Теория электромагнитного поля

К середине XIX в. в тех отраслях физики, где изучались электрические и магнитные явления, был накоплен богатый эмпирический материал, сформулирован целый ряд важных закономерностей: закон Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока и др. Сложнее обстояло дело с теоретическими представлениями. Строившиеся физиками теоретические схемы основывались на представлениях о дальнодействии и корпускулярной природе электричества. Наиболее популярной стала теория В. Вебера, которая объединила электростатику и электромагнетизм того времени. Однако полного теоретического единства во взглядах физиков на электрические и магнитные явления не было. Так, резко отличалась от других воззрений полевая концепция Фарадея. Но на полевую концепцию смотрели как на заблуждение, ее замалчивали и остро не критиковали только потому, что слишком велики в развитии физики были заслуги Фарадея. В это время физики предпринимают попытки создания единой теории электрических и магнитных явлений. Одна из них оказалась успешной. Это была революционная по своему значению теория Максвелла.

Дж. К. Максвелл, в 1854 г. окончив Кембриджский университет, начал свои исследования электричества и магнетизма при подготовке к профессорскому званию. Взгляды Максвелла на электрические и магнитные явления формировались под влиянием работ М. Фарадея и В. Томсона.

Максвелл тонко почувствовал и понял характер основного противоречия, которое сложилось в середине XIX в. в физики электрических и магнитных процессов. С одной стороны, были установлены многочисленные законы различных электрических и магнитных явлений (которые не вызывали возражений и к тому же выражались через количественные величины), но они не имели целостного теоретического обоснования. С другой стороны, построенная Фарадеем полевая концепция электрических и магнитных явлений не была математически оформлена.

Максвелл и поставил перед собой задачу, основываясь на представлениях Фарадея, построить строгую математическую теорию, получить уравнения, из которых бы можно было вывести, например, законы Кулона, Ампера и др., т.е. перевести идеи и взгляды Фарадея на строгий математический язык. Будучи блестящим теоретиком и виртуозно владея математическим аппаратом, Дж. К. Максвелл справился с этой сложнейшей задачей — создал теорию электромагнитного поля, которая была изложена в работе «Динамическая теория электромагнитного поля», опубликованной в 1864 г.

Эта теория существенно изменила представления о картине электрических и магнитных явлений, объединив их в единое целое. Основные положения и выводы этой теории следующие.

• Электромагнитное поле реально и существует независимо от того, имеются или нет проводники и магнитные полюса, обнаруживающие его. Максвелл определял это поле следующим образом: «...электромагнитное поле - это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии» *.

* Максвелл Дж.К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М.. 1952. С.253.

• Изменение электрического поля ведет к появлению магнитного поля и наоборот.

• Векторы напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны. Это положение объясняло, почему электромагнитная волна исключительно поперечна.

• Передача энергии происходит с конечной скоростью. Таким образом обосновывался принцип близкодействия.

• Скорость передачи электромагнитных колебаний равна скорости света (с). Из этого следовала принципиальная тождественность электромагнитных и оптических явлений. Оказалось, что различия между ними только в частоте колебаний электромагнитного поля.

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в 1887 г. в опытах Г. Герца произвело большое впечатление на физиков. И с этого времени теория Максвелла получает признание подавляющего большинства ученых, но тем не менее долгое время она представлялась физикам лишь совокупностью математических уравнений, конкретный физический смысл которых был совершенно непонятным. Физики того времени говорили: «Теория Максвелла — это уравнения Максвелла»,

После создания теории Максвелла стало понятно, что существует только один эфир — носитель электрических, магнитных и оптических явлений, значит, судить о природе эфира можно на основе электромагнитных опытов. Но этим проблема эфира не была разрешена, а наоборот, еще больше усложнилась — надо было объяснять распространение электромагнитных волн и все электромагнитные явления. Сначала эту задачу пытались решить, в том числе и сам Дж.К. Максвелл, на пути поисков механистических моделей эфира.

Однако модель электромагнитного эфира, используемая Максвеллом, была несовершенна и противоречива (он и сам ее рассматривал как временную). Поэтому многие ученые пытались ее усовершенствовать. Предлагались различные модели эфира. Среди них были такие, которые основывались на представлениях об электромагнитном поле как о совокупности вихревых трубок, образуемых в эфире, и т.д. Появились работы, в которых эфир рассматривался даже не как среда, а как машина; строились модели с колесами и проч. В конце XIX в. существование эфира начали вообще подвергать сомнению. Теории, основанные на гипотезе эфира, были противоречивыми и бесплодными, и все больше ученых теряли уверенность в возможности конструктивного использования этого представления.

В конце концов, после множества безуспешных попыток построить механическую модель эфира, стало ясно, что эта задача не выполнима, а электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, распространяющуюся в пространстве, свойства которой не сводимы к свойствам механических процессов. Поэтому к концу XIX в. главное внимание с проблемы построения механистических моделей эфира было перенесено на вопрос о том, как распространить систему уравнений Максвелла, созданную для описания покоящихся систем, на случай движущихся тел (источников или приемников света). Иначе говоря, связаны ли между собой уравнения Максвелла для движущихся систем преобразованиями Галилея? Или, другими словами, инвариантны ли уравнения Максвелла относительно преобразований Галилея?

Великие открытия

Конец XIX в. в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий, которые привели к научной революции на рубеже XIX—XX вв.: открытие рентгеновских лучей, открытие электрона и установление зависимости его массы от скорости, открытие радиоактивности, фотоэффекта и его законов и др.

В 1895 г. В. Рентген обнаружил лучи, получившие впоследствии название рентгеновских. Это открытие заинтересовало физиков и вызвало широкую дискуссию о природе этих лучей. В течение короткого времени были выяснены необычные свойства этих лучей (способность проходить через светонепроницаемые тела, ионизировать газы и т.д.), но их природа оставалась неясной. Открытие рентгеновских лучей способствовало исследованиям электропроводности газов и изучению катодных лучей. Заинтересовавшись открытием Рентгена, английский физик Дж.Дж. Томсон (совместно с Э. Резерфордом) установил, что под действием облучения рентгеновскими лучами резко возрастает электрическая проводимость газа и это свойство сохраняется некоторое время после прекращения облучения. Анализ подвел к выводу, что проводниками электричества в газах являются заряженные частицы, образующиеся в результате действия рентгеновских лучей. Перед Томсоном встали вопросы: что это за частицы, каковы их заряд и масса. Поиски ответов на эти вопросы привели Томсона к открытию первой элементарной частицы — электрона и определению его заряда и массы.

Важнейшим достижением физики конца XIX в. было открытие радиоактивности. В 1896 г. Анри Беккерель, исследуя загадочное почернение фотографической пластинки, оставшейся в ящике письменного стола рядом с кристаллами сульфата урана, случайно открыл радиоактивность. Систематическое исследование радиоактивного излучения было предпринято Э. Резерфордом, он установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух типов, которые назвал альфа- и бета-частицами. Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы, как выяснилось, представляли собой быстро движущиеся ядра гелия, а бета-частицы оказались летящими с большой скоростью электронами.

Мария Склодовская-Кюри, исследуя новое явление, пришла к выводу, что в урановых рудах присутствуют вещества, также обладающие свойством излучения, названного ею радиоактивным. В результате упорного труда Марии и Пьеру Кюри удалось выделить из урановых руд новый элемент — радий, который обладает радиоактивностью гораздо большей, чем уран.

Изучение радиоактивных явлений поставило перед физиками, во-первых, вопрос о природе радиоактивного излучения и, во-вторых, задачу определения источника энергии, которую несут эти лучи. Уже вскоре после открытия Беккереля стало ясно, что радиоактивное излучение неоднородно и содержит три компонента, которые получили название α-, β- и γ-лучей. При этом оказалось, что α- и β-лучи являются потоками соответственно положительно и отрицательно заряженных частиц, а γ-лучи представляют собой электромагнитное излучение. Но что это за энергия, находящаяся внутри атома, которая освобождается при его распаде и выделяется вместе с излучением, было неясно, как и вообще «механизм» самого радиоактивного распада. Первые теории, разрабатывавшиеся для решения этого вопроса, были сугубо предварительными и неубедительными.

К великим открытиям второй половины XIX в. следует также отнести создание Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеевым, экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Герцем *, открытие явления фотоэффекта, тщательно проанализированное А.Г. Столетовым. В этом же ряду обнаружение того, что отношение заряда электрона к его массе не является постоянной величиной, а зависит от скорости электрона.

* Это открыло дорогу изобретению русским ученым А.С. Поповым радио и созданию радиотехники.

Открытие зависимости массы электрона от скорости и объяснение этого факта наличием электромагнитной массы вызвали вопрос, обладает ли вообще электрон массой в смысле классической механики. Как соотносятся между собой «обычная» масса и электромагнитная? Сама возможность ответа на этот вопрос была проблематичной, поскольку не был известен эксперимент, с помощью которого можно отделить обычную массу от электромагнитной. Возникла гипотеза, что электрон вообще имеет только электромагнитную массу, а обычной массой не обладает. Развитие этой гипотезы подводило к выводу, что вообще всякая масса (а значит материя) носит электромагнитную природу. Такой вывод о чисто электромагнитной природе массы революционным образом изменял взгляды физиков.