Наука и удивительное (Как человек понимает природу) - Вайскопф Виктор. Страница 12

Рис. 17. Электрическое поле вокруг положительного заряда А. В пространстве вокруг А создается натяжение. На отрицательный заряд В действует сила, направленная к А.

Заряд А создает электрическое поле в пространстве вокруг себя. Когда в это поле помещают заряд В, он начинает испытывать действие поля как силу, толкающую его в направлении А. Точно так же поле заряда В толкает заряд А.

Подобные же поля создают магниты в окружающем их пространстве. Они называются магнитными полями. Это — «натяжение» в пространстве другого типа. Оно действует на любой кусок железа, находящийся в данном участке пространства; «натяжение» принимает характер силы, толкающей железо к магниту.

До сих пор понятие поля служило только для сложного способа описания сил взаимодействия зарядов или магнитов. Однако связь электрических и магнитных явлений показывает, что эти поля существуют и сами по себе. Возьмем, к примеру, индуцирование тока в проволоке путем движения магнита вблизи нее. При движении магнита его магнитное поле в том месте, где находится проволока, меняется со временем: с приближением магнита поле растет, с удалением — убывает. В результате этих изменений в проволоке индуцируется ток: они приводят заряды в движение. Следовательно, переменное магнитное поле делает то, что по предположению делает электрическое поле, — переменное магнитное поле создает электрическое поле.

Рассмотрим теперь создание магнитного поля электрическими силами. В данном случае магнитное поле создает ток. Ток — это движение зарядов, каждый из которых несет электрическое поле. Итак, мы видим, что движущееся электрическое поле создает магнитное поле, точно так же, как движущееся магнитное поле создает электрическое.

Электромагнитные волны

Связь между электрическим и магнитным полями занимала умы физиков в течение всей первой половины XIX века. Наибольший вклад в решение этой проблемы внес великий английский физик-теоретик Джемс Кларк Максвелл, который, кроме того, смог математически описать полученные результаты. Математические соотношения, связывающие оба поля, являются основой наших знаний об электрических явлениях; эти соотношения называются уравнениями Максвелла. Содержащаяся в них концепция явилась поворотным пунктом в нашем понимании природы и породила бесчисленные направления в физике и технике, среди которых мы упомянем здесь лишь радио, радиолокацию и телевидение.

Максвелл тщательно изучил связи между обоими полями и пришел к следующему интересному вопросу: если электрическое и магнитное поля существуют сами по себе, то не могут ли они существовать независимо от зарядов и магнитов? Конечно, статические (постоянные) поля могут существовать только близ зарядов и магнитов, но как же обстоит дело с переменными полями? То обстоятельство, что переменное поле создает поле другого рода, наводит на мысль о возможности самоподдерживающегося процесса. Изменяющееся электрическое поле создает магнитное; создаваясь, последнее увеличивается и поэтому само создает электрическое поле и т. д. Анализируя эти соотношения количественно, Максвелл показал, что данный процесс распространяется в пространстве, т. е. что переменное электрическое поле в одной точке создает магнитное по соседству с ней, которое в свою очередь вызывает электрическое еще немного дальше, и так снова и снова. Таким образом возникает колеблющееся электромагнитное поле, непрерывно расширяющееся в пространстве. Каким бы способом ни возникало переменное электрическое или магнитное поле — например, в результате колебаний зарядов или появления магнитов, — поле будет распространяться во всех направлениях. Скорость его распространения можно вычислить по данным о наблюденном токе, индуцированном движущимися магнитами, или по данным о магнитном поле, создаваемом токами. В результате эти вычисления показали, что скорость распространения электромагнитного поля равна 3·10⁸ м/сек, т. е. в точности равна скорости света.

Что такое свет?

Это был один из великих моментов. Тот день, когда Максвелл завершил свои расчеты, по праву считается одним из знаменательных дней в истории физики. Максвелл пользовался в своих вычислениях только измерениями электрических токов и магнитных полей, т. е. явлениями, которые, казалось бы, не имеют ничего общего со светом; однако он заключил из этих измерений, что колеблющееся электрическое поле распространяется в виде волн со скоростью, точно совпадающей со скоростью световых сигналов. Таким образом была открыта связь между двумя областями физики, которые казались совершенно несвязанными, между оптикой и электричеством.

От результатов Максвелла до заключения, что свет есть не что иное, как распространение электромагнитных волн, оставался лишь очень малый, но смелый шаг. После того, как он был сделан, множество разрозненных фактов стало на свое место. Например, нам сразу же становится ясно, почему нагретое до высокой температуры вещество испускает свет. Это вытекает из того, что вещество состоит из электрических зарядов. При высоких температурах заряженные частицы вещества, в частности электроны, совершают интенсивные и быстрые движения; в результате этого они создают быстро меняющиеся электрические поля, которые вызывают распространение полей в пространстве со скоростью света, т. е. испускается свет.

Если представление Максвелла об электромагнитной природе света верно, то должно быть возможным создание новых видов света. Любой электрический заряд или магнит, приведенный в колебание, породит поле, распространяющееся в пространстве, и будет служить источником света с частотой, равной частоте колебаний самого заряда или магнита.

Например, при пропускании по проволоке переменного электрического тока будут излучаться электромагнитные волны: их можно обнаружить на большом расстоянии, поместив на пути волн другую проволоку, в которой будут наблюдаться слабые наведенные токи. Этот опыт был впервые осуществлен в 1880 г. Герцем, который хотел проверить правильность идей Максвелла. Успех Герца открыл новую эру в технике. В настоящее время пространство полно таких радиоволн, испускаемых переменными токами в антеннах и отличающихся от световых волн только частотой, и длиной волны. Конечно, колебания, искусственно вызываемые в антеннах, происходят значительно медленнее колебаний электронов в накаленных проволочках ламп. Поэтому радиоволны имеют ту же природу, что и световые, но их частота гораздо меньше, или длина волны значительно больше (рис. 18).

Рис. 18. Спектр электромагнитных волн.

Теперь мы можем ответить на вопрос о природе световых волн: что же именно колеблется и что служит носителем? Колебания совершают напряженности электрического и магнитного полей, а носителем волны служит само пространство; это пространство находится в состоянии натяжения. Электрическое и магнитное натяжения распространяются в пространстве в виде световой волны, точно так же, как сгущения и разрежения распространяются в воздухе в виде звуковой волны. Электромагнитная волна носит двойственный характер. Электрические и магнитные натяжения распространяются вместе и тесно связаны друг с другом. Итак, свет имеет чисто электромагнитную природу. Световая волна — это волна электромагнитного поля, бегущая в пространстве и отделенная от испустивших ее зарядов.

Открытие Максвелла можно сравнить по важности с открытием закона тяготения Ньютоном. Ньютон связал движение планет с тяготением на Земле и открыл фундаментальные законы, управляющие механическим движением масс под действием сил. Максвелл связал оптику с электричеством и открыл фундаментальные законы (уравнения Максвелла), управляющие поведением электрических и магнитных полей и их взаимодействием с зарядами и магнитами. Труды Ньютона привели к введению понятия всеобщего поля тяготения, труды Максвелла — к введению понятия электромагнитного поля и к установлению законов его распространения.