3.10. Электромагнитная концепция

Развитие концепции поля. В классическом представлении различа-

ют два вида материи: вещество и физическое поле. К первому из них от-

носятся атомы, молекулы и все состоящие из них материальные объекты,

структура и форма которых весьма разнообразны. Физическое по-

ле — особая форма материи. К настоящему времени известно несколько

видов физического поля: электромагнитное, гравитационное, поле ядер-

ных сил и волновые (квантовые) поля, соответствующие различным эле-

ментарным частицам. Рассмотрим более подробно электромагнитное

поле. Именно для него английский физик-самоучка М. Фарадей

(1791—1867) в 30-е годы XIX в. впервые ввел понятие поля. Наука о

свойствах и закономерностях проявления в различных средах и в вакууме

электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимо-

действие между электрически заряженными телами, называется электро-

динамикой.

Среди четырех видов фундаментальных взаимодействий — гравита-

ционного, электромагнитного, сильного и слабого — электромагнитное

взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию прояв-

лений. Например, силы упругости, трения и т. д. имеют электромагнит-

ную природу. Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окру-

жающие нас предметы и тела, так как свет — одна из форм электромаг-

нитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной приро-

ды. Живые существа и в том числе человек, как показывают полеты

космонавтов, способны длительное время находиться в состоянии неве-

сомости, т. е. без ощутимого действия сил всемирного тяготения. Однако,

если на мгновение прекратилось бы действие электромагнитных сил, то

сразу исчезла бы и жизнь. Строение атомных оболочек, объединение ато-

мов в молекулы (химическая связь) и образование из вещества тел раз-

личной формы определяются исключительно электромагнитным взаимо-

действием.

К созданию электромагнитной теории поля привела длинная цепь

случайных открытий и планомерных кропотливых исследований, начи-

ная с обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать

легкие предметы и кончая предложенной во второй половине XIX в. анг-

лийским физиком Дж. Максвеллом идеи о порождении магнитного поля

переменным электрическим полем. Разработанная Максвеллом электро-

магнитная теория поля способствовала систематическому исследованию

электромагнитных явлений, первым важнейшим результатом которого

было изобретение радио выдающимся русским физиком и электротехни-

ком А.С. Поповым (1859—1906). При развитии электромагнитной теории

поля многие научные исследования предшествовали техническим приме-

134

нениям. Если паровая машина была построена задолго до создания тео-

рии тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель или радио-

приемник оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов

электродинамики. Практическое применение многих электромагнитных

устройств, несомненно, привело к неизбежному и существенному преоб-

разованию различных сфер деятельности человека и развитию цивилиза-

ции.

Концепции дальнодействия и близкодействия. Утверждению по-

нятия поля в значительной мере способствовало стремление осознать

дальнодействующий характер электрических сил и сил тяготения. Сразу

после открытия И. Ньютоном закона всемирного тяготения, а затем, при-

мерно через сто лет, и закона Кулона, описывающего взаимодействие за-

ряженных тел, возникли вопросы в большей степени философского со-

держания: почему физические тела, обладающие массой, действуют друг

на друга на расстояниях, даже на огромных, через пустое пространство, и

почему заряженные тела взаимодействуют даже через электрически ней-

тральную среду? До введения понятия поля не было удовлетворительных

ответов на данные вопросы.

Долгое время считалось, что взаимодействие между телами

передается непосредственно через пустое пространство, которое не при-

нимает в нем участия, и передача взаимодействия происходит мгновенно.

Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия,

впервые предложенной французским математиком, физиком и филосо-

фом Рене Декартом. Многие ученые были ее сторонниками вплоть до

конца XIX в., хотя, например, И. Ньютон считал невероятным и даже не-

возможным мгновенное взаимодействие тел.

Экспериментальные исследования электромагнитных явлений пока-

зали несоответствие концепции дальнодействия физическому опыту.

Кроме того, эта концепция противоречила постулату специальной теории

относительности: скорость передачи взаимодействия тел ограничена и не

должна превышать скорости света в вакууме. Опыты показали, что взаи-

модействие электрически заряженных тел происходит не мгновенно, а в

течение вполне определенного времени. Каждая электрически заряжен-

ная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие заря-

женные частицы, т.е. взаимодействие передается через «посредни-

ка» — электромагнитное поле. Скорость распространения электромаг-

нитного поля не превышает скорости света в вакууме. В этом заключа-

ется концепция близкодействия. Она правомерна не только для электро-

магнитных, но и других видов взаимодействий. Согласно этой концеп-

ции, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или

иных полей (например, тяготение — посредством гравитационного

поля), непрерывно распределенных в пространстве.

135

В рамках классической физики дискретные и непрерывные свойства

материи взаимопротивоположны и независимы друг от друга. И только

развитие электромагнитной концепции поля позволило понять их диалек-

тическое единство. В современной квантовой теории такое единство про-

тивоположностей дискретного и непрерывного нашло обоснование в

концепции корпускулярно-волнового дуализма.

С развитием квантовой теории поля представление о взаимодействии

принципиально изменилось: любое поле является не непрерывным, а дис-

кретным. Например, электромагнитное взаимодействие в квантовой тео-

рии поля является результатом обмена частиц фотонами — квантами

электромагнитного поля. Аналогично другие виды взаимодействия обу-

словливаются обменом квантами соответствующих полей. Так, в грави-

тационном взаимодействии, как предполагается, принимают участие гра-

витоны.

Согласно полевой концепции, участвующие во взаимодействии час-

тицы создают в окружающем их пространстве особое состояние — поле

сил, проявляющееся в силовом воздействии на другие частицы, помещен-

ные в такое пространство. Первоначально выдвигалась механическая ин-

терпретация поля как упругих напряжений гипотетической среды —

«эфира». Теория относительности, отвергнув «эфир» как особую упру-

гую среду, вместе с тем придала фундаментальный смысл понятию

поля как первичной физической реальности.

В современной квантовой физике на роль «эфира» претендует новый

вид материи — физический вакуум, — впервые введенный одним из соз-

дателей квантовой теории поля английским физиком П. Дираком. Хотя

физический вакуум непосредственно не наблюдается (он прозрачен для

электромагнитных излучений и не оказывает никакого сопротивления

движению материальных частиц и тел), но все же он может проявляться

при взаимодействии с ним тех же частиц или электромагнитных волн

(гамма-квантов), обладающих достаточно большой энергией. В истории

физики за последние 300 лет предложены по крайней мере четыре разные

концепции «эфира»: абсолютное пространство Ньютона, светоносный

эфир Гюйгенса, гравитационный эфир Эйнштейна и физический вакуум

Дирака. Насколько оправдается предположение физиков о существова-

нии в природе особой среды — физического вакуума, покажет будущее.

Сущность электромагнитной теории Максвелла. В 60-х годах

XIX в. английский физик Дж. Максвелл, развивая представление Фара-

дея об электромагнитном поле, создал теорию электромагнитного

поля — первую завершенную теорию поля. Она описывает только элек-

трическое и магнитное поля и весьма успешно объясняет многие электро-

136

магнитные явления. Полезно напомнить некоторые основные идеи, лежа-

щие в основе этой теории, и вытекающие из нее выводы.

Согласно закону Фарадея, любое изменение магнитного потока при-

водит к возникновению электромагнитной индукции, характеризующей-

ся электродвижущей силой (ЭДС). Электромагнитная индукция возника-

ет только тогда, когда на носителей электрического тока действуют сто-

ронние силы, т.е. силы не электростатического происхождения. Какова

же природа сторонних сил? Опыт показывает, что сторонние силы не свя-

заны ни с тепловыми, ни с химическими процессами; их возникновение

нельзя объяснить наличием сил Лоренца. В этой связи Дж. Максвелл

предположил: всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружаю-

щем пространстве электрическое поле, которое и является причиной воз-

никновения индукционного тока в контуре. Оказывается, контур, в кото-

ром возникает ЭДС, играет второстепенную роль, выполняя функцию

своеобразного «прибора», обнаруживающего это поле. Электрическое

поле, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, явля-

ется вихревым.

Согласно Максвеллу, если переменное магнитное поле возбуждает в

пространстве вихревое электрическое поле, то возможно и обратное: из-

менение электрического поля должно вызывать появление в окружаю-

щем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количе-

ственных соотношений между изменяющимся электрическим полем и

вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так на-

зываемый ток смещения, обладающий способностью создавать в окру-

жающем пространстве магнитное поле. Ток смещения в вакууме не свя-

зан с движением зарядов, а обусловливается только изменением элек-

трического поля во времени и вместе с тем возбуждает магнитное

поле — в этом заключается принципиально новое утверждение Мак-

свелла.

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического

поля могут быть электрические заряды и изменяющиеся во времени маг-

нитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться движущимися элек-

трическими зарядами (электрическими токами) и переменными электри-

ческими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно

электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе су-

ществуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

В стационарном случае, когда электрическое и магнитное поля не из-

меняются во времени, источниками электрического поля могут быть

только электрические заряды, а источниками магнитного — только токи

проводимости. При этом электрическое и магнитное поля независимы

друг от друга, что и позволяет изучать отдельно постоянные электриче-

ские и магнитные поля.

137

Уравнения Максвелла — общие уравнения для электрических и маг-

нитных полей. В электромагнетизме они играют такую же роль, как зако-

ны Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что перемен-

ное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим по-

лем, а переменное электрическое поле — с порождаемым им магнитным,

т.е. электрическое и магнитное поля неразрывно взаимосвязаны и образу-

ют единое электромагнитное поле.

3.11. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

Развитие представлений о свете. Теория Максвелла как обобщение

основных законов электрических и магнитных явлений не только объяс-

нила многие уже известные к тому времени экспериментальные результа-

ты, но и предсказала новые явления, например существование электро-

магнитных волн — переменного электромагнитного поля, распростра-

няющегося в пространстве с конечной скоростью. В дальнейшем было

доказано, что скорость распространения свободного электромагнитного

поля (не связанного с зарядами и токами) в вакууме равна скорости света.

Этот вывод и теоретическое исследование свойств электромагнитных

волн привели к созданию электромагнитной теории света, в соответствии

с которой свет представляет собой электромагнитные волны. Электро-

магнитные волны впервые обнаружил немецкий физик Г. Герц

(1857—1894). Он доказал, что их возникновение и распространение пол-

ностью описываются уравнениями Максвелла, а также установил тожде-

ственность основных свойств электромагнитных волн. В 1899 г. выдаю-

щийся русский физик П.Н. Лебедев (1866—1912) открыл и измерил дав-

ление света, экспериментально подтвердив элетромагнитную теорию

света. Практическое применение электромагнитных волн началось в

1895 г., когда наш соотечественник физик и электротехник А.С. Попов

создал первый радиоприемник, в котором в качестве источника волн он

использовал вибратор Герца.

Первые попытки количественно описать оптические явления пред-

приняты гораздо раньше — в конце XVII в. В то же время обсуждались

две взаимоисключающие гипотезы о природе света. Ньютон предложил

корпускулярную гипотезу, согласно которой свет представляет собой по-

ток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямо-

линейным траекториям. А его современник нидерландский физик Гюй-

генс (1629—1695) выдвинул волновую теорию: свет — упругая волна,

распространяющаяся в мировом эфире. В течение ста с лишним лет кор-

пускулярная теория имела гораздо больше приверженцев, чем волновая.

Однако в начале XIX в. французскому физику О.Ж. Френелю (1788—1827)

удалось на основе волновых представлений объяснить многие известные

в то время оптические явления. В результате волновая теория света полу-

138

чила всеобщее признание, а корпускулярная теория была забыта почти на

столетие. В 1851 г. французский ученый Ж. Фуко (1819—1868), измерив

скорость света в воде, получил еще одно экспериментальное доказатель-

ство справедливости волновой теории.

Долгое время считалось, что свет — это поперечная волна, распро-

страняющаяся в гипотетической упругой среде, заполняющей все миро-

вое пространство и получившей название мирового эфира. После созда-

ния электромагнитной теории на смену упругим световым волнам при-

шли электромагнитные волны. В конце XIX — начале XX вв. ряд новых

опытов заставил вновь вернуться к представлению об особых световых

частицах — фотонах. С тех пор утвердилась концепция корпускуляр-

но-волнового дуализма: свет имеет двойственную природу, сочетая в

себе как волновые свойства, так и свойства, присущие частицам. В одних

явлениях, таких как интерференция, дифракция и поляризация, свет ведет

себя как волна, а в других (фотоэффект, эффект Комптона) — как поток

частиц (фотонов).

Согласно электромагнитной теории Максвелла,

где с и v — соответственно скорости распространения света в вакууме и в

среде с диэлектрической проницаемостью е и магнитной проницаемо-

стью М; п — показатель преломления среды.

Эта формула связывает электрические, магнитные и оптические свой-

ства вещества. По Максвеллу, Е и М — величины, не зависящие от длины

волны света, поэтому электромагнитная теория не смогла объяснить явле-

ние дисперсии (зависимость показателя преломления от длины волны). Эта

трудность была преодолена в конце XIX в. нидерландским физиком X. Ло-

ренцем (1853—1928), предложившим электронную теорию, учитывавшую

колебания электронов внутри атома.

Световые волны занимают лишь небольшой интервал шкалы элек-

тромагнитных волн — от 380 до 770 нм (1 нм = 10-9 м) (рис. 3.3). Все ок-

ружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением.

Солнце, антенны радиостанций и телевизионных передатчиков, окру-

жающие нас тела испускают электромагнитные волны, которые в зависи-

мости от частоты носят разные названия: радиоволны (РВ), инфракрасное

излучение (ИК), видимый свет (В), ультрафиолетовое излучение (УФ),

рентгеновские лучи (РЛ), гамма-лучи (г). В отличие от механических

волн, распространяющихся только в веществе (газе, жидкости или твер-

дом теле), электромагнитные волны могут распространяться и в вакууме.

Волновые свойства света. Основоположник волновой теории

X. Гюйгенс не отвергал существования корпускул, полагая, что они не из-

лучаются светящимися телами, а заполняют все пространство. Процесс

139

распространения света он представлял не как поступательное движение,

а как последовательный процесс передачи взаимодействия между кор-

пускулами. Его сторонники считали, что свет распространяется в особой

среде — «эфире», заполняющем все мировое пространство и свободно

проникающем во все тела. Световое возбуждение от источника света пе-

редается посредством эфира во все стороны. Так возникли первые волно-

вые представления о природе света. В развитии волновой теории света

весьма важную роль сыграл принцип, сформулированный Гюйгенсом, а

затем развитый французским физиком О. Френелем (1788—1827). Прин-

цип Гюйгенса — Френеля состоит в том, что

каждая точка, до которой дошло световое возбуждение, в свою очередь,

становится источником вторичных волн и передает их во все стороны сосед-

ним точкам.

Наиболее наглядно волновые свойства света проявляются в явлениях

интерференции и дифракции.

Интерференция света заключается в том, что при взаимном наложении

двух волн происходит усиление или ослабление колебаний.

Принцип интерференции впервые сформулировал в 1801 г. англий-

ский ученый Томас Юнг (1773—1829), врач по профессии. Он поставил

простой и наглядный опыт с двумя отверстиями. На экране кончиком бу-

лавки прокалывались два близко расположенных отверстия, которые ос-

вещались солнечным светом из небольшого отверстия в зашторенном

окне. За экраном наблюдалась вместо двух ярких точек серия чередую-

щихся темных и светлых колец, представляющая собой интерференцион-

ную картину. Необходимым условием интерференции является коге-

рентность волн — согласованное протекание колебательных или волно-

вых процессов. На интерференции основан принцип работы многих при-

боров — интерферометров, с помощью которых производят точные

измерения, контроль чистоты обработки поверхности деталей и т.п.

В 1818 г. О. Френель представил развернутый доклад по дифракции

света на конкурс Парижской академии наук. Анализируя представлен-

ный доклад, французский математик и физик С. Пуассон (1781—1840)

140

пришел к неожиданному выводу: согласно предлагаемой Френелем тео-

рии при определенных условиях в центре дифракционной картины от не-

прозрачного круглого препятствия на пути света должно быть светлое

пятно, а не тень. Другой французский ученый — Д. Араго (1786—1853)

тут же поставил опыт, и вывод Пуассона подтвердился. Так, на первый

взгляд, противоречащее теории Френеля заключение, сделанное Пуассо-

ном, превратилось благодаря опыту Араго в одно из доказательств ее

справедливости и способствовало признанию волновой природы света.

Отклонение света от прямолинейного распространения называется ди-

фракцией.

На дифракции основаны многие оптические приборы. В частности,

дифракция рентгеновских лучей используется во многих аппаратах раз-

личного назначения.

Волновую природу света доказывает, кроме того, и поляризация.

Сущность поляризации наглядно демонстрирует простой опыт: при про-

пускании света через два прозрачных кристалла его интенсивность изме-

няется в зависимости от взаимной ориентации кристаллов. При одинако-

вой ориентации свет проходит без ослабления. При повороте одного из

кристаллов на 90° свет полностью гасится, т.е. не проходит через кри-

сталлы. Явление поляризации можно объяснить, считая свет поперечной

волной. При прохождении через первый кристалл происходит поляриза-

ция света, т.е. кристалл пропускает только волны с колебаниями вектора

напряженности электрического поля в одной плоскости. Если плоскости,

в которой пропускаются колебания первым и вторым кристаллом, совпа-

дают, свет проходит без ослабления. При повороте одного из кристаллов

на 90° он гасится.

Волновой природой света объясняется и дисперсия света, которая

проявляется в том, что узкий параллельный пучок белого света при про-

хождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного

цвета, соответствующие разной длине волны. Дисперсию света впервые

экспериментально наблюдал Ньютон.

Зависимость показателя преломления вещества от длины волны назы-

вается дисперсией света.

Белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной вол-

ны, и показатель преломления зависит от длины волны. Так, для прозрач-

ных веществ показатель преломления максимален для света с короткой

длиной волны — фиолетового и минимален для длинноволнового све-

та — красного.

Объяснение явлений дифракции, интерференции, поляризации и дис-

персии света привело к окончательному утверждению волновой теории

света.

Квантовые свойства света. В 1887 г. немецкий физик, один из осно-

воположников электродинамики Генрих Герц (1857—1894) при освеще-

141

нии цинковой пластины обнаружил, что с поверхности пластины под дей-

ствием света вырываются отрицательно заряженные частицы. Позднее

было доказано, что эти заряженные частицы — электроны.

Испускание электронов веществом под действием электромагнитного

излучения называется фотоэффектом.

Закономерности фотоэффекта экспериментально установил в 1888—

1889 гг. выдающийся русский физик А.Г. Столетов (1839—1896). Попыт-

ка объяснить их в рамках электромагнитной теории света Максвелла не

удалась.

Электромагнитная теория Максвелла и электронная теория Лоренца,

несмотря на огромные успехи, были несколько противоречивы и при их

применении возникали затруднения. Обе теории основывались на гипо-

тезе об эфире, только «упругий эфир» был заменен «эфиром электромаг-

нитным» (теория Максвелла) или «неподвижным эфиром» (теория Лорен-

ца). Теория Максвелла не смогла объяснить не только фотоэффект, но и

процессы испускания и поглощения света, комптоновского рассеяния и

т.д. Теория Лоренца, в свою очередь, оказалось несостоятельной в объясне-

нии механизма взаимодействия света с веществом, распределения энергии

по длинам волн при тепловом излучении абсолютно черного тела и др.

Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены бла-

годаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком

М. Планком (1858—1947), согласно которой

излучение и поглощение света происходит не непрерывно, а дискретно,

т.е. определенными порциями (квантами), энергия Е которых определяется

частотой v:

где h — постоянная Планка.

Квантовая теория Планка не нуждалась в «эфире» и объяснила зако-

номерность теплового излучения абсолютно черного тела. В 1905 г.

А. Эйнштейн обосновал квантовую природу света: не только излучение

света, но и его распространение происходят в виде потока световых кван-

тов-фотонов, энергия которых определяется приведенной выше форму-

лой Планка, а импульс

где с — скорость света; л, — длина волны.

Квантовые свойства электромагнитных волн проявляются и в эффек-

те Комптона: при рассеянии монохроматического рентгеновского излу-

чения веществом с легкими атомами в составе рассеянного излучения на-

142

ряду с излучением с первоначальной длиной волны наблюдается излуче-

ние с более длинной волной.

Квантовая концепция согласуется с законами излучения и поглоще-

ния света, законами взаимодействия излучения с веществом. Такие хоро-

шо изученные явления, как интерференция, дифракция и поляризация

света, объясняются в рамках волновых представлений. Все свойства и за-

коны распространения света, его взаимодействие с веществом показыва-

ют, что

свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противо-

положных свойств — корпускулярного (квантового) и волнового (электро-

магнитного).

Таким образом длительный путь развития естествознания привел к

современной концепции двойственной корпускулярно-волновой приро-

ды света. Свет представляет собой единство дискретности и непрерыв-

ности.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается основная задача физики?

2. Почему физику принято считать фундаментальной отраслью естествознания?

3. Охарактеризуйте основные этапы развития физики.

4. Назовите важнейшие достижения физики XX в.

5. Какие виды материи различают в современном представлении?

6. Какова история развития концепций пространства и времени?

7. В чем заключается относительность пространства и времени?

8. В чем проявляется релятивистское и гравитационное замедление времени?

9. В чем сущность концепции атомизма? Кто ее впервые предложил?

10. Каково современное представление концепции атомизма?

11. Кто и когда открыл электрон?

12. Назовите основные виды фундаментальных взаимодействий и охарактеризуйте их.

13. Сформулируйте закон всемирного тяготения.

14. Охарактеризуйте кратко проблему создания единой фундаментальной теории.

15. Чем обусловливается структурная организация материи?

16. Сформулируйте принцип тождественности.

17. В чем заключается универсальность физических законов?

18. Сформулируйте принцип относительности Галилея?

19. Что такое инвариантность?

20. Сформулируйте постулаты специальной теории относительности.

21. Из каких свойств пространства и времени следуют законы сохранения?

22. Дайте формулировку законов сохранения импульса и энергии.

23. Какой закон следует из изотропности пространства?

24. В чем сущность классической концепции Ньютона?

25. В чем заключается лапласовский детерминизм?

26. Как развивались представления о природе тепловых явлений?

27. Каковы основные положения молекулярно-кинетических представлений?

28. Сформулируйте первое начало термодинамики.

29. Объясните невозможность создания вечного двигателя второго рода.

30. Сформулируйте второе начало термодинамики.

31. В чем заключается сущность проблемы тепловой смерти Вселенной?

143

32. Каковы перспективы развития классической термодинамики?

33. В чем сущность концепций дальнодействия и близкодействия?

34. В соответствии с квантовой теорией поле дискретно или непрерывно?

35. Кто и когда создал теорию электромагнитного поля?

36. Дайте краткое описание истории развития представлений о свете.

37. В чем проявляются волновые свойства света?

38. Напишите формулу, подтверждающую волновую и квантовую природу света.

4. АТОМНЫЙ И НУКЛОННЫЙ УРОВНИ

СТРОЕНИЯ МАТЕРИИ