От дальнодействия к близкодействию: теория электромагнитного поля.
Идея единства разных сил природы и ее эмпирическое подтверждение. В начале XIX в. начинают закладываться основы теории электричества и магнетизма. Большую роль здесь сыграло мировоззренческое представление о единстве сил природы. Начало здесь положил датский физик Х. К. Эрстед (1777-1851), получивший докторскую степень по философии. Его внимание привлекла идея немецкого натурфилософа Ф. Шеллинга о взаимовлиянии природных сил. В 1813 г. ученый поставил проблему - выяснить связь между «вольтаическим электричеством» и магнетизмом. Решение пришло в 1820г., когда обнаружилось, что электрический ток создает вокруг проводника магнитное поле, которое влияет на магнитную стрелку. В 1821 г. француз A. M. Ампер (1775-1836) установил, что два параллельных друг другу проводника с электрическим током ведут себя как два магнита: если токи идут в одном направлении, то проводники притягиваются, в случае противоположных направлений они отталкиваются. Английский физик М. Фарадей (1791-1867)поставил проблему обратной зависимости: может ли магнитное поле порождать ток в проводнике? В 1831 г. он установил, что в проводнике, находящемся в переменном магнитном поле, появляется ток. Так было открыто явление электромагнитной индукции.
Все эти эмпирические законы объединяла математическая теория немецкого физика В. Е. Вебера (1804-1891). Ее основу составила идея дальнодействующих сил, которые родственны ньютоновской гравитационной силе, не нуждающейся в промежуточной среде и действующей мгновенно. Авторитет Ньютона в физическом сообществе был таким высоким, что ученые слепо следовали его призыву «не измышлять гипотез» по поводу механизма действия сил. И все же здесь нашлись исключения, прежде всего, в лице Фарадея.
Работая переплетчиком в типографии, Фарадей самостоятельно изучил физику и это увлечение привело его в науку. Как верующий человек он был уверен во взаимосвязи электрических и магнитных явлений, так как «природа едина от Бога». Нетрадиционное мышление самоучки и талант экспериментирования сделали его ученым мирового уровня. Сложной математикой своего времени он не овладел и поэтому все силы отдавал опытам и осмыслению их результатов. Идея дальнодействия, господствовавшая на университетских кафедрах, не повлияла на сознание Фарадея. Тем более, что разнообразные эксперименты убеждали его в близкодействии электрических и магнитных сил. Особо в этом отношении выделялись факты движения проводников (железные опилки вблизи магнита, провода и контуры с током и т. п.)
Для электричества и магнетизма близкодействие универсально. Новаторское мышление Фарадея предвосхитило идейные сдвиги в физической картине природы. Ньютоновская идея дальнодействия сыграла положительную роль при формировании закона всемирного тяготения. В условиях отсутствия нужных фактов и должной математики она не дала ученым увлечься конструированием преждевременных умозрительных моделей тяготения. Но в первой половине XIX в. ситуация начала меняться. Физика стала восприимчивой к картезианским представлениям о движении различных материальных объектов, сред, выступающих носителями близкодействующих сил. В оптике ньютоновская концепция уступила место волновой теории света с моделью колебаний эфирной среды. В кинетической теории теплота предстала в виде движения атомов и молекул вещества. Механика сплошных сред также способствовала возрождению картезианских идей. Ученые с острой интуицией первыми почувствовали необходимость перемен. Так, немецкий исследователь К. Ф. Гаусс (1777-1855) и его ученик Б. Риман предположили, что электродинамические силы действуют не мгновенно, а с конечной скоростью, равной скорости света. Кроме того, к середине XIX в. сформировались математические методы в виде дифференциальных уравнений в частных производных. Этот аппарат стал необходимым для реализации идеи близкодействия. Многие уравнения гидродинамики и термодинамики оказывались пригодными для электродинамики. В 40–50-е гг. на повестку дня встала проблема создания электродинамики на базе принципа близкодействия и ее разрешил Максвелл.
Эмпирические законы Фарадея переводятся на язык математики. В качестве исходного материала Максвелл взял эмпирические обобщения Фарадея. Свою главную задачу он видел в том, чтобы придать им соответствующую математическую форму. Эта работа оказалась далеко неформальной, ибо перевод эмпирических образов на язык математики требовал особого творчества. Так, анализируя электромагнитную индукцию, Фарадей выдвинул идею «электротонического состояния», где изменение магнитного поля вызывает вихревое электрическое поле.
Поле и эфир. Из фарадеевского наследия Максвелл также взял принцип близкодействия и идею поля. Они дополняли друг друга, так как близкодействие должно происходить в материальной непрерывной среде, в этой среде как раз и действует поле. Правда, у Фарадея поле понималось неопределенно и среда рассматривалась как нечто подобное газовой среде. И не случайно Максвелл на первых порах строил модели электрического поля, помещая его в особую жидкоподобную среду, которая несжимаема, безынерционна и течет, испытывая сопротивление. Позднее в качестве среды у него закрепился эфир, который заполняет все пространство и пронизывает все весомые тела. Этим представлением широко пользовался Томсон, под чьим научным влиянием находился Максвелл. Отсюда поле у него стало областью эфира, непосредственно связанной с электрическими и магнитными явлениями: «...Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии».
Экстравагантность тока смещения. Идеи поля и эфира сыграли определяющую роль в понимании центрального элемента теории - гипотезы тока смещения. В опытах Фарадея наблюдались эффекты, удаленные на большом расстоянии от электричества, текущего по проводнику. Такого же объяснения требовал факт прохождения переменного тока через изолятор, разделяющий две пластины конденсатора. В признании нового вида электрического тока могли сыграть свою роль соображения симметрии - ток проводимости дополняется током смещения. Но как возможно движение последнего? И вот тут на сцену выступил эфир. Как и проводник, он является телом, обладающим лишь большой разреженностью и проницаемостью. Упругие свойства эфира позволяют переменному электрическому полю смещаться туда - сюда, т. е. колебаться. Это и есть ток смещения, имеющий форму волнового колебательного процесса и распространяющийся в эфире вне проводников. Так же, как и ток проводимости, он может порождать магнитное поле. Согласно закону индукции, переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле. Своей теорией Максвелл утвердил полное взаимодействие: любое переменное электрическое поле, основанное либо на токе проводимости, либо на токе смещения, порождает магнитное поле. Налицо симметрия взаимных влияний динамичных полей, которая составляет единую природу электромагнитного поля.
Свет как электромагнитное поле. Теория Максвелла помогла глубже понять сущность света. С древних времен существовала корпускулярная (лат. corpusculum - тельце) гипотеза, утверждавшая, что свет представляет собой поток прямолинейно движущихся, очень маленьких частиц. Согласно другому предположению, свет является волнами с весьма малой длиной. В начале XIX в. Е. Юнг и О. Френель представили убедительные аргументы в пользу волновой гипотезы. Измерения установили, что скорость света равна примерно 300000 км/с.
Электромагнитное поле - это не только свет. Согласно теории Максвелла, электромагнитные волны распространяются также со скоростью 300000 км/с. Совпадение скоростей и волновая теория света побудили ученого отнести свет к электромагнитным процессам. Теория света как последовательного чередования электрических и магнитных полей не только хорошо объясняла старые факты, но и предсказывала неизвестные явления. Кроме видимого света должно быть инфракрасное, ультрафиолетовое излучения и другие виды волн. Свет также должен оказывать определенное давление на вещество.
Опытное обнаружение электромагнитных волн. Теория Максвелла была опубликована в 1873 г. в «Трактате об электричестве и магнетизме». Почти все физики отнеслись к ней скептически, особое неприятие вызвала гипотеза тока смещения. В теориях Вебера и Гельмгольца таких экзотических идей не было. В данной ситуации требовалось свидетельство решающих экспериментов и оно состоялось. В 1887 г. немецкий физик Г. Герц (1857-1894) создал генератор электромагнитных волн и осуществил их прием. Тем самым был обнаружен таинственный «ток смещения», который открыл перспективу новой практики (радио, телевидение). В 1895 г. немецкий физик В.К. Рентген обнаружил новое излучение, названное рентгеновским и оказавшимся электромагнитными волнами с частотой более высокой, чем ультрафиолетовое излучение. В 1900 г. русский ученый П. Н. Лебедев (1866-1912) посредством очень тонких опытов открыл давление световых волн и измерил его величину. Вся эта научная практика однозначно указала на теорию Максвелла как на истинный образ природы.
Материя - это вещество и электромагнитное поле. В силу своей фундаментальности теория Максвелла существенно повлияла на научную картину природы. Рухнула длительная монополия идеи вещества, и через понятие электромагнитного поля стала формироваться идея физического поля как самостоятельного вида материи. Программа обнаружения единства природы получила замечательный результат - былое различие электричества и магнетизма уступило место единому электромагнитному процессу. Максвелл продемонстрировал высокую эвристическую силу математической гипотезы и дал образец синтеза математики с физикой. Новая электродинамика стала венцом классической физики.
Задания.
1. Какие тенденции были характерны для развития биологии с XVI по XIX в.?
2. Почему открытие Д. И. Менделеевым периодического закона оценивается как революция в химии?
3. Какие мировоззренческие выводы были сделаны из закона сохранения энергии?
4. За что махисты и энергетисты критиковали атомистику?
5. Можно ли с позиции лапласовского детерминизма признать статистическую закономерность?
6. Какие новые идеи принесла с собой электродинамика Максвелла?
Дата добавления: 2016-04-02; просмотров: 2177;