Энергоинформ / Точка зрения / Об ошибочности понятий потенциальной и кинетической энергий
Об ошибочности понятий потенциальной и кинетической энергий
Потенциальная и кинетическая энергия в отличие от всех других форм характеризуются отсутствием двух очень важных особенностей: 1) инвариантность во всех системах отсчёта; 2) связь с деформацией. Начнём с первой особенности.
Когда мы сжигаем кусок угля в паровозной топке, количество выделившегося при этом тепла одинаково во всех системах отсчёта: хоть в системе отсчёта самого паровоза, хоть в системе отсчёта, связанной с Землёй, Солнцем или центром Галактики. Как говорят физики, тепловая энергия инвариантна. То же самое наблюдается для химической энергии, ядерной, гидравлической и т.д. А вот для потенциальной и кинетической энергий это не так.
Если отсчитывать высоту от уровня стола, на котором лежит предмет, то его потенциальная энергия в этой системе отсчёта равна нулю, но при отсчёте высоты от уровня пола или уровня моря у предмета уже появляется некоторая энергия. Можно придумать массу таких систем отсчёта и в каждой из них предмет будет иметь различную потенциальную энергию. Иными словами, энергия предмета полностью определяется нашим произвольным выбором и теряет статус реальности или, как выражаются физики, теряет физический смысл. Иногда можно услышать объяснение, будто сама потенциальная энергия действительно не обладает физическим смыслом, зато такой смысл приобретает разность энергий. Мне подобное объяснение кажется надуманным: если две величины не имеют физического смысла, то откуда он может взяться у их разности? Ведь это аналогично ситуации, когда мы от одного безразмерного числа отнимаем второе безразмерное число, а в итоге получаем размерную величину. К тому же здесь возникает ещё одно противоречие с логикой. При переходе от одной системы отсчёта к другой никакая работа не выполняется, а для появления у предмета энергии необходимо, чтобы над ним была совершена работа. Такой анализ заставляет меня предполагать, что идея потенциальной энергии является ошибкой и вместо неё существует какая-то иная форма энергии, которая должна быть инвариантна во всех системах отсчёта.
С кинетической энергией творятся те же самые вещи. Кинетическая энергия лежащего в движущемся вагоне предмета будет равна нулю в системе отсчёта, связанной с вагоном, но не равна нулю во всех других системах. То есть, кинетическая энергия также теряет свой физический смысл и определяется исключительно нашим произвольным выбором. И опять же непонятен источник появления этой энергии, если при переходе от одной системы отсчёта к другой работа не выполняется. Следовательно, кинетическую энергию также следует признать ошибкой и искать вместо неё какую-то иную форму энергии.
Вторая особенность не менее важна. Любая химическая реакция сопровождается переходом электронов от одного элемента к другому, что выглядит как деформация электронных оболочек. Любая ядерная реакция сопровождается изменением числа протонов и нейтронов в ядре, что выглядит как деформация ядра. И т.д. и т.д. Для всех форм энергии за исключением потенциальной и кинетической можно найти связь с деформацией. А вот для потенциальной и кинетической такой связи найти не удаётся.
Понятие потенциальной энергии было предложено Галилеем, когда он сбрасывал различные предметы с наклонной Пизанской башни и задался вопросом: откуда падающее тело черпает свою энергию? Галилей заметил, что прежде чем сбросить тело с башни, он должен тело на башню поднять и при этом произвести определённую работу. Поэтому он вполне закономерно предположил, что производимая работа тратится на увеличение некоторой скрытой энергии, которая в процессе дальнейшего падения трансформируется в явную кинетическую энергию. Позже такая скрытая энергия была названа потенциальной. Но Галилей ошибся.
Его результаты можно объяснить с двух различных позиций: 1)при подъёме материального тела производимая работа тратится на увеличение скрытой энергии данного тела, а дальнейшее падение сопровождается переходом этой скрытой энергии в энергию явную, связанную с движением; 2)при подъёме материального тела производимая энергия тратится на увеличение энергии некоторой среды, взаимодействующей с телом, а дальнейшее падение тела сопровождается переходом энергии этой среды в энергию движения тела. Галилей выбрал первую точку зрения, которая затем стала официальной позицией всей науки.
Вторую ошибку допустил Ньютон, дав неправильный вывод формулы потенциальной энергии. Он рассуждал следующим образом: «...пусть мы имеем тело массой m, неподвижно лежащее на Земле. Будем поднимать его вверх крайне медленно и равномерно так, чтобы кинетическая энергия практически отсутствовала, а подъёмная сила F1 была бы равна силе веса F2. Выполненная работа равна A=INT(F2 dh)=mgH. Куда она исчезла, если кинетическая энергия практически отсутствует? Она пошла на увеличение скрытой потенциальной энергии, которая в свою очередь может быть преобразована в энергию кинетическую. Чтобы это произошло, надо позволить телу падать....»
Ошибка такого рассуждения состоит в следующем. Когда на тело действуют различные по величине и направлению силы F1,F2,F3,...,а их результирующая есть FS, для вычисления общей работы, производимой всеми силами вместе, необходимо использовать результирующую, а не одну из частных сил. Ньютон использовал как раз частную силу — силу веса — что и является его ошибкой. Так как результирующая сила в данном случае равна нулю, при правильном вычислении мы получим нулевую работу. Это означает, что работа над поднимаемым телом не производится и его энергия не меняется. Если энергия равнялась нулю на поверхности Земли, она будет оставаться равной нулю независимо от высоты подъёма. Иными словами, потенциальной энергии не существует.
Данный вывод может показаться ошибочным, так как практика показывает, что при подъёме любого предмета всегда производится работа и затрачивается энергия. Но всё дело в том, что работа может производиться вовсе не над поднимаемым телом.
Известно, что при перемещении тела в потенциальном поле из точки 1 в точку 2 совершается работа, равная произведению разности потенциалов данного поля на некоторый параметр, характеризующий взаимодействие тела с этим полем. Для грав. поля таким параметром является масса. И если теперь расписать потенциалы грав. поля и свести всё к общему знаменателю, можно получить классическую формулу A=mgH.
Может показаться, что мы получили противоречие: в первом случае работа равнялась нулю, во втором случае она оказывается равной классическому выражению mgH. На самом деле противоречия нет, так как речь идёт о совершенно разных объектах. В первом случае мы использовали силы, прилагаемые к телу, и расстояние, проходимое телом, то есть отвечали на вопрос: какая работа производится над телом? И выяснили, что эта работа равна нулю. Во втором случае мы использовали потенциалы поля и расстояние между точками поля, то есть отвечали на вопрос: какая работа производится над полем? И выяснили, что она равна классическому выражению mgH.
Галилей был обречён на ошибку, так как в его время отсутствовало понятие гравитационного поля. Ньютон мог бы исправить эту ошибку, но лишь углубил её, так как был не готов к признанию факта, что грав. поле может обладать энергией, ибо в его время царило убеждение, что есть только механическая энергия и обладать ею могут лишь механические тела.
Энергия гравитационного поля рассчитывается следующим образом: разделяем всё вещество планеты на сферические оболочки и удаляем каждую оболочку в бесконечность, выполняя при этом некоторую работу. Суммарная работа по удалению в бесконечность всех оболочек даст полную энергию грав. поля E=AGMM/R, где A=0.6-0.8 зависит от распределения вещества в объёме тела, G — грав. постоянная, M и R — масса и радиус тела. А плотность гравитационной энергии даётся формулой E/V=Agg/(4piG), здесь g — ускорение свободного падения.
Рассмотрим теперь процесс гравитационного сжатия космической газовой туманности. Под действием сил собственного тяготения объём туманности начинает уменьшаться, а суммарная гравитационная энергия расти. Растёт также тепловая энергия, так как из законов термодинамики следует, что увеличение давления сопровождается увеличением температуры. Сжатие и уменьшение радиуса заставляет туманность вращаться быстрее, следовательно, растёт механическая энергия вращательного движения. Если туманность имеет электрическое и магнитное поля, энергия этих полей также растёт, т.к. она обратно пропорциональна радиусу. Короче, все известные нам формы энергии растут. А что же уменьшается? Раньше могли бы сказать, что уменьшается потенциальная энергия. Но если мы выяснили, что потенциальная энергия является ошибкой, то это объяснение не проходит. И тогда остаётся одно: предположить, что имеется новая форма энергии, заполняющая всё пространство и присущая самому пространству как таковому, и переходящая в другие разновидности при гравитационном сжатии космического объекта. Сегодня такую новую форму энергии называют в астрономии «темной», а многие физики отождествляют её с энергией физического вакуума. Вот она-то и выступает вместо кинетической энергии. В самом общем виде эта новая энергия, которую я буду называть в дальнейшем вакуумной или космической, описывается всем известной формулой E=mCC. А плотность вакуумной энергии описывается формулой E/V=CCCC/(8piGrr), где G — гравитационная постоянная, r — радиус электрона. Расчёты показывают, что в одном кубическом миллиметре пустого пространства содержится примерно столько же энергии, сколько выделяется при одновременном взрыве миллиарда сверхновых звёзд. И эту энергию достаточно легко преобразовать в тепло или электричество. Нужно только понимать, как именно физвакуум взаимодействует с веществом.
Оказалось, что гравитационная и вакуумная энергии инвариантны для всех инерциальных систем отсчёта и показывают явную связь с деформацией. Нагляднее всего это видно на примере гравитационной энергии. Если изобразить структуру гравитационного поля двух объектов с массами М и 0.5М, то картинка будет в точности идентична структуре электрического поля двух зарядов Q и 0.5Q. На прямой, соединяющей эти массы, лежит особая точка, в которой тяготение двух масс взаимно нейтрализуется. В окрестностях этой точки суммарное гравитационное поле ослаблено настолько, что не даёт практически никакого вклада в общую гравитационную энергию. Чисто математически это можно описать, как уменьшение суммарной энергии двух гравитационных полей отдельных масс на некоторую величину. Вот эта величина уменьшения и является тем, что в нашей науке ошибочно называют потенциальной энергией. И связана эта величина с деформацией одного поля другим.
Если теперь вернуться к предыдущей статье о парадоксах энергии, то окажется, что все загадки прекрасно решаются с помощью гравитационной энергии (парадоксы 1,2,9) и вакуумной (парадоксы 3-8). Например, выходящее из лампочки световое излучение обусловлено работой физвакуума: вращающийся на электростанции ротор турбины деформирует вакуум, совершает над ним работу и передаёт ему энергию, полученную при сгорании топлива, а вакуум затем отдаёт эту энергию при колебаниях атомов нити накаливания и преобразуется в излучение, при этом сами электроны ни на что не расходуются, а служат спусковым крючком для высвобождения вакуумной энергии. С другой стороны, постоянство кинетической энергии воды, текущей вниз в вертикальной трубе (последний парадокс), обусловлено тем фактом, что гравитационное поле реагирует не на само движение вещества, а на движение его фазовых границ раздела, которые в водяном столбе отсутствуют.
Подводя окончательный итог, можно заявить, что человечество буквально купается в море энергии, которая могла бы решить практически все самые острые проблемы, но оно не знает об этом. И самое печальное состоит в том, что есть очень могущественные силы, которые заинтересованы в таком положении. Удастся ли нам преодолеть сопротивление этих сил — пока не известно.
С уважением, И. А. Прохоров
