Реальность поля

Количественное, математическая формулировка законов поля находим в так называемых уравнениях Максвелла. их простая форма скрывает глубину и богатое содержание, которые становятся понятными только при тщательном изучении. Формулировка этих уравнений является самым важным событием со времен Ньютона не только с точки зрения ценности их содержания, но и потому, что они являются образцом нового типа законов. Характерную черту уравнений Максвелла, оказывается и во всех других уравнениях современной физики, можно выразить одним предложением: уравнения Максвелла выражают законы структуры поля.

Уравнениям Максвелла приводят два важных шага. Первый шаг: в рассмотренных опытах Эрстеда круговые линии магнитного поля, замыкаются вокруг тока, должны сходиться в точке; в опыте Фарадея - круговые линии электрического поля, замыкаются вокруг переменного магнитного поля, тоже должны сходиться в точку. Взимание силовых линий электрических и магнитных полей в точку дает возможность выражать структуру поля дифференциальными уравнениями в частных производных.

Второй шаг заключается в трактовке поля как чего-то реального. Созданное один раз электромагнитное поле существует, действует и изменяется в соответствии с законами Максвелла. Уравнения Максвелла описывают структуру электромагнитного поля. Ареной действия этих законов является все пространство, а не одни только точки, в которых находятся вещество или заряды, как это справедливо для механических законов.

В механике, зная положение и скорость частиц в начальный момент времени, зная действующие силы, можно предвидеть всю траекторию, которую частица опишет в будущем. В теории Максвелла, если только мы знаем поле в какой-либо момент времени, мы можем вывести из уравнений, установленных этой теории, как будет меняться все поле в пространстве и во времени. Уравнения Максвелла позволяют нам следовать за историей поля так же, как уравнения механики позволяют следовать за историей материальных частиц.

С помощью законов Ньютона мы можем вычислить движение Земли, зная силу, действующую между Солнцем и Землей. Эти законы связывают движение Земли с действием удаленного Солнца. И Земля, и Солнце, хотя и далеки друг от друга, оба участвуют в игре сил.

В теории Максвелла форуме вещественных участников действия. Математические уравнения этой теории выражают законы, управляющие электромагнитным полем. Они не связывают, как это было в законах Ньютона, две широко разделены события, они не связывают произошедшее здесь с условиями там. Поле здесь и теперь зависит от поля непосредственно по соседству в момент, только что прошел. Уравнения позволяют нам предполагать, что произойдет чуть дальше в пространстве и немного позднее во времени, если мы знаем, что происходит здесь и сейчас. Они позволяют нам углублять наши знания о поле малыми шагами. Мы можем вывести то, что происходит здесь, из того, что происходит далеко, путем добавления этих очень малых шагов. В теории же Ньютона, наоборот, допустимы только большие шаги, связывающих отдаленные события. Поэтому электродинамике Максвелла следует считать первой последовательной теории ближнего действия, потому что она выводит из принципа ближнего действия другие количественные соотношения, отличные от тех, к которым приводит принцип дальнего действия. Соответственно, реальность поля можно доказать экспериментально. В основе лежит "четырехмерное" характер ближнего действия. Близкодействия здесь означает, что действие поля на материальную точку (точечный заряд) определяется не мгновенным размещением зарядов, а по состоянию поля в пространственной точке в тот момент, когда в ней находится этот заряд. Близкодействия означает также, что заряд передает свою энергию или импульс не другим зарядам, а полю. Согласно энергия и импульс является сущностями поля. Таким образом, в физике победила идея близкодействия, причем не в картезианских, а в совершенно иной форме. Картезианская близкодействия через абсолютно твердый стержень - это трехмерная близкодействия, что передается мгновенно, эквивалентная дальнодействия, если говорить о уравнения поля. Близкодействия в классической электродинамике - это четырехмерная близкодействия, неэквивалентная дальнодействия, потому что она связана с конечным скоростью распространения деформаций поля. Четырехмерное характер близкодействия непосредственно следует из уравнений Максвелла, из механизма электромагнитных колебаний, из содержания электромагнитной теории света. Здесь речь не идет о каком-либо непосредственную связь между удаленными точками, представление об электромагнитных волнах является чисто дифференциальным, возникновение электрического поля при изменении магнитного и возникновения магнитного при изменении электрического выражаются дифференциальными уравнениями, связывающих вихри полей, и распространяются от точки к точке. Но они - это следует из уравнений Максвелла - протекают и от мгновения до мгновения. Возникновение магнитного поля зависит от производной электрического поля по времени, то есть от скорости его изменения во времени. И наоборот, возникновение электрического поля зависит от изменения во времени магнитного поля.

Изучение уравнений Максвелла в математическом аспекте показывает, что из них можно сделать новые и по-настоящему неожиданным выводам, а всю теорию можно испытать на гораздо более высоком уровне, так как теоретические последствия теперь имеют количественный характер и обосновываются благодаря всей цепи логических аргументов. С помощью математического вывода из уравнений Максвелла мы можем установить характер поля, которое окружает заряд, испытывает колебательных движений, его структуру вблизи и вдали от источника и его изменение во времени. Результатом такого вывода является представление об электромагнитной волны. От колеблющегося заряда излучается энергия, которая распространяется в пространстве с определенной скоростью; но передачи энергии, изменение состояния является свойством всех волновых процессов. В случае электромагнитной волны распространяются изменения электромагнитного поля. Всякое изменение электрического поля создает магнитное поле; всякое изменение этого магнитного поля создает электрическое поле ... и так далее. Так как поле несет энергию, все эти изменения, распространяющиеся в пространстве с определенной скоростью, образуют волну. Электрические и магнитные силовые линии всегда лежат, как это следует из теории, в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Волна, образующийся есть, следовательно, поперечной. Электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве. Такой вывод этой теории. Если колеблющийся заряд перестает двигаться, то его поле становится электростатическим. Но серия волн, созданных колебанием заряда, продолжает распространяться. Волнам свойственно независимое существование, и историю их изменений можно проследить так же, как историю любого другого материального объекта. Опираясь на некоторые данные, полученные из простых опытов, которые не имеют ничего общего с настоящим распространением волн, теория Максвелла показывает, что скорость электромагнитных волн равна скорости света. Теоретическое открытие электромагнитной волны, которая распространяется со скоростью света, является одним из крупнейших достижений в истории науки и таит в зародыше радикальный отказ от механических концепций эфира.

Эксперимент подтвердил, что предсказывала теория. М. Герц впервые доказал существование электромагнитных волн и экспериментально подтвердил, что их скорость равна скорости света.

Поле и эфир

Старый механистический взгляд пытался свести все явления природы к силам, действующим между частицами вещества. В своих ранних работах Максвелл также развивал электромагнитную теорию с помощью наглядных механических моделей, интерпретируя различные электротехнические явления как напряжения, натяжения и вихри в упругой среде, то есть в некотором флюида, заполняющего все пространство, - одной из разновидностей знаменитого эфира. Он писал: "Я намерен теперь рассмотреть магнитные явления с механической точки зрения и исследовать, какие напряжения или движения среды способны вызвать явления, которые я наблюдаю".

Но одни только вихри существовать не могли, потому что сразу же возникал вопрос: каким образом эти вихри могут существовать, сталкиваясь друг с другом и одновременно вращаясь в одном направлении? Чтобы решить эту проблему, Максвелл ввел между вихрями своеобразные "шестерни холостого хода": "Вихри разделены слоем частиц так, что каждый вращается вокруг собственной оси в направлении, противоположном направлению вихрей, так что соприкасающиеся поверхности частиц и вихрей имеют одинаковое направление движения". Вероятно, это была одна из самых сложных моделей, когда-либо предложенных в науке. Однако позже Максвелл объяснил, что его теория фактически не зависит от какой-либо механической интерпретации. Как позже сказал Герц: "Главное в теории Максвелла - это уравнения Максвелла".

Первоначально понятие поля было не больше, как приемом, который облегчал понимание явлений с механической точки зрения. Поле рассматривали как нечто такое, что впоследствии можно будет истолковать механистически с помощью эфира. Позже стало понятно, что эту программу нельзя реализовать, что достижения теории поля стали уже слишком поразительными и важными, чтобы их можно было заменить механистическими догмами. Признание новых понятий постепенно утверждалось, пока субстанция не была оттеснена полем на задний план. Стало понятно, что в физике произошло нечто очень важное. Была создана новая реальность, новое понятие, для которого не было места в механистическом описании. Задача придумывание механической модели эфира становилось все менее и менее интересным, а результат из-за вынужденного и искусственный характер предположений все более и более странным.

Единственный выход - это предположить, что пространство имеет физическое свойство передавать электромагнитные волны, и не слишком переживать из-за содержание этого утверждения. Можно еще употреблять слово «эфир», но только для того, чтобы выразить упомянутую физическое свойство пространства. Слово "эфир" в процессе развития науки меняло свое содержание много раз. В данный момент оно уже не употребляется для обозначения среды, построенного из частиц.

Основные достижения естествознания XIX века

Исследования в области электромагнетизма определили целый ряд серьезных технических изобретений. Уже в первой половине XIX века был изобретен электрический телеграф. Электродвигатель Б.С. Якоби в 1839 г.. Уже двигал небольшое речное суденышко. На смену химическим источникам тока в 60-х годах пришли электрогенераторы. Широко применялся создан 3. Граму в 1869 генератор самовозбуждения. В 70-х годах появились электроосветитель: "свеча Яблочкова" (1876), лампа накаливания Т. Эди-сона (1879). Начиная с 80-х годов, генераторы и электродвигатели постоянного тока стали постепенно вытесняться генераторами и электродвигателями переменного тока. Исследования Г. Герца, А. С. Попова и Г. Маркони сообщили о рождении радио.

Одно из главных достижений естествознания XIX в. - Существенный прогресс в понимании электрических, магнитных и оптических явлений. Если в начале века они рассматривались порознь, то в конце века соединились в единый комплекс. Преобразование электричества на магнетизм, и наоборот - магнетизма на электричество - означало фактически объединение электричества и магнетизма; была создана единая теория электрических и магнитных явлений - теорию электромагнитного поля. Появилось качественно новое физическое понятие - поле; начала формироваться электромагнитная картина мира, которая должна была заменить старую механическую картину. Процесс интеграции физического знания не ограничился объединением электричества и магнетизма в рамках теории электромагнитного поля; было установлено электромагнитную природу света, что фактически означало включение оптики в электромагнетизм.

Один за другим стали сходить со сцены различные флюиды. Первым исчез световой флюид; уже в первой половине XIX в. теория "утечки" в оптике была вполне вытеснена волновой оптикой Т. Юнга (1773-1829) и А. Френеля (1788-1827). Сначала это были световые волны, которые распространялись в некотором эфире, что имеет механическую природу; к концу века их заменили электромагнитные волны. Исследования Ампера заставили отказаться от магнитных флюидов. Дольше всех сохранялись представления об электрических флюиды, но и они сошли со сцены в конце века в результате открытия электрона.


 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >