Макс Лауэ - ИСТОРИЯ ФИЗИКИ
Последующие исследователи прибавили к списку сверхпроводников еще несколько чистых металлов, а также ряд сплавов и химических соединений. В. Гааз и его сотрудники заметили, что критическое значение напряженности поля для сверхпроводящей проволоки зависит от направления магнитного поля по отношению к оси проволоки. Объяснение этому явлению дал в 1932 г. М. Лауэ. Если поместить сверхпроводник
в однородное магнитное поле, то он деформирует это поле, потому что силовые линии обходят его, как это показал на основе теории Максвелла Габриэль Липп-ман (1845-1921). Но сжатие силовых линий обусловливает усиление поля в определенных точках поверхности; сверхпроводимость разрушается, как только в какой-либо точке достигается критическое значение поля. Это подтвердили в последующие годы измерения Гааза и его сотрудников на сверхпроводниках различной формы.
Но все же сверхпроводник не является проводником в смысле теории Максвелла. Нельзя сказать, что он отличается от других проводников только бесконечно большой проводимостью. Тогда магнитное поле, проникая внутрь проводника, должно было бы «вмораживаться» в нем при падении температуры ниже критической точки. Но в 1933 г. измерения В. Мейснера и Р. Оксенфельда показали, что оно при этом будет вытеснено, причем не существенно, производят ли раньше охлаждение ниже критической точки, а потом возбуждают магнитное поле, или наоборот. Этот эффект Мейснера требует дополнения теории Максвелла на совершенно новых основах.
По вопросу об отношении электромагнитного поля к его зарядам взгляды физиков менялись. Подобно тому как Ньютон и его последователи рассматривали гравитацию как причинно обусловленный результат действия масс, так каждый физик первоначально рассматривал электрические силы как результат действия зарядов. Фарадей и Максвелл выдвинули на передний план понятие поля, а заряды были сведены к своего рода сингулярным точкам поля. Но отношение опять перевернулось, когда в связи с электронной теорией на передний план выступили атомные носители электрических элементарных зарядов. Нам кажется, что ни одно из этих воззрений не соответствует фактам. За-
ряды и поле настолько связаны друг с другом, что одно не может существовать без другого. Поэтому наука может с одинаковым успехом как принимать заряды за основу для познания поля, так и заключать о зарядах из изменений электрических силовых линий. Это - логические заключения; они не имеют дела с реальным отношением причины и следствия. То же, конечно, относится к взаимоотношениям между полем тяготения и его массами.
Своеобразны отношения между учением об электричестве и механикой. Как уже говорилось, Максвелл пытался в 1862 г. дать механическую картину магнитного поля. Позднее, в период прогрессирующего признания его теории, многие пытались более рациональным путем представить механику эфира как основу для такой картины. И до известной степени можно подчинить теорию линейных замкнутых (квазистационарных) токов теории циклов, разработанной Гельм-гольцем на основе механики. Но это не больше, чем математическая аналогия между различными видами физических процессов. Во всяком случае она характерна для проникновения электродинамических воззрений в широкие круги; последнее иллюстрируется тем, что современный инженер чаще объясняет действие механических машин через соответствующую электрическую схему. Но постепенно к 1900 г. поняли, что общее сведение электродинамики к механике невозможно.
С 1880 г. постепенно выступала противоположная мысль: свести механику к электродинамике. То, что движущийся носитель заряда несет с собой свое электрическое поле и что он имеет количество движения, связано с идеей электромагнитного происхождения инертной массы. Некоторые пытались любую массу рассматривать как электромагнитную массу. В 1902 г. эта воззрение нашло свое математическое отражение
в теории Макса Абрагама (1875-1922) относительно импульса движущегося электрона, представляемого в виде заряженного шара; масса получалась зависящей от скорости, и формула Абрагама долгое время конкурировала с релятивистской формулой (гл. 2).
Но и от этой идеи физика отошла. Опыты дали, наконец, однозначное решение в пользу релятивистской формулы; к тому же теория Абрагама получала для пропорциональности между энергией и покоящейся массой другой коэффициент, чем выступающий в эйнштейновском законе инертности энергии, нашедшем полное подтверждение в ядерной физике (гл. 11). Однако в качестве подготовки релятивистской динамики работы Абрагама имели большое значение.
Если релятивистская динамика также совершенно независима от какого-либо представления о природе сил и, таким образом, также независима от электродинамики, то последняя все же играет решающую роль при открытии этой динамики. Из опытов, которые были сконцентрированы в динамике Ньютона, нельзя было придти к теории относительности Эйнштейна; они были недостаточно точны. Поскольку электродинамика привела к связанному с преобразованиями Лорентца принципу относительности, она обусловила также переход от ньютоновской динамики к релятивистской. В этом чисто историческом смысле современная динамика основывается также на электродинамике.
Новейшие исследования по магнетизму выходят за пределы чистой электродинамики. Согласно теории Максвелла намагничение пропорционально магнитному полю в соответствии с опытами, относящимися к диамагнитным и слабо парамагнитным телам. В железе, никеле, кобальте и некоторых сплавах, в которых впервые был открыт магнетизм, при растущей силе поля намагничение достигает значения насыщения, которое, конечно, лежит далеко за пределами намагничения у-
других веществ. Для твердых металлов, как, например, большинства сортов стали, намагничение вообще гораздо меньше зависит от силы поля, чем от предварительной обработки. В противном случае не было бы постоянного магнита. Для подобных веществ в 1880 г. Эмиль Варбург (1846-1931) обнаружил явление, которое независимо от него открыл в 1882 г. Джемс Альфред Эвинг (1855-1935) и назвал его гистерезисом: в том случае, когда поле возрастает от нуля, намагничение происходит иначе, чем при его убывании до нуля. С намагничением, следовательно, связана работа, которая в магните превращается в теплоту. Еще поразительнее было открытие Пьера Кюри (1859-1906). Он нашел в 1895 г., что диамагнетизм независим от температуры, в то время как парамагнитная восприимчивость, напротив, с увеличением абсолютной температуры уменьшается обратно пропорционально ей. Что касается ферромагнетизма, то при характерной для вещества «температуре Кюри» (для железа она равна 774° С, для никеля 372° С, для кобальта 1149° С) он переходит в нормальный парамагнетизм, постепенно уменьшающийся с возрастанием температуры. Теоретическое объяснение различного поведения диа- и парамагнитного вещества дал в 1905 г. Поль Ланжевен (1872-1946). В то время как диамагнетизм основывается на индукционном действии магнитного поля на электроны, находящиеся в молекуле, парамагнетизм вызывается свободно вращающимися элементарными магнитами с постоянными моментами; поле заставляет их принять определенное направление вопреки воздействию теплового движения. В 1907 г. Пьер Эрнст Вейс (1865-1940) распространил статистическую термодинамическую теорию на ферромагнетизм, создав гипотезу внутреннего магнитного поля, напряженность которого характерна для тела и для его намагничения и которое наряду с магнитным полем содействует ориентации элементарных магнитов. Какой бы произвольной ни казалась вначале эта гипотеза, Вейс был на правильном пути; в 1927 г. Гейзенберг смог свести
внутреннее поле посредством теории квант к «спину» электронов. Тем самым магнетизм подобно электричеству был сведен к первоначальным свойствам элементарных частиц (гл. 14).
От этой теории до количественного понимания свойств ферромагнетиков путь, конечно, далекий и он еще не вполне проложен. Среди многих обстоятельств при этом играют роль, например, кристаллическая структура, упругие напряжения и примеси.
Как показал Дебай в 1912 г., теория магнетизма Ланжевена без всяких оговорок может быть применена к объяснению зависимости от температуры электрической восприимчивости жидкостей и газов, молекулы которых обладают постоянным электрическим моментом; электрическая восприимчивость также уменьшается обратно пропорционально абсолютной температуре.
ГЛАВА 6
СИСТЕМА ОТСЧЕТА В ФИЗИКЕ
Проблема, указанная в этом заглавии, уходит своими корнями в греческую древность. Она прошла три стадии развития: геометрическую, простиравшуюся до XVII столетия; динамическую, которая после победы волновой теории света (около 1800 г.) распространилась на всю физику, и, наконец, эпоху теории относительности Эйнштейна, начавшуюся в 1905 г.
