Страницы истории науки и техники - Кириллин Владимир Алексеевич - Страница 84

Искренне Ваш Джеймс Клерк Максвелл»[306].

Не правда ли, уважаемые читатели, какое удивительно интересное письмо? Сколько в нем идей. Глубоко смотрел Максвелл! Уже в 1857 г. он не отождествлял материю с массой.

Может быть, это будет несколько бесцеремонпо по отношению к читателям, но мы хотим привести еще одно письмо Фарадея, являющееся ответом на приведенное письмо Максвелла:

«Профессор Фарадей — проф. Максвеллу.

Альбермарл-стрит

Лондон, 13 ноября 1857

… Ваше письмо для меня — это первый обмен мнениями о проблеме с человеком Вашего образа мышления. Оно очень полезно для меня, и я буду снова и снова перечитывать его и размышлять над ним…

Есть одна вещь, о которой я хотел бы Вас спросить. Когда математик, занятый исследованием физических действий и их результатов, приходит к своим заключениям, не могут ли они быть выражены общепонятным языком так же полно, ясно и определенно, как и посредством математических формул?

Я думаю, что это так и должно быть, потому что я всегда обнаруживал, что Вы могли донести до меня абсолютно ясную идею Ваших выводов, которые даже без понимания шагов Вашего математического процесса дают мне результаты не выше и не ниже правды, причем настолько ясные в своей основе, что я могу над ними думать и с ними работать»[307].

Основной работой Максвелла, заключавшей в себе математическую теорию электромагнитного поля, был двухтомный «Трактат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 г. В нем Максвелл использовал введенное им же ранее (в 1861–1862 гг.) понятие тока смещения— величины, пропорциональной скорости изменения переменного магнитного поля в вакууме или диэлектрике. Понятие тока смещения понадобилось Максвеллу потому, что по его теории, впоследствии подтвержденной опытом, магнитное поле создается не только движением электрических зарядов (т, е. током проводимости или просто током), но и любым изменением во времени электрического поля. «Трактат об электричестве и магнетизме» представлял собой глубоко обоснованный капитальный труд, в котором, кроме самой главной его части — уравнений, отображающих законы электромагнитного ноля, были даны соответствующие методы измерения и описания измерительной аппаратуры, полный обзор существовавших к тому времени теорий электричества и магнетизма, подробные математические обоснования полученных уравнений электромагнитного поля — уравнений Максвелла, как их вскоре стали называть.

Здесь мы должны сделать маленькое замечание. Максвелл писал Фарадею, что, ему кажется, Фарадей ясно видит силовые линии. Возможно, читатель этой книги видит, какие трудности испытывает ее автор, стараясь по возможности просто объяснить сложные физические явления. Но иногда наступает предел, и тогда приходится вместо объяснения существа дела говорить о значении открытия, об оценке его крупными учеными.

Так обстоит дело с уравнениями Максвелла. Привести их здесь означало бы заняться очень сложными объяснениями, не отвечающими духу и цели этой книги. Ограничимся тем, что заметим следующее. Из первого уравнения Максвелла (а их всего четыре) следует, что электрическое поле образуется зарядами, а его силовые линии имеют начало и колец в зарядах. Второе уравнение показывает, что силовые линии магнитного поля всегда замкнуты на себя, а поле не имеет магнитных зарядов. Третье уравнение свидетельствует о том, что электрический ток и переменное электрическое поле («ток смещения») создают магнитное поле. И, наконец, четвертое уравнение представляет собой уравнение электромагнитной индукции, открытой Фарадеем; из него следует, что изменение магнитного поля приводит к возникновению электрического поля.

Из уравнений Максвелла следует, что электромагнитное возмущение в пространстве распространяется посредством электромагнитных волн, позднее (уже после смерти Максвелла) экспериментально обнаруженных Генрихом Герцем. Максвелл установил также, что распространение электромагнитной волны происходит со скоростью, равной скорости света, и что свет имеет электромагнитную природу, т. е. представляет собой электромагнитную волну определенной длины. Из теории Максвелла следовало также, что электромагнитные волны, в том числе и световые, производят давление. И этот вывод теории был подтвержден — русский физик П. Н. Лебедев открыл и измерил давление света (в 1899 г.).

По современным воззрениям, физическое поле представляет собой одно из фундаментальных понятий естествознания. Физическое поле есть не что иное, как особая форма существования материи.

Электромагнитное поле, открытие которого принадлежит М. Фарадею и Д. Максвеллу (хотя оба они предполагали существование мирового эфира), по современным взглядам, обладает, как и отдельные частицы и механические системы, энергией, количеством движения (импульсом), моментом количества движения. Поле может обмениваться с частицами и макроскопическими телами энергией, количеством движения и моментом количества движения. В этом случае законы сохранения этих величии действуют для всей замкнутой системы, состоящей из поля, частиц и макроскопических тел.

Как уже говорилось, электромагнитное поле может с конечной скоростью распространяться в пространстве. Это явление именуется электромагнитными волнами. Свет (видимый) представляет собой электромагнитные волны длиной приблизительно 0,1–1 мкм. По длине волны γ различают следующие электромагнитные волны (рис. 41):

γ-километры — 5·10^-3 см — радиоволны;

γ = 5·10^-2 — 10^-7 см — световые волны, в том числе

γ = 5·10^-2 — 8·10^-5 см — инфракрасные,

γ = 8·10^-5 — 4·10^-5 см — видимый свет,

γ = 4·10^-5 — 10^-7 см — ультрафиолетовое излучение,

γ = 2·10^-7 — 6·10^-10 см — рентгеновское излучение;

γ = 2·10^-8 — 5·10^-12 см — гамма-излучение.

В середине XX в. было открыто еще одно интересное свойство электромагнитного поля. Оказалось, что поле способно превращаться в «обычное» вещество с образованием электронных пар или с образованием протонных, мезонных и некоторых других пар. Было открыто также обратное явление — превращение вещества в поле, происходящее в результате аннигиляции (от лат. annihilatio — уничтожение, исчезновение) пары частиц (например, электрон — позитрон); аннигиляция происходит при столкновении частиц. Процесс, обратный аннигиляции, — рождение пар.

Рис. 41. Электромагнитный спектр.

В свете всего сказанного об электромагнитном поле может возникнуть вопрос: остается ли необходимость во введении понятия эфира, какие функции можно было 61.1 ему приписать? Признавая уместность этого вопроса, мы обратимся к нему немного позднее.

Мы рассказали кратко о выдающихся ученых Фарадее и Максвелле, о их великом открытии электромагнитного поля. Многие ученые считают, что введение в науку понятия электромагнитного поля и математическое определение законов поля, данное в уравнениях Максвелла, является самым крупным событием в физике со времен Ньютона. Но все-таки в характеристике Фарадея и Максвелла был бы допущен большой пробел, если бы мы не коснулись еще одной стороны дела, а именно: Фарадей и Максвелл были блестящими популяризаторами науки и очень любили этот род деятельности.

Фарадей регулярно выступал с популярными лекциями но разным вопросам естествознания в большом лекционном зале Королевского института, а нужные для демонстрации опыты готовились самым тщательным образом. Всего Фарадей прочитал девятнадцать циклов лекций, и, может быть, текст ни одной из них не дошел бы до нас (Фарадей не делал каких-либо записей), если бы не одно счастливое обстоятельство. Один из слушателей, Вильям Крукс, в то время молодой человек, а в дальнейшем известный физик и химик (до сих пор сохранилось название трубок Крукса, в которых проводится исследование электрических разрядов в газах и катодных лучей), президент Лондонского королевского общества, дословно записал по крайней мере два цикла лекций Фарадея: «О различных силах в природе» и «Химическая история свечи». Особый успех имела вторая. Она много раз издавалась на многих языках мира (обычно под названием «История свечи») и является одной из лучших научно-популярных книг. Вот что говорит Фарадей в начале лекции: «Рассмотрение физических явлений, происходящих при горении свечи, представляет собой самый широкий путь, которым можно подойти к изучению естествознания. Вот почему я надеюсь, что не разочарую вас, избрав своей темой свечу, а не что-нибудь поновее. Другая тема, возможно, была бы столь же хороша, но лучше свечи она быть не может»[308].