Эфир (Часть 2)
Модель атома Томсона и пылевая плазма

О.Е. Акимов

В предыдущей, первой части фильма об эфире мы говорили, что поперечные волны, характер которых был установлен Томасом Юнгом и Огюстеном Френелем в начале XIX века, предполагают, что эфир должен быть твердым телом; мы говорили о возможности возбуждения в твердом эфире. Также упоминали, что это связано с недавним открытием поведения в космосе пылевой плазмы, в частности, и образовании в плазме, когда она находится в невесомости, кристаллического состояния (фазы).

Эфир должен быть твердым – это без вариантов,
поскольку электромагнитные колебания носят
исключительно поперечный характер.

Мы только упомянули об этом; сегодня эту мысль разовьем, но начнем с опыта, который был поставлен в конце XIX века профессором Майером. На основе результатов этого опыта Дж. Дж. Томсон выстроил свою теорию строения атома и, вообще вещества. Там он говорил о радиоактивности, свойствах химических элементов и о многом другом. Эта книга была написана им после открытия электрона, в 1903 году. Она вышла на русском языке; ее можно найти на нашем сайте: Дж. Дж. Томсон: Электричество и материя. Главным в ней является, конечно, этот эксперимент, описание которого приводится здесь: Модель атома Томсона. В чём он состоял?

Кристаллическое состояние пылевой плазмы

Представьте себе ёмкость в виде плоского блюда, куда наливалась вода, на поверхности которой плавали поплавки с намагниченными иголками. Поплавки представляли собой пробковые плотики. Пробка протыкалась намагниченной иголкой. На некоторой высоте от поверхности воды, где плавают пробки с иголками, размещался магнит северным полюсом. Намагниченные иголки располагались таким образом, что их северные полюса находились внизу под водой, а их южные полюса находились вверху над водой. Южные полюса иголок притягивались северным полюсом мощного постоянного магнита. Естественно, возникали магнитные силовые линии, соединяющие южные полюса иголок с северным полюсом большого магнита.

Эксперимент Майера

Майер обнаружил, что эти плотики образуют определенные конфигурации. Если плотика всего 3, значит, они расположатся по вершинам равностороннего треугольника; 4 плотика расположатся по вершинам квадрата. Если плотиков 5, то здесь возможны два варианта. Либо четыре плотика выстраивались по вершинам квадрата, в центре которого находился пятый плотик; либо все пять плотиков располагались по вершинам равностороннего пятиугольника. Если плотиков было 6, то тоже возможны два варианта. Либо получался шестиугольник, как наиболее устойчивая фигура, либо пентагон, в центре которого находился плотик.

Симметричные конфигурации из поплавков с иголками

По ходу эксперимента Майер увеличивал число плотиков с воткнутыми в них намагниченными иголками. Плотики всегда образовывали симметричные фигуры, которые могли давать внешнее кольцо и какое-то количество внутренних колец. Сначала в центре конфигурации попадал один плотик, потом два, три и т.д., но всегда число плотиков внешнего кольца было больше, чем их находилось внутри кольца.

Конфигурации с большим числом плотиков

Когда Дж. Дж. Томсон познакомился с результатами этого эксперимента, ему сразу пришла идея, как устроена Периодическая таблица Менделеева.

Периодическая таблица Менделеева

Он сравнил постепенное заполнение колец плотиками с постепенным заполнением атомных орбиталей электронами. Правда, он тогда еще не называл их электронами; в его книге фигурируют корпускулы. Эти корпускулы образовывали валентную зону и электронные уровни, расположенные ближе к центру.

Заполнение атомных орбиталей электронами

Эту модель атома Томсон разрабатывал без центра притяжения. Он перенес магнитные взаимодействия на электрические. Он построил безъядерное образование. Сначала взаимодействие между отрицательными корпускулами происходило в горизонтальной плоскости, а когда было открыто ядро, стало ясно, что, в принципе, находящийся вверху магнит играл роль ядра – создавал динамическое равновесие. Картина менялась в зависимости от вида конфигурации, причем перестройка конфигурации шла дискретно и мгновенно – что важно.

Электронная конфигурация атома брома

Конфигурацию иголок удобно записывать по уровням. Внутренний уровень всегда имеет меньшее число иголок, чем внешний. Конфигурацию из 9 иголок можно записывать как (2,7); из 10 иголок – как 10(3,7); из 11 иголок – как 11(3,8) и т.д.

Таблица расположения магнитов (Майер)

В следующей таблице мы видим, как распределяются иголки по уровням. Например, 18 иголок могут распределяться как 18(1,6,11), а могут как 18(1,7,10).

Диаграмма энергетических уровней в реальном атоме

Так как иголки намагничиваются неравномерно, эксперимент недостаточно точный, то точные правила заполнения уровней здесь не действуют. Видимо, есть менее и более устойчивые конфигурации. (Об эксперименте Майера и модели атома Томсона рассказывается также в разделt Как корпускулы в атоме теряют или приобретают кинетическую энергию).

Круговая форма представления энергетических уровней

Для реальных химических элементов правила заполнения атомных орбиталей электронами существуют и строго выполняются. Первое и главное правило, его называют еще принципом Паули, гласит: на одной орбитали не может находиться два электрона с однонаправленными спинами.

Спин электрона против часовой мьонлет

Спин – это собственный вращательный момент электрона. Если электрон представить сферой, то его спином является осевое вращение сферы. Оно может быть либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки.

Спин электрона по часовой стрелке

Если спин обозначить вертикальной стрелкой, а орбиталь квадратиком, то согласно правилу Паули, разрешенных конфигураций будет три, неразрешенных две.

Неразрешенные и разрешенные конфигурации.

Правило Паули исключает нахождение на одной орбитали трех и более электронов, поскольку два из них, как минимум, окажутся с одинаковыми спинами.

На орбитали не могут находиться три электрона

Второе основное правило называется правилом Хунда. Оно гласит: при заполнении электронами орбиталей их совокупный спин должен быть максимальным. Таким образом, это правило поощряет нахождение электронов с однонаправленными спинами.

Конфигурации, разрешенные правилом Хунда

Разрешенные конфигурации показаны на четырех диаграммах, а неразрешенных может быть больше; здесь приведено тоже четыре неправильных конфигурации.

Правило Хунда запрещает эти конфигураци

Несмотря на недостатки модели атома Майера – Томсона, она, в основном, отражала периодические свойства таблицы Менделеева. Так, например, различные атомные конфигурации с одним электроном в центре ассоциировались с рядом щелочных элементов: литием, натрием, калием, т.е. с одновалентными элементами. Атомные конфигурации с двумя электронами соответствовали двухвалентным элементам, с тремя – трехвалентным, с четырьмя – четырехвалентными элементами.

Ключ к элементам таблицы

Щелочные элементы: литий, натрий, калий.

В марте 1904 года вышла большая статья Дж. Дж. Томсона, которая коротко называлась "О строении атома", но после двоеточия имелось продолжение этого названия: "Исследование стабильности и периодов колебаний множества корпускул, расположенных через равные промежутки по окружности, с применением результатов расчета к теории строения атома".

Статья Дж. Дж. Томсона: "О строении атома"

Как следует из этого полного названия, автор изначально предположил, что отрицательные корпускулы располагаются на окружностях разного радиуса.

Фото Дж. Дж. Томсона

Об эксперименте Майера Томсон упоминает на странице 255, когда он заканчивает математическое описание своей модели. Никаких ссылок на литературные источники автор не делает. Известно, что Томсон, как и Фарадей, предпочитал знакомиться с новыми веяниями в физике из личного общения с исследователями. На чтение журнальных статей он и Фарадей много времени не тратил.

Ссылка Томсона на эксперимент Майера

Модель атома Томсона часто сравнивают с пудингом с изюмом или с булочкой с изюмом, со сливовым пудингом. Эти слайды сделаны, очевидно, старшеклассниками и учителями школ. Возможно, требования к пониманию модели Томсона предъявляются и на экзаменах, различных зачетов. Между тем это ошибочное представление, которое, к сожалению, широко укоренилось в сознании людей.

В Интернете имеется множество слайдов
на тему "Модель атома Дж. Томсона",
которые дают абсолютно ошибочное
представление об атоме Томсона.

Оно вошло в учебники, словари, Википедию, причем не только на русском языке, но и на английском. Такое сравнение предполагает хаотическое случайное распределение электронов внутри сферы. Мы же видим, что Томсон исходил из строго регулярного порядка, который ему подсказал эксперимент Майера с намагниченными иголками, плавающими на пробковых плотиках.

Страницы Википедии

В первых строках своей статьи автор предупреждает, что существует взгляд, согласно которому атомы химических элементов состоят из какого-то числа отрицательно заряженных корпускул, которые заключены в сфере единого (унифицированного) положительного электрического заряда. Здесь он, собственно, намекает на модель пудинга с изюмом.

Начало статьи Томсона 1904 года, где он
упоминает модель типа пудинга с изюмом.

Но автор данной статьи исходит из предположения, что n корпускул находится в равновесии, которые изначально расположены на равных угловых расстояниях по окружности радиуса а, так что все углы равны 2π/n. Каждая корпускула несет заряд е отрицательного электричества. Радиус атомной сферы автор обозначил через b, число положительных зарядов он обозначил через ν (ню). Если корпускулы находятся в состоянии покоя, то притяжение должно быть уравновешено отталкиванием, которое оказывается со стороны других корпускул.

Но автор данной статьи исходит из другой модели
в которой корпускул расположены на равных
угловых расстояниях по окружности.

"В важном случае, – пишет Томсон, – когда ν = n, т.е. когда положительный заряд внутри сферы равен сумме всех отрицательных зарядов на окружности из корпускул, мы получаем из уравнения (1) следующие значения для отношения a/b:

Таблица отношений a/b

Если кольцо корпускул, вместо того чтобы находиться в состоянии покоя, вращается с угловой скоростью ω, то условие для устойчивого движения будут такими:

Два первых выражения из статьи Томсона

Здесь во втором выражении пропущена величина а². Но ошибка не распространилась дальше. Это – описка, возникшая, возможно, при наборе печати. Нижняя строчка получилась путем умножения верхней на а².

Описка в нижнем уравнении: пропущен множитель а² в среднем члене

Далее Томсон пишет: "Теперь найдем силы, действующие на корпускулы, когда они смещены со своих положений равновесия. Пусть положение корпускулы в полярных координатах" такое-то ...

силы, действующие на корпускулы, когда они
смещены со своих положений равновесия

Если корпускула смещена, нарушена симметрия, то возникает тангенциальная и радиальная составляющие силы; кольцо с корпускулами начинает вращаться.

Если корпускула смещена, нарушена симметрия, то...

Далее автор рассчитывает частоту колебаний корпускул в плоскости, перпендикулярной к плоскости вращающегося кольца. В конце страницы 244 начинаются вычисления частот колебаний (вибраций) системы корпускул, для чего, по мнению Томсона, надо знать четыре величины L, M, N, P, которые в свою очередь выражаются через величины S, T, U (все с нижним индексом k); приводятся конкретные выражения ...

Вычисления частот колебаний системы корпускул

Далее рассматривается случай двух корпускул, когда n = 2, мы имеем ...
На странице 246 читаем: "Для колебаний, перпендикулярных к плоскости орбиты, мы имеем для k = 0, q = корень квадратный..., для k =1, q = омеге. Таким образом, шесть частот, соответствующих шести степеням свободы двух корпускул есть ...

Шесть частот, соответствующих шести
степеням свободы двух корпускул

Для случая трех корпускул, когда n = 3, мы имеем

Для случая трех корпускул
коэффициенты S, T, U, L, M, N, P будут
равны следующим выражениям:

Далее вычисляются частоты для случая 4,5,6 корпускул

Коэффициенты для случая 5 и 6 корпускул

На странице 253 читаем заголовок: "Условия устойчивости колец, содержащих более шести корпускулы". "Я считаю, – пишет Томсон, – что одна корпускула в центре сферы обеспечит стабильность кольцам из 7 и 8 корпускул".

Условия устойчивости колец,
содержащих более шести корпускулы

Для 9 корпускул в кольце в центре должно находиться две корпускулы. Когда n = 10, внутренних корпускул должно быть равно трем, которые образуют равносторонний треугольник. Система из 13 корпускул будет состоять из кольца 10 и треугольника 3.

Для 9 корпускул в кольце в центре
должно находиться две корпускулы
Дана таблица для 5 – 40 корпускул
во внешнем кольце.

Плоскости кольца и треугольника параллельны, но они не совпадают. Все корпускулы быстро вращаются вокруг диаметра сферы, проведенном под прямым углом к плоскостям кольца. Для кольца из 12 корпускул требуется 7 внутренних, но 7 корпускул не может сформировать устойчивое кольцо. Поэтому система состоит из 1-й корпускулы в центре атома, внутреннего кольца из 6 корпускул и внешнего кольца из 12 корпускул; всего 19 корпускул.

19 корпускул образуют два кольца из 7 и 12 корпускул

Таким образом, модель атома Томсона представляет собой сферу с равномерно распределенным положительным зарядом. Внутри этой сферы имеется серия параллельных колец, по которым вращаются электроны с большой угловой скоростью. С уменьшением радиуса кольца уменьшается и число электронов на нем. Если электроны могут двигаться перпендикулярно к плоскости орбиты, то кольца будут лежать в разных плоскостях, приспосабливаясь таким образом, чтобы силы отталкивания, действующими между кольцами с электронами, уравновешивались силами притяжения, действующими со стороны положительно заряженной области, в которой они находятся.

Таблица заполнения колец корпускулами (от 5 до 67 шт.)

Выходит так, что планетарная модель Резерфорда 1910-1911 года во многом схожа с моделью Томсона 1903-1904 года.

Кажется, что модель Резерфорда схожа с моделью Томсона

У Резерфорда положительный заряд сосредоточен (т.е. локалезован) в центре атома, у Томсона же он рассредоточен (т.е. делокализован) по всему объему. Таким образом, с точки зрения решения электростатической задачи, различий в моделях, кажется, немного.

На первый взгляд различия между моделями
Резерфорда и Томсона небольшие

Но Резерфорд вместе с Бором приняли планетарную, т.е. динамическую модель, в отличие от статической модели Томсона. О Модели атома Бора подробно рассказывается в 23 разделе Конструктивной математики

На самом же деле, динамическая модель Резерфорда
сильно отличалась от статической модели Томсона

Статья Томсона 1904 года получилась преимущественно математического характера. В ней сформулированы условия равновесия корпускул на энергетических уровнях, находящихся на различном удалении от центра для случая, когда частицы находятся в покое и когда они вращаются. В частности, исследования Томсона показали, что система из четырех электронов вращающихся в одной плоскости и находящихся в вершинах квадрата, ведет себя более стабильно, чем когда те же четыре электрона вращаются в пространстве, находясь в вершинах тетраэдра.

Статья Томсона 1904 года

На основе результатов, полученных из идеальной математической модели, Томсон делает некоторые важные выводы, касающиеся физики. Например, он попытался объяснить радиоактивность химических элементов, в частности, радия. Предположим, говорит он, что корпускулы первоначально двигались со скоростями значительно превышающими некую критическую величину. В результате электромагнитного излучения их скорость будет постепенно падать. Когда скорость достигнет критической отметки, система вращающихся частиц разрушится, так как потенциальная энергия частиц постепенно уменьшается, в то время как их кинетическая энергия возрастет. В критический момент большая кинетическая энергия по сравнению с потенциальной заставит атом рассыпаться.

Строение атома радиоактивного элемента

В лекциях 1903 года Томсон пытался объяснить сдвиг и расщепление вырожденных линий спектра влиянием полей на расположение колец и электронов (см. Строение атома ). Объяснения оказались неправильными, но попытки такие были, что уже неплохо.

Томсон пытался объяснить сдвиг и
расщепление вырожденных линий спектра

Но не этим хорош эксперимент Майера с магнитными поплавками. Сейчас нас больше интересует удивительное сходство многоуровневых конфигураций, которые возникают в его опыте, с аналогичными многоуровневыми конфигурациями, возникающими с пылевой плазмой.

Конфигурации из поплавков с иголками

В самом деле, сравните конфигурации, которые образуют намагниченные иголки, плавающие на пробковых плотиках, с конфигурациями пылинок, заряженными электронами и находящимися в плазменном бульоне.

Конфигурациями заряженных пылинок,
взвешенных в холодной плазме
(фотографии и схемы)

Круг задач, связанный с пылевой плазмой, необъятен. Сейчас мы только приступим к знакомству с этим новым физическим объектом, открытым всего два десятилетия назад. Наиболее важным для нас вопросом является, естественно, установление связи плазменно-пылевых объектов с существованием твердотельного кристаллического эфира. К пониманию природы этой связи нам придется преодолеть длинный путь, но, в общем, решение данной проблемы выглядит примерно так.

Гексоганальная структура пылинок и

Более сложная кристаллическая решетка.

Компьютерное моделирование решетки.

Мы видели, что Томсон в разработке своей модели атома ориентировался исключительно на один-единственный эксперимент Майера, который касался регулярного расположения намагниченных иголок в поле магнита. При этом он не делал никакого различия между законами макромира и микромира. Конфигурации иголок он распространил на конфигурации электронов в атоме – и это правильно. Судите сами.

Дж. Томсон в лаборатории

Магнитные силовые линии существуют в нашем обычном макромире. Расстояние между силовыми линиями обычного постоянного магнита измеряется в миллиметрах или в долях миллиметра. В эксперименте Майера расстояния между иголками измеряется уже в сантиметрах. Нечто подобное происходит и с пылинками в плазме. Пылевые конфигурации и их динамика видны невооруженным глазом, они существуют в макромире.

Магнитные силовые линии от постоянных магнитов

Нильс Бор, Эрнест Резерфорд и их последователи строили модель атома в микромире, где действуют, как они считали, особые, не классические, законы механики. Главное его отличие – отсутствие эфира. Всё происходит с вещественными, обнаруживаемые в эксперименте объектами, которые находятся в абсолютно пустом пространстве.

Нильс Бор и Эрнест Резерфорд считали механику микромира
принципиально отличающейся от механики макромира

Квантовая физика, подобно релятивистской, регулируется постулатами. И хотя формалисты вывели условие перехода из макромира в микромир и обратно, на практике между двумя указанными мирами пролегла примерно такая же пропасть, как между формально-феноменологической физикой Аристотеля и конструктивной физикой Архимеда.

Две различные эпистемологии: Аристотель — представитель
формально-феноменологического подхода к физике;
Архимед — рационально-конструктивного.

Философствующие физики 20-го века много говорили о специфической роли измерительных приборов, когда имеешь дело с квантовой механикой, одарили науку вероятностной интерпретацией волновой функции электрона, принципом неопределенности Гейзенберга и прочими "достижениями" своих раздумий о парадоксальном устройстве мира, невидимого простым зрением. Об этом можно рассказывать долго, сейчас нам важно усвоить методологический урок, вытекающий из атомной модели Томсона.

Атомы Бора и стационарные электронные уровни

Автор ее принадлежит к старой физической школе, но его подход к строительству модели страдал, к сожалению, формально-феноменологическим недостатком, свойственным обычно физикам новой волны. Атом с шестью электронами на одной орбитали – это максимум, что смог сделать Томсон, используя сложный математический формализм. Для семи электронов и выше он уже пользуется исключительно феноменологией, взятой из эксперимента Майера. Принципы заполнения атомных орбиталей у него строго не описаны. Поэтому предложенные им атомные конфигурации большого доверия не внушают.

Страницы 251 и 256 из трактата Дж. Томсона 1904 года "Строение атома"

Увы, формально-феноменологический подход возобладал и при описании макропроцессов, протекающих в пылевой плазме. К сегодняшнему дню получен огромный эмпирический материал, который лежит в основании всех математических выкладок, где господствует так называемый "принцип самоорганизации" плазменно-палевых систем.

Удивительное поведение в пылевой плазмы

Самая большая ошибка, как мне представляется, здесь скрывается в приставке "само". Сами по себе пылинки не смогли бы образовать кристалл или симметричный кластер. Аналогичный широко распространенный термин "самоупорядочение" по своей сути телеологиячен, т.е. наводит на мысль, будто пыль обладает стремлением к образованию порядка, может проявлять некое своеволие. Просто спросите себя: почему порядок, а не хаос? Если вы сталкиваетесь со всякого рода регулярностями – будь то обыкновенный кристалл поваренной соли или плазменно-пылевой кластер – знайте, за ними стоит твердотельный эфир.

Расположение пылинок в плазме должно соответствовать
эфирной решетке, хотя и на другом масштабном уровне

Нам не известно, почему эфир регулярен. Но то, что мы наблюдаем, очевидным образом указывает на регулярность, лежащую за пределами видимых вещей. Интуитивно понятно, что невозможно из знания одного-единственного закона Кулона вывести всё многообразие плазменно-пылевые процессы. Как нельзя на основе одного всемирного закона тяготения рассчитать динамику раскручивания спиральных галактик, образования пылевых межгалактических образований и т.д.

Международная космическая станция,
где с 2001 по 2013 гг. проводились
эксперименты с пылевой плазмой.

За пределами видимого мира однозначно лежит бесконечно богатый невидимый мир, влияющий на события, видимого мира. Оба мира управляются классическими законами, подчиняющиеся обыкновенной логике. Однако вводить, например, темную материю только потому, что движение ветвей спиральных галактик не подчиняется законам Кеплера, тоже не слишком дальновидно. Обращаться к таким экзотическим объектам, как недавно якобы открытый бозон Хиггса, гравитон или гравитационные волны, будто бы существующие в реальном мире, – дело рискованное.

Схема уствноыки для проведения плазмокристаллического
эксперимента, разработанного под руководством Нефедова

Кадр с МКС во время работы установки PKE-Nefedov

Для получения пылевого кристалла, выражаясь технологическим языком, нужна кристаллическая подложка. Роль такой подложки как раз и берет на себя эфир. И не думайте, что шаг эфирной решетки микроскопических размеров. Эфир ответственен как за рождение электронно-позитронных пар, так и за рождение новых галактик. Эфирные возбуждения носят, по-видимому, фрактальную природу, так что кристаллические ячейки, кластерные регулярности, в условиях резонанса и синхронизма могут иметь любые масштабы.

Сергей Крикалев, Павел Виноградов и другие
космонавты проводили эксперимент на орбите МКС.

Никаким примочками в виде потенциала Юкавы, вы никогда не добьетесь дальнего порядка. Достаточно знать, как работают алгоритмы самосогласования в многофакторных системах, например, симплекс-процедура, чтобы понять, что мы имеем дело с банальной подгонкой каких-то теоретических параметров под экспериментально полученные данные.

Владимир Фортов — президент РАН, руководитель
Института теплофизики экстремальных состояний,
руководитель проведения экспериментов на МКС.

Сегодня новые модели для описания плазменно-пылевых комплексов возникают с вовлечением всё новых и новых эмпирических данных. Однако вновь разработанные подходы действуют для очень ограниченного ряда структур. Каких-то общих и универсальных методик пока что не выработано, аналогии и экстраполяция практически не работают. Предсказательные возможности существующих теоретических моделей — минимальны. До сих пор большинство плазменно-пылевых процессов не поддается никакому физическому осмыслению и математическому описанию.

См. фильм с этим текстом

http://youtu.be/UcXMs50gRsQ