Электродинамика. Скорость света

 

Изменить представление о пространстве и времени решающим образом стало возможным только после успехов в исследовании природы электричества и магнетизма. Пропуская имена ряда замечательных ученых, совершивших открытия в этой области, остановимся на теоретических результатах английского математика и физика шотландского происхождения Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879), рис. 4.2. Немного фактов его биографии. Отец Джима был членом адвокатской коллегии, владел поместьем в Южной Шотландии, мать была дочерью судьи Адмиралтейского суда и умерла, когда сыну было 8 лет. Сначала, когда нужно было начинать обучение, приглашали учителей на дом, но хороших найти не удалось. Поэтому отец отправил сына в Эдинбургскую академию.

Затем Джеймс поступает в Эдинбургский университет и успешно заканчивает его, а в 1850 году уезжает в Кембридж, несмотря на недовольство отца. О его напряженном режиме учебы, который, видимо, он сам себе устроил, свидетельствует следующий факт. После получения сообщения об обязательном посещении утреннего богослужения в Кембриджском университете он сказал: «Я в это время только ложусь спать».

Получив степень бакалавра, Максвелл остается в Тринити‑колледже работать преподавателем. В этот период он занимается проблемой цветов, геометрией, электричеством. В 1854 году в письме одному из друзей Джеймс заявил о намерении «атаковать электричество». Это удалось – вскоре был опубликован труд «О фарадеевых силовых линиях» – одна из трех самых крупных работ

Максвелла. Главный труд этого периода жизни ученого – создание теории цветов. Он экспериментальным путем показал, как смешиваются цвета. Эти исследования впоследствии легли в основу цветной фотографии. Спустя сто лет компания «Кодак» доказала, что Максвеллу тогда просто повезло – его способом получить зеленое и красное изображения было нельзя, эти цвета образовались случайно. Тем не менее принципы все же были правильными.

Рис. 4.2. Джеймс Максвелл

 

В последующие годы он занимается расчетом движения колец Сатурна и издает трактат «Об устойчивости движения колец Сатурна». Затем разрабатывает кинетическую теорию газов. Уже после этого Максвелл сосредотачивается на исследовании электромагнетизма. Публикуются работы «О физических силовых линиях» и «Динамическая теория электромагнитного поля». С этого времени и до конца своей жизни ученый работает над проблемами электрических измерений. В 1873 году выходит главный труд всей его жизни – двухтомник «Трактат по электричеству и магнетизму».[2]

Одно из основных открытий состоит в том, что была установлена взаимосвязь электричества и магнетизма. Основываясь на результатах и идеях предшественников, Максвелл использовал и развил понятие поля. Согласно его теории каждая заряженная частица окружена полем – невидимым ореолом. Поле обладает силовой характеристикой – напряженностью – и тем самым воздействует на заряженные частицы, находящиеся в нем. Таким образом, одна заряженная частица через свое поле действует с некоторой силой на другие заряженные частицы.

Конечно, такие взгляды на природу взаимодействия отличаются от корпускулярной модели Декарта. Они отличаются и от точки зрения Ньютона на концепцию тяготения. Ньютон считал, что притяжение определяется силой прямого взаимодействия между разделенными пространством массами.

Хотя в нашем понимании это остается вопросом интерпретации. Силе Ньютона можно точно так же приписать потенциал, который представляет собой не что иное как поле. Разница будет в том, что, в отличие от электромагнитного взаимодействия, распространяющегося со скоростью света, гравитационное взаимодействие по Ньютону должно распространяться мгновенно (с бесконечной скоростью).

Самым интересным из результатов Максвелла для нас является следующее. Из уравнений электромагнитного поля следует, что движение заряженных частиц должно порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью света c = 300 000 км/с. Эти волны могут иметь любую длину – расстояние между двумя соседними гребнями волны.

По длине электромагнитные волны разделяются на разные диапазоны. Свет – это электромагнитная волна с довольно короткой длиной волны, у ультрафиолетового, рентгеновского и гамма‑излучения длина волны еще короче, у инфракрасного, микроволнового и радиоизлучения – длиннее. Сегодня мы имеем возможность регистрировать электромагнитные волны длиной от 10^–12 м до многих километров.

Рис. 4.3. Схема измерений Рёмера

 

Впервые скорость света была определена датским астрономом Оле Рёмером (1644–1710) в 1676 году. Он анализировал нерегулярность видимых затмений спутника Юпитера Ио.

Было обнаружено, что выход Ио из тени Юпитера наблюдается со все большим запаздыванием по мере удаления Земли от орбиты Юпитера. Рёмер связал это с тем, что свет имеет конечную скорость, и поэтому для его достижения Земли каждый раз требуется разное время (рис. 4.3). А тогда, зная разность расстояний для разных моментов появления Ио и наблюдаемое время запаздывания, можно определить скорость преодоления светом этого дополнительного расстояния. Скорость по данным Рёмера оказалась равной 215 000 км/с. Вполне приличная по тем временам точность.

 

Эфир

 

Тонкий по природе эфир ни с чем не смешивается, хотя и проникает всюду.

Кришна «Бхагавадгита как она есть»

 

Наш повседневный опыт, а также опыт научных достижений XIX века, не допускает распространения каких‑либо колебаний без среды. То, что мы видим чуть не каждый день – это волны на поверхности воды. Звуковые волны представляют собой распространение уплотнений и разрежений в воздухе. Теория электромагнетизма не включает такого понятия, как некая специальная среда, в которой распространяются электромагнитные волны. Уравнения вполне справедливы и для вакуума. Поэтому Максвелл вернулся к старой идее о существовании эфира, заполняющего пространство. Именно эфиру отводилась роль носителя электромагнитных волн. Система отсчета, связанная с неподвижным эфиром, отождествлялась с абсолютным пространством, идея которого, в свою очередь, получила новую неожиданную поддержку.

Естественно, не заставили себя ждать попытки найти экспериментальное подтверждение существования эфира. Если таковой существует, то Земля, двигаясь сквозь него со скоростью 30 км/с (скорость движения по орбите вокруг Солнца), должна испытывать воздействие эфирного ветра. Как обнаружить это воздействие? Обычно приводят в пример эксперимент Майкельсона – Морли. На рис. 4.4 приведена его схема.

Рис. 4.4. Схема эксперимента Майкельсона‑Морли

 

Предположим, что направление луча, испущенного источником, соответствует движению Земли по орбите, тогда в этом направлении должен «дуть» эфирный ветер. Свет из источника разделяется пластиной на луч, который отражается в направлении перпендикулярном движению, и луч, направление которого не изменилось. Затем лучи отражаются от зеркал и в конечном итоге встречаются на детекторе. Геометрические пути лучей одинаковы. Как рассчитать распространение луча? Если свет распространяется в среде (эфире), то в поперечном направлении нужно учитывать только скорость света в эфире, а в продольном направлении, следуя преобразованиям Галилея, скорости «ветра» и света нужно складывать, а после отражения – вычитать. Тогда окажется, что луч в направлении движения Земли запоздает, и это должно быть зарегистрировано на детекторе.

Впервые эксперимент был поставлен американским физиком Альбертом Майкельсоном (1852–1931) в 1881 году и повторен им на усовершенствованной установке совместно с Эдвардом Морли (1838–1923). Точность эксперимента в несколько раз превосходила ожидаемый результат, но эффект не был зарегистрирован. Многократные попытки в последующие десятилетия на усовершенствованных приборах так и не привели к успеху. Зарегистрировать наличие эфира не удалось.

Итак, пришлось смириться с тем, что эксперимент Майкельсона и Морли не в состоянии выявить факт движения Земли относительно эфира. Однако теоретические попытки спасти концепцию эфира продолжались.

Голландский физик Хендрик Лоренц (1853–1928) и ирландский ученый Джордж Фицджеральд (1851–1901) независимо друг от друга попытались объяснить, почему не удалось зарегистрировать эфир. Вспомним, что для расчета в опыте Майкельсона – Морли существенным образом используются преобразования Галилея, которые по сути своей очень просты. Теперь же выдвигалась гипотеза, что в результате движения сквозь эфир уменьшается длина вдоль движения и замедляется ход часов. Эти преобразования устраиваются как раз так, что движение относительно эфира остается незамеченным. Подводя итог на тот период, замечательный французский математик Жюль Анри Пуанкаре (1854–1912) отмечал, что если преобразования Лоренца (как их стали называть с его подачи) верны, то эфир, если он и существует, все равно не доступен наблюдению. А поскольку вопрос о существовании или отсутствии эфира не удается решить, то остается рассматривать только относительные (не абсолютные) движения.

Но если сохранить наличие эфира в принципе, то возникает другая проблема. В силу принципа относительности Галилея законы механики Ньютона имеют один и тот же вид и верны во всех инерциальных системах отсчета. Для электродинамики Максвелла это правило не выполняется, поскольку ее уравнения существенным образом содержат скорость света. Действительно, если использовать преобразования Галилея, то скорость света должна быть разной в разных инерциальных системах отсчета, а это недопустимо для уравнений Максвелла. С другой стороны, они оказались инвариантными относительно преобразований Лоренца!

Таким образом, на рубеже XIX и XX веков возникла критическая ситуация в понимании места механики и электродинамики в общей физической картине мира. Теоретические и опытные данные вступили в противоречие. Эта ситуация требовала разрешения.

 

 

Глава 5