Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Для того чтобы уравнения были верны, кажется, невозможно рассматривать отдельно электрическое или магнитное поле. Оба они всегда присутствуют вместе, действуя под определенным углом друг к другу, поэтому можно говорить о существовании единого электромагнитного поля.

Далее, рассматривая возможность применения своих уравнений, Максвелл обнаружил, что изменяющееся электрическое поле должно производить изменяющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, должно производить меняющееся электрическое поле, и т. д.; таким образом, они чередуются, и поле распространяется наружу во всех направлениях. Результатом этого является излучение, обладающее волновыми свойствами. Короче, Максвелл предсказал существование электромагнитных волн, имеющих частоту, равную той, с которой сжималось и расширялось электромагнитное поле.

Максвеллу удалось даже рассчитать скорость, с которой должна двигаться такая электромагнитная волна. Он сделал это, приняв во внимание отношение определенных значений в уравнениях, описывающих силы, действующие между электрическими зарядами и между магнитными полюсами. В результате он получил значение — около 300 000 километров в секунду — значение скорости света, и Максвелл не мог счесть это всего лишь совпадением. Электромагнитное излучение оказывалось не теоретическим понятием его уравнений, а реально существующим явлением. Свет и должен являться электромагнитным излучением[111].

Уравнения Максвелла послужили нескольким общим целям. Во-первых, для картины «вселенной полей» они стали тем же, чем законы Ньютона для картины «механической Вселенной». На самом деле Максвеллу его уравнения удались даже лучше, чем Ньютону его законы. Последние оказались лишь приблизительными, верными лишь для низких скоростей и коротких расстояний. Чтобы применяться более широко, им требовались уточнения, которые предоставила эйнштейновская теория относительности. Уравнения же Максвелла пережили все перемены, внесенные теорией относительности и квантовой теорией; в свете нового знания они оказались такими же верными, как и век назад, когда были выведены.

Во-вторых, уравнения Максвелла, в сочетании с позднейшим развитием квантовой теории, вроде бы наконец-то дали нам удовлетворительное объяснение природы света (именно этот вопрос занимает большую часть этой книги и является ее главной темой). Ранее (см. гл. 8) я писал, что, даже если приписать свету частицеобразные свойства, все равно у него остаются и волнообразные свойства, и задавал вопрос, что же может быть их причиной. Как мы видим теперь, эти волнообразные свойства являются вибрацией электромагнитного поля. Электрическая и магнитная составляющие этого поля направлены под правильным углом друг к другу, а вся волна в целом движется в направлении под правильным углом к обеим составляющим.

Максвеллу, придерживавшемуся теории эфира, казалось, что к вибрации электромагнитного поля приводили волнообразные искажения эфира. Однако уравнения Максвелла превзошли даже своего творца. Теория эфира ушла в прошлое, а электромагнитные волны остались, поскольку теперь вибрацию поля можно представлять как вибрационные изменения в геометрии пространства, что не требовало присутствия материи. Больше не требовалось, чтобы для создания световых волн что-либо колебалось.

Из четырех явлений, которые со времен Ньютона считались примерами воздействия на расстоянии, как минимум три оказались благодаря уравнениям Максвелла разными гранями одного и того же явления. Электричество, магнетизм и свет были объединены в единое электромагнитное поле. Только сила гравитации не была в него включена. Учитывая важную разницу между гравитацией и электромагнетизмом, Максвелл не стал пытаться включить в свои уравнения и гравитационное поле. После его смерти такие попытки предпринимались, в частности, это делал Эйнштейн во второй половине жизни.

Однако выводы Эйнштейна в общем не были приняты физиками, и вопрос о «единой теории полей» пока остается открытым.

Максвелл считал, что процессы, приводящие к электромагнитному излучению, могут служить и для порождения волн любой частоты, а не только световых и близких к ним ультрафиолетовых и инфракрасных. Он предсказал, что электромагнитное излучение, во всем похожее на свет, может существовать на всех частотах ниже и выше световых.

К сожалению, Максвелл не дожил до подтверждения своего прогноза, поскольку умер от рака в 1879 году достаточно рано — ему было 48 лет. Только 9 лет спустя, в 1888 году, немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857–1894) обнаружил электромагнитное излучение с очень низкой частотой — излучение, которое мы сейчас называем радиоволнами. Это полностью совпало с предположениями Максвелла и было принято как подтверждение его уравнений. В 1895 году другой немецкий физик, Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923), открыл электромагнитное излучение с очень высокой частотой, мы теперь называем это рентгеновскими лучами.

Последние 20 лет XIX столетия оказались также временем фундаментального прогресса в изучении электричества. Электрический ток пропускали через частичный вакуум, и электроны, вместо того чтобы оставаться скрытыми в металлической проводке или привязанными к перемещающимся атомам и группам атомов в растворе, проявили себя в качестве самостоятельных частиц.

Изучение новых частиц и излучений произвело фактическую революцию в физике и технологии электричества — столь яркую, что о ней говорят как о второй научной революции (первой принято называть ту, которая началась с Галилея).

И именно о второй научной революции и пойдет речь в III части этой книги.

В первых частях книги я рассказывал о тех разделах физики, где можно было пренебречь внутренней структурой вещества. В частности, я говорил о гравитации. Любое небесное тело, обладающее такой же массой, как Земля, будет иметь такую же, как и у Земли, силу притяжения независимо от того, из чего это тело состоит. Более того, когда мы изучаем законы гравитационного взаимодействия тел, нам даже нужно пренебречь внутренней структурой этих тел. Например, кирпич — это единое целое, и перемещается он как единое целое, поэтому при изучении перемещения кирпича нам не важен его состав. Можно вывести очень важные законы электромагнитных волн, наблюдая за увеличением заряда на конце пробки или исследуя магнитное поле постоянного магнита, и для этого совсем не обязательно изучать внутреннюю структуру самого магнита. Даже тепло можно принять за некую невидимую жидкость[112], перетекающую от одного предмета к другому, и на основе этого выявить законы термодинамики.