Чтение онлайн

Из уравнений Максвелла следует, что электромагнитное возмущение в пространстве распространяется посредством электромагнитных волн, позднее (уже после смерти Максвелла) экспериментально обнаруженных Генрихом Герцем. Максвелл установил также, что распространение электромагнитной волны происходит со скоростью, равной скорости света, и что свет имеет электромагнитную природу, т. е. представляет собой электромагнитную волну определенной длины. Из теории Максвелла следовало также, что электромагнитные волны, в том числе и световые, производят давление. И этот вывод теории был подтвержден — русский физик П. Н. Лебедев открыл и измерил давление света (в 1899 г.).

По современным воззрениям, физическое поле представляет собой одно из фундаментальных понятий естествознания. Физическое поле есть не что иное, как особая форма существования материи.

Электромагнитное поле, открытие которого принадлежит М. Фарадею и Д. Максвеллу (хотя оба они предполагали существование мирового эфира), по современным взглядам, обладает, как и отдельные частицы и механические системы, энергией, количеством движения (импульсом), моментом количества движения. Поле может обмениваться с частицами и макроскопическими телами энергией, количеством движения и моментом количества движения. В этом случае законы сохранения этих величии действуют для всей замкнутой системы, состоящей из поля, частиц и макроскопических тел.

Как уже говорилось, электромагнитное поле может с конечной скоростью распространяться в пространстве. Это явление именуется электромагнитными волнами. Свет (видимый) представляет собой электромагнитные волны длиной приблизительно 0,1–1 мкм. По длине волны различают следующие электромагнитные волны (рис. 41):

– километры — 5·10– 3 см — радиоволны;

= 5·10– 2 — 10– 7 см — световые волны, в том числе

= 5·10– 2 — 8·10– 5 см — инфракрасные,

= 8·10– 5 — 4·10– 5 см — видимый свет,

= 4·10– 5 — 10– 7 см — ультрафиолетовое излучение,

= 2·10– 7 — 6·10– 10 см — рентгеновское излучение;

= 2·10– 8 — 5·10– 12 см — гамма-излучение.

В середине XX в. было открыто еще одно интересное свойство электромагнитного поля. Оказалось, что поле способно превращаться в «обычное» вещество с образованием электронных пар или с образованием протонных, мезонных и некоторых других пар. Было открыто также обратное явление — превращение вещества в поле, происходящее в результате аннигиляции (от лат. annihilatio — уничтожение, исчезновение) пары частиц (например, электрон — позитрон); аннигиляция происходит при столкновении частиц. Процесс, обратный аннигиляции, — рождение пар.

Рис. 41. Электромагнитный спектр.

В свете всего сказанного об электромагнитном поле может возникнуть вопрос: остается ли необходимость во введении понятия эфира, какие функции можно было 61.1 ему приписать? Признавая уместность этого вопроса, мы обратимся к нему немного позднее.

Мы рассказали кратко о выдающихся ученых Фарадее и Максвелле, о их великом открытии электромагнитного поля. Многие ученые считают, что введение в науку понятия электромагнитного поля и математическое определение законов поля, данное в уравнениях Максвелла, является самым крупным событием в физике со времен Ньютона. Но все-таки в характеристике Фарадея и Максвелла был бы допущен большой пробел, если бы мы не коснулись еще одной стороны дела, а именно: Фарадей и Максвелл были блестящими популяризаторами науки и очень любили этот род деятельности.

Фарадей регулярно выступал с популярными лекциями но разным вопросам естествознания в большом лекционном зале Королевского института, а нужные для демонстрации опыты готовились самым тщательным образом. Всего Фарадей прочитал девятнадцать циклов лекций, и, может быть, текст ни одной из них не дошел бы до нас (Фарадей не делал каких-либо записей), если бы не одно счастливое обстоятельство. Один из слушателей, Вильям Крукс, в то время молодой человек, а в дальнейшем известный физик и химик (до сих пор сохранилось название трубок Крукса, в которых проводится исследование электрических разрядов в газах и катодных лучей), президент Лондонского королевского общества, дословно записал по крайней мере два цикла лекций Фарадея: «О различных силах в природе» и «Химическая история свечи». Особый успех имела вторая. Она много раз издавалась на многих языках мира (обычно под названием «История свечи») и является одной из лучших научно-популярных книг. Вот что говорит Фарадей в начале лекции: «Рассмотрение физических явлений, происходящих при горении свечи, представляет собой самый широкий путь, которым можно подойти к изучению естествознания. Вот почему я надеюсь, что не разочарую вас, избрав своей темой свечу, а не что-нибудь поновее. Другая тема, возможно, была бы столь же хороша, но лучше свечи она быть не может» [308] .

Мы очень советуем тем читателям, которые еще не прочли книжку Фарадея «История свечи», обязательно это сделать. Вы получите большое удовольствие. Ни возраст, ни образование при этом значения не имеют.

Максвелл также был талантливым популяризатором науки. Он, как и Фарадей, нередко читал доклады по физике для широкой аудитории. Его научно-популярные книги, переведенные на многие языки, в том числе и на русский, пользовались широкой известностью. В их числе — «Теория теплоты», «Материя и движение», «Электричество в элементарном изложении». Максвелл написал несколько статей для «Британской энциклопедии».

Судьба эфира, к которому мы теперь возвращаемся, была окончательно решена опытом известного американского физика, почетного члена АН СССР Альберта Абрахама Майкельсона (1852–1931), показавшего независимость скорости света от движения Земли (в 1881 г.) и таким путем доказавшего постоянство скорости света во всех инерциальных системах координат.

Для того чтобы лучше разобраться в этом совсем не простом вопросе рассмотрим следующий мысленный опыт. Представим себе, что в пространстве, заполненном эфиром, выделен замкнутый объем, также заполненный эфиром. Что произойдет, когда замкнутый объем начнет двигаться? Если бы он был заполнен не эфиром, а воздухом, то все произошло бы, как в том трюме корабля, о котором говорил Галилей, — при равномерном и прямолинейном движении замкнутого объема все происходило бы так же, как будто бы замкнутый объем оставался неподвижным. Галилей объяснял это тем, что воздух и все другое, заполняющее замкнутый объем, движется (или покоится) вместе с ним.

Но в рассматриваемом нами мысленном опыте мы имеем дело не с воздухом, а с эфиром, и мы не можем заранее сказать, увлечет ли с собой начавший двигаться замкнутый объем заполняющий его эфир или же замкнутый объем не увлечет с собой заполняющий его эфир, а будет проходить через него, как решето через воду. Поэтому мы должны рассмотреть по крайней мере два предельных случая: замкнутый объем захватывает с собой эфир и, наоборот, замкнутый объем не захватывает с собой эфир, а свободно через него проходит.

Рассмотрим сначала первый случай: замкнутый объем захватывает с собой заполняющий его эфир. Тогда для наблюдателя А, находящегося в замкнутом объеме и движущегося вместе с ним, свет, возникающий от источника, также движущегося вместе с замкнутым объемом, будет казаться распространяющимся с равной скоростью во все стороны. Для наблюдателя же В, находящегося вне движущегося замкнутого объема, будет представляться, что свет имел бы большую скорость, если бы источник приближался к нему, и меньшую, если бы источник отдалялся от него. Но такой вывод противоречит опыту Майкельсона, согласно которому скорость света в вакууме (в эфире) неизменна во всех инерциальных системах отсчета.

Рассмотрим теперь второй случай: замкнутый объем не захватывает с собой заполняющий его эфир, существует «эфирное море», в которое погружено все существующее. Допустим также простоты ради, что источник света остается, как и внешний наблюдатель В, неподвижным в отношении эфирного моря. В этом случае внешнему наблюдателю В будет казаться, что свет распространяется во все стороны с равной скоростью. Наблюдателю же А, движущемуся внутри замкнутого объема и вместе с ним, будет представляться, что свет достигал бы его быстрее в случае, когда замкнутый объем движется в сторону источника, и, наоборот, медленнее, если движение замкнутого объема происходит от источника. Как видим, снова возникает противоречие с опытом Майкельсона.