4.2. Электромагнитная картина мира

Поэтому уже в XIX в. физики дополнили механистическую картину мира электромагнитной. Электрические и магнитные явления были известны давно, но изучались обособленно друг от друга. Дальнейшие исследования показали, что между ними существует глубокая взаимосвязь, изучение которой привело к созданию единой электромагнитной теории.

Датский ученый Х. Эрстед (1777-1851), поместив над проводником, по которому идет электрический ток, магнитную стрелку, обнаружил, что она отклоняется от первоначального положения. Это привело ученого к мысли, что электрический ток создает магнитное поле.

Позднее английский физик М. Фарадей (1791-1867), вращая замкнутый медный контур в магнитном поле, открыл, что в нем возникает электрический ток. Следовательно, магнитное поле может порождать электрическое. Осмысливая свои эксперименты, он ввел понятие «силовые линии». М. Фарадей, обладавший талантом экспериментатора и богатым воображением, представлял себе передачи взаимодействий электрических зарядов в некотором «силовом поле». На основе своего представления о силовых линиях он предположил, что существует глубокое родство электрических и световых явлений, т.е. рассматривал свет как колебания силового поля. Эта мысль была необычайно смела для того времени. В процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Он выдвинул новые идеи относительно материи, пространства и времени. Совокупность неделимых атомов перестала быть конечным пределом делимости материи. Она стала выступать в качестве единого абсолютного непрерывного бесконечного поля с силовыми точечными центрами – электрическими зарядами и волновым движением в нем. Движение понималось в этом смысле не только как простое механическое перемещение тел, а первичным в новой форме движения становилось распространение колебаний в поле, которое описывалось не законами механики, а законами электродинамики. Ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени не подходила к электромагнитным представлениям, поскольку поле является абсолютно непрерывной материей, т.е. пустого пространства в нем нет. Также и время неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. Пространство и время перестали быть самостоятельными от материи сущностями. Новая картина мира требовала нового решения проблемы взаимодействия. Ньютоновская концепция дальнодействия: взаимодействие между телами происходит мгновенно и на любом расстоянии (без посредника) заменилась фарадеевским принципом близкодействия: любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.

Его работы стали исходным пунктом для исследований Дж. К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической обработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Используя высокоразвитые математические методы, Дж.К. Максвелл «перевел» модель силовых линий М. Фарадея в математическую формулу. «Поле сил» первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж.К. Максвелл придал ему физический смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность. «Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом и магнитном состоянии». Обобщив установленные ранее экспериментальным путем законы электромагнитных явлений (Ш. Кулона, А. Ампера, Био-Савара, П. Лапласа) и открытое М. Фарадеем явление электромагнитной индукции, Дж.К. Максвелл чисто математическим путем нашел систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле. Эта система уравнений дает в пределах своей применимости полное описание электромагнитных явлений и представляет собой столь же совершенную и логически стройную теорию, как и система ньютоновской механики. Из уравнений следовал важнейший вывод о возможности самостоятельного существования поля, не «привязанного» к электрическим зарядам. В дифференциальных уравнениях Дж.К. Максвелла вихри электрического и магнитных полей определяются производными по времени не от своих, а от чужих полей: электрическое – от магнитного и, наоборот, магнитное – от электрического. Поэтому если меняется со временем магнитное поле, то существует и переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, ведет к изменению магнитного. В результате происходит постоянное изменение векторов напряженности электрического и магнитного полей, т.е. возникает переменное электромагнитное поле, которое уже не привязано к заряду. Оно «отрывается» от него, самостоятельно существуя и распространяясь в пространстве. Вычисленная Дж. К. Максвеллом скорость распространения электромагнитного поля оказалась равна скорости света. Исходя из этого, он смог заключить, что световые волны электромагнитные, т.е. создал электромагнитную теорию.

Единство света и электричества было экспериментально подтверждено немецким физиком Г. Герцем (1857-1894) в 1888 г. В экспериментах Г. Герца в результате искровых разрядов между двумя заряженными шарами появлялись электромагнитные волны. Когда они попадали на круговой проволочный виток, то создавали в нем ток, о появлении которого свидетельствовали искры, проскакивающие через разрыв. Он успешно поставил эксперименты по отражению этих волн и их интерференции. Зная частоту колебаний, он смог рассчитать скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равна скорости света. Это подтвердило гипотезу Дж.К. Максвелла. После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной материальной конструкции, а как объективно существующей физической реальности. Был открыт качественно новый, своеобразный вид материи.

Таким образом, было показано, что в мире существует не только вещество в виде тел, но и разнообразные физические поля. Полевой механизм передачи взаимодействий следующий: заряд создает соответствующее поле, которое действует на соответствующие поля.

После того, как объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер.

Таким образом, к концу XIX в. физики пришли к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.

Описание материи в виде вещества и поля является проявлением принципа дополнительности. Вещество и поле являются разными сущностями одного и того же явления: нет вещества без поля, нет поля без вещества. Это важное философское обобщение нашло математическое выражение в формуле А. Эйнштейна:

E = m∙С² ,

где Е – энергия (поле);

m – масса (вещество);

С – скорость света в пустоте ≈ 3∙10¹⁰ см/с.

Таким образом, формы существования материи – вещество и поле – взаимосвязаны. В их взаимных превращениях проявляются внутренние противоречия, которые являются неотъемлемым свойством любого существования.

Основные отличия вещества и поля

- вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно;

- вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам: частицы вещества обладают массой покоя, а поле – нет;

- вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо.

Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц вещества меньше ее на много порядков.

Понятие поля в 30-е годы XIX в. впервые ввел М. Фарадей. В настоящее время известно несколько разновидностей полей: электромагнитные, гравитационные, поля ядерных сил, волновые (квантовые поля), соответствующие разным элементарным частицам.

Электромагнитное поле – это особая форма материи, возникающая вокруг движущихся электрических зарядов и распространяющаяся со скоростью света, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. Его проявление изучает электродинамика.

Посредством гравитационного поля осуществляется универсальное взаимодействие между любыми видами материи.

Современная фундаментальная физика стремится к созданию единой теории поля, объединяющей все взаимодействия. Еще в 1919-1920 гг., когда физики полагали, что все взаимодействия в природе сводятся только к двум – электромагнитному и гравитационному. А. Эйнштейн пытался эти поля представить как единое целое. Однако эти попытки были преждевременными: не были известны слабые взаимодействия, объясняющие радиоактивный распад, и сильные взаимодействия, связывающие ядерные частицы.

Выдвинутая А. Эйнштейном идея создания единой теории поля через пятьдесят лет завладела умами физиков-теоретиков. Первый шаг на этом пути – теория электрослабого взаимодействия, которая объясняет все электромагнитные явления и все излучения, связанные с радиоактивными превращениями.

Согласно предлагаемой теории электрослабого взаимодействия существуют 4 поля: электромагнитное, гравитационное, слабое взаимодействие, сильное взаимодействие (поле ядерных сил).

Физики в настоящее время усиленно работают над созданием теории Великого объединения, которая связала бы в единое целое все полевые сущности.