2.7. Рождение науки об электричестве.

Девятнадцатое столетие ознаменовалось огромными успехами в исследовании природы электричества и магнетизма. Первоначально электрические явления - искры, молнии, свойства лейденских банок накапливать заряд - считались совершенно не связанными с явлениями магнетизма, наблюдаемыми в минералах некоторых видов, в поведении стрелки компаса и т.д. Однако датский физик Эрстед (1777-1851) и французский физик Ампер (1775-1836) продемонстрировали на опыте, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Эрстед высказал мысль, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое является вихревым.

Ампер заметил, что магнитные явления происходят тогда, когда по электрической цепи течет ток, причем величина магнитного действия зависит от интенсивности движения электричества. Для измерения этой интенсивности Ампер впервые вводит понятие силы тока, поэтому неслучайно единица силы тока носит его имя - Ампер. С помощью своего учения о круговых токах, он сводит магнетизм к электричеству! Это действительно великое открытие. Ампер формулирует до сих пор не известный закон о взаимодействии токов. Более того, он высказывает следующую мысль: "Все явления, которые представляют взаимодействие тока и магнита, открытые Эрстедом, входят как частный случай в законы притяжения электрических токов".

Работа Ампера над созданием электродинамики продолжалась вплоть до 1826 г., когда вышел в свет его обобщающий труд "Теория электродинамических явлений, выведенная из опытов". В этой работе Ампером была разработана не только качественная теория, но и количественный закон для силы взаимодействия токов. Это один из основополагающих законов электродинамики.

Эстафета, принятая Ампером от Эрстеда, была передана в руки великого английского естествоиспытателя Майкла Фарадея (1791-1867). Он открыл явление электромагнитной индукции - возникновение тока в проводнике вблизи движущего магнита.

Исследуя диэлектрики, Фарадей приходит к мысли о существенной роли среды в электрических взаимодействиях. Изучая характер магнитных явлений, Фарадей склоняется к мысли, что передача силы представляет собой явление, протекающее вне магнита. Он считает неверным, что эти явления представ­ляют собой простое отталкивание и притяжение на расстоянии, полагая, что пространство, окружающее магнит, играет столь же существенную роль, как и сам магнит.

2.8. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом

Открытия, сделанные Фарадеем в области электромагнетизма, были развиты выдающимся английским математиком и физиком Максвеллом (1831-1879). В его теории электромагнетизма была установлена органическая связь электричества и магнетизма. Основываясь на идеях, высказанных ранее Фарадеем, Максвелл вводит понятие электромагнитного поля.

Согласно теории Максвелла, каждая заряженная частица окружена полем - невидимым ореолом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся поблизости, т.е. поле одной заряженной частицы действует на другие заряженные частицы с некоторой силой. Такие взгляды на природу взаимодействия резко отличались от ньютоновской концепции тяготения, где притяжение считалось силой прямого взаимодействия между разделенными пространством массами. В теории Максвелла движение частицы, помещенной в данную точку пространства, определялось силовой характеристикой - напряженностью поля в этой точке.

Теория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике и естествознании. Именно на этом этапе развития физики электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия, еще одной формой, наряду с веществом, существования материи. Мир постепенно стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодейст­вующих посредством электромагнитного поля.

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу о том, что электромагнитное поле может отрываться от источников, его порождающих, и распространяться в пространстве в виде т.н. электромагнитных волн, причем скорость их распространения должна быть равна скорости света. Отсюда был сделан совершенно новый вывод: свет есть разновидность электромагнитных волн.

Предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны действи­тельно были открыты в 1888г. Генрихом Герцем (1857-1894). Он сумел осуществить передачу и прием электромагнитных волн очень большой длины - радиоволн. Сегодня мы имеем дело с целым набором электромагнитных волн, длина которых принимает значения от очень малых до очень больших значений. Все вместе они составляют электромагнитный спектр. Это и гамма-, и рентгеновские лучи, ультрафиолетовые излучения, видимый свет, инфракрасное, микроволновое и радиоизлучение. Излучения всех этих видов распространяются в вакууме со скоростью света и имеет одну и ту же природу.

Трудно представить какую-либо волну без среды, в которой она могла бы распространяться. Звуковые волны распространяются в различных материальных средах: воздухе, воде, твердом теле. Поверхностные волны движутся по поверхности воды. В какой же среде распространяются электромагнитные волны?

Максвелл возродил старую идею о существовании эфира, заполняюще­го пространство, который и должен был служить носителем электромагнитных волн. Система отсчета, связанная с неподвижным эфиром, рассматривалась как абсолютный критерий состояния покоя и отождествлялась с абсолютным пространством.

Вскоре были предприняты попытки экспериментального определения скорости Земли относительно эфира, но все они приводили к отрица­тельному результату. Эфир обнаружить не удавалось. Наиболее известны эксперименты американского физика Майкельсона (1852-1931). Постепенно становилось ясно, что никакой эксперимент не в состоянии выявить факт движения Земли относительно эфира. Возникала еще одна проблема. Если законы механики верны во всех инерциальных системах отсчета, то для электродинамики Максвелла это правило как будто не подходит. Почему?