3.3. Электромагнитная картина мира

На протяжении всего XIX в. продолжались попытки объяснить электромагнитные явления в рамках механической картины мира. Но это оказалось невозможным: электромагнитные явления слишком отличались от законов механики. Наибольший вклад в формирование электромагнитной картины мира внесли работы М. Фарадея и Д. Максвелла. После создания Максвеллом теории электромагнитного поля стало возможным говорить о появлении электромагнитной картины мира.

Свою теорию Максвелл разработал на основе открытого Фа-радеем явления электромагнитной индукции. Проводя эксперименты с магнитной стрелкой в стремлении разобраться с сущностью электрических и магнитных явлений, Фарадей пришел к выводу, что на вращение магнитной стрелки действуют не электрические заряды, которые находятся в проводнике, а особое состояние окружающей среды, возникшее в месте нахождения магнитной стрелки. Это означало, что во взаимодействии тока с магнитной стрелкой активную роль играет окружающая проводник среда. В связи с этим он ввел понятие поля как множества магнитных силовых линий, пронизывающих пространство и способных определять и направлять (индуцировать) электрический ток. Это открытие привело Фарадея к мысли о необходимости дополнения корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными.

Теория электромагнитного поля Максвелла сводится к тому, изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое в свою очередь вызывает появление магнитного поля. Так в физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. Теория Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике. В соответствии с этой теорией мир стал представляться единой электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Важнейшими понятиями новой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность поля – сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке.

Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую и магнитную силы, называется электромагнитной. Считается, что электрические силы (поле) соответствуют покоящимся зарядам, магнитные силы (поле) – движущимся зарядам. Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики. Они известны как уравнения Максвелла. Это – закон Кулона, который полностью эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона (F= Qq₁ ∙q₂/ R²); магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни конца, магнитных зарядов не существует; электрическое поле создается переменным магнитным полем; магнитное поле может создаваться как электрическим током, так и переменным электрическим полем. Уравнения Максвелла записываются в терминах теории поля. Это позволило единообразно описать стационарные и нестационарные электромагнитные явления, связать пространственные и временные изменения электрического и магнитного полей. Эти уравнения имеют решения, которые описывают электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Из них можно получить решения для совокупности всех волн, которые могут распространяться в любом направлении в пространстве.

Таким образом, были выдвинуты новые как физические, так и философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира. Разумеется, нельзя сказать, что эти изменения были кардинальны, к как они произошли в рамках классической науки. Поэтому новую электромагнитную картину мира можно считать промежуточной, соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механистические представления о мире.

Кардинально изменились представления о материи: корпускулярные идеи уступили место континуальным (полевым) установкам. Отныне совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи. В качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами – электрическими зарядами и волновыми движениями в нем. Расширилось также и понятие движения. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний в поле. Соответственно, законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла.

Электромагнитная картина мира произвела настоящий переворот в физике. Она базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей. Новое понимание сущности материи поставило ученых перед необходимостью пересмотра и переоценки этих основополагающих качеств материи.

3.3.1. Материя и движение. Согласно электромагнитной картине мира материя существует в двух видах – вещества и поля. Они строго разделены, и их превращение друг в друга невозможно. Главное из них – поле, а значит, основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности. Электромагнитное поле распространяется в виде поперечных электромагнитных волн со скоростью света, постоянно захватывая новые области пространства. Заполнение пространства электромагнитным полем нельзя описать на основе законов Ньютона. В электромагнетизме изменение одной сущности (магнитного поля) приводит к появлению другой сущности (электрического поля). Обе эти сущности образуют в совокупности электромагнитное поле. В механике же одно материальное явление не зависит от изменения другого, и вместе они не создают единой сущности.

3.3.2. Пространство и время. В понимании пространства и времени в рамках электромагнитной картины мира первоначально исходили из убеждения, что абсолютное и пустое пространство заполнено мировым эфиром. С неподвижным эфиром ученые пытались связать абсолютную систему отсчета. При этом для объяснения многих материальных явлений эфиру приходилось приписывать необычные свойства, зачастую противоречащие друг другу. Однако создание специальной теории относительности вынудило ученых отказаться от идеи эфира, поскольку эта теория исходила из относительности длины, времени и массы, т. е. их зависимости от системы отсчета. Оказалось, что пространство и время связаны между собой и образуют единый четырехмерный мир. Свойства пространства – времени определяются распределением и движением в нем материи.

3.3.3. Формы физического взаимодействия. До возникновения электромагнитной картины мира в физике было известно только два вида физического взаимодействия – гравитационное и электромагнитное. В рамках этой картины мира оба эти взаимодействия объяснялись исходя из понятия «поле». Это означало, что гравитационное и электромагнитное взаимодействия передаются с помощью поля (промежуточная среда) со скоростью света. Теория электромагнетизма объяснила взаимодействие материальных явлений с помощью электрического заряда. Именно заряд служит мерой электромагнитного взаимодействия. Это взаимодействие проявляет себя как в макромире, так и в микромире. Оно значительно интенсивнее (сильнее) гравитационного.

Электромагнитная картина мира объяснила большой круг физических явлений, непонятных с точки зрения прежней механической картины мира. Однако дальнейшее ее развитие показало, что она имеет ограниченный характер. Главная проблема состояла в том, что континуальное понимание материи не согласовывалось с опытными фактами, подтверждающими дискретность ее многих свойств – заряда, излучения, действия. Оставалась также нерешенной проблема соотношения между полем и зарядом, не удавалось объяснить устойчивость атомов и их спектры, излучение абсолютно черного тела. Все это свидетельствовало об относительном характере электромагнитной картины мира и необходимости ее замены. Поэтому на смену ей пришла новая – квантово-полевая – картина мира, объединившая в себе дискретность механической картины мира и непрерывность электромагнитной картины Мира.