Концепції сучасного природознавства - Карпов Я. С. - 2.11 Основні досягнення природознавства XIX століття

Кількісне, математичне формулювання законів поля знаходимо в так званих рівняннях Максвелла. їх проста форма приховує глибину й багатий зміст, які стають зрозумілими тільки при ретельному вивченні. Формулювання цих рівнянь є найважливішою подією з часів Ньютона не тільки з погляду цінності їхнього змісту, але й тому, що вони є зразком нового типу законів. Характерну рису рівнянь Максвелла, що виявляється й у всіх інших рівняннях сучасної фізики, можна висловити одним реченням: рівняння Максвелла виражають закони структури поля.

До рівнянь Максвелла приводять два істотних кроки. Перший крок: у розглянутих дослідах Ерстеда колові лінії магнітного поля, що замикаються навколо струму, повинні сходитися в точці; у досвіді Фарадея — колові лінії електричного поля, що замикаються навколо змінного магнітного поля, теж повинні сходитися в точку. Стягування силових ліній електричних і магнітних полів у точку дає можливість виражати структуру поля диференціальними рівняннями в частинних похідних.

Другий крок полягає в трактуванні поля як чогось реального. Створене один раз електромагнітне поле існує, діє і змінюється відповідно до законів Максвелла. Рівняння Максвелла описують структуру електромагнітного поля. Ареною дії цих законів є весь простір, а не одні тільки точки, в яких знаходяться речовина або заряди, як це справедливо для механічних законів.

У механіці, знаючи положення й швидкість частинок у початковий момент часу, знаючи діючі сили, можна передбачати всю траєкторію, яку частинка опише в майбутньому. У теорії Максвелла, якщо тільки ми знаємо поле в який-небудь момент часу, ми можемо вивести з рівнянь, установлених цією теорією, як буде змінюватися все поле в просторі і в часі. Рівняння Максвелла дозволяють нам прямувати за історією поля так само, як-рівняння механіки дозволяють прямувати за історією матеріальних частинок.

За допомогою законів Ньютона ми можемо обчислити рух Землі, знаючи силу, що діє між Сонцем і Землею. Ці закони пов'язують рух Землі з дією віддаленого Сонця. І Земля, і Сонце, хоч і віддалені одне від одного, обоє беруть участь у грі сил.

У теорії Максвелла немає речовинних учасників дії. Математичні рівняння цієї теорії виражають закони, що керують електромагнітним полем. Вони не пов'язують, як це було в законах Ньютона, дві широко розділені події, вони не пов'язують подію тут з умовами там. Поле тут і тепер залежить від поля безпосередньо по сусідству в момент, що тільки що минув. Рівняння дозволяють нам передбачати, що відбудеться трохи далі в просторі й трохи пізніше в часі, якщо ми знаємо, що відбувається тут і тепер. Вони дозволяють нам поглиблювати наші знання про поле малими кроками. Ми можемо вивести те, що відбувається тут, з того, що відбувається далеко, шляхом додавання цих дуже малих кроків. У теорії ж Ньютона, навпаки, припустимі тільки великі кроки, що пов'язують віддалені події. Тому електродинаміку Максвелла слід вважати першою послідовною теорією близької дії, тому що вона виводить із принципу близької дії інші кількісні співвідношення, відмінні від тих, до яких приводить принцип дальньої дії. Відповідно, реальність поля можна довести експериментально. В основі лежить "чотиривимірний" характер близької дії. Близькодія тут означає, що дія поля на матеріальну точку (точковий заряд) визначається не миттєвим розміщенням зарядів, а станом поля в просторовій точці в той момент, коли в ній знаходиться цей заряд. Близькодія означає також, що заряд передає свою енергію або імпульс не іншим зарядам, а полю. Відповідно енергія й імпульс є предикатами поля. Таким чином, у фізиці перемогла ідея близькодії, причому не в картезіанській, а в зовсім іншій формі. Картезіанська близькодія через абсолютно твердий стрижень — це тривимірна близькодія, що передається миттєво, еквівалентна дальнодії, якщо говорити про рівняння поля. Близькодія в класичній електродинаміці — це чотиривимірна близькодія, нееквівалентна дальнодії, тому що вона пов'язана зі скінченною швидкістю поширення деформацій поля. Чотиривимірний характер близькодії безпосередньо випливає з рівнянь Максвелла, з механізму електромагнітних коливань, зі змісту електромагнітної теорії світла. Тут не йдеться про який-небудь безпосередній зв'язок між віддаленими точками, уявлення про електромагнітні хвилі є чисто диференціальним, виникнення електричного поля при зміні магнітного й виникнення магнітного при зміні електричного виражаються диференціальними рівняннями, що пов'язують вихори полів, і поширюються від точки до точки. Але вони — це випливає з рівнянь Максвелла — протікають і від миттєвості до миттєвості. Виникнення магнітного поля залежить від похідної електричного поля за часом, тобто від швидкості його зміни в часі. І навпаки, виникнення електричного поля залежить від зміни в часі магнітного поля.

Вивчення рівнянь Максвелла в математичному аспекті показує, що з них можна зробити нові й по-справжньому несподівані висновки, а всю теорію можна випробувати на набагато більш високому рівні, тому що теоретичні наслідки тепер мають кількісний характер і обґрунтовуються завдяки всьому ланцюгу логічних аргументів. За допомогою математичного висновку з рівнянь Максвелла ми можемо встановити характер поля, яке оточує заряд, що зазнає коливальних рухів, його структуру поблизу й удалині від джерела і його зміну в часі. Результатом такого висновку є уявлення про електромагнітну хвилю. Від коливного заряду випромінюється енергія, що поширюється в просторі з певною швидкістю; але передавання енергії, зміна стану є властивістю всіх хвильових процесів. У випадку електромагнітної хвилі поширюються зміни електромагнітного поля. Усяка зміна електричного поля створює магнітне поле; усяка зміна цього магнітного поля створює електричне поле... і так далі. Так як поле несе енергію, усі ці зміни, що поширюються в просторі з певною швидкістю, утворюють хвилю. Електричні й магнітні силові лінії завжди лежать, як це випливає з теорії, у площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі. Хвиля, що утворюється, є, отже, поперечною. Електромагнітна хвиля поширюється в порожньому просторі. Такий висновок цієї теорії. Якщо коливний заряд перестає рухатися, то його поле стає електростатичним. Але серія хвиль, створених коливанням заряду, продовжує поширюватися. Хвилям властиве незалежне існування, і історію їх змін можна простежити так само, як історію будь-якого іншого матеріального об'єкта. Спираючись на деякі дані, отримані з простих дослідів, які не мають нічого спільного із справжнім поширенням хвиль, теорія Максвелла показує, що швидкість електромагнітних хвиль дорівнює швидкості світла. Теоретичне відкриття електромагнітної хвилі, яка поширюється зі швидкістю світла, є одним з найбільших досягнень в історії науки й таїть у зародку радикальну відмову від механічних концепцій ефіру.

Експеримент підтвердив те, що передбачала теорія. М. Герц уперше довів існування електромагнітних хвиль й експериментально підтвердив, що їх швидкість дорівнює швидкості світла.

2.10.4.4 Поле та ефір

Старий механістичний погляд намагався звести всі явища природи до сил, що діють між частинками речовини. У своїх ранніх роботах Максвелл також розвивав електромагнітну теорію за допомогою наочних механічних моделей, інтерпретуючи різні електротехнічні явища як напруги, натяги й вихори в пружному середовищі, тобто в деякому флюїді, що заповнює весь простір, — одному з різновидів знаменитого ефіру. Він писав: "Я маю намір тепер розглянути магнітні явища з механічної точки зору й досліджувати, які напруги чи рухи середовища здатні викликати явища, які я спостерігаю".

Але одні тільки вихори існувати не могли, тому що відразу ж виникало запитання: яким чином ці вихори можуть існувати, стикаючись один з одним й одночасно обертаючись в одному напрямку? Щоб вирішити цю проблему, Максвелл увів між вихорами своєрідні "шестірні холостого ходу": "Вихори розділені шаром частинок так, що кожна обертається навколо власної осі в напрямку, протилежному напрямку вихорів, так що дотичні поверхні частинок і вихорів мають однаковий напрямок руху". Імовірно, це була одна з найбільш складних моделей, коли-небудь запропонованих у науці. Однак пізніше Максвелл пояснив, що його теорія фактично не залежить від якої-небудь механічної інтерпретації. Як пізніше сказав Герц: "Головне в теорії Максвелла — це рівняння Максвелла".

Спочатку поняття поля було не більш, як прийомом, який полегшував розуміння явищ з механічної точки зору. Поле розглядали як щось таке, що згодом можна буде витлумачити механістично за допомогою ефіру. Пізніше стало зрозуміло, що цю програму не можна зреалізувати, що досягнення теорії поля стали вже занадто разючими й важливими, щоб їх можна було замінити механістичними догмами. Визнання нових понять поступово утверджувалося, поки субстанція не була відтіснена полем на задній план. Стало зрозуміло, що у фізиці відбулося щось дуже важливе. Було створено нову реальність, нове поняття, для якого не було місця в механістичному описі. Завдання придумування механічної моделі ефіру ставало все менш і менш цікавим, а результат через вимушений і штучний характер припущень усе більш і більш дивним.

Єдиний вихід — це припустити, що простір має фізичну властивість передавати електромагнітні хвилі, і не занадто перейматися через зміст цього твердження. Можна ще вживати слово "ефір", але тільки для того, щоб виразити згадану фізичну властивість простору. Слово "ефір" у процесі розвитку науки змінювало свій зміст багато разів. У даний момент воно вже не вживається для позначення середовища, побудованого з частинок.

2.11 Основні досягнення природознавства XIX століття

Дослідження в галузі електромагнетизму визначили цілий ряд серйозних технічних винаходів. Уже в першій половині XIX століття було винайдено електричний телеграф. Електродвигун Б.С. Якобі в 1839 р. вже рухав невелике річкове суденце. На зміну хімічним джерелам струму в 60-х роках прийшли електрогенератори. Широко застосовувався створений 3. Грамом у 1869 р. генератор самозбудження. У 70-х роках з'явилися електроосвітлювачі: "свічка Яблочкова" (1876), лампа розжарювання Т. Еді-сона (1879). Починаючи з 80-х років, генератори й електродвигуни постійного струму стали поступово витіснятися генераторами й електродвигунами змінного струму. Дослідження Г. Герца, А. С. Попова і Г. Марконі сповістили про народження радіо.

Одне з головних досягнень природознавства XIX ст. — істотний прогрес у розумінні електричних, магнітних та оптичних явищ. Якщо на початку століття вони розглядалися порізно, то наприкінці століття поєдналися в єдиний комплекс. Перетворення електрики на магнетизм, і навпаки — магнетизму на електрику — означало фактично об'єднання електрики й магнетизму; було створено єдину теорію електричних і магнітних явищ — теорію електромагнітного поля. З'явилося якісно нове фізичне поняття — поле; почала формуватися електромагнітна картина світу, яка повинна була замінити стару механічну картину. Процес інтеграції фізичного знання не обмежився об'єднанням електрики й магнетизму в рамках теорії електромагнітного поля; було встановлено електромагнітну природу світла, що фактично означало включення оптики в електромагнетизм.

Один за одним почали сходити зі сцени різні флюїди. Першим зник світловий флюїд; уже в першій половині XIX ст. теорія "витікання" в оптиці була цілком витіснена хвильовою оптикою Т. Юнга (1773-1829) та О. Френеля (1788-1827). Спочатку це були світлові хвилі, які поширювалися в деякому ефірі, що має механічну природу; до кінця століття їх замінили електромагнітні хвилі. Дослідження Ампера змусили відмовитися від магнітних флюїдів. Довше від усіх інших зберігалися уявлення про електричні флюїди, але й вони зійшли зі сцени наприкінці століття в результаті відкриття електрона.