Связь электромагнетизма и оптики

Выявление единства между электромагнитными волнами и светом явилось новым крупным шагом в установлении взаимосвязи и единства между внешне различными явлениями природы. По вопросу о природе света до открытия электромагнитной теории Максвелла существовали две конкурирующие точки зрения: корпускулярная и волновая.

Сторонники корпускулярной гипотезы, начиная с Ньютона, рассматривали свет как поток световых корпускул, или дискретных частиц. Такая гипотеза хорошо согласовывалась с принципами механистического мировоззрения, сторонники которого достаточно убедительно объяснили прямолинейное распространение света, его рефракцию, или преломление при переходе из одной среды в другую и даже дисперсию, или разложение белого света на составляющие его цвета и некоторые другие. Однако корпускулярная гипотеза оказалась не в состоянии объяснить более сложные явления, такие, как интерференция и дифракция света.

Под интерференцией волн понимают наложение когерентных световых волн. Когда при этом совпадают гребни волн, тогда их амплитуды складываются и свет усиливается. Если же гребень одной волны совпадает с впадиной другой, тогда амплитуда одной волны вычитается из другой и вместо света в этом месте появится ослабление света или даже темнота. Этот опыт в самом начале XIX в. произвел английский врач Т. Юнг. Если пропустить через два близко расположенные булавочные отверстия световые лучи, то за темным экраном можно наблюдать чередование светлых и темных колец. Светлые кольца появляются в тех местах, где совпадают гребни волн, темные – в местах совмещения гребней и впадин волн. Таким образом, под интерференцией понимают усиление или ослабление света при наложении световых волн. Ясно, что с помощью корпускулярных представлений о свете явление интерференции объяснить не удается. То же самое следует сказать о другом явлении, которое называют дифракцией, возникающей отклонении света от прямолинейного направления. Такое явление наблюдается при прохождении света через узкие щели или огибании препятствий. На экране, поставленном за ними, можно наблюдать чередующиеся светлые и темные круги, которых не должно быть согласно корпускулярной теории.

Защитники волновой гипотезы рассматривают свет как процесс распространения волн, подобных движению волн на поверхности жидкости. С помощью этой гипотезы они сумели объяснить не только все явления, которые объяснила корпускулярная гипотеза, но также и те, которые с трудом или совсем не поддавались объяснению с помощью прежней гипотезы (интерференция и дифракция). Именно поэтому в XIX в. волновая гипотеза света вытеснила из оптики корпускулярную гипотезу.

Световые волны, как и волны на поверхности жидкости, распространяются перпендикулярно колебательному процессу и, следовательно, относятся к поперечным волнам. В отличие от них звуковые волны называют продольными волнами, так как направление их распространения совпадает с направлением движения воздуха. Поскольку световые волны, как и волны на поверхности жидкости, возникают в результате колебания по вертикали их частиц, то неизбежно возникает вопрос: какая среда служит источником световых колебаний? В качестве ответа на него была выдвинута гипотеза о существовании светового эфира, заполняющего все мировое пространства и обладающего свойствами упругости. В результате этого передача света ассоциировалась с колебаниями эфира. Однако никакими экспериментами существование такого эфира не было обнаружено, и поэтому в дальнейшем от него полностью отказались.

После открытия электромагнитных волн свет стали рассматривать как особый вид электромагнитных волн. Он отличается от обычных электромагнитных волн крайне малой величиной длины волны, которая равна 4,7*10^-5 см для видимого и 10^-6 см для невидимого, ультрафиолетового света. Электромагнитные же волны, например, в виде радиоволн могут распространяться на тысячи километров.

Таким образом, первым важнейшим результатом электромагнитной концепции стал отказ от гипотезы существования светового эфира, как особой среды для распространения света. Такую роль стало играть само пространство, в котором происходит распространение электромагнитных волн.

Второй результат заключается в объединении световых явлений с электромагнитными процессами, благодаря чему оптика стала частью теории электромагнетизма.

Однако в начале ХХ в. было открыто явление фотоэлектрического эффекта, заключающееся в испускании электронов веществом под воздействием света. Электромагнитная теория света была не в состоянии объяснить независимость энергии фотоэффекта от интенсивности освещения. Еще в конце ХIХ в. русский физик А. Г. Столетов установил, что энергия фотоэффекта возрастает с частотой света, но не зависит от его интенсивности. Этот результат явно противоречил предсказаниям электромагнитной теории.

Чтобы объяснить фотоэффект, А. Эйнштейну пришлось отказаться от волновых представлений о свете и обратиться к квантовой его природе, то есть в видоизмененной форме вновь возродить корпускулярную точку зрения на свет. Впервые о квантах заговорили в 1900 г., когда известный немецкий физик М. Планк доказал, что энергия излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями или квантами. В 1905 г. Эйнштейн показал, что свет распространяется в виде потока световых квантов, которые были названы фотонами. Энергия фотонов зависит от их частоты, то есть E=hv, где h - постоянная Планка, v - частота.

Квантовый взгляд на природу света не мог полностью опровергнуть представлений о волновом его характере, о чем свидетельствовали явления интерференции и дифракции. Как можно было объединить в единой картине квантовые и волновые представления? Об этом мы узнаем позже, когда познакомимся с квантовой механикой и теорией элементарных частиц.

Поле и вещество

Введение понятия электромагнитного поля расширило научное представление о формах материи, изучаемых в физике. Классическая, ньютоновская физика имела дело только с одной-единственной формой физической материи – веществом, которое было построено из материальных частиц и представляло собой систему таких частиц, в качестве которых рассматривались либо материальные точки (механика), либо атомы (учение о теплоте).

Если главной характеристикой вещества является масса, так как именно она фигурирует в основном законе механики F=m*a, то в электродинамике основным является понятие энергии поля. Другими словами, при изучении движения в механике в первую очередь обращают внимание на перемещение тел, обладающих массой, а при исследовании электромагнитного поля – на распространение электромагнитных волн в пространстве с течением времени. Другим отличием вещества от поля является также характер передачи воздействий. В механике такое воздействие передается с помощью силы, причем оно может быть осуществлено в принципе на какое угодно расстояние, в то время как в электродинамике энергетическое воздействие поля передается от одной точки к другой. Наконец, нельзя не отметить также тот немаловажный факт, что после того, когда источник электромагнитных волн прекращает свое действие, возникшие электромагнитные волны продолжают распространяться в пространстве. Выходит, что электромагнитные волны могут существовать автономно, без непосредственной связи с источником энергии.

Исторически подход к изучению природы с точки зрения вещества и связанной с ним массы нашел свое отчетливо выражение в механистической картине мира, которая пыталась объяснить другие, немеханические явления с помощью понятий и принципов механики. В его основе лежит представление о дискретной природе вещества, которое в механике рассматривалось как система материальных частиц, а в других науках - совокупность атомов или молекул. Таким образом, дискретность можно рассматривать как конечную делимость материи на отдельные, все уменьшающиеся части. Еще античные греки поняли, что такая делимость не может продолжаться бесконечно, ибо тогда исчезнет сама материи. Поэтому они выдвинули предположение, что последними неделимыми частицами материи являются атомы.

С дискретной точки зрения, строение материи можно представить в виде такой структуры, которая предполагает возможность её конечного деления на все уменьшающиеся отдельные части, начиная от молекул и атомов и кончая элементарными частицами и кварками.

С точки зрения непрерывности материя представляется в виде определенной целостности и единства. Наглядным образом такой непрерывности является любая сплошная среда, которая заполняет определенное пространство. Свойства такой среды, например, жидкости, изменяются от одной точки к другой непрерывно, без разрывов и скачков. На примере электромагнитного поля мы убедились, что силовое воздействие такого поля передается от близлежащей предшествующей точки к последующей, то есть непрерывно.

В классической теории существовало явное противопоставление дискретных представлений непрерывным, когда исключалось всякое их взаимодействие при изучении вещества и поля. В современной же физике, как мы убедимся в дальнейшем, именно взаимосвязь и взаимодействие дискретности и непрерывности, корпускулярных и волновых свойств материи при исследовании свойств и закономерностей движения её мельчайших частиц служит основой адекватного описания изучаемых явлений и процессов. Таким микрочастицам материи присущ корпускулярно-волновой дуализм, то есть они одновременно обладают как свойствами корпускул (вещества), так и волн (поля).

Подобное представление совершенно чуждо классической физике, в которой дискретный и корпускулярный подход применялся при изучении одни явлений, а непрерывный и полевой- при исследовании других. Более того, мы знаем теперь, что механистическая трактовка явлений электричества и магнетизма опиралась, в конечном счете, на дискретной и корпускулярной их интерпретации, когда они рассматривались как особые субстанции, то есть отождествлялись с разновидностью вещества.

С другой стороны, более универсальный подход к единому объяснению всех физических явлений с точки зрения единой теории поля был, выдвинут в качестве грандиозной программы создателем теории относительности А.Эйнштейном, но так и остался нереализованным. Основные его идеи станут понятными после того, как мы познакомимся с теорией относительности.

Диалектическое взаимодействие дискретности и непрерывности находит свое яркое воплощение в современных квантовых теориях полей. Действительно, взаимодействие в квантовой теории электромагнитного поля происходит в результате взаимного обмена фотонами, квантами этого поля. То же самое можно сказать о гравитационном поле, где такое взаимодействие осуществляется с помощью гравитонов, гипотетических частиц такого поля. С точки зрения новой теории, частицы или кванты поля, в каждой точке пространства создают поле сил, которое оказывает свое воздействие на другие частицы.

Само же поле в истории физики, как мы видели, интерпретировалось по - разному. В первых представлениях об электромагнетизме поле рассматривалось чисто механически, а именно как натяжение силовых линий между зарядами, а в оптике как упругое колебание особой, все проникающей среды - мирового эфира. После отказа от такого допущения сначала в теории электромагнитного поля и окончательно в теории относительности, на роль своеобразного эфира в современной физике претендует, по - видимому, физический вакуум. В квантовой теории поля он рассматривается как низшее энергетическое состояние квантованных полей, в котором отсутствуют какие - либо реальные частицы. Однако возможность виртуальных процессов в вакууме приводит к определенным эффектам при взаимодействии его с реальными частицами. В квантовой теории поля понятие физического вакуума считается основным, поскольку его свойствами определяют свойства всех других состояний системы.

Таким образом, с развитием физики представления о веществе и поле в корне изменились. Прежнее их противопоставление в классической физике уступило место пониманию их взаимосвязи и взаимодействия в современной физике. С одной стороны, вещество рассматривается как определенная дискретная система взаимодействующих элементарных частиц. С другой стороны, поле как непрерывная целостность, состоит из квантов поля, которые обмениваются друг с другом энергией и тем самым обеспечивают существование и движение самой системы.

Литература

Основная

Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики//Эйнштейн А. Собр. соч. т. IV, С.401 - 452.

Дополнительная

Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М.. Фейнмановские лекции по физике. Электричество и магнетизм – М. 1966 , вып. 5, гл. 1.

Феймановские лекции по физике. Излучение. Волны. Кванты - М., 1966, вып. 3 Гл. 28

Вопросы для самоконтроля

1. Как первоначально объясняли явления электричества и магнетизма?

2. Какие открытия стали основой для создания теории электромагнитного поля?

3. В каких случаях электрические заряды создают магнитное поле?

4. Что такое статическое электрическое поле?

5. В каком случае статическое поле может превратиться в динамическое поле и образовать магнитное поле?

6. Что называют индукционным током?

7. Когда магнит создает электрическое поле?

8. Какая связь существует между электричеством и магнетизмом?

9. На какие открытия опирался Максвелл при создании своей теории электромагнитного поля?

10.Какие новые следствия были получены из теории Максвелла?

11.Почему оптические явления стали рассматриваться как электромагнитные?

12.Какой характер имеют электромагнитные волны?

13.Чем отличаются световые волны от других электромагнитных волн?

14.Как происходит передача энергии в электромагнитном поле?

15.Чем отличается поле от вещества?