее магнитное поле, и поток этого поля меняется дискретно.

    Рассмотрим сверхпроводящее кольцо, в котором у n электронов направленные вдоль оси кольца магнитные моменты μ_e=eh/4πm не скомпенсированы. Каждый электрон эквивалентен стандартному витку с током μ_e=IS=Iπr₀², где r₀ – классический радиус электрона. Эти витки создают поток Φ=nΔΦ, образованный из потоков ΔΦ каждого витка. В каждом витке индукция поля B=μ₀I/2r₀ образует поток ΔΦ=BS=μ₀IS/2r₀. При подстановке значений μ_e=IS и r₀=e²/4πε₀mc² найдём ΔΦ=μ₀μ_e/2r₀=h/2e. То есть каждый электрон увеличивает общий магнитный поток Φ=nh/2e на стандартную величину ΔΦ=h/2e, которую и назвали квантом магнитного потока, хотя причина не в квантовании орбит электрона, а в том, что число n электронов – целое и меняется дискретно. Точнее, дискретно меняется число n электронов, у которых моменты не скомпенсированы встречными. Такой сверхпроводник напоминает антиферромагнетик, где магнитные моменты соседних электронов противоположны, отчего лишь малая часть нескомпенсированных моментов создаёт слабое остаточное поле, меняющееся дискретно (рис. 6). Всё это ещё раз доказывает сходство сверхпроводимости и ферромагнетизма. Поэтому в существовании высокотемпературных и керамических сверхпроводников (отрицавшихся квантовой теорией до их создания) не больше странного, чем в сильных керамических магнитах, работающих при комнатных температурах. Хотя есть вещества, становящиеся ферромагнетиками лишь при очень низких температурах, как сверхпроводники.

    Осталось выяснить, почему в магнитном поле моменты электронов и атомов ориентируются упорядоченно, порождая ферромагнетизм и другие явления. Полагали, что в классической теории такое невозможно: хотя внешнее магнитное поле и создаёт момент сил, стремящийся развернуть атом или электрон по полю, но за счёт вращения они прецессируют, словно волчок, вокруг направления магнитного поля. А в квантовой теории направление магнитного момента частиц квантуется,– моменты частиц направлены к внешнему полю лишь под строго заданными углами и скачком уменьшают этот угол. Но реально и классическая теория ведёт к установлению электронов и атомов вдоль поля, если учесть трение, от которого эти микромагниты сокращают размахи, как стрелки компаса, пока не установятся вдоль поля (так же отклоняется под действием момента сил волчок, скажем в гирокомпасе). В итоге трение от столкновений атомов сокращает их колебания в поле, ориентируя их магнитные моменты вдоль внешнего поля, которое за счёт этого усиливается [12].

    Для электронов это трение тоже вызвано столкновениями, но уже при испускании и поглощении потоков реонов, тормозящих качания, прецессию за счёт электродинамической необратимости, открытой Ритцем. Это так называемое радиационное трение, сопровождаемое излучением электромагнитных волн ускоренно движущимися, колеблющимися зарядами. Итак, в магнитном поле электрон или атом должен излучать электромагнитные волны на частоте своих качаний. Такое явление известно в форме магнитного резонанса, при котором электроны и атомы эффективно поглощают и испускают электромагнитное излучение на частоте собственных колебаний или прецессии (ларморовской частоте). Излучение на этой частоте при колебаниях ведёт к потере энергии атомом и ослаблению колебаний, к постройке всех атомов, электронов вдоль поля и появлению общего магнитного момента у ферромагнетика при намагничивании. На этом основан принцип действия магнитных холодильников, отбирающих энергию у атомов и электронов, колеблющихся в магнитное поле.

    Впрочем, и без внешнего поля магнитные моменты электронов устанавливаются параллельно, образуя домены – области спонтанной намагниченности, предсказанные П. Вейссом и экспериментально открытые Н.С. Акуловым [12]. Каждый электрон своим магнитным полем вынуждает соседние электроны повернуться в том же направлении, а те, в свою очередь, вынуждают соседние. Так и возникают в металле участки с упорядоченной ориентацией магнитных моментов, что снова легко смоделировать с помощью однотипных магнитиков, магнитных стрелок, строящихся параллельно за счёт взаимодействия (рис. 6). Такие системы, цепочки магнитов ещё в XIX веке исследовали Остроградский и Риман, во многом предвосхитившие идеи Ритца. Внешнее поле лишь координирует, ориентирует домены, смещает их границы, наращивая домены с полем параллельным внешнему. Эта перестройка идёт скачками, так как электроны удерживает сильное внутриатомное поле, и внешнее поле не может их развернуть, а лишь чуть отклоняет. Поэтому после снятия поля электроны вновь строятся вдоль внутриатомного поля, отчего начальный участок кривой намагничивания (возле точки O, рис. 7) – обратим, лишён гистерезиса. А в более высоких полях электроны, минимизируя энергию взаимодействия, начинают при тепловых колебаниях атомов и электронов перескакивать в атоме в новые положения, где внутриатомное поле образует меньший угол с внешним полем, что влечёт необратимые сдвиги и гистерезис намагниченности.

    Однако при слишком высокой температуре тепловые колебания, провоцируя перескоки электронов, лишь рассогласуют магнитные моменты атомов, как удары по столу с компасами сбивают их слаженную работу (рис. 5). В итоге домены и связанная с ними намагниченность исчезают: ферромагнетики выше критической температуры (точки Кюри T_K) становится парамагнетиками. То же происходит с антиферромагнетиками выше точки Нееля. В кристаллах ферромагнетиков и антиферромагнетиков связь направлений магнитных моментов электронов и внутриатомного поля проявляется в анизотропии магнитных свойств, большой вклад в изучение которой внёс профессор МГУ Н.С. Акулов (противник теории относительности и сторонник идей Ритца о реонах и структуре электрона [16]). Остовы атомов одинаково ориентированы в кристалле, отчего оси электронов могут быть выстроены лишь вдоль избранных осей, совпадающих с направлением внутриатомных магнитных полей. Связь направлений магнетизма и кристаллических осей проявляется и в явлении магнитострикции, когда ферромагнетики намагничиваются без внешнего поля, но лишь за счёт механического давления и пластических деформаций, меняющих направление осей кристаллов, металлических зёрен. Именно так постепенно намагничиваются ножи мясорубок, концы ножниц и отвёрток.

    Переход ферромагнетик-парамагнетик (вместе с переходом сверхпроводник-проводник, сверхтекучий-нормальный гелий) называют фазовым переходом второго рода, отличая от фазовых переходов первого рода (плавление, кипение), где идёт выделение или поглощение тепла и скачком меняются свойства (плотность, теплопроводность и т.д.). Долгое время казалось, что у фазовых переходов второго рода всё иначе, и они идут без выделения скрытого тепла. На деле же и там выделяется теплота, связанная с уменьшением энергии взаимодействия атомов в ходе их упорядочивания, снижающего энтропию. Если при кристаллизации упорядочиваются положения, координаты атомов, то при переходе металла в ферромагнитное состояние упорядочиваются направления магнитных моментов атомов, что ведёт к снижению энергии их взаимодействия. По закону сохранения этот избыток энергии неизбежно выделяется в форме тепла (такое тепловыделение есть и при намагничивании, где упорядочиваются магнитные моменты доменов, тоже снижая энергию взаимодействия).

    И тепло реально выделяется возле точки Кюри, но тепловыделение растянуто в широком температурном интервале. От выхода энергии, которую надо отводить, металл всё трудней охлаждать при подходе к точке Кюри, где переход идёт интенсивней всего. Не зря при этой температуре теплоёмкость C (тепло, отнимаемое для охлаждения на 1 ºС) бесконечно нарастает (рис. 8). По сути, то же происходит при кристаллизации: несмотря на отвод тепла температура не меняется, словно теплоёмкость в точке кристаллизации бесконечно велика. Не зря сам Кюри, открыв переход парамагнетик-ферромагнетик, сравнивал парамагнитное состояние с газообразным, а ферромагнитное – с более упорядоченным жидким и кристаллическим. Переход металла в ферромагнитное состояние и образование в нём множества случайно ориентированных доменов аналогичен кристаллизации металла и образованию в нём случайно ориентированных зёрен-кристаллитов, где атомы расположены упорядоченно.

    Выходит, нет особой разницы между переходами 1-го и 2-го рода: разница лишь в ширине температурного интервала, где осуществляется переход и выделяется скрытая теплота. В фазовых переходах первого рода этот интервал очень узкий, но ненулевой, хотя бы от неоднородностей температуры T (тепловых флуктуаций) и самого вещества, наличия в нём примесей, изотопов с разной температурой кристаллизации (оттого и теплоёмкость воды растёт с приближением к 0 ºС [17]). А фазовые переходы второго рода растянуты в более широком температурном интервале. Домены начинают возникать при температурах чуть выше точки Кюри, но таких областей мало, они невелики и недолговечны. Это напоминает формирование в охлаждаемом жидком металле зародышей кристаллов: малых участков с ближним атомным порядком, которые при подходе к точке плавления становятся всё крупней и многочисленней. Так и при подходе к точке Кюри, численность и размер доменов растёт, ведя к выделению тепла, воспринятому как рост теплоёмкости (да и возле точки плавления открыт слабый рост теплоёмкости от микроучастков, где флуктуации уже вызвали фазовый переход). При температуре Кюри домены интенсивно формируются уже во всём объёме металла, бесконечно повышая теплоёмкость. Наконец, при охлаждении ниже точки Кюри остаются лишь редкие малые участки металла, где тепловое движение атомов (местами особенно интенсивное ввиду флуктуаций) мешает формированию доменов. Но при понижении температуры они становятся всё меньше по объёму и по числу: их упорядочение требует всё меньшего отвода тепла, понижая теплоёмкость. Так и фазовый переход металла в сверхпроводящее состояние (а гелия – в сверхтекучее) всегда сопровождается выделением тепла [17].

    Всё это снова доказывает, что природа следует честным классическим правилам, а не туманным квантовым, и лишние сущности, типа переходов второго рода, выдуманных Ландау,– излишни. Классически устроен и атом, где электроны, как показал открывший их Дж. Томсон, спонтанно организуются в упорядоченные кристаллические структуры под влиянием электрического и магнитного поля, формируя электронные слои с правильным размещением электронов [11]. Не зря Томсон иллюстрировал эффект спонтанной самоорганизации электронов в атоме магнитными поплавками, формирующими в поле центрального магнита правильные структуры. Так же и в электрическом и магнитном поле ядра магнитики-электроны формируют слои из правильно уложенных электронов (отсюда стандартные ёмкости электронных слоёв). Способность электронов формировать плоскую кристаллическую решётку подтверждена и опытами, где электроны парили над жидким гелием [13].

    Физик-спектроскопист Р. Вуд тоже изучал подобные эффекты самоорганизации электронов в атоме на примере магнитных шариков, плавающих в ртути и образующих в поле центрального магнита правильные фигуры. При выводе шариков из равновесия они колебались в магнитном поле каждый со своей стандартной частотой. Этим магнитная модель атома Ритца объясняет стандартные спектры атомов [10]. Такую самоорганизацию можно наблюдать и в наборе неодимовых магнитных шариков, порой спонтанно слипающихся в кристально чёткие объёмные структуры. Самосборка стандартных упорядоченных систем в поле центрального магнита видна и в магнитной жидкости, и в порошке из железных опилок, которые собираются в периодичные выступы, холмики, образующие сотовую структуру и вытянутые вдоль силовых линий магнита (рис. 9). Наблюдают такие системы и в сверхпроводниках, на срезах которых магнитный порошок образует сотовую структуру (абрикосовские вихри). Да и цилиндрические магнитные домены формируют сотовую структуру [13].

    Все эти явления спонтанной организации магнитных частиц в правильные структуры объяснимы классически и легко моделируются на ЭВМ как результат взаимодействия магнитных частиц друг с другом и с внешним полем. Но и их хотят свести к квантовым. Яркий пример – "квантовые вихри" в виде упорядоченных скоплений из атомов щелочных металлов (например, рубидия), подвешенных в магнитном поле при сверхнизких температурах и образующих периодичные сгущения (рис. 9). На деле квантовая теория тут ни при чём: видна простая самоорганизация магнитных частиц (атомов со стандартным магнитным моментом) во внешнем магнитном поле, давно открытая Майером и легко воспроизводимая в магнитной жидкости и в порошке из магнитных опилок. А "квантовые маги" объясняют эти периодичные сгущения атомов бозе-эйнштейновской конденсацией с интерференцией атомных волн Де Бройля. Интерференцию будто бы подтверждает то, что от набегания одного облака атомов на другое в месте их пересечения видны полосы, типа интерференционных. Реально же виден обычный муаров узор, возникающий при наложении двух сеток. Так и два облака атомов рубидия, формирующих в магнитном поле периодичные сетки тёмных узлов, образуют при наложении муаров узор, без следов интерференции. Выходит, квантовые краснобаи выдают желаемое за действительное, видя в обычных явлениях природы сверхъестественные.

    Взаимодействие магнитных частиц формирует не только правильные плоские структуры, но и чёткие пространственные комплексы, как показывает пример магнита, вытягивающий из магнитной жидкости пирамидальные игольчатые структуры, или симметрично обрастающий с двух сторон бородами магнитных опилок, а также пример объёмных фигур из магнитных шариков. Сходно формируется бипирамидальный каркас атома, образованный из магнитных частиц (электронов и позитронов, рис. 3) и несущий электронные слои на "полках-уровнях" атомной "этажерки-остова" (рис. 10). Рассуждая формально, по теореме Ирншоу обычно считают, что конструкции из зарядов и магнитов нестабильны. Но при этом, как отмечал Томсон [11], не учитывают отклонений от закона Кулона на малых масштабах и осевое вращение электронов, придающее устойчивость магнитным системам [18]. Именно так атом и его пирамидальный атомный каркас приобретает стабильность без помощи квантовых законов. Ну а сами атомы, как недавно открыто, в процессе самосборки спонтанно организуются в пирамидальные наночастицы. Приобретение такими микрокристаллами пирамидальной и часто многоступенчатой формы в виде пагод (как у кристаллов висмута или золота), может быть связано не только с периодичным размещением атомов в кристалле, но отчасти и с формой самих атомов, обладающих многоуровневой пирамидальной структурой.

    Подобные кристаллы, сотовые и бипирамидальные структуры формируют и оптические солитоны – уединённые волны, взаимодействующие как магнитные частицы и вихри. Так что и без квантовых гипотез спонтанная организация электронов объясняет структуру электронных слоёв и спектров атомов по магнитной модели Ритца. Бипирамидальный каркас атома выделяет и элементы-ферромагнетики (рис. 10): это элементы чётных периодов-слоёв, где электроны заполняют вторую половину периметра слоя [10]. В таких атомах электроны заполняют места у двух смежных граней одной из пирамид каркаса: C, N, O; Cr, Mn, Fe, Co, Ni; Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er. Именно среди них и их соединений открыты яркие ферромагнетики и антиферромагнетики. Даже графит C и твёрдый кислород O в некоторых состояниях оказались ферро- и антиферромагнитными, вопреки квантовой теории, но в согласии с прогнозом классической модели атома [10]. А соединение азота N с железом Fe оказалось самым сильным ферромагнетиком, превысив предел магнетизма из квантовой теории.

    В то же время переходные элементы нечётных периодов таблицы Менделеева (например, платиновые металлы), у которых ожидался ферромагнетизм [12], лишены его. Почему же ферромагнетизм присущ лишь немногим элементам? Отчего в таблице Менделеева их менее 15 %, а среди переходных элементов (61 элемент Iб–VIIIб подгрупп), которые по квантовой теории должны быть магнитны, лишь четверть обладает сильным магнетизмом? Всё дело в строении атомов: яркими магнитными свойствами обладают атомы с асимметричным строением, в которых магнитные моменты электронов не скомпенсированы. В пирамидальной модели атома такой асимметрией обладают как раз атомы чётных периодов таблицы, а в атомах нечётных периодов заполняются слои, зеркально симметричные предыдущим, и магнитные моменты электронов этих слоёв нейтрализуют друг друга, ориентируясь встречно.

    Такая встречная ориентация электронов, расположенных друг против друга, обусловлена не мистическими обменными силами, а ориентацией магнитных осей электронов вдоль магнитных силовых линий соседних электронов, отчего их магнитные моменты компенсируются. Это видно на примере двух стрелок компаса: если компасы расположить рядом, то их стрелки установятся навстречу друг другу, создав в сумме лишь слабое магнитное поле (как в антиферромагнетике, рис. 6). Но одна стрелка или две стрелки, разнесённые далеко, ориентируются вдоль внешнего поля и создают заметное магнитное поле. Так и в атомах ферромагнетиков разнесённые электроны во внешнем поле или в поле соседних атомов ориентируются сонаправленно, усиливая внешнее поле тем заметней, чем их больше. Оттого у элементов начала чётных периодов, где электроны начинают заполнять новый слой, магнитные свойства ещё слабы. Но, после заполнения электронами примерно половины периметра слоя, их общее магнитное поле уже достаточно для появления доменов, спонтанной намагниченности. Последующее заполнение периметра и рост числа электронов усиливает магнитные свойства: ферромагнетизм веществ нарастает. Но дальнейшее заполнение периметра делает слой всё более симметричным, и магнитные моменты уже отчасти компенсируются. Особенно это заметно при замыкании периметра и дальнейшем заполнении слоя электронами по сужающейся спирали, когда рядом с одними электронами становятся другие, нейтрализующие их магнитные моменты. Оттого яркими магнитными свойствами обладают лишь элементы полупериметра чётных слоёв-периодов с их выраженной асимметрией (рис. 10).

    То же верно для ядер и элементарных частиц: у нейтральных идеально симметричных частиц магнитные моменты нулевые, а заряженные или асимметричные частицы обладают магнитным моментом. Так, нейтрон и протон, имея чуть асимметричную форму, обретают магнитный момент от несбалансированных моментов образующих их электронов и позитронов. Правда, соседние электроны и позитроны стремятся развернуться противоположно друг другу, как в антиферромагнетике, отчего их магнитное поле невелико – много меньше момента электрона. А идеально симметричные пи-мезон и эта-мезон, где моменты частиц точно скомпенсированы, вообще лишены магнитного момента. Так и ферромагнетизм, и антиферромагнетизм явно зависят от симметрии атома и кристаллической решётки. Эту важную роль симметрии вскрыл уже Пьер Кюри, выдающийся исследователь магнетизма и кристаллов.

    Не исключено, что формирование магнитным полем объёмных структур из магнитных шариков, порошков и жидкостей позволит сконструировать машины и роботы (рис. 11), способные двигаться, менять форму, варьируя геометрию магнитных полей, как в фантастических фильмах. Части такой машины могут даже отделяться, дистанционно удерживаясь магнитным полем. Такой электромагнитный подвес [18] уже применяют в технике (в транспорте на магнитной подушке, в подшипниках конструкции Г.В. Николаева и т.д.). Более совершенный магнитный подвес поможет сконструировать теория Ритца, предсказывающая подъёмную силу у раскрученных дисков (рис. 12), за счёт упорядочивания осей всех электронов диска и преимущественного выброса ими реонов вдоль оси вращения, создающего реактивную подъёмную силу [19]. Эффект был реально открыт Шарлем и Серлом ещё в 1950-х гг., а также Н.А. Козыревым и другими физиками, повторявшими опыт в разных вариациях. Но поскольку квантовая физика не могла объяснить эффект, его отрицали и замалчивали.

    А теория Ритца легко объясняет эффект. Ведь поток реонов, отбрасываемый диском, создаёт подъёмную силу и уносит импульс, оказывая давление, подобно давлению тока воздуха от вертолёта, прижимающего траву к земле. То есть раскрученный диск окажет дистанционное отталкивающее воздействие на предметы, помещённые под или над ним. Такой эффект давно открыт Е. Подклетновым [18, 20], но отрицается кванторелятивистами (включая Гинзбурга), не сумевшими его объяснить. Эффект позволит построить летающий транспорт и генераторы силового поля, которые послужат для броневой защиты военной или космической техники, и для мягкого удержания тел космонавтов при полётах с гигантским ускорением. Лишь мягкое удержание космонавта на весу, придающее одинаковое ускорение всем его органам, позволит избежать повреждений при перегрузках. Не зря многие считают, что именно раскрученные диски – основа инопланетных космических кораблей и тарелок-НЛО.

    Идея применения для полётов магнетизма и раскрученных дисков восходит к Сирано Де Бержераку (предложившему, наряду с ракетным двигателем,– магнитный), а также к Дж. Свифту (описавшему в "Гулливере" летающий остров-НЛО с магнитным приводом). И в XX веке фантасты не раз обращались к идее магнитного двигателя для космических полётов. Вспомним Г. Уэллса (магнитный сплав кейворит, с точкой Кюри в 60 ºF), А. Беляева (аппарат инженера Лося из "Аэлиты"). И до сих пор фантасты связывают левитацию с электромагнитными полями, например в фильме "Аватар", где в электровихре парят камни и отказывает электроника. Да и в глубокой древности механизм левитации, похоже, связывали с вращением, рождающим магнетизм, судя по упоминаниям вращения дервишей для подъёма гигантских камней при возведении Стоунхенджа и других мегалитических построек. А в Древней Руси была игра кубарь, где раскрученные волчки, пущенные по поверхности льда, беспорядочно носились, соударяясь, отскакивая и временами высоко подпрыгивая. Если учесть, что М.В. Ломоносов, выросший на русском Севере, именно в форме волчков представлял атомы и объяснял магнетизм, построив модель вертолёта с маховиком, то вполне возможно, что волчками наши предки моделировали бипирамидальные атомы, вращение в них волчков-электронов, создающее магнетизм и подъёмную силу. Ломоносов же изучал и загадку соловецких лабиринтов – древних спиральных построек из камней на русском Севере, отражающих связь полярных сияний, магнетизма и вращения Земли. Магнитное поле крутящейся Земли удерживает заряженные частицы в вышине, где и возникает свечение.

    Отметим, что "левитацию" и впрямь реализуют с помощью вращения и магнитов, холода и сверхпроводников (рис. 12): вспомним опыт с зависшим в воздухе магнитным волчком или с магнитом, повисшим над сверхпроводящей чашей [18]. Последний обычно объясняют эффектом Мейснера, то есть "выталкиванием" магнитного поля из сверхпроводника. Но, как отмечают сами физики, обычное объяснение эффекта поверхностными токами индукции, возникающими в сверхпроводнике и выталкивающими магнит из чаши – ложно [8, 15]. Вдобавок оказалось, что подъёмная сила над сверхпроводниками возникает не только у магнитов, но и у обычных тел, как показали опыты Подклетнова и ряд других, где в магнитных сверхпроводящих установках парили даже живые организмы, включая лягушку, как в беляевском "Ариэле". Отчасти эти опыты можно объяснить тем, что в них применяют диамагнитные тела, которые магнитное поле выталкивает (диамагнитная левитация). Но в целом эффект парения над сверхпроводниками пока не понят. И вполне возможно, что парение магнитов и других тел над сверхпроводниками вызвано потоком реонов, вылетающих из электронов, ориентированных магнитом. Роль же магнита – лишь в упорядочении электронов сверхпроводника, словно в ферромагнетике-наоборот,– в идеальном диамагнетике с μ≈0 [15]. А для парения немагнитных тел нужно вращать сверхпроводник, либо накладывать магнитное поле, либо запускать токи сверхпроводимости, дабы ориентировать электроны.

    Итак, магнетизм веществ, атомов и электронов – это чисто классическое явление, целиком объяснимое теорией Ритца, по которой магнетизм играет в микромире ключевую роль. Не зря Поль Ланжевен – ученик и коллега Пьера Кюри, создав классическую электронную теорию магнетизма, назвал квантовую механику, применённую для описания магнетизма,– интеллектуальным развратом. Ведь квантовая физика с её формализмом не только ничего толком не объясняет, но и абсурдна, даёт ложные предсказания. Квантовые идеи приняли лишь под влиянием гипноза и самогипноза, ибо трезво мыслящий человек никогда их не примет. Да и сам Нильс Бор говорил, что человеку можно внушить квантовые идеи, лишь доведя его до головокружения. И точно, квантовые теоретики применяли гипноз и психическое давление уже с первой статьи Бора по квантовой модели атома, которую Резерфорд отказывался печатать, пока Бор не посетил его лично и, заморочив голову, не внушил её приемлемость. Так и впредь поступали кванторелятивисты: причина успеха их теорий состояла лишь в умении внушить, навязать свои идеи по технике гипнотизёров-магнетизёров. И если квантовые фантазии задурманили физикам головы настолько, что они витают в виртуальном мире, то теория Ритца, напротив, позволяет фантастику, сказку сделать былью и устремить полёт земных машин всё выше, и выше к звёздным рубежам, обуздав упрямый магнетизм.

Дата установки: 04.11.2012
Последнее обновление: 03.12.2012
[вернуться к содержанию сайта]

W