Разработка электромагнитной картины мира.

Как уже было упомянуто выше, с утверждением в XVII в. механистической картины мира на протяжении следующего XVIII в. господствовала тенденция объяснять явления и процессы из области изучения других наук с точки зрения действия механических законов. Однако уже в конце XVIII – начале XIX вв. появляются результаты опытов и экспериментов, которые противоречат механике. Выходом из создавшейся ситуации стал не отказ от последней, а дополнение механистической картины мира новыми представлениями. В первую очередь, это относится к изучению электрических и магнитных явлений.

Изначально электричество и магнетизм рассматривались как невесомые, положительно и отрицательно заряженные жидкости. Кроме того, эти явления изучались обособленно друг от друга. Однако их исследование в XIX в. показало, что между ними существует глубокая взаимосвязь, раскрытие которой повлекло за собой создание единой электромагнитной теории. Коренное отличие новой концепции от механики состояло в следующем – если в механике изменения и движение материальных частиц совершаются с помощью внешних сил, приложенных к телу, то в электродинамике изменения совершаются под воздействием сил поля.

Решающую роль в утверждение электромагнитной теории в науке сыграли исследования датского ученого X. Эрстеда (1777-1851), английских физиков М. Фарадея (1791-1867) и Дж. Максвелла (1831-1879). X. Эрстед поместил над проводником, по которому идет электрический ток, магнитную стрелку и обнаружил, что она отклоняется от первоначального положения. Это привело ученого к мысли, что электрический ток создает магнитное поле. М. Фарадей, вращая замкнутый контур в магнитном поле, открыл, что в нем возникает электрический ток – открытие явления электромагнитной индукции, которое свидетельствовало о том, что изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле и, следовательно, вызывает электрический ток. На основании опытов Эрстеда, Фарадея и других ученых Дж. Максвелл создал свою электромагнитную теорию, т. е. теорию о существовании единого электромагнитного поля – электрическое и магнитное поля являются не изолированными объектами, а образуют взаимосвязанное, единое электромагнитное поле.

Таким путем было показано, что в мире существует не только вещество в виде тел, но и физические поля. После того как объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер.

Основные положения электромагнитной картины мира:

1. Если в пространстве возникает переменное электрическое поле, то оно порождает переменное магнитное поле, и наоборот. Переменное или движущееся поле создается только перемещающимися зарядами. Если не будет движения электрических зарядов, тогда не возникнет и магнитное поле. Следовательно, статические, не изменяющиеся в пространстве и со временем электрические и магнитные поля не создают единого электромагнитного поля. Только когда мы имеем дело с движущимися электрическими и магнитными зарядами, т.е. с переменными полями, между ними возникает взаимодействие и появляется единое электромагнитное поле.

2. Сила, возникающая под воздействием тока (электрический заряд, движущийся по проводнику), зависит от скорости движения электрического заряда и направлена перпендикулярно к плоскости этого движения.

3. Законы описания изменения состояния электромагнитного поля во времени и в пространстве основываются на уравнениях Дж. Максвелла.

Основные отличия электромагнитной картины мира от механической:

1. В механике, зная координаты тела, его скорость и уравнение движения, можно точно определить его положение и скорость в любой точке пространства в каждый момент времени в будущем или прошлом.

В электродинамике – законы Максвелла дают возможность определить состояние электромагнитного поля в непосредственной близости с предыдущим его состоянием.

2. В механике при определении состояния движения системы опираются на представление о дальнодействии – силовое воздействие можно передать мгновенно на любое расстояние через пустое пространство (история изменения состояний изучается по траекториям движения тел).

В теории электромагнитного поля такая возможность отрицается, и поэтому она опирается на принцип близкодействия, который позволяет шаг за шагом проследить изменение электромагнитного поля с течением времени.

3. В механике изменение и движение всегда рассматривается с учетом взаимодействия самих тел, являющихся источником движения, т. е. внешней силой, вызывающей это движение.

В теории электромагнитного поля абстрагируются от подобных источников и рассматривают лишь изменение поля в пространстве с течением времени в целом. Более того, источник, создающий поле, со временем может перестать действовать, хотя порожденное им поле продолжает существовать.

Основные последствия создания электродинамики:

1. Установление глубокой внутренней связи и единства между ранее изолированными электрическими и магнитными явлениями, которые прежде рассматривались как особого рода невесомые жидкости, было выдающимся достижением в физике. Возникшее на этой основе понятие электромагнитного поля покончило с многочисленными попытками механической интерпретации электромагнитных явлений.

2. Из уравнений Максвелла вытекает следствие о существовании электромагнитных волн и скорости их распространения. Действительно, колеблющийся электрический заряд создает изменяющееся электрическое поле, которое сопровождается изменяющимся магнитным полем. В результате колебаний электрических зарядов в окружающее пространство излучается определенная энергия в виде электромагнитных волн, которые распространяются с определенной скоростью. Экспериментальными исследованиями было установлено, что скорость распространения электромагнитных волн равна 300 000 км/с. Поскольку с такой же скоростью распространяется свет, постольку было логично предположить, что между электромагнитными и световыми явлениями существует определенная общность.

По вопросу о природе света до открытия электромагнитной теории Максвелла существовали две конкурирующие гипотезы: корпускулярная и волновая. Сторонники корпускулярной гипотезы, начиная с И. Ньютона, рассматривали свет как поток световых корпускул, или дискретных частиц (явления рефракции, или преломление света при переходе из одной среды в другую, и дисперсии, или разложение белого света на составляющие его цвета).

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. (опыты английского врача Т. Юнга в начале XIX в.) – иными словами, усиление или ослабление света при наложении световых волн. Д ифракция – возникает при отклонении света от прямолинейного направления (наблюдается при прохождении света через узкие щели или огибании препятствий).

Защитники волновой гипотезы рассматривали свет как процесс распространения волн. Благодаря тому, что с помощью этой гипотезы были объяснены не только дисперсия и рефракция, но и интерференция и дифракция, волновая гипотеза света начинает в XIX в. вытеснять корпускулярную гипотезу. Решающим для утверждения волновой теории стало открытие электромагнитных волн – вследствие того, что скорость распространения последних равнялась скорости света, то ученые пришли к пониманию света как особого вида 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. Кроме того, световые волны, как и электромагнитные, распространяются перпендикулярно колебательному процессу и, следовательно, относятся к поперечным волнам.}

Таким образом, важнейшим следствием создания электромагнитной картины мира для оптики стал, во-первых, отказ от гипотезы существования светового эфира как особой среды для распространения света – такую роль стало играть само пространство, в котором происходит распространение электромагнитных волн. Во-вторых, световые явления были объединены с электромагнитными процессами, благодаря чему оптика стала частью теории электромагнетизма.

3. Расширение научного представления о формах материи, изучаемых в физике. В рамках классической механики, созданной И. Ньютоном, господствовало мнение о том, что материя существует только в одной физической форме – вещества. Вещество – это система материальных частиц, в качестве которых рассматривались либо материальные точки (механика), либо атомы (учение о теплоте).

С созданием электромагнитной картины мира, наряду с веществом, появляется другая физическая форма материи – поле.

Основные отличия поля от вещества:

1) Главная физическая характеристика. Вещество – масса, так как именно она фигурирует в основном законе механики F = та. Поле – энергия 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.

2) Х арактер передачи воздействий. В механике такое воздействие передается с помощью силы, причем оно может быть осуществлено в принципе на какое угодно расстояние (принцип дальнодействия), в то время как в электродинамике энергетическое воздействие поля передается от одной точки к другой (принцип близкодействия).

3) Физическая природа. В основе механики лежит представление о дискретной природе вещества, которое рассматривалось как система материальных частиц или 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 материя. Поэтому они выдвинули предположение, что последними неделимыми частицами материи являются атомы. В основе электродинамики лежит представление о непрерывности материи, что 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 перерыва постепенности и скачков. На примере электромагнитного поля можно убедиться, что силовое воздействие такого поля передается от близлежащей предшествующей точки к последующей, т. е. непрерывно.

Для классической физики XIX в. было характерно разграничивать понятия «вещество» и «поле», «дискретность» и «непрерывность». Подобное представление проистекало из того, что классическая физика применяла дискретный и корпускулярный подход при изучении одних явлений, а непрерывный и полевой – при исследовании других. В XX в. противопоставление вещества полю сменилось на осознание диалектической взаимосвязи, существующей между ними. В современной физике взаимодействие дискретности и непрерывности, корпускулярных и волновых свойств материи при исследовании свойств и закономерностей движения ее мельчайших частиц служит основой адекватного описания изучаемых явлений и процессов.