Приключения радиолуча

Родиков Валерий Евгеньевич

В то время в физике господствовала концепция «дальнодействия» — представление о мгновенном воздействии одного тела на другое на расстоянии без помощи какой-либо промежуточной среды. Она утвердилась со времен Ньютона. Полагали, что сила тяжести передается мгновенно на любое расстояние. Уже Ньютону такое предположение виделось рискованным. Как можно представить себе воздействия, распространяющиеся без задержки на фантастические расстояния? Однако работы французских физиков Кулона, Ампера, Био, Савара, Араго в области электричества и магнетизма, основанные на принципе «дальнодействия», составили стройную, математически изящную теорию, которую, казалось, невозможно опровергнуть. Способность

масс, электрических зарядов и магнитов воздействовать друг на друга мгновенно, без посредства среды признавалась свойством самой материи. Считалось, что силы взаимо действия направлены по прямым линиям,, которые можно провести от тела к телу, от одной частицы к другой, причем силы действуют мгновенно, как бы перепрыгивая через расстояния.

Реалисту Фарадею трудно было примириться с «дальнодействием». Он был убежден, что «материя не может действовать там, где ее нет». Ему мыслилась какая-то среда, заполняющая даже пустоту, через которую последовательно от точки к точке передаются электрическое и магнитное воздействия.

Среду эту Фарадей назвал полем. Он считал, что поле пронизано электрическими и магнитными силовыми линиями. Силовые линии не какая-то абстракция. Можно воочию убедиться в их существовании. Вспомните школьные опыты с железными опилками. Если их рассыпать по бумаге, а снизу поднести магнит, то они «нарисуют» нам картину магнитных силовых линий. Кстати, впервые представление о силовой линии появилось у петербургского академика Эпинуса. Потом их использовал немецкий физик Зеебек в работе «О магнетизме электрической цепи» (1822 год). Именно Зеебек проделал опыт с железными опилками, только вместо магнита он взял согнутую в дугу стальную ленту, по которой был пропущен ток.

Нетрудно увидеть наглядно и силовые линии электрического поля, возбуждаемые в окружающем пространстве электрическим зарядом. Если продолговатые частицы какого-либо диэлектрика, то есть вещества, не проводящего ток, взболтать в вязкой жидкости, например в касторовом масле, и поместить их в электрическое поле, то частички сориентируются по направлениям силовых линий. Так поведут себя, например, легкие пробковые крошки.

Созерцание этих картинок наводит на мысль, что и вблизи магнита, и вблизи электрического заряда состояние окружающего их пространства изменено. Пространство перешло в напряженное состояние или, иными словами, как считал Фарадей, в пространстве возникло поле.

Всякое воздействие передается не мгновенно, а через поле — от точки к точке, словно через невидимую жидкость. (Вспомним наши опыты с волнами на пруду.) Такой механизм передачи сил через среду назвали «близкодействием». И он принят современной физикой. Поля стали универсальным ее инструментом.

ВСЕГО ЧЕТЫРЕ СТРОЧКИ

Фарадеевская идея поля пришлась по душе английскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу. Интересно, что он родился всего на несколько месяцев раньше открытия Фарадеем электромагнитной индукции. Максвелл связал воедино электричество и магнетизм, создал теорию электромагнитных волн, на что ему потребовалось около 20 лет.

Итак, какие исходные данные, если выразить их на понятном нам всем языке, послужили основой для новой теории?

Во-первых, в пространстве вокруг неподвижных электрических зарядов существует электрическое поле;

во-вторых, в пространстве, окружающем магнит, есть магнитное поле;

в-третьих, движущиеся электрические заряды, то есть электрический ток, порождают магнитное поле;

в-четвертых, взаимное перемещение магнитного поля и проводника наводит в последнем электричество.

Максвеллу было 24 года, когда он начал свою работу в области электромагнетизма.

В то время (как мы знаем) фарадеевская концепция поля электрических и магнитных силовых линий не принималась всерьез. «Я никак не могу себе представить, чтобы кто-нибудь, имеющий понятие о совпадении, которое существует между опытом и результатами вычисления, основанного на допущении закона дальнодействия, мог хотя бы один момент колебаться, чему отдать предпочтение: этому ясному и понятному действию или чему-то столь неясному и туманному, как силовые линии», — писал один из виднейших физиков того времени королевский астроном Джордж Эйри. Действительно, когда теория имеет Дело с неподвижными зарядами и магнитами, в понятии поля нет особой нужды, хотя силовые линии упрощают решение задач, позволяют обходиться без «высокой» математики, как это делал Фарадей.

В 1864 году Максвелл закончил работу «Динамическая теория поля». В ней он привел знаменитые уравнения, названные впоследствии его именем. Уравнения — начало нового этапа в физике. Они имеют такое же значение для электромагнетизма, как законы Ньютона для механики. Их можно назвать фундаментом физики.

Ведь последующие достижения физики — теория относительности и квантовая механика — включают в себя и законы Ньютона, и уравнения Максвелла.

В 1873 году увидел свет знаменитый двухтомник Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме». Книги содержали все его знания и раздумья об электричестве и магнетизме. Он стремился дать систематическое изложение всего известного о данных явлениях, и так получилось, что его собственные исследования оказались разбросанными в общем потоке текста.

Лишь немногие физики поначалу оценили значение Максвелловой теории электромагнитного поля. Один из них, Людвиг Больцман, восхищенный уравнениями Максвелла, процитировал по их поводу строки из «Фауста»:

Не бог ли эти знаки начертал? Таинственен их скрытый дар! Они природы силы раскрывают…

Всего четыре строчки содержат уравнение Максвелла. Но из этих четырех уравнений вытекают, или, во всяком случае, им не противоречат, любые электрические и магнитные явления. Электромоторы, электрогенераторы, радио, телевидение, локаторы, электробритвы, телефон, линии электропередачи, ЭВМ, трансформаторы, плазма, ускорители заряженных частиц, процессы при управляемом термоядерном синтезе и в глубинах Вселенной… — все, что так или иначе связано с электричеством и магнетизмом, подчиняется уравнениям Максвелла.

Хотя форма записи уравнений кратка и на первый взгляд довольно проста, но чтобы применить их и решить для конкретного случая, нужна подчас высокая инженерная и математическая квалификация, выдумка, интуиция. Тем не менее физический смысл уравнений понятен.

Первое уравнение (нумерация условная) гласит, что электрическое поле образуется зарядами и его силовые линии начинаются и кончаются на зарядах.

Второе уравнение описывает магнитные силовые линии: они не имеют ни начала, ни конца, поскольку свободных магнитных зарядов нет. Это кольцеобразные замкнутые линии.

Казалось бы, магнитные заряды должны существовать. Ведь магнитное поле между полюсами постоянного магнита очень похоже на электрическое поле между двумя разнесенными электрическими зарядами разного знака. Естественно было думать, что магнитное поле имеет свои источники, которые связаны с ним таким же образом, как электрический заряд связан с электрическим полем. Тогда, например, «северный полюс» стрелки компаса был бы местом скопления магнитных «зарядов» одного вида, а на «южном полюсе» был бы избыток зарядов другого вида.