Какова мощь электромагнитных сил?

В цифровой среде нередко можно встретить суждение о колоссальном превосходстве электромагнитных сил над гравитацией. Размышляя об этом, я задался вопросом: что если попытаться зарядить кусок железа до абсолютно предельного состояния — удалив или добавив электроны по аналогии с обкладками конденсатора, — и проанализировать масштаб последующего разряда?

Для наглядности я изначально представил железный куб с гранями по 30 см, руководствуясь лишь стремлением выбрать компактный, но осязаемый объем.
Вскоре стало очевидно, что геометрия куба не оптимальна для подобных изысканий, и я заменил его равновеликой по массе сферой.

Зная массу, несложно вычислить количество атомов и свободных электронов в таком объекте, однако вдаваться в рутинные расчеты не стану. Ограничусь изложением сути мысленного эксперимента и ключевых выводов, к которым пришел.

Насколько грандиозен потенциал электромагнитного взаимодействия и хрупок природный баланс?
Итак, вернемся к нашему мысленному эксперименту с железным объектом. Пусть для чистоты расчетов это будет сфера, эквивалентная по массе тридцатисантиметровому кубу. Сфера с радиусом 18,6 см при плотности железа будет весить ровно 212 килограммов.

Попробуем довести электрический заряд этого шара до абсолютного максимума. Механизм здесь схож с электризацией пластиковой расчески о волосы, только без использования трения — мы будем целенаправленно оперировать свободными электронами. Вспомните устройство конденсатора: одна обкладка заряжается положительно за счет дефицита электронов, а вторая — отрицательно из-за их избытка.
Применим этот принцип к нашей железной сфере, начав систематически извлекать из нее электроны проводимости. Почему бы не попытаться удалить их все до единого?

Железо — один из самых распространенных металлов на Земле, с которым мы контактируем ежедневно.
Какова его атомная структура? Порядковый номер железа — 26, что соответствует 26 протонам в ядре, формирующим положительный заряд. Ядро также содержит 30 нейтронов, обеспечивая атомную массу 56. В нейтральном состоянии атом обладает 26 электронами. Нас будут интересовать именно валентные электроны (электроны проводимости), которых в кристаллической решетке железа насчитывается примерно по два на каждый атом — вполне достаточная база для эксперимента.

Попробуем нарушить стабильность этого прочного металла. Предположим, в нашем распоряжении имеется гипотетическое устройство, способное отнимать у сферы электроны проводимости.
Запустим процесс зарядки, мысленно воссоздавая эффект наэлектризованной расчески.
Допустим, необходимые технологические условия нам подвластны.

Однако вскоре мы столкнемся с непреодолимым препятствием: по мере эвакуации электронов положительный потенциал сферы возрастет настолько, что начнется катастрофическое разрушение металла из-за взаимного кулоновского отталкивания одноименно заряженных ионов.
Следовательно, нам потребуется дополнительный механизм для компенсации этого отталкивания — некий аналог сильного ядерного взаимодействия, сдерживающего протоны в атомном ядре.
Успешно преодолев это препятствие, мы продолжаем откачивать электроны, стремясь полностью обнажить ионную решетку сферы.

Спустя какое-то время напряженность электрического поля вокруг нашего шара достигнет критической отметки, при которой вакуум начинает буквально «кипеть», порождая электрон-позитронные пары.
Рождающиеся из физического вакуума свободные электроны устремятся к нашей сфере, нейтрализуя ее колоссальный положительный заряд.
Столь тщательно создаваемый нами дефицит электронов мгновенно компенсируется силами самой первозданной пустоты.

Досадно. Амбициозная цель полностью лишить 37-сантиметровую в диаметре сферу электронов проводимости оказалась недостижимой. Скорректируем задачу: остановимся ровно на том пороге, где напряженность поля еще не провоцирует рождение частиц из вакуума.

Итак, наша железная сфера заряжена на пределе законов физики. Напомню ее параметры: радиус — 18,6 см, масса — 212,2 кг. Сколько же электронов проводимости нам удалось извлечь?
Учитывая, что из 26 электронов каждого атома железа лишь два являются валентными (свободными), мы удаляли именно их.

В итоге, прямо перед началом лавинного рождения частиц из вакуума, способных закоротить нашу систему, мы смогли удалить лишь около 0,7 процента от общего числа электронов проводимости.
Более 99 процентов этих электронов останутся на своих местах.
Казалось бы, это микроскопическая доля.
Тем не менее, абсолютное количество удаленных частиц исчисляется астрономическими величинами.

Что происходит, когда мы накапливаем статическое заряд на собственном теле, например на кончике пальца?
Приближаясь к заземленному или имеющему иной потенциал предмету, мы наблюдаем электрический разряд в виде искры. Касание вовсе не обязательно — достаточно сократить дистанцию. Каждый из нас сталкивался с этим эффектом.
Этот бытовой пример принципиально не отличается от нашего эксперимента со сферой — во всех случаях меняется баланс электронов.
Разница лишь в том, что из-за фантастического числа атомов в железном шаре масштаб последующего высвобождения энергии будет поистине апокалиптическим.

Какова же итоговая аккумулированная энергия сферы на пороге эффекта Швингера — в момент начала рождения пар из вакуума?

Суммарный заряд сферы составит 5 миллионов кулон (для сравнения: типичный удар молнии переносит заряд всего в несколько десятков кулонов).

При этом запасенная энергия достигнет 6,2 · 10²³ джоулей.
С чем сопоставим этот показатель?

В эквиваленте тротилового взрыва это составит порядка 148 миллионов мегатонн.

Атомная бомба «Малыш», разрушившая Хиросиму, обладала мощностью около 15 килотонн (15 тысяч тонн тротила).

Самое мощное термоядерное устройство в истории человечества — «Царь-бомба» — оценивалось примерно в 58 мегатонн. Энерговыделение нашей скромной сферы эквивалентно одновременному взрыву **двух с половиной миллионов** «Царь-бомб»! Речь идет именно о 148 миллионах **мегатонн**, а не тонн тротила.

Высвободившаяся энергия в тысячи раз превосходит весь текущий ядерный арсенал планеты.

Падение Чиксулубского астероида, стершего с лица Земли динозавров 65 миллионов лет назад, высвободило энергию сопоставимого порядка с потенциалом нашей железной сферы.

Детонация такого заряда породит сверхмощную вспышку жесткого рентгеновского и гамма-излучения. Почва в зоне поражения мгновенно испарится, оставив колоссальный кратер, атмосфера превратится в раскаленную плазму, а ударная волна многократно обогнет земной шар, подняв в стратосферу миллиарды тонн породы. Все это будет сопровождаться чудовищными пожарами и глобальным повышением температуры.
Планетарная катастрофа с последующим полным вымиранием биосферы станет неизбежной.

Отвечая на вопрос о мощи электрических сил, можно констатировать: они поистине беспредельны.
Привычный нам кусок металла — скажем, обычная штанга из спортзала — при гипотетическом нарушении глубинного баланса зарядов превращается в абсолютное оружие массового поражения, способное стереть с карты континенты или уничтожить всю жизнь на Земле.

(Опыты смертельно опасны и не подлежат повторению!)

Источник