3.3.4. Электромагнитная картина мира

Основной вклад в становление электромагнитной картины мира (ЭКМ) внесли английские ученые: М. Фарадей и Дж. Максвелл.

Экспериментальную ЭКМ создал выдающийся английский физик-самоучка Майкл Фарадей (1791–1867) в 30-е годы XIX в. Для описания электромагнитных явлений он впервые ввел понятие поля. Электромагнитное поле, как особый вид материи, свойства и закономерности которого изучаются электродинамикой.

Экспериментальная ЭКМ, может быть охарактеризована следующими открытиями Фарадея:

1831 г. – открытие закона электромагнитной индукции;

1834 г.– открытие законов электролиза;

1837 г. – обнаружение поляризации диэлектриков;

1843 г. – экспериментальное доказательство закона сохранения электрического заряда;

1845 г. – открытие диамагнетизма;

1846 г. – выдвижение идеи об электромагнитной природе света;

1847г. – открытие парамагнетизма.

В 60-х годах XIX в. английский физик Максвелл развил теорию Фарадея об электромагнитном поле и создал теорию электромагнитного поля – по сути, теоретическую электромагнитную картину мира.

Это была первая теория поля. Она касается только электрического и магнитного полей и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления некоторые основные идеи, лежащие в основе данной теории.

Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения, обладающий способностью создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Ток смещения в вакууме не связан с движением зарядов, а обусловливается только изменением электрического поля во времени и вместе с тем возбуждает магнитное поле – в этом заключается принципиально новое утверждение Максвелла.

Итак, теоретическая ЭКМ Максвелла включает систему, состоящую из 20 уравнений:

• три уравнения магнитной силы;

• три уравнения электрических токов;

• три уравнения ЭДС;

• три уравнения электрической упругости;

• три уравнения электрического сопротивления;

• три уравнения полных токов;

• уравнение свободного электричества;

• уравнение непрерывности.

В подтверждении справедливости полевых представлений Фарадея-Максвелла решающую роль сыграли опыты немецкого физика Г. Герца (1857–1894), в которых были получены и исследованы электромагнитные волны, существование которых предсказал Максвелл.

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла – наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. В учении об электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с порождаемым им магнитным, т.е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом – они образуют единое электромагнитное поле.

К электромагнитному полю применим только принцип относительности Эйнштейна, так как факт распространения электромагнитных волн в вакууме во всех системах отсчета с одинаковой скоростью не совместим с принципом относительности Галилея.

После создания Максвеллом электромагнитной теории поля, во второй половине XIX в., началось широкое практическое использование электромагнитных явлений. Изобретение радио русским физиком и электромехаником А.С. Поповым (1859–1906) – одно из первых важнейших применений принципов новой, электромагнитной теории. Если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химическая связь) и образование из вещества тел различной формы определяются исключительно электромагнитным взаимодействием.

Принципы дальнодействия и близкодействия. Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия, и передача взаимодействия происходит мгновенно. Такое предположение составляет сущность принципа дальнодействия. Сам Ньютон признавал невероятность и даже невозможность подобного рода взаимодействий тел.

Основоположник принципа дальнодействия – французский математик, физик и философ Рене Декарт. Экспериментальные исследования электромагнитных явлений показали несоответствие принципа дальнодействия физическому опыту. Кроме того, она находится в противоречии с постулатом специальной теории относительности, в соответствии с которым скорость передачи взаимодействий тел ограничена и не должна превышать скорость света в вакууме.

Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время. Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы, т.е. взаимодействие передается через «посредника» – электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в пустоте – примерно 300 000 км/с. Это и составляет сущность принципа близкодействия, который распространяется не только на электромагнитное, но и на другие виды взаимодействий. Согласно этому принципу взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение – посредством гравитационного поля), непрерывно распределенных в пространстве.

Дискретность и непрерывность материи. В философском плане разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и пустое пространство – с другой, соответствует выделению двух крайних свойств мира – его дискретности и непрерывности.

Дискретность (или прерывность) означает – «зернистость», конечную делимость пространственно-временного строения и состояния предмета или объекта, его свойств и форм движения (скачки), тогда как непрерывность выражает единство, целостность и неделимость объекта, сам факт его устойчивого существования. Для непрерывного нет границ делимого.

Только с развитием понятия «поля», позволило понять диалектическое единство – в современной квантовой теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

Основные понятия ЭКМ: континуальность материи, материальность физического поля; физическая относительность пространства и времени; непрерывность причинно-следственных связей; масса – мера инертности, тяготения и полной энергии тела; инвариантность законов физики и т.д.

Основные принципы ЭКМ: относительность Эйнштейна, постоянство скорости света, эквивалентность инерции и тяготения; соответствие между механикой и электродинамикой, причинность и др.