3.4. От дальнодействия к близкодействию: теория электромагнитного поля.

Идея единства разных сил природы и ее эмпирическое подтвер­ждение. В начале XIX в. начинают закладываться основы теории электричества и магнетизма. Большую роль здесь сыграло мировоззренческое представ­ление о единстве сил природы. Начало здесь положил датский фи­зик Х. К. Эрстед (1777-1851), получивший докторскую степень по философии. Его внимание привлекла идея немецкого натурфилософа Ф. Шеллинга о взаимовлиянии природных сил. В 1813 г. ученый поставил проблему - выяснить связь между «вольтаическим электричеством» и магнетизмом. Решение пришло в 1820г., когда обнаружилось, что электрический ток создает вокруг проводника магнитное поле, которое влияет на магнитную стрелку. В 1821 г. француз A. M. Ампер (1775-1836) установил, что два параллельных друг другу проводника с электрическим током ведут себя как два магнита: если токи идут в одном направлении, то проводники при­тягиваются, в случае противоположных направлений они отталки­ваются. Английский физик М. Фарадей (1791-1867) поставил про­блему обратной зависимости: может ли магнитное поле порождать ток в проводнике? В 1831 г. он установил, что в проводнике, нахо­дящемся в переменном магнитном поле, появляется ток. Так было открыто явление электромагнитной индукции.

Все эти эмпирические законы объединяла математи­ческая теория немецкого физика В. Е. Вебера (1804-1891). Ее ос­нову составила идея дальнодействующих сил, которые родственны ньютоновской гравитационной силе, не нуждающейся в промежу­точной среде и действующей мгновенно. Авторитет Ньютона в физическом сообществе был таким высоким, что ученые слепо следо­вали его призыву «не измышлять гипотез» по поводу механизма действия сил. И все же здесь нашлись исключения, прежде всего, в лице Фарадея.

Работая переплетчиком в типографии, Фарадей самостоятельно изучил физику и это увлечение привело его в науку. Как верующий человек он был уверен во взаимосвязи электрических и магнитных явлений, так как «природа едина от Бога». Нетрадиционное мышление самоучки и талант эксперимен­тирования сделали его ученым мирового уровня. Сложной матема­тикой своего времени он не овладел и поэтому все силы отдавал опытам и осмыслению их результатов. Идея дальнодействия, господствовавшая на университетс­ких кафедрах, не повлияла на сознание Фарадея. Тем более, что разнообразные эксперименты убеждали его в близкодействии электрических и магнитных сил. Особо в этом отношении выделя­лись факты движения проводников (железные опилки вблизи маг­нита, провода и контуры с током и т. п.)

Для электричества и магнетизма близкодействие универсально. Новаторское мышление Фара­дея предвосхитило идейные сдвиги в физической картине приро­ды. Ньютоновская идея дальнодействия сыграла положительную роль при формировании закона всемирного тяготения. В условиях отсутствия нужных фактов и должной математики она не дала уче­ным увлечься конструированием преждевременных умозритель­ных моделей тяготения. Но в первой половине XIX в. ситуация начала меняться. Физика стала восприимчивой к картезианским представлениям о дви­жении различных материальных объектов, сред, выступающих но­сителями близкодействующих сил. В оптике ньютоновская концеп­ция уступила место волновой теории света с моделью колебаний эфирной среды. В кинетической теории теплота предстала в виде движения атомов и молекул вещества. Механика сплошных сред также способствовала возрождению картезианских идей. Ученые с острой интуицией первыми почувствовали необходимость пере­мен. Так, немецкий исследователь К. Ф. Гаусс (1777-1855) и его ученик Б. Риман предположили, что электродинамические силы действуют не мгновенно, а с конечной скоростью, равной скорос­ти света. Кроме того, к середине XIX в. сформировались математи­ческие методы в виде дифференциальных уравнений в частных производных. Этот аппарат стал необходимым для реализации идеи близкодействия. Многие уравнения гидродинамики и тер­модинамики оказывались пригодными для электродинамики. В 40–50-е гг. на повестку дня встала проблема создания элек­тродинамики на базе принципа близкодействия и ее разрешил Максвелл.

Эмпирические законы Фарадея переводятся на язык математики. В качест­ве исходного материала Максвелл взял эмпирические обобщения Фарадея. Свою главную задачу он видел в том, чтобы придать им соответствующую математическую форму. Эта работа оказалась далеко неформальной, ибо перевод эмпирических образов на язык математики требовал особого творчества. Так, анализируя электро­магнитную индукцию, Фарадей выдвинул идею «электротоничес­кого состояния», где изменение магнитного поля вызывает вихре­вое электрическое поле.

Поле и эфир. Из фарадеевского наследия Максвелл также взял принцип близкодействия и идею поля. Они дополняли друг друга, так как близкодействие должно происходить в материальной не­прерывной среде, в этой среде как раз и действует поле. Правда, у Фарадея поле понималось неопределенно и среда рассматрива­лась как нечто подобное газовой среде. И не случайно Максвелл на первых порах строил модели электрического поля, помещая его в особую жидкоподобную среду, которая несжимаема, безынерци­онна и течет, испытывая сопротивление. Позднее в качестве среды у него закрепился эфир, который заполняет все пространство и пронизывает все весомые тела. Этим представлением широко поль­зовался Томсон, под чьим научным влиянием находился Максвелл. Отсюда поле у него стало областью эфира, непосредственно свя­занной с электрическими и магнитными явлениями: «...Электро­магнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнит­ном состоянии».

Экстравагантность тока смещения. Идеи поля и эфира сыгра­ли определяющую роль в понимании центрального элемента теории - гипотезы тока смещения. В опытах Фарадея наблюдались эф­фекты, удаленные на большом расстоянии от электричества, теку­щего по проводнику. Такого же объяснения требовал факт прохож­дения переменного тока через изолятор, разделяющий две пласти­ны конденсатора. В признании нового вида электрического тока могли сыграть свою роль соображения симметрии - ток проводи­мости дополняется током смещения. Но как возможно движение последнего? И вот тут на сцену выступил эфир. Как и проводник, он является телом, обладающим лишь большой разреженностью и проницаемостью. Упругие свойства эфира позволяют переменно­му электрическому полю смещаться туда - сюда, т. е. колебаться. Это и есть ток смещения, имеющий форму волнового колебатель­ного процесса и распространяющийся в эфире вне проводников. Так же, как и ток проводимости, он может порождать магнитное поле. Согласно закону индукции, переменное магнитное поле со­здает переменное электрическое поле. Своей теорией Максвелл утвердил полное взаимодействие: любое переменное электричес­кое поле, основанное либо на токе проводимости, либо на токе сме­щения, порождает магнитное поле. Налицо симметрия взаимных влияний динамичных полей, которая составляет единую природу электромагнитного поля.

Свет как электромагнитное поле. Теория Максвелла помогла глубже понять сущность света. С древних времен существовала корпускулярная (лат. corpusculum - тельце) гипотеза, утверждав­шая, что свет представляет собой поток прямолинейно движущих­ся, очень маленьких частиц. Согласно другому предположению, свет является волнами с весьма малой длиной. В начале XIX в. Е. Юнг и О. Френель представили убедительные аргументы в поль­зу волновой гипотезы. Измерения установили, что скорость света равна примерно 300000 км/с.

Электромагнитное поле - это не только свет. Согласно теории Максвелла, электромагнитные волны распространяются так­же со скоростью 300000 км/с. Совпадение скоростей и волновая теория света побудили ученого отнести свет к электромагнитным процессам. Теория света как последовательного чередования элек­трических и магнитных полей не только хорошо объясняла старые факты, но и предсказывала неизвестные явления. Кроме видимого света должно быть инфракрасное, ультрафиолетовое излучения и другие виды волн. Свет также должен оказывать определенное дав­ление на вещество.

Опытное обнаружение электромагнитных волн. Теория Мак­свелла была опубликована в 1873 г. в «Трактате об электричестве и магнетизме». Почти все физики отнеслись к ней скептически, осо­бое неприятие вызвала гипотеза тока смещения. В теориях Вебера и Гельмгольца таких экзотических идей не было. В данной ситу­ации требовалось свидетельство решающих экспериментов и оно состоялось. В 1887 г. немецкий физик Г. Герц (1857-1894) создал генератор электромагнитных волн и осуществил их прием. Тем са­мым был обнаружен таинственный «ток смещения», который от­крыл перспективу новой практики (радио, телевидение). В 1895 г. немецкий физик В.К. Рентген обнаружил новое излучение, назван­ное рентгеновским и оказавшимся электромагнитными волнами с частотой более высокой, чем ультрафиолетовое излучение. В 1900 г. русский ученый П. Н. Лебедев (1866-1912) посредством очень тонких опытов открыл давление световых волн и измерил его вели­чину. Вся эта научная практика однозначно указала на теорию Мак­свелла как на истинный образ природы.

Материя - это вещество и электромагнитное поле. В силу своей фундаментальности теория Максвелла существенно повлия­ла на научную картину природы. Рухнула длительная монополия идеи вещества, и через понятие электромагнитного поля стала фор­мироваться идея физического поля как самостоятельного вида ма­терии. Программа обнаружения единства природы получила заме­чательный результат - былое различие электричества и магнетиз­ма уступило место единому электромагнитному процессу. Мак­свелл продемонстрировал высокую эвристическую силу математи­ческой гипотезы и дал образец синтеза математики с физикой. Новая электродинамика стала венцом классической физики.