Энциклопедия Кольера - физика природа как взаимодействующие поля

К статье ФИЗИКА Для Ньютона и его современников было вполне естественным спрашивать себя, откуда берется сила гравитации и как она действует. Он понимал, что данный предмет далеко не прост. Ему казалось невероятным, чтобы два тела могли взаимодействовать через разделяющее их абсолютно пустое пространство. В письме Р.Бентли Ньютон писал: "То, что тяготение должно быть внутренне присущим, неотъемлемым и необходимым для материи, так, чтобы одно тело могло действовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства чего-либо еще, представляется мне столь большой нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием дела судить о философских материях, не впадет в нее. Тяготение должно вызываться неким агентом, постоянно действующим по определенным законам; а материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить читателям". Во времена Ньютона такой агент назывался эфиром, и этому представлению предстояло трансформироваться в более утонченное понятие поля. Теория поля заняла центральное место в современной физике - так же как материальный атомистический механизм был центральной концепцией физики предшествующих столетий. Теорий эфира было много, и каждая из них возникла в ответ на необходимость объяснения действия той или иной силы на расстоянии. Так, были эфиры гравитационный, электрический, магнитный и светоносный (последний эфир был гипотетической средой, обеспечивающей распространение света). Под воздействием общефизических представлений своего времени теории эфира приобретали более механистический характер - эфиры были жидкостями, подчинявшимися законам Ньютона или другим аналогичным законам, а передаваемые ими влияния носили характер механического действия. По мере накопления знаний о свете сам свет начали представлять как волновое движение в светоносном эфире, аналогичное распространению звука в воздухе. Впервые эта точка зрения была высказана в 1746 выдающимся математиком Л.Эйлером (1707-1783). Вначале взгляды Эйлера не встретили понимания, поскольку противоречили ньютоновской корпускулярной теории света, но получили признание после двух решающих экспериментальных подтверждений. Первым подтверждением стала интерференция двух наложенных световых пучков от одного и того же источника, при которой совпадение горбов и впадин одной волны с горбами и впадинами другой создает картину, состоящую из светлых и темных пятен. Такие явления были известны со времен Ньютона, систематически же их исследовали с точки зрения волновой теории в 1801 Т.Юнг (1773-1829) и позднее О.Френель (1788-1827). Объяснения интерференции с позиций корпускулярной теории выглядели неуклюже, но их было принято считать верными, и лишь после того, как Юнг в 1817 предложил свое объяснение поляризации света, корпускулярная теория была вынуждена уступить место волновой. Поляризованный свет обладает пространственной направленностью, не свойственной звуку, и это обстоятельство навело Юнга на мысль, что световые волны в отличие от звуковых являются поперечными, т.е. в них, как и в волнах на воде, колебания происходят поперек направления их распространения (а не вдоль, как в звуковых, продольных волнах). Волновая теория света объясняет все известные явления интерференции и поляризации, но поиски механической модели, которая сделала бы ее понятной, столкнулись с непреодолимыми трудностями. Проблема в том, что эфир как физическая субстанция должен быть достаточно плотным, чтобы свет мог распространяться по нему с огромной скоростью, но все же не слишком плотным, чтобы мешать движению планет и других объектов. К тому же эфир должен обладать некоторой упругостью - поперечные волны могут распространяться в желе, но не в воде. (Наблюдаемые нами волны на воде распространяются только по ее поверхности.) Ныне трудно себе представить, что идея механического эфира могла восприниматься столь серьезно, но так уж сильна была власть ньютоновского механицизма, что понадобились колоссальные интеллектуальные усилия, чтобы окончательно его отбросить. Между тем формировалась новая концепция. На М.Фарадея, занимавшегося изучением магнетизма, сильное впечатление произвели картины, образуемые железными опилками на листке бумаги вблизи полюсов магнита. Опилки выстраивались в линии, и Фарадей установил, что их направление в каждой точке совпадает с направлением силы, создаваемой в этой точке магнитом. Попадая в области более или менее интенсивного магнитного поля, линии всегда сходились в пучок или, наоборот, расходились, и Фарадей догадался, что они дают видимую картину чего-то, что и в их отсутствие реально существует в пространстве вблизи полюсов магнита. Это "что-то" получило название поля. Фарадей заключил, что поле состоит из "магнитных силовых линий"; позднее он обнаружил существование аналогичных электрических силовых линий и в 1846 высказал предположение, что свет - это поперечные колебания, распространяющиеся вдоль силовых линий. Гипотеза Фарадея была первым предвосхищением установленной впоследствии тесной связи между светом, с одной стороны, и электричеством и магнетизмом - с другой. Заслуга создания теории электромагнитного поля, как его стали называть, в основном принадлежит Дж.Максвеллу (1831-1879). В 1856, будучи научным сотрудником Тринити-колледжа в Кембридже, Максвелл начал работать над созданием механической теории электрического и магнитного полей, намереваясь выразить точным математическим языком идеи Фарадея. К 1861 Максвелл создал весьма сложную, но многообещающую картину эфира как текучей среды, передающей некоторые напряжения и допускающей сложные вихревые движения. Исходя из таких наглядных представлений, он вывел систему дифференциальных уравнений, связывающих различные компоненты электрического и магнитного полей. Уравнения описывали как статические явления, например кулоновские электрические и магнитные взаимодействия, так и динамические, например, открытые Фарадеем. Кроме того, уравнения Максвелла позволили предсказать новую взаимосвязь между электрическим и магнитными полями - их согласованное распространение в виде поперечных волн со скоростью 306 000 км/с. К тому времени уже было известно, что свет распространяется примерно с такой же скоростью, а эксперименты Физо (1849) дали значение, весьма близкое к полученному Максвеллом. Это замечательное согласие говорило о том, что Максвеллу удалось построить столь давно ожидаемую теорию света и к тому же объяснить все электрические и магнитные явления. Оправдалось пророческое замечание Фарадея (1851): "Если эфир существует, то, вероятно, передача излучений не есть его единственное назначение". Теория Максвелла наряду с теорией Бора явилась высшим достижением механистического подхода. Сегодня мы видим в его теории электромагнитного поля две стороны. Изящные симметричные уравнения, которые и поныне считаются корректными и полными, сопровождает неуклюжая концепция эфира, призванная эти уравнения объяснить. В 1864 Максвелл представил уточненный вариант своей теории Королевскому обществу. Эфир входил в эту теорию неявно, как фон для физических соотношений электромагнитного поля, но был лишен всех свойств, кроме тех, которые следовали из самих полевых уравнений. Однако крупнейших физиков того времени, в том числе Кельвина и Гельмгольца, теория Максвелла не убедила, и Кельвин, доживший до 1907, так и не признал ее. Многие же физики более молодого поколения приняли теорию Максвелла, и основную роль здесь сыграли эксперименты Г.Герца (1857-1894), который впервые осуществил генерацию и прием электромагнитных волн. Эксперименты Герца не только подтвердили теорию Максвелла, но и заложили основы радиотехники. Теория Максвелла привела к самым большим теоретическим продвижениям в физике со времен Ньютона. Максвелл пришел в физику, когда в ней господствовали идеи движущихся центров силы, а покинул ее, заложив основы представления о поле, которое проявляется в том, что оказывает силовое воздействие на вещество, а также переносит энергию. Последнее обстоятельство более всего наполняет поле реальностью: без труда можно представить, что электрические заряды создают силы, действующие на другие заряды на расстоянии, но если один материальный объект дает вспышку излучения, которое впоследствии поглощает другой объект, то закон сохранения энергии будет нарушен, если не принять, что за время от испускания до поглощения излучения энергия распространяется в форме поля. Сегодня физика в основном занята изучением взаимодействующих полей, одним из которых является поле Максвелла. Все эти поля распространяются в виде волн, но не в какой-либо среде, как звуковые волны в воздухе, а просто как волны поля. Пример старшего поколения ученых, долго относившегося к идее таких "бестелесных" волн с недоверием, как к некой мистификации, в очередной раз напоминает нам о трудностях становления подлинно новых научных идей. Принципы относительности. Одна из наиболее характерных особенностей любого физического поля - то, в каком виде оно предстает перед наблюдателем. Например, покоящийся электрический заряд создает чисто электрическое поле. Но если заряд движется относительно наблюдателя или, что эквивалентно, если наблюдатель движется относительно заряда, то поле оказывается отчасти и магнитным. То же самое можно сказать о поле, создаваемом магнитом, и мы приходим к заключению, что разграничение электрического и магнитного полей существует только в некой определенной системе отсчета. Если же мы выберем новую систему отсчета так, чтобы она двигалась относительно старой, то граница сгладится - чисто электрическое поле приобретет магнитную компоненту, а чисто магнитное - электрическую. На этот счет к 1900 были известны два положения. Во-первых, уравнения Максвелла описывают ситуацию в целом правильно. Во-вторых, если речь идет только о самом явлении, то существенно лишь относительное движение наблюдателя и объекта наблюдения. Эта истина, так называемый принцип относительности, воплощена в законе инерции Галилея и пронизывает всю схему механики Ньютона. В конце 19 в. физики, к своему удивлению, обнаружили, что эти два положения математически не согласуются между собой и что можно утверждать либо одно, либо другое, но не то и другое одновременно. Теория эфира предлагала такой выход: электрический заряд, покоящийся в эфире и измеренный движущимся наблюдателем, не эквивалентен движущемуся заряду для неподвижного наблюдателя. А.Пуанкаре