Шашкин П.А. Динамика вещественных систем:
Строение электронных и механических систем без теории Максвелла и квантовой механики. Неполнота динамики Ньютона

---

От издательства
Введение
1	Вещественные системы классической физики и их динамика
	§ 1. Базовые представления классической физики
	§ 2. Проблема корректности основ классической физики
	§ 3. Динамика вещественных систем
	§ 4. Электронные системы
	§ 5. Механические системы
	§ 6. Закон динамики вещественных систем и его следствия
	§ 7. Выводы
2	Проблемы корректности динамики электронных систем в квантовой механике
	§ 1. Философские аспекты теоретической физики
	§ 2. Исходные данные квантовой механики
	§ 3. Эффект Холла. Трудности классической интерпретации
	§ 4. Зарядовое состояние в кристаллах против зонной модели
	§ 5. Классическая интерпретация эффекта Холла
	§ 6. Граничные условия волновой функции уравнения Шредингера
	§ 7. Электроны в кристаллах
	§ 8. Перенос зарядов в кристаллах неметаллов
	§ 9. Перенос заряда в примесных кристаллах
	§ 10. Электронные системы в роли выпрямителей тока
	§ 11. Классическая интерпретация "туннельного" эффекта
	§ 12. Единственность носителей тока в транзисторах
Заключение
Литература

---

Эта книга продолжает серию "Relata Refero" (дословный перевод – рассказываю рассказанное).

Под этим грифом издательство предоставляет трибуну авторам, чтобы высказать публично новые идеи в науке, обосновать новую точку зрения, донести до общества новую интерпретацию известных экспериментальных данных.

В споре разных точек зрения только вердикт Великого судьи – Времени – может стать решающим и окончательным. Сам же процесс поиска Истины хорошо характеризуется известным высказыванием Аристотеля, вынесенным на обложку настоящей серии: авторитет учителя не должен довлеть над учеником и препятствовать поиску новых путей.

Мы надеемся, что публикуемые в этой серии тексты внесут, несмотря на свое отклонение от установившихся канонов, свой вклад в познание Истины.

---

Мир, окружающий нас, материален. Он состоит из вечно существующей и непрерывно движущейся материи. Основой материи следует признать эфир – совокупность мельчайших более неделимых частиц с простейшей поступательной некогерентной формой движения (состояние хаоса).

Однако в Природе кинетическое состояние хаоса динамично с вектором эффективного преобразования кинетической энергии его некогерентного движения в потенциальную энергию (принцип минимизации энергии), являющуюся характерным признаком уже материальной структуры [45].

Наинизшей формой материальной структуры являются частицы – протон и электрон. Возникновение этих частиц связывается с локальным усложнением исходной формы движения эфира, например, до вихревой [46], с плотностью частиц, на много порядков превышающей плотность их исходной формы. Следствием этого является возможность взаимодействия возникшей частицы со средой, ее породившей, с возникновением потенциальной воронки. Эти частицы чрезвычайно стабильны, со временем жизни, оцениваемым в миллиарды лет. Так возникает преобразование кинетической энергии эфира в потенциальную энергию материальной структуры.

Эти стабильные частицы в свободном состоянии не существуют, а, объединяясь, образуют иерархическую систему: эфир –... – ядро (протон, нейтрон), атом (ядро, электроны), молекула, вещество, система типа Солнечной и т.д., что и составляет суть естества Природы. Формирование косной структуры, в соответствии с законом сохранения энергии, идет до определенного состояния. После чего начинается обратный дезитеграционный процесс, т.е. превращение потенциальной энергии в кинетическую до возвращения материи в исходное эфирное состояние.

В различных частях Вселенной идут непрерывные процессы: как формирования косной материи, так и ее распад с подтверждением вечности и неуничтожимости материи.

На определенных уровнях иерархической системы, а именно вещественной материи, где вещество существует триединством – газом, жидкостью, твердым телом – Природа "подарила" живую материю, начиная от микроорганизма до человека. Эволюционный путь жизни живой системы ничтожно мал по сравнению с косной системой, что и дает повод для признания функционирования естества Природы в качестве "вечного двигателя", т.е. отвечает равновесному, вневременному состоянию.

Эволюционный путь развития живой системы существует только детерминизмом, характеризуемым длительностью и повторяемостью. Вот здесь-то и появляется феномен "время", рожденный мышлением человека.

Любая практическая деятельность человека связана с вторжением в единство естества Природы и поэтому может проявляться только в рамках причинно-следственной связи. Человечество уверовало в непоколебимость причинно-следственной связи и это позволило выявить беспрецедентное количество новых физических процессов и явлений косной материи, не проявляемых естеством Природы при естественном его функционировании и способствующих в определенной мере осмыслению самого этого функционирования.

История познания окружающего Мира весьма поучительна, драматична и далека от завершения, и ее условно можно разбить на два этапа. На первом исторически очень долгом этапе познания физических явлений большую роль играло чувственное восприятие окружающей Природы, составляющее суть обыденного опыта, на чем и формировалась модель окружающего Мира.

Обыденные наблюдения (суть модели познания Птолемея) за движением небесных светил свидетельствуют о движении Солнца вокруг Земли. Человечество жило в полном согласии с этим опытом многие сотни лет, и именно птолемеевская эпоха привела к зарождению и развитию древнейших наук – механики и математики.

Однако Коперник на основе богатого воображения понял и доказал обратное: Солнце является центром планетной системы, т.е. не Солнце вращается вокруг Земли, а Земля обращается вокруг Солнца. В науке был совершен мощнейший прорыв в познании Природы, приведший к зарождению классической механики с экспериментальным подтверждением идей атомизма. Системы, в которых взаимодействие ограничивается уровнем атома (молекулы), относятся к механическим системам с областью их эволюции в евклидовом пространстве, описываются динамикой Ньютона. Классическая механика со времен Галилея доведена до высочайшей степени совершенства, и на основах которой до сих пор живет цивилизация.

Успехи механики предопределили развитие следующей динамики, или второй этап познания природы физических явлений, связанный с экспериментальным проникновением в новый мир, недоступный органам чувственных восприятий – микромир с открытием еще одного "атомизма" – дискретности электрического заряда и носителя элементарной порции этого заряда – электрона. Заряженная частица возбуждает в окружающем ее пространстве силовое воздействие, нареченное Фарадеем электромагнитным полем. Были предприняты попытки свести электромагнитные явления к механическим. Однако эти попытки натолкнулись на непреодолимые трудности, и пришлось признать электромагнитное поле, наряду с веществом, еще одним фундаментальным видом материи.

Системы, взаимодействие в которых осуществляется на уровне заряда, называются электронными. Пространством взаимодействия в электронных системах является внутреннее пространство механических систем, называемое микромиром, и, для сохранения однозначности понятий, из него выделяются внутриатомные и внутриядерные системы.

Динамика взаимодействия в микромире определяется не законами Ньютона, а законами классической электродинамики, теоретическую основу которой составляют уравнения Максвелла, полагая, что все электромагнитные явления и процессы "запрятаны" в этих уравнениях [6].

И наконец, в представлениях современной физики последнюю ступень динамики определяют внутриатомные явления, где динамика описывается квантовой механикой.

К настоящему времени достижения человеческой цивилизации в практическом плане столь огромны и неоспоримы, что способствовало формированию мнения: никаких новых достижений, а тем более изменений понятийного аппарата в основах механики и электродинамики, т.е. классической физики, ожидать уже и нельзя.

Но параллельно этому все сильнее и с нарастающим темпом чувствуется кризис в понятийном осмыслении этих достижений. Особенно этим выделяются XIX и XX вв., принесшие удивительные экспериментальные открытия, которые, как это было воспринято физиками, не укладываются в рамки классических представлений.

И появились теории, выходящие за рамки классических представлений: теория относительности и квантовая механика. Однако, как это ни поразительно, спустя более чем вековой период существования, эти теории не могут преодолеть главную трудность, возникшую еще при их зарождении; коллективный разум человечества так и не сумел сопоставить их математической процедуре общепризнанный, логически полный и интуитивно не противоречивый понятийный аппарат.

Существенным в перечисленных выше динамиках является то, что их описание осуществляется качественно отличными функциональными зависимостями. Так, законы классической механики – законы Ньютона – принципиально отличаются от законов электродинамики – законов Максвелла. Законы же квантовой механики принципиально несовместимы с классическими. Данная ситуация удивительна, непонятна и противоестественна иерархическому принципу строения систем (тел) естества Природы.

В данном издании показывается, что именно существующая и не понятая до настоящего времени неполнота понятийного аппарата классической физики способствовала появлению неклассических понятий.

Так динамика механического мира признана нами только на уровне динамики Ньютона, второй закон которой отражает лишь преобразование свободной системой потенциальной энергии в кинетическую. Закон же сохранения энергии требует и обратного преобразования – кинетической энергии в потенциальную. Значит, должна быть и механическая система, отвечающая этому преобразованию, но этого в динамике Ньютона нет.

Эта неполнота понятийного аппарата механики, сохранившаяся до настоящего времени, вовсе не означает, что мы не пользовались такой системой, и что ее нет. На самом деле система эта известна, и притом так же стара, как и свободная система (тело) Ньютона, и представлена она в данном издании, в противоположность свободной системе, закрепленной системой Гука. Интуитивно система Гука нами использовалась, но, к сожалению, с понятийной точки зрения мы оставляли ее за рамками динамики.

Что касается электродинамики, то она к настоящему времени в практическом плане освоена даже в большей степени, чем механика, но в понятийном смысле дела здесь обстоят еще хуже, чем в механике. Почему же уравнения Максвелла вот уже более 150 лет считаются венцом непогрешимости электродинамики? Ответ прост: уравнения Максвелла, в которых якобы "запрятано" описание любых электромагнитных явлений и процессов (и это автоматом привносится учебным процессом в наше сознание) на самом деле никак не связаны с динамикой электронных систем, и автору неизвестен ни один пример использования их в этом направлении. Однако в практической деятельности динамика электронных систем нами правильно отражается использованием правил Кирхгофа.

Более того, понятийному аппарату электродинамики еще более не повезло, поскольку в ее концептуальные дела вмешалась квантовая механика. На этапе бурного развития, относящемся ко второй половине XIX в., на основе многочисленных опытов, казалось бы, было извлечено фундаментальное понятие единственности носителя тока в твердых телах, каковым является электрон с отрицательным зарядом и положительной массой.

Однако примерно в это же время появляются и опытные данные, которые как бы не укладывались в рамки классических понятий. Это так называемые кинетические (гальваномагнитные) эффекты (например, эффект Холла), в которых есть данные, когда электрон движется как бы против силы, прикладываемой к нему, т.е. его поведение таково, что он должен иметь либо положительный заряд, либо отрицательную массу. Эти экспериментальные данные создавали в свое время значительные трудности в электронной теории.

В начале XX в. экспериментально начинает исследоваться динамика внутри атома, где в спектрах атомов водорода успешно разобраться помогает квантовая механика. Одним из исходных данных квантовой механики является уравнение Шрёдингера и так называемые естественные условия, накладываемые на волновую функцию [20].

Эти квантовые условия с огромной точностью описали спектры излучения атомов водорода, завоевав тем самым неограниченное доверие, в связи с чем и были автоматически перенесены на электронные системы (другой иерархический уровень материи). Этот неправомерный шаг увел нас в мир иллюзий, в котором пребываем по сей день.

С помощью исходных данных квантовой механики общепринятая структурированная модель кристаллов, квантованная как по энергии, так и по координате, вырождается в ее бесструктурный аналог по координате в виде непрерывных энергетических зон для всего кристалла (зонная модель). Следствием этой модели явилось введение чуждых классической физики понятий, таких как туннельный эффект, свободная дырка, внутризонное движение. И вместо того чтобы искать ответы на упомянутые экспериментальные данные (типа эффекта Холла) в рамках единственности носителя тока в твердых телах, каковым и является электрон с отрицательным зарядом и положительной массой, электродинамика принимает введенный квантовой механикой дуализм его заряда и массы. Исторически прижился дуализм заряда, и электронно-дырочная концепция носителей тока была положена в основу интерпретации ставших уже несчетными электронных явлений и процессов.

Но зато введением свободной дырки были "сняты" трудности в электронной теории, и собственная проводимость неметаллов стала оцениваться суммой электронной и дырочной проводимостей. Сами же кинетические эффекты стали как бы экспериментальным обоснованием самой квантовой механики – странная подмена причинно-следственных связей.

Этим самым узаконивалась в электродинамике возможность нарушения закона сохранения энергии с потерей причинно-следственных связей, т.е. узаконивалось введение в электродинамику понятия "индетерминизма". И все это оправдывается тем, что движение электронов в кристаллах подчиняется иным – квантовым (никем не понятым) законам, не имеющим места в классической физике – круг замкнулся. Возникает вечный вопрос: что делать?

Ответ на него и обыгрывается в данном кратком издании, оставляя "за кадром" многие радикальные понятия и высказывания.

---

Павел Афанасьевич ШАШКИН (род. в 1939 г.)

В 1966 г. окончил физический факультет Саратовского государственного университета. Работал в ряде научно-исследовательских институтов Москвы. Практическая работа часто ставила вопросы, понимание которых не укладывалось в рамки существующего научного знания. Результатом анализа этих вопросов явилась настоящая книга.

П.А.Шашкин – член Московского общества испытателей природы, которому выражает благодарность за конструктивную критику и поддержку его работы.