Квинтэссенция. Книга первая
Шрифт:
Прибыв в Бонн, Герц возобновил свои теоретические исследования в области электромагнетизма, а в апреле 1891 года, когда его ассистентом стал Ф. Ленард, Герц снова начал, вместе с ним, исследовать свойства электрических разрядов в газах. Оба направления развивались быстро и успешно.
Вместе с Ленардом Герц открыл, что катодные лучи способны проникать через тонкие слои металла. Это исследование лежит за пределами нашей темы. Заметим лишь, что в 1905 году после смерти Герца, Ленард получил Нобелевскую премию за «… работу в области катодных лучей».
Ленард внес заметный вклад
Но возвратимся к более интересной теме.
Герц снова глубоко проанализировал Максвеллову электромагнитную теорию. Он еще раз подчеркнул, что она полностью изгнала возможность дальнодействия из всего многообразия электрических и магнитных явлений. Он, по-видимому, первым указал на то, что развитие науки непременно приведет к отказу от дальнодействия и в явлениях гравитации.
В 1890 году Герц опубликовал итоги своих исследований в области электродинамики. Их главный итог — преобразование уравнений Максвелла в компактную векторную форму. Она придала теории Максвелла не хватавшую ей наглядность.
С тех пор физики приняли теорию Максвелла в качестве орудия исследования природы. Электродинамика Максвелла предстала перед ними в качестве мощного завершенного фундамента науки, не уступающего по значению механике Ньютона.
Теория Максвелла в ее оригинальной форме и в более компактной векторной записи имела одно ограничение, казавшееся большинству физиков несущественным. Ее уравнения применимы только к материальным телам, неподвижным относительно эфира. В свою очередь в эфире существуют электрические и магнитные поля и распространяются электромагнитные волны.
Фарадей считал, что электрические и магнитные поля следует представлять себе в виде электрических или магнитных силовых линий натяжения эфира. При перемещениях электрических зарядов или изменениях силы и конфигурации магнитных полей соответствующие силовые линии перемещаются в эфире. Силовые линии могут возникать и исчезать вместе с электрическими и магнитными полями.
Эта картина возникла перед умственным взором Фарадея, когда он обдумывал и воспроизводил опыты Кулона и Ампера, опыт Эрстеда и проводил свои опыты с электромагнитной индукцией.
Фарадей считал, что если во время опыта заряженные тела или магниты перемещаются в пространстве, вслед за ними движутся и силовые линии.
Уравнения Максвелла связывают изменения в пространстве одних электрических и магнитных величин с изменениями во времени других. Особенно четко это видно из уравнений Максвелла, преобразованных Хевисайдом и Герцем в более компактную форму. Например, первое уравнение связывает изменение в пространстве электрического поля с изменением во времени магнитного поля. Соответственно второе уравнение связывает пространственное изменение магнитного поля с изменением во времени электрического поля и тока смещения.
Правда, второе уравнение показывает, что изменение магнитного поля в пространстве зависит
Обдумывая эти свойства теории Максвелла и особенности уравнений, описывающих содержание теории, Герц поставил перед собой вопрос: как нужно видоизменить или пополнить теорию и ее уравнения для того, чтобы они могли описать электромагнитные процессы в движущихся телах?
Академик Л. И. Мандельштам в своих лекциях говорил: «При этом надо было помнить, с одной стороны, об оптических вопросах, а с другой — о том, что вся электротехника основана на движении одних тел относительно других (динамомашины, моторы)».
Герц исходил из того, что теория, охватывающая электрические и магнитные явления, происходящие в движущихся телах, не должна противоречить механике Ньютона. Это значит, что ее следует строить так, чтобы она удовлетворяла принципу относительности. (Речь идет о принципе относительности Галилея, единственном принципе относительности, известном в то время.)
С другой стороны, теория, справедливая для тел, движущихся произвольно, и ее уравнения должны, при уменьшении скорости движения до нуля, переходить в теорию и уравнения Максвелла.
Герц избрал самый простой путь. Он временно отказался от рассмотрения оптических явлений. Вероятно, он интуитивно чувствовал, что при околосветовых скоростях возникают осложнения. Может быть, он проводил прикидочные оценки. Он не писал об этом.
Для того, чтобы уравнения Максвелла сохраняли свой вид и в движущихся телах, Герц предположил, что эфир, находящийся внутри тела, полностью увлекается им. Иными словами, эфир, находящийся внутри материального тела, перемещается вместе с ним.
Если не сделать этого предположения, то возникает неприемлемая, с точки зрения Герца, ситуация: невозможно одновременно удовлетворить принципу относительности Галилея и осуществить переход к уравнениям Максвелла для покоящихся тел.
Уравнения, написанные Герцем с учетом полного увлечения эфира, удовлетворяют не только принципу относительности Галилея, но сохраняют свой вид при любом ускорении и вращении тела.
Казалось, что поставленная цель достигнута. Но Герц обнаружил, что при попытках применения полученных им уравнений к оптическим явлениям в движущихся телах, получались результаты, противоречащие опыту.
Аналогичная проблема возникала и раньше в механической теории эфира. Френель считал эфир неподвижным, а все материальные тела движущимися сквозь эфир или неподвижными. Но после того, как был проведен опыт Физо, позволивший обнаружить изменение скорости света в движущейся жидкости, Френель был вынужден ввести гипотезу о частичном увлечении эфира движущимся веществом.
Трудности возникали и при толковании опытов, имевших целью обнаружить влияние движения Земли на оптические явления. Все опыты давали отрицательные результаты. Это побудило Стокса предположить, что светоносный эфир полностью увлекается Землей и участвует в ее движении.