Поля и волны

Вначале Фарадей, а затем Максвелл ввели одно из важнейший понятий классической науки – понятие поля.

Стало ясно, что материя может существовать не только в виде вещества, состоящего из частиц, но и в виде поля.

Передаются взаимодействия с помощью волн. Волну можно определить как передачу энергии без передачи вещества. Волны бывают продольными (звук) и поперечными (электромагнитные). Наука о распространении звука называется акустикой. Звук хорошо передается в воздухе, жидкости и в твердом веществе (кристалле), но не распространяется в вакууме. Скорость звука в воздухе составляет примерно 340 м/сек.

Вернемся к понятию поля. Максвелл ввел два вида поля – гравитационное, описываемое законом Всемирного тяготения, и электромагнитное, описываемое уравнениями Максвелла.

В ХХ веке появилось еще два вида полей (взаимодействий) – сильное и слабое. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами, к ним относятся, в частности, протоны, нейтроны и мезоны. Одно из проявлений сильного взаимодействия – ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны в атомных ядрах. Сильные взаимодействия имеют очень малый радиус действия, равный размеру атомного ядра, и на этих расстояниях превосходят все другие типы взаимодействий. В слабых взаимодействиях участвуют элементарные частицы – электроны, позитроны, мюоны и нейтрино. Наиболее распространенный процесс, обусловленный слабым взаимодействием – бета – распад радиоактивных атомных ядер (подробнее обо всех этих частицах см. в разделе Микромир).

По интенсивности эти поля располагаются так: самое интенсивное – сильное поле, затем – электромагнитное (оно примерно в 1000 раз менее интенсивно), затем слабое и наконец гравитационное. Но природа едина, и поэтому лучшие умы ХХ века – А. Эйнштейн, наши выдающиеся соотечественники Л.Д. Ландау, П.Л. Капица, А.Ф. Иоффе, И.Е. Тамм – пытались создать единую теорию поля. Пока что эти попытки не увенчались успехом, и на сегодняшний день (начало ХХI века) единая теория поля еще не создана.

Рис. 5. Спектр электромагнитных излучений.

Рассмотрим несколько подробнее электромагнитное поле. Предсказанные Максвеллом электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света (3(108 м/сек), имеют различную длину и образуют электромагнитный спектр (рис 5). Самые коротковолновые – это гамма- и рентгеновские лучи, затем с возрастанием длины волны следуют ультрафиолетовое, видимое инфракрасное и микроволновое излучение и, наконец, радиоволны. Впервые экспериментальное доказательство существования электромагнитных волн было осуществлено немецким физиком Генрихом Герцем (1857-1894). Подводя в «Трактате по электричеству и магнетизму» итоги своих многолетних исследований по теории электричества и магнетизма, Максвелл констатирует, что «внутренние взаимосвязи различных отраслей подлежащей нашему изучению науки значительно более многочисленны и сложны, чем любой до сих пор разработанной научной дисциплины», в том числе, очевидно, и механики. Более того, Максвелл пишет, что законы науки об электричестве, «по-видимому, указывают на особую ее важность как науки, помогающей объяснить природу». Значит, наряду с механикой теория электромагнетизма, по Максвеллу, является фундаментальной наукой, «помогающей объяснить природу». Со времени гениальных открытий Фарадея широко продвинулось дело технических приложений электричества. К моменту создания «Трактата» получил широкое распространение электромагнитный телеграф, появились линии дальней связи: трансатлантический кабель, связавший Европу и Америку, индоевропейский телеграф, связавший Лондон и Калькутту, линия связи Европы с Южной Америкой. Появились и первые генераторы электрического тока, а также электродвигатели, начиная с двигателя русского академика Бориса Семеновича Якоби (1834). Наступала эпоха электротехники. Но Максвелл имел в виду не только и не столько быстрый прогресс электротехники. Электромагнитные процессы все глубже проникали в науку: в физику и химию. Наступала эпоха электромагнитной картины мира, сменившей механическую. Максвелл ясно почувствовал, что новая концепция поля означает поднятие понимания электромагнитных явлений на новый высший уровень, и в этом он, безусловно, был прав.

Потребовались новые результаты, чтобы теория Максвелла стала достоянием физики. Решающую роль в этом сыграл немецкий физик Генрих Герц.

Первое практическое применение электромагнитных волн для связи было осуществлено в 1896 г. русским ученым Александром Степановичем Поповым (1869-1906). Однако изобретателем радиосвязи в мировой науке считают итальянца Г. Маркони: с незапамятных времен (с пренебрежением к русским ученым боролся еще М.В. Ломоносов) на достижения российской науки закрывают глаза, их просто игнорируют, примеры этого еще не раз будут продемонстрированы в нашем курсе.

В какой среде распространяются электромагнитные волны? Дж. Максвелл выдвинул идею существования неподвижного плотного эфира, заполняющего пространство. Система отсчета, связанная с неподвижным эфиром, отождествлялась с абсолютным пространством. Впоследствии Александр Майкельсон (1852-1931) своим блестящим опытом опроверг существование эфира.

Электромагнитное поле может проявляться в разных формах:

1) электрический ток;

2) различные виды излучения, о которых было сказано выше;

3) тепловое (инфракрасное) излучение;

4) химические связи между атомами в молекулах;

5) нервные импульсы в живых организмах (специфические слабые электрические токи, источником которых является головной мозг). Последнее слабое электромагнитное поле называется биополем. Проблема биополя в настоящее время вызывает острейшие дискуссии (гипноз, эктрасенсы и прочее).

Таким образом, к концу ХIХ века наука об электромагнетизме (электромагнитная картина мира) была закончена как экспериментально (труды А. Ампера, Х. Эрстеда, М. Фарадея) так и теоретически (работы Дж. Максвелла).

5.3.