Развитие полевой концепции описания свойств материи В классическом представлении, как отмечалось выше, различают два вида материи: вещество и поле. К первому из них относятся атомы, молекулы и все построенные из них тела, структура и форма которых весьма разнообразны. Поле — особая форма материи (иногда его называют физическим полем). К настоящему времени известно несколько разновидностей полей: электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантовые) поля, соответствующие различным элементарным частицам. Ограничимся рассмотрением электромагнитного поля. Именно для описания электромагнитных явлений выдающийся английский физик-самоучка Майкл Фарадей (1791—1867) в 30-е годы XIX в. впервые ввел понятие поля. Наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи — электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами, называется электродинамикой....
3. Электромагнитная концепция
3.1 О передаче взаимодействия: этапы пути эфира
Проблема пустоты всегда вызывала и до сих пор вызывает оживленные дискуссии. В привычном для нас мире большинство взаимодействий осуществляется путем прямого контакта. Аристотель различал следующие силы - тягу, давление и удар. Основываясь на первых двух понятиях (где сила прилагается непосредственно, через поверхность), он вывел характеристики вращательного движения. Понятие удара вело к баллистическим движениям отброшенных тел, поэтому Аристотель, желая сохранить картину действия сил целостной, считал, что отброшенное тело «ведет» среда.
Аристотелево представление о невозможности «пустоты» было отвергнуто только в XVII в. благодаря ртутному барометру физика и математика Эванджелиста Торричелли (1608 - 1647), ученика Галилея. Он налил в закрытую с одного конца стеклянную трубку ртуть, поместил трубку открытым концом в сосуд, наполненный ртутью. Столб жидкости в трубке опустился до 750 мм над уровнем ртути в сосуде, и в верхней части трубки образовалось пространство без признаков присутствия в нем воздуха. Так Торричелли открыл существование вакуума, а полученное им безвоздушное пространство получило название торричеллиевой пустоты. Через несколько лет французский математик, физик, философ и писатель Блез Паскаль (1623 - 1662) остроумными опытами подтвердил гипотезу Торричелли. Большую известность получил опыт немецкого естествоиспытателя Отто фон Герике (1602 - 1686), бургомистра Магдебурга. Он соединил два медных полушария, откачал воздух из полученной сферы, и две упряжки по 8 лошадей в каждой не могли рассоединить эти полушария. Тогда же выяснилось чрезвычайно важное обстоятельство, что вакуум не проводит звук, не проводит свет.
Демокрит, Эпикур, Лукреций и Гассенди доказывали, что мир состоит из частиц - атомов и их комбинаций, которые движутся в пустоте, и что любое явление природы можно объяснить, исходя из перегруппировки этих атомов. Декарт, не веря в пустоту, говорил, что мир заполнен эфиром - тонкой материей, и через вихри в ней передаются взаимодействия. Ньютон дал ясную картину мира, в которой действовали механические законы, подчиняя себе движение материальных точек во Вселенной, одной из которых является и Земля.
К XVIII в. теория Ньютона, вытеснив господствовавшее в течение двух тысячелетий аристотелево учение, распространилась по всей Европе и стала критерием для проверки правильности любой другой системы. Ньютон не искал причин притяжения или отталкивания, ему было достаточно того, что его формулы позволяют предсказать будущее движение и заглянуть в прошлое. Установить закон, по которому изменяется числовое значение от точки к точке, - вот единственный ответ, который может дать наука. Все остальное не должно интересовать ученого.
Ньютонова теория сводилась, в основном, к движению и взаимодействию небесных тел в пустом пространстве, оставляя в стороне природу материи и происходящих в ней процессов. Ньютоновы корпускулы стали «заразительным» примером для последующих поколений ученых, занявшихся поиском материальных частиц, способных переносить на расстояние различные физические явления. Так появились флогистон (греч. phlogistos «горящий, сжигаемый») - некое летучее, невидимое и невесомое вещество, выделяемое из тел в процессе горения, теплород, электрические и магнитные флюиды Кулона и т.д.
В конце концов проблема приобрела четкую формулировку: либо всепроницающий эфир существует, является носителем поперечных упругих волн и при этом не препятствует движению планет, либо световые волны - фикция, не допускающая наглядного толкования, т.е. следовало как-то объяснить столь странное сочетание свойств эфира; в противном случае признать бессмысленным обсуждение свойств света и перестать аппелировать к волновым или корпускулярным представлениям. Однако все формулы Френеля соответствовали наблюдаемым фактам (тогда и теперь), и потому эфир Гюйгенса - Френеля сочетал в себе столь необычные свойства.
Во второй половине XIX в. Фарадей, Дж. К. Максвелл и Густав Герц создали теорию электромагнитного поля, уже не сводимую к ньютоновым принципам, поскольку на место дальнодействия было выдвинуто близкодействие, когда силы распространяются с конечной скоростью, и все взаимодействия сводятся к вихревым движениям в эфире. Свойства тел определялись свойствами заполняющего их эфира, и даже атомы стали трактовать как центры особых вихревых возмущений в эфире («вихревые атомы» Кельвина). Так эфир стал единственной материальной основой Вселенной.
Но электромагнитные свойства эфира не поддавались наглядной механистической интерпретации. Например, нельзя было объяснить магнетизм вихревыми движениями в твердом теле (каким должен быть эфир из-за поперечности колебаний) - такие движения возможны только в жидкостях, и если эфир обладал столь противоречивыми свойствами, их нужно было объяснить. Лоренц (1853 - 1928) восстановил материальность заряда, поскольку в конце XIX в. был открыт электрон и стали создаваться модели атома. Считая эфир неподвижным, Лоренц оставил ему лишь одно свойство - передавать взаимодействия, а подвижной, по его мнению, может быть только материя.
Этим и завершился этап классической физики, который Френкель образно представил как установление единого Бога в физике, пришедшего на место многих богов, ранее переносивших взаимодействия: в теории теплоты - теплород, в теории горения - флогистон и прочие флюиды.
Эфиру приписывали много самых противоречивых свойств, на самом же деле хотели доказать, что он способен переносить силы на расстояние. В 1845 г. Стокс уподобил эфир таким желеобразным веществам, как смола или сапожный вар: с одной стороны, они обладают достаточной жесткостью, чтобы не допускать упругих колебаний, с другой стороны, достаточно пластичны, позволяя другим телам медленно продвигаться сквозь них. Подобным образом, по его мнению, должен вести себя и эфир: как твердое тело - по отношению к быстрым колебаниям, например, световым, и как жидкость - относительно медленных движений небесных тел.
Но все попытки обращения к эфиру для объяснения передачи действия на расстоянии потерпели неудачу, поскольку на него механически переносили свойства обычной материи, хотя уже в начале XX в. понимали, что эфир не является однородным упругим телом нашей механики. Математические оценки, несмотря на свою логичность и безупречность, никак не объясняли волновые свойства света.
После появления специальной теории относительности Эйнштейна, поводом к созданию которой послужил эксперимент, не обнаруживший эффекта увлечения эфира при движении Земли (опыт Майкельсона и Морли, многократно повторенный во второй половине XIX - XX вв.), эфир практически исчез из научного обихода, уступив место понятию поля. Эйнштейн отнял у эфира последнее его свойство - неподвижность.
Тем не менее, некоторые ученые до сих пор занимаются «эфироискательством». Одни связывают эфир с материализацией духов, другие строят его из квантов или виртуальных частиц. В какой-то степени это можно объяснить традициями и инертностью приемов мышления.
3.2 Развитие полевой концепции описания свойств материи
В классическом представлении, как отмечалось выше, различают два вида материи: вещество и поле. К первому из них относятся атомы, молекулы и все построенные из них тела, структура и форма которых весьма разнообразны. Поле - особая форма материи (иногда его называют физическим полем). Поле - это то, что излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с веществом. К настоящему времени известно несколько разновидностей полей: электромагнитное и гравитационное, поле ядерных сил, а также волновые (квантовые) поля, соответствующие различным элементарным частицам.
Ограничимся рассмотрением электромагнитного поля. Именно для описания электромагнитных явлений выдающийся английский физик Майкл Фарадей (1791 - 1867) в 30-е годы XIX в. впервые ввел понятие поля.
Наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи - электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами, называется электродинамикой.
Электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни и в технике мы чаще всего встречаемся с различными видами электромагнитных взаимодействий: силы упругости, трения, силы наших мышц и мышц различных животных и т.д.
Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас предметы и тела, так как свет - одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной природы. Живые существа и даже человек, как показывают полеты космонавтов, способны длительное время находиться в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения заметно не проявляются. Но 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.
К созданию электромагнитной теории поля привела длинная цепь случайных открытий и планомерных кропотливых исследований, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать легкие предметы и кончая предложением великим английским ученым Джеймсом Клерком Максвеллом идеи о порождении магнитного поля переменным электрическим полем.
Лишь 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. При развитии электромагнитной теории поля впервые научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель или радиоприемник оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики.
Многочисленное практическое применение электромагнитных явлений несомненно способствовало существенному преобразованию сферы деятельности человека и развитию цивилизации.
Сущность электромагнитной теории Максвелла
В 60-х г. XIX в. английский физик Максвелл развил теорию Фарадея об электромагнитном поле и создал теорию электромагнитного поля. Это была первая теория поля. Она касается только электрического и магнитного полей и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления.
Из закона Фарадея следует, что любое изменение сцепленного с контуром магнитного потока приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) - индукции, вследствие чего появляется индукционный ток. Следовательно, возникновение электромагнитной индукции возможно и в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Однако ЭДС в любой цепи возникает только тогда, когда в ней на носителей тока действуют сторонние силы, т.е. силы не электростатического происхождения. Поэтому возникает вопрос о природе сторонних сил. Опыт показывает, что сторонние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре; их возникновение нельзя также объяснить силами Лоренца, так как они на не подвижные заряды не действуют. Дж. Максвелл высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Согласно представлению Максвелла контур, в котором появляется ЭДС, играет второстепенную роль, являясь своего рода лишь «прибором», обнаруживающим это поле. Электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым.
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.
Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться или движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), или переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.
В стационарном случае, когда электрическое и магнитное поля не изменяются во времени, источниками электрического поля являются только электрические заряды, а источниками магнитного - только токи проводимости. В данном случае электрическое и магнитное поля независимы друг от друга, что и позволяет изучать отдельно постоянные электрические и магнитные поля.
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 - с порождаемым им магнитным, т.е. электрическое и магнитное поля неразрывно взаимосвязаны и образуют единое электромагнитное поле.
К электромагнитному полю применим только принцип относительности Эйнштейна, поскольку факт распространения электромагнитных волн с одинаковой скоростью в вакууме во всех системах отсчета не совместим с принципом относительности Галилея.