книги из ГПНТБ / Семенчев, В. М. Физические знания и законы диалектики научное издание

обладает большей инерцией в случае вращения Земли, а поэтому за время своего падения оно не «отстанет» от Земли, а, наоборот, обгонит ее. Поэтому никаких отклонений на запад от вертикали и не может наблю­ даться в опыте.

Рассуждение Ньютона было в 1831 г. проверено опытом в Трехбратской шахте, аналогичным опыту Браге, и полностью подтверждено. Этот опыт по от­ ношению к теоретическим рассуждениям Ньютона не имел решающего значения, он явился лишь аналитиче­ ским, т. е. количественно значимым открытием в клас­ сической механике. Однако по отношению к представ­ лениям Браге он мог бы стать решающим открытием.

Открытия такого рода являются синтетическими в том смысле, что их возможность не содержится в су­ ществующих теоретических представлениях. Они вно­ сят качественные преобразования в опытную основу науки, которые выводят опыт за пределы согласова­ ния с теорией, т. е. за пределы соответствия теории и опыта.

Из определений количественного и качественного изменений научного опыта следует, в частности, что сам по себе факт, обнаруженный в опыте, установлен­ ный в наблюдении, не может быть оценен как количе­ ственно или качественно значимый. Значимость ре­ зультата опыта определяется только в его сопостав­ лении с имеющейся теорией, что лишний раз под­ тверждает неразрывность теории и опыта в физиче­ ских знаниях.

Теория, ведя к ряду опытов, может в них как на­ ходить свое подтверждение, так и обнаруживать свою ограниченность. Ведь именно такую ограниченность прежних теоретических представлений и вскрывали эксперименты с «черным излучением». Эти экспери­ менты были рассмотрены в первой главе, но в данном случае мы рассмотрим их в несколько ином аспекте.

В декабре 1900 г. М. Планк сообщил на заседании физического общества о выдвинутой им совершенно новой теории лучеиспускания. Новая теория исходила из принципиально иного понимания процесса излуче­ ния, передачи энергии. Если ранее такой процесс счи­ тался непрерывным, то, по теории Планка, существен­ ную роль в понимании процесса в целом должна была сыграть дискретность (прерывность), порциальность передачи энергии, ее квантовый характер.

Открытие квантового характера передачи энергии, с одной стороны, как отмечалось, было непосредствен­

(vT). Но, с другой стороны, открытие элементарного кванта действия было прямым результатом теории теплового излучения. Эта теория, как и любая дру­ гая, опиралась на ряд абстракций. В теории теплово­ го излучения фигурировало, в частности, такое поня­ тие, как спектральная плотность излучения. Для оп­ ределенной частоты, точнее, для бесконечно малого интервала частот от v до v+ Av спектральная плот­ ность излучения принимала постоянное значение. Из­ менение данного интервала в направлении сдвига к большим или меньшим частотам приводило к измене­ нию спектральной плотности излучения. Поэтому спек­ тральная плотность излучения принималась за функ­ цию частоты. Задача же экспериментов сводилась к попытке найти фактическую зависимость спектраль­ ной плотности от частоты излучения, т. е. вид функ­

ции р (v, Т ).

Как показал Кирхгоф, спектральная плотность из­ лучения при постоянной Т от природы тела не зави­ сит и выражается через отношение испускательной и поглощательной способности тела. Для тела, пол­ ностью поглощающего падающую на него энергию

82

(«абсолютно черного тела»), задача отыскания спект­ ральной плотности излучения для каждого интерва­ ла v и для каждой Т переводится в эксперименталь­ ную плоскость. Это и есть эксперименты с «черным излучением».

На основании этих экспериментов М. Планк пред­ ложил новую формулу распределения энергии в спект­ ре черного тела. Однако эта формула, находившаяся в соответствии с экспериментом, была получена полу- э.мпирическим путем и поэтому требовала теоретиче­ ского обоснования. Для этого Планку потребовалось создать некоторую модель микроскопических явлений, лежащих в основе излучения, которая объяснила бы зависимость, наблюдаемую в экспериментах.

Ни одна из ранее предложенных моделей, исходив­ ших из классических представлений (Б. Б. Голицын, В. Вин, Д. Ц. Рэлей, Д. X. Джинс), не давала пол­ ного совпадения с экспериментально полученными кривыми и формулой Планка. Вот здесь у Планка и зародилась мысль об общем пороке ранее предложен­ ных моделей, о привнесении в теоретические законы ограниченного, не соответствующего данным природ­ ным явлениям представления. Таковым, полагал Планк, могло быть представление о непрерывном рас­ пределении энергии. Но отказ от этого представления и признание прерывности распределения энергии (квантов) 'были тогда совершенно несовместимыми с классической физикой. Однако эксперименты настоя­ тельно требовали такого решительного шага в теории. Планк длительное время стремился смягчить противо­ речия между гипотезой квантов и существовавшей системой представлений классической физики. Он вы­ двигал дополнительные допущения, не давшие, одна­ ко, эффективных результатов К1

1 См. У. И. Франкфурт, Д. М. Френк. Физика наших дней.

М , 1971, стр. 5.

товых колебаний *. Правда, при изображении дви­ жения света возникли некоторые серьезные затруд­ нения. Если среда, в которой распространяется звук, была хорошо известной реальностью, то для света эта среда принимала как бы гипотетический характер. К тому же эта гипотетическая среда — эфир, после того как Френель показал, что свет

как поперечные волны могут распространяться толь­ ко в среде, обладающей упругостью по отношению к деформации сдвига. В таком случае эфир стано­ вился средой с парадоксальными свойствами. Он одновременно не оказывал сопротивления движу­

лениями шесть граничных условий для поверхности разделения двух сред. Следовательно, несмотря на значительные успехи, волновая теория света, бази­ рующаяся на представлении об упругом эфире, не­ отвратимо вступала в очень трудную фазу разви­ тия. Постепенно начала назревать настоятельная не­ обходимость самого радикального пересмотра -пред­ ставлений об эфире. Но пришел этот пересмотр со стороны, так сказать, вне связи с развитием оптичес­ ких представлений.

В 1799 г. изобретатель электрической дуги В. В. Петров обратил внимание на связь магнетиз­

85

угольными электродами дуга притягивалась либо отталкивалась сильным магнитом. Двумя десятиле­ тиями позже Д. Ф. Араго открыл явление намагни­ чивания током, а А. М. Ампер — взаимодействие токов.

В1820 г. были поставлены очень важные опыты X. К- Эрстеда по действию электрического тока на подвижный магнит. Механическая концепция «маг­ нитной жидкости» и представление об обособлен­ ности магнетизма и электричества были существен­ ным образом подорваны. Окончательное поражение эти идеи получили с открытием М. Фарадеем элек­ тромагнитной индукции (1831 г.).

Вопытах по электромагнитной индукции были доказаны двусторонний характер связи электри­ чества с магнетизмом и вихревая природа магнит­ ного поля, о чем догадывался уже Эрстед, но не ре­ шался утверждать ввиду несовместимости с ньютонов­

скими представлениями, по отношению к которым у него не возникало сомнений. В эксперимен­ тальных исследованиях по электричеству М. Фара­ дей следующим образом сформулировал главней­ шие результаты проведенных опытов: «Все эти ре­

так, как расположенный по окружности магнетизм возникает вокруг электрического тока и им обнару­ живается» '.

Однако Фарадей не ограничился в понимании результатов своих опытов только непосредственно данным, а пытался проникнуть и в скрытую сущ­ ность явлений. Он обратил внимание на необходи-1

1 М. Фарадей. Экспериментальные исследования по элект честву, т. 1. М., 1947, стр. 57.

86

мость вывода о конечной скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Известно, что в

лением о своем приоритете в предположении конеч­ ной скорости электромагнитного действия. Помимо этого Фарадей пришел к выводу о поперечном ха­

вод он определил как такой, который «пытается ус­ транить эфир, а не колебания», т. е. Фарадей до­ пускал .возможность сохранения колебаний без осо­ бой колеблющейся среды. Наконец, процесс индук­ ции Фарадей пытался представить как смещение электрических полярных сил и зарядов, происходя­ щее благодаря близкодействующим силам.

Перечень этих важнейших идей, казалось бы, говорил о том, что Фарадей располагал всем необ­ ходимым для создания совершенно иной теории, теории электромагнитного поля. Но Фарадей этой те­ ории не создал. Недаром свою работу он назвал «Эк­ спериментальные исследования по электричеству», а выводы — только мнениями и предположениями. Поэтому идеи Фарадея правомерно назвать источ­ ником новой теории, а не самой теорией.

Теория электромагнитного поля была создана позже Дж. К. Максвеллом, сумевшим понять всю глу­ бину фарадеевских ’мыслей и придавшим им стро­ гую математическую форму, в которой все главней­ шие фарадеевские «мнения» объединялись в строй­ ную систему, базирующуюся на опыте и логике.

В чем суть этой новой теории?

На первый взгляд кажется, что все. дело заклю­ чалось в математической форме, что содержание теории ограничивалось уравнениями Максвелла. Последние же лишь выражали идеи Фарадея, пере­

87

веденные на математический язык. Но это было да­ леко не так. Уравнения Максвелла не сводились только к математическому оформлению открытий Фарадея. В этих уравнениях открывалась возмож­ ность определить, каким образом изменяются в про­ странстве и времени магнетизм с изменением элек­ тричества и электричество с изменением магнетиз­ ма. Такие изменения неразрывно связаны с переда­ чей возмущения от точки к точке с конечной скоро­ стью, что наполняет объективным содержанием понятие электромагнитного поля и позволяет рас­ сматривать его как особый вид физической реаль­ ности.

Согласно опытам Фарадея, для наличия элект­ рического поля необходим проводник. Согласно опытам Эрстеда, для наличия магнитного поля ну­ жен магнитный полюс. В теории Максвелла элект­ ромагнитное поле не связано с такими реальнос­ тями. Электромагнитное поле само представляет собой реальность, электрическое поле создается из­ меняющимся магнитным полем, а магнитное поле —■ изменяющимся электрическим. Именно эти измене­ ния и передаются в пространстве с конечной ско­ ростью. Поэтому поле заполняет все пространство, а не только те точки, в которых находятся ‘.магниты и электрические заряды. Следовательно, поле стано­ вится не только геометрическим, но и физическим понятием.

К таким выводам вели два важных с точки зре­ ния логики научного исследования шага.

Первый из них состоял в отвлечении от частных особенностей проводника, в котором индуцируется электрический ток. Электрический ток возникает, когда изменяется число магнитных силовых линий, проходящих через поверхность, ограниченную про­ водником. Различия в форме, сечении проводника и

88

способах его деформации учесть невозможно. Но задача могла быть значительно упрощена путем ис­ ключения всего того, что относилось к форме, длине проводника, поверхности, ограниченной им, т. е. случайных факторов. Виток проводника был «стя­ нут» в точку. В таком предельном случае все част­ ные обстоятельства исчезали и связь изменения маг­ нитного поля с электрическим током, т. е. связь магнитного и электрического полей, выступала в чи­ стом виде для любой точки пространства и для лю­ бого момента времени. Дж. К. Максвелл «провел» идеализированный опыт, выполненный «в вообра­ жении путем повторения опыта Фарадея с витком, стягивающимся к точке»Именно это и было пер­ вым важным шагом к теории.

Второй шаг был аналогичен первому. Он состо­ ял в идеализации результатов, полученных в опытах Эрстеда. В данном случае в точку стягивались вит­ ки силовых магнитных линий и задача сводилась к рассмотрению связи между изменением электричес­ кого поля и изменением поля магнитного 21.

Два данных шага привели к поразительному выводу с точки зрения волновых представлений Юнга — Френеля. Стягивание в точку электрического проводника и магнитного витка приводит как бы к абстрагированию от них. В каждой точке элект­

89

Следовательно, электричество вызывает магне­ тизм, точно так же как магнетизм вызывает электри­ чество. При этом электричество и магнетизм постоян­ но взаимодействуют, поэтому следует говорить о том, что электричество и магнетизм вызывают электромаг­ нитные колебания, распространяющиеся в простран­ стве. Более точно это явление характеризуется так: переменное электрическое поле вызывает вихревое магнитное поле, а переменное магнитное поле точно таким же образом вызывает электрическое поле. За­ висимость этих двух сторон одного и того же явления и описывается уравнениями Максвелла:

Но вот что теперь оказывается исключительно не­ ожиданным и волнующим. Если в начальном кон­ туре возникает переменное электрическое поле, то оно вызывает переменное магнитное поле, а пос­ леднее в свою очередь вызовет электрическое поле. Если изменение начального электрического поля происходит периодически, то все пространство пос­ тепенно от точки к точке начнет охватываться пе­ риодическими колебаниями. Такие колебания от одной точки к другой будут распространяться с ко­ нечной скоростью, как распространяется волна. Ма­ ксвелл сумел показать, что фазовая скорость распро­ странения этих волн будет равна скорости света (3x1010 см1сек). Это дало впоследствии возмож­ ность отождествить свет с электромагнитными волна­ ми и этим в значительной мере способствовать упро­ чению электромагнитной теории света.

чае речь идет о возникновении явных теоретических предпосы­ лок для отказа от этого физического понятия.

90