Введение. В настоящее время в физике безраздельно господствует корпускулярная теория взаимодействия материальных объектов, наиболее полно отраженная в Стандартной модели элементарных частиц [1].  В ней все виды элементарных частиц делятся на два класса: фермионы (носители материи, обладающие массой покоя) и бозоны (носители взаимодействия, не обладающие массой покоя и распространяющихся в пустом пространстве (физическом вакууме) с постоянной (предельной) скоростью, минуя стадию ускорения и торможения). К частицам - носителям взаимодействия неприменимо понятие длительности процесса излучения, массы, инерции, ускоряющей (ньютоновской) силы, а также силы, поддерживающей скорость их распространения в поглощающих средах -  словом, законы классической механики. Причина энергообмена усматривается при этом в неравенстве потоков испущенных и поглощенных бозонов. Такой подход не в состоянии удовлетворительно объяснить дуализм 'волна-частица', дифракцию элементарных частиц самих с собою и поразительную избирательность взаимодействия биологических структур (в том числе различных участков молекул ДНК). Все это делает целесообразным развитие альтернативной стандартной модели теории взаимодействия.

Волновая форма энергообмена. Подобно лучистому теплообмену эта форма энергообмена предполагает наличие некоторой материальной среды, обладающей какими-либо свойствами Θ_i (i =1,2,..., n). Эти свойства распределены по её объему V в общем случае неравномерно, и не остаются неизменными во времени t. Это означает, что их плотность ρ_i = (∂Θ_i /∂V) является функцией пространственных координат (радиус-вектора r и времени t) ρ_i = ρ_i(r,t). В волновой модели предполагается, что эти свойства ρ_i (r,t) осциллируют относительно их среднего значения ρ_i^ср(t) в характерном для этой среды диапазоне частот ∆ν. В зависимости от свойств ρ_i  указанную среду можно представлять себе как нейтральный эфир с осциллирующей плотностью ρ(r,t), как электромагнитное поле с осциллирующим зарядом ρ_е(r,t) или как физический вакуум с одновременно рождающимися или исчезающими j-ми частицами противоположного знака (реальными или 'виртуальными') с плотностью ρ_j (r,t). Общим для всех этих моделей является неизменность в процессе осцилляций свойств Θ_i среды в целом, что можно выразить постоянством интеграла Θ_i = ∫ ρ_i (r,t)dV = ∫ ρ_i^ср(t) dV = const. Отсюда следует, что

∫ [ρ_i (r,t) - ρ_i^ср(t)] dV = 0.                                                               (1)

         При  ρ_i (r,t) ≠ ρ_i^ср(t) это означает, что в один и тот же момент времени t отклонение любого свойства среды ρ_i (r,t) от его среднего значения имеет в различных элементах объема dV противоположный знак. Такая 'противонаправленность' процессов в различных точках указанной среды свидетельствует о протекании в ней процессов переноса в i-х свойств благодаря возникновению в ней бегущих волн соответствующей физической природы. Это и является причиной волнового энергообмена между этой средой и помещенным в неё веществом. 

  Указанный энергообмен может осуществляться как путем переноса i-х свойств от среды к веществу, если последняя обладает теми же свойствами (степенями свободы), так и вследствие превращения энергии колебаний i-го рода в другие (j-е) формы. Поэтому требование наличия у эфира, электромагнитного поля или физического вакуума одних и те же свойств с веществом является необязательным. Это позволяет поставить вопрос об общих закономерностях процесса волнового энергообмена, не зависящих от модельных представлений о свойствах колеблющейся среды.

Движущая сила волнового энергообмена. Роль потенциала излучения любой частоты в настоящее время играет температура в четвертой степени. Делается это с 'легкой руки' Б. Голицына, который в 1893 году вопреки резким возражениям А. Столетова и ряда других физиков приписал излучению в полости абсолютно черного тела (АЧТ) температуру самого АЧТ на том основании, что они якобы находятся в 'тепловом' равновесии. Между тем так называемое 'тепловое' излучение занимает очень небольшую часть спектра излучения с длиной волны от 0,4 до 4 мк, которая при поглощении воспринимается телами как теплота (т.е. рассеивается ими). Большая же часть спектра излучения, ответственная за явления фотосинтеза, фотоэффект, фотоионизацию, фотолюминесценцию, фотоакустические явления, фотоядерные реакции и т.п., представляет собой упорядоченную форму движения и никоим образом не сводима к теплоте. Тепловая форма движения свойственна только вещественной форме материи и представляет собой синтез кинетической и потенциальной энергии микрочастиц (что подтверждается зависимостью внутренней энергии вещества U как от температуры T, так и от объема V) [3]. Поэтому понятие температуры как меры интенсивности теплового движения к эфиру, электромагнитному полю или физическому вакууму неприменимо. Тем не менее астрофизики упорно приписывают фоновому (реликтовому) излучению, исходящему из глубин космоса, определенную температуру (2,72 К) на том основании, что спектр излучения межзвездного пространства близок к спектру излучения АЧТ. Это делается не смотря на то, что в условиях Вселенной о тепловом равновесии между веществом и излучением не может идти и речи1).

Понимание принципиальной несводимости волнового энергообмена к лучистому теплообмену ставит задачу отыскания специфической движущей силы Х_в процесса обмена энергией между веществом и осциллирующей внешней средой, порождающей этот процесс так же, как разность или градиент температур, давлений, скоростей, химических, электрических и др. потенциалов обусловливает соответственно потоки тепла, вещества, заряда, импульса и т.д. [3]. Для этого можно воспользоваться известным выражением энергии бегущей волны, единым для акустических, гидродинамических, электромагнитных и т.п.) волн [4]: 

            Е_в = ρA²ν²/2 ,                                                                     (2)

где ρ - плотность среды распространения колебаний, ν - частота волны. 

Согласно (2), элементарное изменение этой энергии в процессе энергообена определяется выражением:

dЕ_в = A_вνd(A_вν).                                                                 (3)

Сопоставим теперь (3) с общим выражением работы любого i-го рода dW_i в механике или энергодинамике как произведением силы F_i  на вызванное ею перемещение dr_i объекта её приложения. Чтобы придать этой работе принятую в термодинамике форму, выразим объект приложения силы через известные термодинамические параметры Θ_i (массу М, энтропию S, заряд Θ_e, число молей k- го вещества N_k, импульс тела P =Мv и т.п.). Принимая во внимание, что в энергодинамике сила F_i  имеет обычный (ньютоновский) смысл, а её удельная величина Х_i = F_i/Θ_i  (называемая в термодинамике необратимых процессов термодинамической) выражается в общем случае отрицательным градиентом Х_i =  - (∂ψ_i/∂r_i) ≡ - grad ψ_i соответствующего потенциала ψ_i (химического, электрического, гравитационного, температуры, давления и т.п. [3]), приходим к известному термодинамическому выражению работы dW_i  в стационарных условиях, когда ψ_i = ψ_i(r_i):

dW_i = F_i"dr_i = - Θ_i (∂ψ_i/∂r_i) "dr_i = - Θ_idψ_i .                                         (4)

         Частным случаем (3) является известное выражение работы перемещения газа в потоке с давлением р: dW_i = - Vdр. Сопоставляя (3) и (4), находим, что в случае волновой формы движения аналогом давления является потенциал волны ψ_в= A_вν (м"с^-1), названный нами для определенности амплитудо-частотным.  В таком случае роль  удельной (термодинамической) движущей силы  Х_в волнового энергообмена является векторная величина

Х_в = - (∂ψ_в/∂r) ≡ - grad ψ_в                                                               (5)

Эта сила определяется отрицательным градиентом потенциала излучения ψ_в, т.е. так же, как и для всех других процессов переноса энергии в сплошных средах [5]. Согласно (5), неоднородность скалярного поля потенциала волны порождает силу, которая обусловливает возникновение волнового энергообмена между точно так же, как и другие его виды, порождаемые неоднородными полями температур, давлений, электрических, химических и любых других потенциалов. При этом самопроизвольный перенос волновой энергии осуществляется в сторону пониженных частот и амплитуд сигнала.

Для волнового энергообмена важное значение приобретает явление резонанса. Известно, что каждый химический элемент, каждая клетка и каждый элемент ДНК имеет собственную (резонансную) частоту излучения ν_р.  При этом амплитуда А_с отклика системы на внешнее воздействие при частотах ν, близким к резонансным ν_р, может многократно превышать амплитуду самого внешнего сигнала А2). Поэтому лучистое равновесие может наступить и при неравенстве амплитуд собственных колебаний А_с и внешнего поля излучений А.

Другая особенность энергообмена между полем излучения и исследуемым телом состоит в том, что модуль его  движущей силы Х_в выражается не градиентом, а перепадом этих потенциалов (Х_в = - Δψ_в). Третья особенность состоит в том, что при ν = ν_р движущая сила Х_в обращается в нуль ввиду отсутствия разности между действительной и резонансной частот Δν = ν - ν_р, хотя амплитуда отклика системы достигает при этом своей максимальной величины А_р. Последнее означает, что для возникновения энергообмена необходима некоторая разность частот  Δν. В этом случае амплитуда отклика системы на внешнее воздействие А_с отличается от А_р и становится функцией этой разности. Полагая кривую резонанса близкой к экспоненте, выразим амплитуду сигнала А через А_р и выражением

А = А_р е^-αΔν                                                                                     (8)

где α - некоторый масштабный коэффициент.

       Согласно (8), при Δν = 0 амплитуда отклика системы на воздействие с амплитудой А максимальна и равна резонансной А_р). Напротив, при Δν = ∞, когда частота внешнего поля бесконечно далека от резонансной,  система реагирует на внешнее воздействие, так, как если бы его амплитуда А = 0.

       Рассматривая полный дифференциал амплитудно - частотного потенциала ψ_в = Аν и  учитывая, что при заданных свойствах системы (А_р, ν_р, α = const) А = А(ν), находим, что в выражении полного дифференциала потенциала ψ_в

dψ_в = (∂ψ_в/∂ν) dν + (∂ψ_в/∂А)dА = Аdν + νdА                               (9)

второе слагаемое  обращается в нуль. В таком случае движущая сила волнового энергообмена тела с полем излучения приобретает с учетом (8) вид:

Х_в = - Δψ_в = - А_ре^-αΔνΔν.                                                             (10)

          Нетрудно видеть, что при заданных А_р, ν_р,α и ν = ν_р, как и при  Δν = ∞, движущая сила энергообмена обращается в нуль. Этот удивительный результат означает, что максимум энергообмена достигается при частотах, несколько отличающихся от резонансной.

Рис.1. Зависимость движущей силы                лучистого энергообмена от                         сдвига частот.

График зависимости движущей силы лучистого энергообмена между полем излучения и телом от разности их частот Δν (или Δω) при α = 1 и α = 0,5 показан на рис.1. Как следует из него, отклонение максимума силы взаимодействия (и интенсивности энергообмена) от резонансной частоты тем значительней, чем слабее влияние резонанса (чем меньше α). Это естественно, поскольку при ослаблении резонанса основную роль играет разность частот.

           Другой немаловажный вывод состоит в том, что момент резонанса Δν = 0 соответствует прекращению энергообмена, т.е. состоянию равновесия. Это означает, что при стремлении системы излучающих осцилляторов к внутреннему равновесию частоты их излучений самопроизвольно синхронизируются подобно тому как это происходит в лазерах и мазерах.

            Вышеизложенное имеет непосредственное отношение к объяснению взаимодействия между элементами биологических структур, в частности, к взаимодействию между участками двойной спирали 'отцовской' и 'материнской' ДНК [6]. Здесь мы приходим к выводу, что участки ДНК, имеющих определенную собственную частоту колебаний, вызывают возмущение окружающей среды, которое передается участкам цепи другой нити ДНК с интенсивностью, зависящей от близости резонансных характеристик их индивидуального спектра колебаний. В результате возникает избирательное диполь - дипольное взаимодействие этих участков ДНК, которое вызывает их сближение и переориентацию до тех пор, пока между этими участками не установится равновесие, соответствующее  определенному расстоянию между указанными участками. Этот механизм взаимной ориентации цепей ДНК в принципе не зависит от того, какова природа колебаний этих цепей - будь то акустические, гидродинамические, электродинамические и эфирные колебания - любые из них способны передавать взаимодействие колебательных систем.

  Нетрудно видеть, что предложенное единое описание условий равновесия между веществом и его окружением, а также процессов энергообмена, обусловленного нарушением этого равновесия, принципиально отличается от корпускулярной теории переноса лучистой энергии фотонами, которая не требует наличия движущей силы переноса и отрицает изменение частоты фотонов при распространении в поглощающих средах. Кроме того, волновая природа излучения легко объясняет дифракцию фотонов самих с собой и избирательность процесса взаимодействия микрочастиц и биологических структур.

Дискретный характер волнового энергообмена. С позиций квантовой механики дискретный (прерывистый) характер процесса излучения объясняется 'перескоком' электрона с одной устойчивой орбиты на другую, в то время как в остальное время (при движении электрона по устойчивой орбите под действием центральных сил) энергия не излучается. Иначе объясняется дискретный характер излучения с позиций энергодинамики, которая учитывает наличие нецентральных сил, действующих на атом извне и вызывающих кратковременное торможение электрона. Однако в обоих случаях каждый дискретный акт излучения вызывает однократное возмущение упомянутой среды, распространяющееся в ней в виде уединенной волны. Такие уединенные (пространственно локализованные) волны получили название солитонов [7]. Их изучение показало, что свойства солитона во многом близки к свойствам частицы. В частности, при столкновении два солитона не проходят друг через друга, как обычные линейные волны, а как бы отталкиваются друг от друга подобно теннисным мячам. Энергодинамика объясняет это свойство тем, что в соответствии с общим определением силы Х_в = - (∂ψ_в /∂r) одиночная волна подобна диполю, образуемому парой сил, пропорциональных крутизне переднего и заднего её фронта. Другим свойством солитона является его структурная устойчивость. Принято считать, что она обусловлена  балансом фактора дисперсии (зависимости скорости волны от её амплитуды), который способствует увеличению крутизны её фронта диссипацией, и фактора диссипации, способствующему 'расплыванию' волны. В таком случае структурно устойчивыми будут и стоячие волны, если в среде отсутствует диссипация. С другой стороны, в отсутствие диссипации в среде распространения волн для их устойчивости не требуется и дисперсия. Это существенно расширяет условия устойчивости уединенных волн. В результате в настоящее время число объектов, подпадающих под понятие солитона как пространственно локализованной структурно устойчивой частицеподобной волны постоянно расширяется. Сейчас обнаруживают и изучают солитоны в кристаллах, магнитных материалах, волоконных световодах, в атмосфере Земли и других планет, в галактиках и даже в живых организмах.

Представляет интерес показать, что для солитона как структурно устойчивой волны её потенциал ψ_в определяется в основном крутизной его переднего и заднего фронта. Если профиль солитона как полуволны возвышения представить в виде эквивалентного по площади импульса треугольной формы с высотой А_в и основанием λ/2, то соотношение между ними можно выразить через 'коэффициент формы волны':

         k_в = А_в/λ  ,                                                                       (6)

Для волны, амплитуда которой измеряется в метрах, коэффициент формы k_в равен учетверенному тангенсу угла наклона боковой стороны замещающего треугольника (рис.2). Поскольку λ = с/ν, где с  - скорость света, потенциал солитона целиком определяется его формой ψ_в = сk_в .

Таким образом, передний и задний фронт солитона как уединенной волны оказывает тем большее силовое воздействие на окружающие тела, чем круче её фронт. В этом отношении любая волна или любой ограниченный в пространстве пакет волн подобен диполю. Сила диполь-дипольного взаимодействия, как известно, обратно пропорциональна кубу расстояния между ними и зависит от взаимной ориентации диполей, изменяя свой знак в зависимости от угла между осями диполей.

Дипольные свойства усиливаются при появлении солитонов с противоположным знаком амплитуды, обусловленным чередованием актов излучения и поглощения атомом излучений. В таком случае  последовательность солитонов  образует квазинепрерывную и в общем случае ангармоническую бегущую волну, которую мы и наблюдаем на опыте. При этом поток солитонов оказывается пропорциональным числу солитонов, излучаемых в единицу времени, т.е. частоте излучения ν. Это обстоятельство проливает новый свет на смысл постоянной Планка и квантовой механики в целом [8]. Все это показывает, насколько полезным может стать периодическое переосмысление сложившихся представлений с учетом новых экспериментальных данных.

Литература

1.      Емельянов В.М. Стандартная модель и её расширения. М., Физматлит, 2007, 584 с.

2.      Эткин В.А. О неэлектромагнитной природе света. Сетевой ресурс  http://SciTecLibrary.ru, 31.05.2010.

3.      Эткин В.А. Энергодинамика (синтез теорий переноса и преобразования энергии).- СПб: Наука, 2008, 409 с.

4.      Крауфорд Ф. Берклеевский курс физики.  T.3: Волны. М.: Мир, 1965, 529 с.

5.      Эткин В.А. О потенциале и движущей силе лучистого энергообмена // Вестник Дома Ученых Хайфы, 2010.-Т.20, с.6-10.

6.      Гаряев П. П. Волновой геном. М: 'Общественная польза', 1993.

7.      Филлипов А.Т. Многоликий солитон.- М., Наука, 1990 - 288 с.

8.      Эткин В.А. Классические основания квантовой механики. Сетевой ресурс http://www.n-t.org/ от 22.09.2001.