Синтез электродинамики (максвелл)

Отказавшись от принципа дальнодействия, Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) развил концепцию Фарадея, основанную на принципе близкодействия и конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий, итогом чего явилась созданная им теория электромагнитных явлений.

Основная заслуга Максвелла перед наукой заключается в том, что он перевел идеи Фарадея на математический язык, как в свое время Ньютон придал идеям Галилея математическую форму. Галилей и Ньютон заложили основы механической картины мира, Фарадей и Максвелл – электромагнитной.

Максвелл ввел термин «электромагнитное поле» и сформулировал математические законы, описывающие это поле. При этом Максвелл широко использовал метод аналогий между различными физическими явлениями. Облекая идею Фарадея о силовых линиях в аналогию между электрическим и магнитным полями и течением фиктивной, несжимаемой, безынерционной жидкости в пространстве, Максвелл получил математические соотношения электродинамики и пришел к основным положениям теории электромагнитного поля, в частности к своей главной гипотезе о токе смещения.

В своих физических воззрениях Максвелл был сторонником идеи эфира – особой невидимой, невесомой среды, которая заполняет все пространство, пронизывая все тела, - движением которой объясняются все электрические, магнитные и оптические явления. С этой средой Максвелл связывал некую выделенную неподвижную абсолютную систему отсчета, своего рода абсолютное пространство. Записывая свои уравнения электромагнитного поля, Максвелл считал, что он создает механику эфира, которая определяет свойства абсолютного пространства.

Таким образом, в конце XIX века Максвелл под влиянием идей Фарадея о существовании такой формы материи как поле установил связь между электрическими и магнитными явлениями, их взаимное превращение друг в друга, в результате чего произошел синтез таких разделов физики, как электричество и магнетизм, в единую теорию – электродинамику.

Система дифференциальных уравнений, полученных Максвеллом, представляет собой основу электродинамики и имеет в учении об электрических и магнитных явлениях такое же значение, как уравнения Ньютона в механике, т. к. описывает всю гамму электромагнитных явлений и позволяет предсказывать новые физические явления.

Из системы уравнений Максвелла следовало, что переменные электрические и магнитные поля могут существовать только в форме единого электромагнитного поля, которое распространяются в пространстве после возникновения с постоянной скоростью, равной скорости света в вакууме. Это натолкнуло Максвелла выдвинуть электромагнитную теорию света.

Факт совпадения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн лежит в основе электромагнитной теории света.

Кроме того, из теории Максвелла непосредственно вытекало, что электромагнитные волны являются поперечными. К тому времени поперечность световых волн уже была доказана экспериментально. Поэтому Максвелл обоснованно считал поперечность электромагнитных волн еще одним важным доказательством справедливости электромагнитной теории света.

С признанием электромагнитной теории света окончательно исчезла последняя из невесомых субстанций – упругий эфир, необходимый для объяснения распространения световых волн, которые в свое время рассматривались, как механические.

После возникновения теории Максвелла световые волны стали рассматриваться как электромагнитные. Однако инерция мышления физиков привела их к заключению необходимости существования особой среды, в которой возможно распространение электромагнитных волн по аналогии со звуковыми волнами, для распространения которых необходима среда – воздух. Такой средой стал эфир, обладающий уже не механическими, а электромагнитными свойствами, который заполнял все пространство как вне, так и внутри тел.

Это объяснялось тем, что уравнения электродинамики Максвелла были справедливыми в одной системе координат и несправедливыми в другой, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой. Таким образом, получалось, что уравнения Максвелла справедливы только в одной системе отсчета, связанной с некоей средой, заполняющей всю Вселенную. Вот эту среду и продолжали считать эфиром. Все различие с первоначальной трактовкой эфира заключалось в том, что если раньше под эфиром понимали особую упругую среду, которая была способна передавать световые колебания, то теперь эфиру стала отводиться роль абстракции, необходимой для фиксации тех систем отсчета, в которых справедливы уравнения Максвелла. Неинвариантность уравнений Максвелла относительно преобразований Галилея, привела к тому, что эфир стал отождествляться с абсолютным пространством, а система уравнений Максвелла описывать электромагнитные свойства этого пространства.

Неинвариантность уравнений электродинамики относительно преобразований Галилея является ключевым моментом в теории Максвелла. Этот факт положил начало современной физики, а уравнения Максвелла стали предтечей новых теорий неклассической физики.

Итогом созданной Максвеллом электродинамики явилась электромагнитная картина мира, в которой все явления природы и все свойства тел сводились к электромагнитным явлениям.

Теория Максвелла могла получить признание после экспериментального подтверждения и объяснения таких опытных фактов, которые другие теории не объясняли.

Решающий эксперимент, подтверждающий теорию Максвелла, был проведен Генрихом Герцем (1857-1894). В 1887 году Герц разработал удачную конструкцию генератора электромагнитных колебаний и метод обнаружения их способом резонанса, используя которые экспериментально показал, что в отношении электромагнитных действий ток смешения, индуцированный в диэлектрике, эквивалентен току проводимости. В 1888 году, используя ту же экспериментальную установку, состоящую из вибратора и резонатора, Герц доказал, что электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, существуют и распространяются в среде со скоростью света. Герц наблюдал также, что электромагнитные волны при своем распространении обнаруживают те же свойства, что и световые: отражение, преломление, интерференцию, поляризацию. По словам самого Герца, «описанные опыты доказывают идентичность света, тепловых лучей и электродинамического волнового движения».

Именно после того, как Герц установил существование электромагнитных волн и измерил их скорость, теория Максвелла и электромагнитная теория света получила первое экспериментальное подтверждение.

Опыты Лебедева по измерению светового давления явились вторым решающим экспериментом в подтверждении теории Максвелла и электромагнитной теории света.

Окончательную победу электромагнитная теория света и теория Максвелла получили после практического применения электромагнитных волн для связи. Впервые в истории передача и прием радиосигналов были продемонстрированы в 1896 году Александром Степановичем Поповым (1859-1905) на сконструированной им приемопередаточной установке. Поповым была передана на расстояние 250 м и принята первая в мире радиограмма, состоявшая из двух слов: «Генрих Герц». В 1897 году Попов проводил опыты по передаче сигнала уже на расстояние до 5 км, а в 1899 году была установлена радиосвязь на расстоянии 50 км.

В 1896 году спустя несколько месяцев после выхода в свет статьи Попова и после демонстрации им первой приемопередаточной установки, итальянец Маркони взял патент на аналогичное изобретение. Установка Маркони повторяла все основные черты аппарата Попова, который после этого факта выступил в печати и заявил о своем приоритете. Однако в 1909 году именно Маркони была присуждена Нобелевская премия за изобретение радио. В настоящее время приоритет Попова в изобретении радио доказан и признан научным сообществом.