Квинтэссенция. Книга первая
Шрифт:
Максвелл указывает, как можно поставить опыт, способный решить этот вопрос, и считает, что при существующем в то время уровне техники невозможно зафиксировать движение Земли относительно эфира.
Переходя к обсуждению роли эфира в электромагнитных явлениях, Максвелл цитирует Фарадея:
«Что касается меня, — говорил Фарадей, — то, рассматривая отношение пустоты к магнитной силе и общий характер магнитных явлений вне магнита, я скорее склонен думать, что распространение силы есть действие вне магнита, нежели эти действия суть простые притяжения и отталкивания на расстоянии. Подобное действие может быть функцией эфира».
Максвелл заключает: «Последующие изыскания только подтвердили эту
Далее Максвелл обсуждает соотношение свойств электромагнитной среды со свойствами светоносной среды. Решающим здесь является сравнение скоростей распространения электромагнитных возмущений и света. В частности, эти скорости в воздухе различаются меньше, чем могли бы в пределах точности измерения.
Максвелл ссылается на Больцмана, который обнаружил, что для исследованных им газов диэлектрическая постоянная равна квадрату показателя преломления. А это доказывает равенство скорости распространения электромагнитных возмущений и скорости света в этих газах.
Заключая этот раздел, Максвелл отмечает, что: «Волновая теория, рассматривающая явления света как движение упруго-твердого тела, до сих пор борется с разного рода трудностями… электромагнитная теория света удовлетворяет всем требованиям одной единственной гипотезой, а именно, — электрическое смещение перпендикулярно к плоскости поляризации». Здесь Максвелл дает ссылку на докторскую диссертацию никому еще не известного начинающего физика Г. А. Лоренца, с которым мы еще не один раз будем встречаться. Эта ссылка свидетельствует не только о научной добросовестности Максвелла, но и о внимании, с которым он относился к работам других, даже неизвестных, физиков.
Как мы видим, Максвелл отнюдь не считал «историю эфира» завершенной. Он был убежден в том, что эфир существует, что он материален и что в нем происходят материальные процессы, — процессы, передающие взаимодействия между зарядами и между магнитами. Что в нем распространяются волновые процессы, переносящие энергию, что эти волновые процессы, в том числе свет, воздействуют на вещество и порождаются веществом, несущим в себе электрические заряды и токи.
Так же думали его последователи, современники и потомки. Более того, они считали теорию Максвелла — электродинамику — надежным обоснованием существования эфира. Они стремились познать строение эфира, его свойства. Стремились выяснить механизмы его взаимодействия с веществом, с электрическими зарядами и с магнитами, с нейтральным веществом, не обладающим ни электрическими зарядами, ни магнитными свойствами.
Они еще надеялись на то, что удастся объяснить строение и свойства эфира посредством механики. Надеялись потому, что в результате любых взаимодействий электромагнитного эфира с веществом, в конце концов, возникали механические силы и перемещения.
Эфир, в их глазах, продолжал оставаться полноправной составной частью природы, но еще недостаточно познанной.
ВАЖНОЕ ОТКРЫТИЕ. ПОДВИГ ГЕРЦА
Работая над «Трактатом по электричеству и магнетизму», Максвелл стремился упростить математическую форму своей теории. Он сознавал, что пониманию теории мешает сложность описывающей ее системы из двадцати уравнений. Но эта система возникла вследствие того, что электрическое и магнитное поля не могут быть описаны проще, если оставаться в пределах обычных или даже комплексных чисел. Для характеристики этих полей нужно указывать не только их величину, но и направление в каждой точке пространства. Раньше физики не встречались с такими задачами.
Обычные числа могут описывать только величину объекта. Комплексные числа могут отобразить кроме того и направление, но только на плоскости. Длительные и настойчивые попытки «обобщить» комплексные числа для
Максвелл знал, что в 1843 году У. Гамильтон, до того прославивший себя созданием «математической оптики», основанной на обнаруженной им аналогии классической механики и геометрической оптики, нашел выход. Он предложил и создал особую числовую систему, в которой величина произведения двух чисел зависит от порядка следования этих чисел (в обычной математике величина произведения, как известно, не зависит от расположения сомножителей).
Числа в этой системе реализуются в четырехмерном пространстве. Гамильтон назвал их кватерионами. Каждое из них состоит из четырех обычных действительных чисел. Одно из них отображает величину кватериона, а три других указывают его направление в нашем обычном трехмерном пространстве. Максвелл увидел в кватерионах средство для упрощения математического изложения электродинамики.
Однако кватерионы казались физикам и математикам слишком сложными образованиями. Необходимость привлечения четырехмерного пространства отпугивала физиков того времени. Поэтому применение кватерионов не упростило понимания «Трактата».
Наука пошла иным путем, указанным тем же Гамильтоном. В течение шести лет, работая над теорией кватерионов, он создал более простое «векторное исчисление». Оно способно непосредственно оперировать математическими символами, характеризующимися как своей величиной, так и направлением в трехмерном пространстве. Гамильтон назвал такие величины векторами.
Подобно тому, как обычные числа определяют свойства, характеризуемые только величиной, например, температура или давление в газе и жидкости, векторы способны характеризовать такие понятия, как скорость, электрическое и магнитное поле, обладающие не только величиной, но и направлением.
Этим путем пошли более молодые. Их было двое: О. Хевисайд и Г. Герц. Они работали независимо.
Хевисайд несколько лет служил в телеграфной компании в Ньюкасле. В 1874 году, в возрасте двадцати четырех лет был вынужден оставить службу из-за прогрессирующей глухоты. Он посвятил себя науке, работал в собственной лаборатории главным образом над электромагнитными явлениями, отвлекаясь только на решение задач математической физики.
Хевисайд развил математический аппарат электромагнитной теории Максвелла, основываясь на векторном исчислении Гамильтона и выразив электрическую и магнитную составляющую электромагнитного поля при помощи двух векторов. Благодаря этому он свел двадцать уравнений Максвелла к двум уравнениям, связывающим электрическое поле с изменением магнитного поля во времени, а магнитное поле с изменением электрического поля во времени и с вектором электрического тока. Кроме этих двух уравнений в систему входят еще два уравнения. Одно из них связывает электрическую индукцию с электрическим полем, а второе — магнитную индукцию с магнитным полем.
Из двух первых уравнений следует уравнение, описывающее распространение электромагнитных волн, и уравнение для потока энергии, переносимой электромагнитным полем. Уравнение для потока энергии независимо получили также Н. А. Умов в 1874 году и Дж. Пойнтинг в 1884 году.
Как и большинство ученых в те времена Хэвисайд не ограничивал свои научные интересы одной областью физики. Наибольшую известность от приобрел, выдвинув в 1902 году гипотезу о существовании ионизированного слоя в верхних частях атмосферы. Он назвал этот слой ионосферой. Свойства ионосферы составляют до наших дней предмет исследования многих научных коллективов ввиду их непосредственного влияния на распространение радиоволн. Ионосфера — слои ионизированных газов — обнаружена также в атмосферах планет и Солнца.