Трактат об электричестве и магнетизме. Том 2.
Шрифт:
Как раз это и наблюдается в диамагнитной среде, на которую действует магнитная сила в направлении z. Из двух циркулярно поляризованных лучей с данным периодом ускоряется тот, у которого направление вращения в плоскости (x,y) положительно. Следовательно, из двух левосторонних циркулярно поляризованных лучей, имеющих одинаковую длину волны в среде, более короткий период имеет тот луч, у которого направление вращения в плоскости xy положительно, т.е. луч, который распространяется в положительном направлении z от юга к северу. Таким образом, мы должны учитывать тот факт, что, когда в уравнениях системы заданы q и r, уравнениям будут удовлетворять, два значения n, одно положительное, другое отрицательное, причём положительное значение больше по абсолютной величине, чем отрицательное.
818. Мы можем получить уравнения движения из рассмотрения потенциальной и кинетической энергий среды. Потенциальная энергия системы V зависит от конфигурации среды, т.е. от относительного положения её частей. В том случае, когда она зависит от возмущения, обусловленного циркулярно поляризованным светом, она должна быть функцией только амплитуды r и коэффициента кручения q. Она может быть различной для отрицательных и положительных значений q, равных по абсолютной величине, и, вероятно, так оно и есть в случае сред, которые сами по себе вращают плоскость поляризации.
Кинетическая энергия системы T является однородной функцией вторых степеней скоростей системы, причём коэффициенты перед различными членами являются функциями координат.
819. Рассмотрим динамическое условие того, что луч может иметь постоянную интенсивность, т.е. величина r может оставаться постоянной.
Уравнение Лагранжа для силы по координате r становится таким:
d
dt
dT
dr
–
dT
dr
+
dV
dr
=
0.
(5)
Поскольку величина r постоянна, первый член исчезает. Мы, следовательно, имеем уравнение
–
dT
dr
+
dV
dr
=
0.
(6)
в котором величина q предполагается заданной, и нам следует определить значение угловой скорости которое мы можем обозначить через её фактическое значение n.
Один член в кинетической энергии T содержит n^2, другие члены могут содержать произведения величины n на другие скорости, а остальные члены не зависят от n. Потенциальная энергия V вообще не зависит от n. Уравнение (6), следовательно, имеет вид
An^2
+
Bn
+
C
=
0.
(7)
Будучи квадратным, это уравнение даёт два значения n. Из эксперимента следует, что оба значения являются действительными, одно из них положительно, а другое отрицательно, причём положительное значение по абсолютной величине больше отрицательного. Следовательно, если A положительно, то B и C отрицательны, поскольку если n и n являются корнями уравнения, то
A(n+n)
+
B
=
0.
(8)
Коэффициент B, таким образом, отличен от нуля, по крайней мере тогда, когда на среду действует магнитная сила. Поэтому мы должны рассмотреть выражение Bn, являющееся той частью кинетической энергии, которая содержит первую степень n - угловую скорость возмущения.
820. Каждый член в T является членом второго порядка относительно скорости. Следовательно, член, содержащий n, должен включать в себя ещё какую-то скорость. Этой скоростью не может быть r или q поскольку в рассматриваемом нами случае r и q постоянны. Следовательно, это есть скорость, существующая в среде независимо от того движения, которое составляет свет. Она также должна быть скоростью по отношению к n в том смысле, чтобы при её умножении на n получалась скалярная величина, поскольку только скалярные величины могут входить в T, значение Которого само по себе является скаляром. Следовательно, эта скорость должна иметь то же направление, что и n, или противоположное направление, т.е. она должна быть угловой скоростью относительно оси z.
Опять-таки, эта скорость не может быть независимой от магнитной силы, ибо если бы она была отнесена к фиксированному относительно среды направлению, то поворот среды на 180° изменил бы явление, а это не имеет места.
Мы приходим, таким образом, к заключению, что эта скорость неизменяемо сопутствует магнитной силе в тех средах, которые обнаруживают магнитное вращение плоскости поляризации.
821. До сих пор мы были вынуждены пользоваться языком, который, возможно, содержал слишком много намёков на обычную гипотезу движения в волновой теории. Легко, однако, сформулировать наш результат в свободной от этой гипотезы форме.
Что бы ни представлял собой свет, в каждой точке пространства что-то происходит - либо смещение, либо вращение, или нечто такое, что даже не поддаётся воображению, но что несомненно по своей природе является вектором, т.е. направленной величиной, ориентированной нормально к направлению луча. Это полностью доказано явлениями интерференции.
В случае циркулярно поляризованного света величина этого вектора остаётся всегда одной и той же, а его направление вращается вокруг направления луча, совершая один оборот за период волны. Существующая неопределённость относительно того, лежит ли этот вектор в плоскости поляризации или перпендикулярен к ней, не распространяется на наше представление о направлении его вращения в правостороннем и левостороннем циркулярно поляризованном свете соответственно. Направление вращения и угловая скорость этого вектора точно известны, хотя физическая природа вектора и его абсолютное направление в данный момент не определены.
Когда луч циркулярно поляризованного света падает на среду, находящуюся под действием магнитной силы, на его распространение в среде влияет отношение направления вращения света к направлению магнитной силы. Из этого мы заключаем (в соответствии с аргументацией п. 817), что в среде под действием магнитной силы происходит некоторое вращательное движение, ось которого лежит в направлении магнитных сил, и что скорость распространения циркулярно поляризованного света при совпадении направлений его колебательного вращения с магнитным вращением среды отлична от скорости распространения, когда эти направления противоположны.
Единственное сходство, которое мы можем проследить между средой, через которую распространяется циркулярно поляризованный свет, и средой, через которую проходят линии магнитной силы, состоит в том, что в обоих случаях имеется вращательное движение вокруг оси. Но здесь сходство кончается: вращение в оптическом явлении есть вращение вектора, представляющего собой некоторое возмущение. Этот вектор всегда перпендикулярен направлению луча и поворачивается вокруг него известное число раз в секунду. В магнитном явлении то, что вращается, не обладает свойствами, по которым можно различить его стороны; так что мы не можем определить, сколько поворотов совершается в секунду.
Следовательно, в магнитном явлении нет ничего, что соответствует длине волны и распространению волны в оптическом явлении. Среда, в которой действует постоянное магнитное поле, не заполнена благодаря наличию силы волнами, распространяющимися в одном направлении, как в случае, когда через эту среду распространяется свет. Единственное сходство между оптическим и магнитным явлениями состоит в том, что в каждой точке среды существует нечто такое, что имеет природу угловой скорости относительно оси, направленной вдоль магнитной силы.