Развитие классической физики

Механика и связанные с ней области, а также акустика и оптика возникли очень давно, поскольку они изучают явления, с которыми человек непрерывно сталкивается в своей повседневной жизни. Наука же об электричестве, напротив, появилась сравнительно недавно. Конечно, некоторые факты, как например, электризация тел трением или свойства природных магнитов, были известны уже и раньше. Не могли не обратить на себя внимания и такие величественные и странные явления природы, как грозы.

Однако вряд ли эти факты в достаточной степени исследовались и сопоставлялись до конца XVIII в. и вряд ли кто-либо четко представлял себе в то время, что они станут объектом изучения новой науки, составляющей одну из важнейших областей современной физики. Это стало ясно лишь в конце XVIII и начале XIX в. Интересно отметить, что в то же самое время были открыты явления интерференции и построена волновая теория. Этот замечательный период в истории развития науки, когда возникла волновая оптика и современная теория электричества, был для макроскопической физики тем же, чем были последние 50 лет для атомной физики

Второй этап классического периода физики это 60-е гг. ХIХ в.– 1894 г. Во второй половине XIX века стало ясно, что материальный мир не сводится только к механическим перемещениям вещества. Еще одной формой существования материи было признано электромагнитное поле, наиболее полную теорию которого создал Дж.К. Максвелл.

Концепция силовых линий, предложенная Фарадеем, долгое время не принималась всерьез другими учеными. Дело в том, что Фарадей, не владея достаточно хорошо математическим аппаратом, не дал убедительного обоснования своим выводам на языке формул. («Это был ум, который никогда не погрязал в формулах – сказал о нем А. Эйнштейн)[6].

Блестящий математик и физик Джеймс Максвелл берет под защиту метод Фарадея, его идею близкодействия и поля, утверждая, что идеи Фарадея могут быть выражены в виде обычных математических формул, и эти формулы сравнимы с формулами профессиональных математиков.

Теорию поля Д. Максвелл разрабатывает в своих трудах «О физических линиях силы» (1861-1865) и «Динамическая теория поля (1864-1865). В последней работе и была дана система знаменитых уравнений, которые (по словам Герца) составляют суть теории Максвелла.

Эта суть сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике - этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия[7].

Мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Система уравнений для электрических и магнитных полей, разработанная Максвеллом, состоит из 4-х уравнений, которые эквивалентны 4-м утверждениям

Уравнения Максвелла состоят из двух векторных уравнений, эквивалентных шести уравнениям для компонент, и двух скалярных уравнений. Эти уравнения связывают компоненты векторов электрического и магнитного полей и векторов электрической и магнитной индукции между собой и с плотностями электрического заряда и тока. Одно из векторных уравнений выражает закон индукции, открытый Фарадеем. Одно из скалярных уравнений отражает невозможность выделения магнитных зарядов или полюсов одного знака, другое формулирует электростатическую теорему Гаусса. Эти уравнения стали обобщением уже известных законов. Однако второе векторное уравнение содержит существенно новый элемент, внесенный в теорию собственно Максвеллом.

Второе векторное уравнение должно было отразить связь, существующую между магнитным полем и электрическим током, согласно закону Ампера. Согласно этому закону, ротор от вектора напряженности магнитного поля должен быть равен (с точностью до постоянной, зависящей от выбора системы единиц измерений) плотности электрического тока. Но Максвелл заметил, что если определить входящую в это уравнение плотность тока как плотность только тока, связанного с переносом заряда, то это приводит к целому ряду трудностей. Чтобы избежать их, он выдвинул блестящую идею – обобщить выражение для плотности тока, добавив к так называемому току проводимости, обусловленному переносом заряда, слагаемое, пропорциональное скорости изменения во времени вектора электрической индукции. Это слагаемое представляет собой новый вид тока, ток смещения, который в отличие от тока проводимости вовсе не обязательно связан с перемещением электрических зарядов. Так, например, в поляризуемой среде часть тока смещения связана с перемещением электрических зарядов, другая же его часть, отличная от нуля даже в пустоте, если электрическое поле переменно во времени, совершенно не связана с движением зарядов. Благодаря введению токов смещения трудности, о которых мы упоминали, исчезли. Сложный вопрос о замкнутых и незамкнутых токах, занимавший теоретиков того времени, разрешился сам собой, поскольку, если принять во внимание токи смещения, то все эти токи окажутся замкнутыми.

Но самая гениальная идея Максвелла, выдвинутая после написания общих уравнений электромагнитных явлений, состояла в том, что эти уравнения дают возможность рассматривать свет как электромагнитное возмущение. Это в свою очередь позволило объединить две казавшиеся столь различными области физики и рассматривать всю оптику как частный случай электродинамики – один из наиболее замечательных примеров синтеза, который дает нам история развития физики[8].

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда вывод: свет – разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. П.Н. Лебедевым.

Вершиной научного творчества Максвелла явился «Трактат по электричеству и магнетизму».

Развитие корпускулярно-континуальных представлений в трудах Максвелла. Развивая теорию электромагнитного поля, Максвелл не отвергал и дискретность материи. Он писал: «Даже атом, когда мы приписываем ему способность вращаться, можно представлять состоящим из многих элементарных частиц»[9] Это было сказано в 1873 г. задолго до открытия электрона. Таким образом, Максвелл не отдавал предпочтения ни дискретности, ни непрерывности материи, допуская возможность и того и другого.

Одним из наиболее блестящих подтверждений теории Максвелла было открытие Герцем электромагнитных волн, названных в его честь волнами Герца. Электромагнитная теория предсказывала, что при достаточно быстром изменении электрического тока в цепи возможно излучение и окружающее пространство электромагнитной волны, которая, согласно идеям Максвелла, должна иметь структуру, совершенно аналогичную структуре световой волны. Но волны, которые можно было бы получать с помощью соответствующего электрического контура, обладали всегда частотой, гораздо меньшей, и соответственно длиной волны, гораздо большей, чем частота и длина световых волн. Отсюда, естественно, вытекало и различие между свойствами этих волн: волны Герца не воздействуют на наши органы чувств и, что связано с большой длины волны, легко огибают непрозрачные препятствия, встречающиеся на их пути. Однако, несмотря на эти различия, имелась и большая общность между световыми волнами и волнами Герца. В частности, с последними можно было повторить ставшие классическими эксперименты по отражению, преломлению, интерференции или дифракции волн. Необходимые для этого экспериментальные установки должны в основном быть такими же, хотя, разумеется, и гораздо больших масштабов в соответствии с изменившейся длиной волны.

Это памятное открытие волн Герца и их свойств не оставило больше никаких сомнений в правильности основных идей Максвелла, касающихся электромагнитной природы света. И нет, пожалуй, нужды напоминать, что именно открытие волн Герца позволило осуществить беспроволочный телеграф, а позднее способствовало развитию других средств связи на расстоянии.

Разработав ЭМКМ (электромагнитную картину мира), Максвелл завершил картину мира классической физики («начало конца классической физики»). Теория Максвелла является предшественницей электронной теории Лоренца и специальной теории относительности А. Эйнштейна.

Электронная теория Лоренца

Голландский физик Г. Лоренц (1853-1928) считал, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. Лоренц высказал в этой связи свои представления об электронах, т.е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех телах.

В 1895 г. Лоренц дает систематическое изложение электронной теории, опирающейся, с одной стороны, на теорию Максвелла, а с другой – на представления об «атомарности» (дискретности) электричества. В 1987 г. был открыт электрон, и теория Лоренца получила свою материальную основу[10].

Совместно с немецким физиком П. Друде Лоренц разработал электронную теорию металлов, которая строится на следующих положениях.

1. В металле есть свободные электроны – электроны проводимости, образующие электронный газ.

2. Остов металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы.

3. При наличии электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается их упорядоченное движение под действием сил поля.

4. При своем движении электроны сталкиваются с ионами решетки. Этим объясняется электрическое сопротивление.

Электронная теория позволила количественно описать многие явления, однако в ряде случаев, например, при объяснении зависимости сопротивления металлов от температуры и др. была практически бессильна. Это было связано с тем, что к электронам в общем случае нельзя применять законы механики Ньютона и законы идеальных газов, что было выяснено в 30-х годах 20 в.

В 1902 г. в опытах Кауфмана было обнаружено, что отношение заряда e к его массе m не является постоянной величиной, а зависит от скорости (с ростом скорости оно уменьшается). Из теории следовало, что q = const. Значит, растет масса. Возник вопрос, как это понять? Ответ был дан позже в специальной теории относительности.