Чтение онлайн

Но все же сверхпроводник не является проводником в смысле теории Максвелла. Нельзя сказать, что он отличается от других проводников только бесконечно большой проводимостью. Тогда магнитное поле, проникая внутрь проводника, должно было бы «вмораживаться» в нем при падении температуры ниже критической точки. Но в 1933 г. измерения В. Мейснера и Р. Оксенфельда показали, что оно при этом будет вытеснено, причем не существенно, производят ли раньше охлаждение ниже критической точки, а потом возбуждают магнитное поле, или наоборот. Этот эффект Мейснера требует дополнения теории Максвелла на совершенно новых основах.

По вопросу об отношении электромагнитного поля к его зарядам взгляды физиков менялись. Подобно тому как Ньютон и его последователи рассматривали гравитацию как причинно обусловленный результат действия масс, так каждый физик первоначально рассматривал электрические силы как результат действия зарядов. Фарадей и Максвелл выдвинули на передний план понятие поля, а заряды были сведены к своего рода сингулярным точкам поля. Но отношение опять перевернулось, когда в связи с электронной теорией на передний план выступили атомные носители электрических элементарных зарядов. Нам кажется, что ни одно из этих воззрений не соответствует фактам. За-

ряды и поле настолько связаны друг с другом, что одно не может существовать без другого. Поэтому наука может с одинаковым успехом как принимать заряды за основу для познания поля, так и заключать о зарядах из изменений электрических силовых линий. Это - логические заключения; они не имеют дела с реальным отношением причины и следствия. То же, конечно, относится к взаимоотношениям между полем тяготения и его массами.

Своеобразны отношения между учением об электричестве и механикой. Как уже говорилось, Максвелл пытался в 1862 г. дать механическую картину магнитного поля. Позднее, в период прогрессирующего признания его теории, многие пытались более рациональным путем представить механику эфира как основу для такой картины. И до известной степени можно подчинить теорию линейных замкнутых (квазистационарных) токов теории циклов, разработанной Гельм-гольцем на основе механики. Но это не больше, чем математическая аналогия между различными видами физических процессов. Во всяком случае она характерна для проникновения электродинамических воззрений в широкие круги; последнее иллюстрируется тем, что современный инженер чаще объясняет действие механических машин через соответствующую электрическую схему. Но постепенно к 1900 г. поняли, что общее сведение электродинамики к механике невозможно.

С 1880 г. постепенно выступала противоположная мысль: свести механику к электродинамике. То, что движущийся носитель заряда несет с собой свое электрическое поле и что он имеет количество движения, связано с идеей электромагнитного происхождения инертной массы. Некоторые пытались любую массу рассматривать как электромагнитную массу. В 1902 г. эта воззрение нашло свое математическое отражение

в теории Макса Абрагама (1875-1922) относительно импульса движущегося электрона, представляемого в виде заряженного шара; масса получалась зависящей от скорости, и формула Абрагама долгое время конкурировала с релятивистской формулой (гл. 2).

Но и от этой идеи физика отошла. Опыты дали, наконец, однозначное решение в пользу релятивистской формулы; к тому же теория Абрагама получала для пропорциональности между энергией и покоящейся массой другой коэффициент, чем выступающий в эйнштейновском законе инертности энергии, нашедшем полное подтверждение в ядерной физике (гл. 11). Однако в качестве подготовки релятивистской динамики работы Абрагама имели большое значение.

Если релятивистская динамика также совершенно независима от какого-либо представления о природе сил и, таким образом, также независима от электродинамики, то последняя все же играет решающую роль при открытии этой динамики. Из опытов, которые были сконцентрированы в динамике Ньютона, нельзя было придти к теории относительности Эйнштейна; они были недостаточно точны. Поскольку электродинамика привела к связанному с преобразованиями Лорентца принципу относительности, она обусловила также переход от ньютоновской динамики к релятивистской. В этом чисто историческом смысле современная динамика основывается также на электродинамике.

Новейшие исследования по магнетизму выходят за пределы чистой электродинамики. Согласно теории Максвелла намагничение пропорционально магнитному полю в соответствии с опытами, относящимися к диамагнитным и слабо парамагнитным телам. В железе, никеле, кобальте и некоторых сплавах, в которых впервые был открыт магнетизм, при растущей силе поля намагничение достигает значения насыщения, которое, конечно, лежит далеко за пределами намагничения у-

других веществ. Для твердых металлов, как, например, большинства сортов стали, намагничение вообще гораздо меньше зависит от силы поля, чем от предварительной обработки. В противном случае не было бы постоянного магнита. Для подобных веществ в 1880 г. Эмиль Варбург (1846-1931) обнаружил явление, которое независимо от него открыл в 1882 г. Джемс Альфред Эвинг (1855-1935) и назвал его гистерезисом: в том случае, когда поле возрастает от нуля, намагничение происходит иначе, чем при его убывании до нуля. С намагничением, следовательно, связана работа, которая в магните превращается в теплоту. Еще поразительнее было открытие Пьера Кюри (1859-1906). Он нашел в 1895 г., что диамагнетизм независим от температуры, в то время как парамагнитная восприимчивость, напротив, с увеличением абсолютной температуры уменьшается обратно пропорционально ей. Что касается ферромагнетизма, то при характерной для вещества «температуре Кюри» (для железа она равна 774° С, для никеля 372° С, для кобальта 1149° С) он переходит в нормальный парамагнетизм, постепенно уменьшающийся с возрастанием температуры. Теоретическое объяснение различного поведения диа- и парамагнитного вещества дал в 1905 г. Поль Ланжевен (1872-1946). В то время как диамагнетизм основывается на индукционном действии магнитного поля на электроны, находящиеся в молекуле, парамагнетизм вызывается свободно вращающимися элементарными магнитами с постоянными моментами; поле заставляет их принять определенное направление вопреки воздействию теплового движения. В 1907 г. Пьер Эрнст Вейс (1865-1940) распространил статистическую термодинамическую теорию на ферромагнетизм, создав гипотезу внутреннего магнитного поля, напряженность которого характерна для тела и для его намагничения и которое наряду с магнитным полем содействует ориентации элементарных магнитов. Какой бы произвольной ни казалась вначале эта гипотеза, Вейс был на правильном пути; в 1927 г. Гейзенберг смог свести

внутреннее поле посредством теории квант к «спину» электронов. Тем самым магнетизм подобно электричеству был сведен к первоначальным свойствам элементарных частиц (гл. 14).

От этой теории до количественного понимания свойств ферромагнетиков путь, конечно, далекий и он еще не вполне проложен. Среди многих обстоятельств при этом играют роль, например, кристаллическая структура, упругие напряжения и примеси.

Как показал Дебай в 1912 г., теория магнетизма Ланжевена без всяких оговорок может быть применена к объяснению зависимости от температуры электрической восприимчивости жидкостей и газов, молекулы которых обладают постоянным электрическим моментом; электрическая восприимчивость также уменьшается обратно пропорционально абсолютной температуре.

Проблема, указанная в этом заглавии, уходит своими корнями в греческую древность. Она прошла три стадии развития: геометрическую, простиравшуюся до XVII столетия; динамическую, которая после победы волновой теории света (около 1800 г.) распространилась на всю физику, и, наконец, эпоху теории относительности Эйнштейна, начавшуюся в 1905 г.

В геометрическую эпоху вопрос о системе отсчета был непосредственно связан с вопросом о положении и движении тела. С самого начала было ясно, что оба эти понятия без задания чего-то, по отношению к чему они могут быть определены, теряют смысл. Аристотель (384-322 до н. э.) и вслед за ним вся схоластика относили положение тела к окружающей его материальной субстанции. Шел спор о том, касается ли эта субстанция тел непосредственно или допустимы конечные расстояния. При таком толковании были неразрешимы спорные вопросы, как, например, движется ли при наличии ветра корабль, стоящий на якоре, поскольку вода и воздух вблизи него постоянно обновляются, или же он покоится, так как с берега движение не констатируется. Более важным для физики было то, что согласно воззрениям Клавдия Птоломея (он жил во II столетии н. э. в Александрии) сфера неподвижных звезд, как наиболее отдаленная от окружающих Землю сфер, вообще не имеет положения. За ней нет ничего, что ее окружало бы, нет даже

пространства. Несмотря на это, она должна была, согласно учению Птоломея, иметь движение, а именно суточное вращение вокруг Земли.

Этой непоследовательности не избежал Николай Коперник (1473-1543) при обосновании системы, названной его именем. Когда он приписал покой сфере неподвижных звезд, а Земле, напротив, суточное вращение вокруг ее оси, то это было только логическим улучшением традиционного воззрения. Коперник еще придерживался взгляда, который нам так трудно понять, что за сферой неподвижных звезд ничего нет. От этого взгляда освободился лишь сильный противник Аристотеля - Джордано Бруно (род. в 1548 г.), который в 1600 г. был подвергнут в Риме сожжению за учение о бесконечном множестве миров, за свое выступление в пользу Коперника и т. п. «ереси». Кеплер не решился присоединиться к этому смелому и все же неизбежному дополнению системы Коперника.

При дальнейшем обосновании гелиоцентрической системы Коперник руководился своего рода телеологической точкой зрения простоты природы. «Природа не делает ничего лишнего или напрасного», - говорили еще греки. Коперник считал, что проще объяснить движение планет на небесном своде собственным движением Земли, т. е. движением одного тела вокруг Солнца, чем описанными Птоломеем сложными вращательными движениями всех планет. Как ни импонирует нам эта мысль теперь, но невозможно было дать причинное обоснование при тогдашнем состоянии физики.

Вполне понятно, что требование простоты, больше апеллирующее к чувству, чем к критическому разуму, не смогло убедить многих современников и потомков Коперника. Кроме того, представление о том, что все человечество находится в постоянном круговороте, не замечая этого, вовсе не было простым и к тому же в то время физически не было обосновано. Нельзя поэтому считать ни отсталостью, ни трусостью то, что

издатель великого труда Коперника «De revolutioni-bus» *) нюрнбергский ученый Осиандер, наблюдавший за печатанием книги вместо автора, охарактеризовал в предисловии систему Коперника как простую «гипотезу», оправданную благодаря своему соответствию с наблюдениями, но не являющуюся на этом основании истинной.