Макс Лауэ - ИСТОРИЯ ФИЗИКИ
Вождем в разработке правильного понимания электрических и магнитных явлений был Михаил Фарадей. В 1837 г. он обнаружил влияние диэлектриков на электростатические явления; в 1846 и в последующие годы он показал общую распространенность диамагнитных свойств в природе, в то время как парамагнетизм является исключением. Тогда же у него возникло представление, что электрические и магнитные действия не непосредственно идут от тел к телам, а переносятся через лежащий между ними диэлектрик, который становится местом электрического или магнитного «поля», - это понятие также введено Фарадеем. Указанное воззрение развивалось постепенно в процессе его экспериментов.
«Этим объясняется то, что в опубликованных работах он выражает свои идеи в форме, особенно приспособленной для возникающей науки. В самом деле, его манера писания значительно отличается от манеры тех физиков, которые, как Ампер, были призваны облечь ее идеи в математическую форму». Так оценивает
Джемс Клерк Максвелл *) работы Фарадея и несколько дальше он продолжает: «Может быть для науки является счастливым обстоятельством то, что Фарадей не был собственно математиком, хотя он был в совершенстве знаком с понятиями пространства, времени и силы. Поэтому он не пытался углубляться в интересные, но чисто математические исследования, которых требовали его открытия. Он был далек от того, чтобы облечь свои результаты в математические формулы, либо в те, которые одобрялись современными ему математиками, либо в те, которые могли дать основание новым начинаниям. Благодаря этому он получил досуг, который требовался ему для работы, соответствующей его духовному направлению, смог согласовать идеи с открытыми им фактами и создать если не технический, то естественный язык для выражения своих результатов». О своих собственных исследованиях Максвелл прибавляет следующее: «Я предпринял специально эту работу в надежде, что мне удастся придать его (т. е. Фарадея) идеям и методам математическое выражение».
*) Lehrbuch der Elektrizitat und des Magnetismus, English - Cambridge, 1873; Deutsch von B. Weinstein - Berlin, 1883, т. II, 216.
Действительно, Максвелл в своем первом сочинении 1855-1856 гг. формулирует математически понятие силовых линий Фарадея. Так как он особенно тщательно анализирует характер силовых линий электрического тока, ему удается вывести хорошо известное нам векторное дифференциальное уравнение для стационарных полей, соответственно которому каждая линия тока образует вихревую линию магнитного поля. Но для всего дальнейшего решающим шагом, наиболее своеобразной работой Максвелла была его статья 1862 г.**), в которой он впервые прибавляет к току проводимости ток смещения, возникающий в каждом диэлектрике при изменении напряженности электрического поля и всегда дающий вместе с током проводимости замкнутый общий ток. Максвелл пришел к этому посредством гипотетической квазимеханической модели. Никто не рассматривал этот вывод как убедительное доказательство, и Максвелл даже не поместил его в своем обширном учебнике 1873 г. Но очень интересно, что Максвелл именно на этом обходном пути совершил свое решающее открытие. Электромагнитная теория света (гл. 4), т. е. учение о том, что существуют электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света, была только необходимым следствием; Максвелл вывел его в 1865 г. Перенос силы электромагнитным полем Максвелл свел к напряжениям, которые носят теперь его имя и которые аналогичны упругим напряжениям, исследованным Коши (гл. 2); они отличаются от последних только тем, что не связаны с деформацией материи. Более того, будучи вызваны исключительно полем, они могут иметь место даже в пустоте, в отсутствии всякой материи. В соответствии с этим в чисто электрическом или чисто магнитном поле имеется натяжение вдоль каждой силовой линии, а перпендикулярно к ней- давление той же интенсивности. Лишь напряжения Максвелла привели к уточнению понятия близкодей-ствия..
**) Philosophical Magazine (4)23,12 (1862); уравнение (112).
Так были полностью заложены физические основы современной теории электричества. В 1890 г. Генрих Герц (1857-1894) придал закону индукции Фарадея форму дифференциального уравнения, которое дополняет данное Максвеллом дифференциальное уравнение. Тем самым система уравнений Максвелла, в которой мы вместе с Герцем усматриваем сущность теории Максвелла, приняла такой эстетически совершенный симметричный вид, который, принимая во внимание всеобъемлющее физическое содержание системы, привлекает нас почти как очевидность. Но все же это было только формальным делом. Лишь в 1884 г. возникла теория Пойнтинга о потоке энергии (гл. 5) и появились открытия Г. А. Лорентца и Анри Пуанкаре (1854-1912) относительно связи потока электромагнитной энергии с электромагнитным импульсом. Это означало, однако, только некоторое дополнение, а не существенное изменение основ теории Максвелла.
Несмотря на свою внутреннюю замкнутость и полное соответствие с опытом, теория Максвелла только постепенно находила признание среди физиков. Слишком необычными были ее идеи. Даже люди масштаба Гельмгольца и Больцмана много лет потратили на овладение ею.
В 1879 г. Берлинская Академия поставила конкурсную задачу: экспериментально доказать влияние диэлектрика на магнитную индукцию; в 1887 г. ее разрешил Г. Герц посредством быстрых колебаний. Важным результатом подобных размышлений явилось также исследование Конрада Рентгена (1845-1923) в 1888 г. Он обнаружил, что магнитные действия движущегося электрически поляризованного диэлектрика таковы же, как действия электрического тока. Это соответствует идее Фарадея. Мы называем установленный эффект током Рентгена. Открытие в 1888 г. электромагнитных волн Герцем положило конец всем сомнениям. Из числа колебаний и длины волн он непосредственно определил скорость их распространения и нашел ее равной скорости света.
Предистория этого открытия связана с сочинением Гельмгольца «О сохранении силы» (1847, гл. 6). Из различных наблюдений над разрядами лейденских банок и особенно из независимости порождаемого при этом джоулева тепла от всех особенностей проволоки, замыкающей контур, Гельмгольц заключил о колебательном характере разряда. Точно так же в связи с принципом сохранения энергии Вильям Томсон (лорд Кельвин) дал в 1853 г. математическую теорию этого явления, к которой мы едва ли что-нибудь можем прибавить. Беренд Вильгельм Феддерсен (1832-1918) наблюдал с 1858 до 1862 г. эти колебания в виде
разрядной искры во вращающемся зеркале. В 1870 г. Фридрих Вильгельм Безольд (1837-1907) явно обнаружил колебания в проводящих проволоках со свободным концом и в цепи резонатора с разомкнутым искровым промежутком. Но впервые в руках Герца подобные резонаторы стали средством исследования волн в атмосфере, средством доказательства их поляризации, отражения, преломления, а также интерференции; они дали возможность также измерить длины волн и тем самым скорость распространения.
Волны, с которыми экспериментировал Герц, были сильно затухающими. Если мы теперь можем повторить его опыты с незатухающими волнами и, следовательно, с большей точностью, то этим мы обязаны технике. Но эта техника прошла трудный путь до 1913 г. и позже, пока научились получать незатухающие волны на основе принципа обратной связи (гл. 1), что было использовано для беспроволочного телеграфа и других подобных целей.
Как за Ньютоном последовала эпоха математического оформления механики, так отныне наступила пора математической обработки теории Максвелла. Для представления магнитных вихревых полей стационарных токов уже в прежние времена был введен вектор-потенциал. Теперь ему и скалярному потенциалу электростатики был противопоставлен запаздывающий потенциал, введенный в 1898 г. Альфредом Мари Лиенаром и в 1900 г. Эмилем Вихертом (1861-1928). В этом потенциале конечная скорость распространения электромагнитных волн находит свое наиболее четкое выражение. Перечисление всех исследователей, которые математически решали важные научные и технические проблемы переменных электрических полей, выходит далеко за рамки данной книги. В современном изложении теория Максвелла является замечательным творением, равноценным механике.
В начале XX века учение об электричестве и магнетизме казалось достаточно завершенным, тем более, что незадолго до этого атомистика внесла порядок и ясность в понимание явлений разряда в разреженных газах. Однако именно в самой существенной области этого учения, в области электропроводности, было открыто новое неожиданное явление. В 1835 г. измерениями Э. X. Ленца (1804-1865) было показано, что сопротивление металлов при охлаждении уменьшается. Камерлинг-Оннес (1853-1926) исследовал это явление при температуре 10° К, достигнутой в 1908 г. при ожижении гелия. Он нашел, что у металлов, например у золота, серебра, меди, имеется некоторое критическое значение сопротивления, ниже которого оно не падает. Но в 1911 г. он обнаружил сначала у ртути, а затем у свинца, олова и некоторых других металлов внезапное исчезновение сопротивления электрическому току, как только температура падала ниже критической точки, характерной для этих тел. Так была установлена сверхпроводимость. В 1914 г. Камерлинг-Оннес показал, что ток, циркулирующий в сверхпроводящем кольце, не изменялся по величине в течение нескольких дней без приложения какой-либо электродвижущей силы. Наконец, Камерлинг-Оннес нашел также, что при постоянной температуре сверхпроводимость может быть разрушена действием магнитного поля, после чего вступает в свои права закон Ома. Напряженность магнитного поля, при котором еще сохраняется сверхпроводимость, изменяется по мере понижения температуры и у чистых металлов может достигать несколько сот гаусс.
