Пётр Капица - Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления
В связи с этой юбилейной датой «Трактата» я хочу сказать несколько слов о нем, к тому же сейчас мало кто его читает, хотя там можно найти ряд жемчужин как по постановке интересных и по сей день задач, так и по оригинальной методике их решения.
«Трактат» сейчас воспринимается очень легко и его чтение доставляет большое эстетическое удовольствие, но прежде, даже лет через 15—20 после его опубликования, он воспринимался с трудом. Это хорошо видно из опубликованных в 1891 г. лекций Людвига Больцмана по максвелловской теории (L. Bolzmann, Vorlesungen uber die Maxwellische Theorie, Lpz., 1891). Даже для такого большого ученого, каким был Больцман, в те времена восприятие максвелловского учения об электромагнитном поле давалось с большим трудом. Это видно из того, как он пытался конкретизировать механическими моделями динамику процессов, происходящих в электромагнитном поле. Одна из этих моделей, которые Больцман приводит в своих лекциях, изображена на рисунке на стр. 238. Я думаю, что сложность ее конструкции, даже без детального рассмотрения, достаточна, чтобы продемонстрировать трудность, с которой Больцман воспринимал теорию Максвелла.
Теперь восприятие максвелловского представления об электромагнитном поле не вызывает трудностей. Экзаменуя студентов, я неизменно обнаруживаю, что они лучше знают и понимают электромагнитные процессы, чем, например, механику гироявлений. По-видимому, это связано с тем, что они начинают еще в юности знакомиться с радиоприемниками и телевизорами. Некоторые преподаватели сейчас предлагают делать обратное тому, что делал Больцман, т. е. изучать механику на основе электродинамики.
Я надеюсь, что вы согласитесь со мной, что нашей конференции следует, если и не особо отметить эту юбилейную дату, то, во всяком случае, вспомнить о роли «Трактата».
Приведенный пример с взаимодействием зарядов поучителен еще по одной причине: из него непосредственно следует, что всегда магнитное поле Н создается зарядами, движущимися по отношению к наблюдателю.
Следовательно, изучая магнитное поле, создаваемое намагниченными телами, можно определить положение и движение зарядов в материальной среде. Это есть один из основных и могущественных методов познания электрической природы материи. Этому и посвящено исследование магнитных явлений.
Согласно выражению (3), поле, создаваемое движущимся зарядом, обратно пропорционально квадрату расстояния и пропорционально скорости его движения. Это как бы обобщает закон Био — Савара для элемента электрического тока, открытый еще в 1820 г. Справедливость этого обобщения нуждается в прямой экспериментальной проверке. Оказалось, что сделать это непосредственно и точно — трудная экспериментальная задача. Это вызвано тем, что согласно выражению (3), магнитное поле пропорционально отношению скорости движения заряда и к скорости света с. Поскольку скорость и надо создавать механическим движением, то по сравнению со скоростью света она весьма мала и поэтому поле, которое надо мерить, тоже очень мало.
Первый, кому удалось это осуществить (1876 г.), был Роуланд — один из искуснейших экспериментаторов того времени. Ему удалось проверить этот закон, но только весьма приближенно. Потом лучший результат получил Рентген (1885 г.). Но наиболее точные результаты были получены А. А. Эйхенвальдом в 1903— 1904 гг. в опытах, проведенных в Московском университете. Когда был открыт электрон и определена его масса, то ускоряя электроны в заданном электрическом поле при их свободном движении в вакууме, получили возможность точно определять их скорость. Таким путем измеряя магнитное поле, создаваемое пучком электронов, А. Ф. Иоффе в 1911 г. с хорошей точностью проверил закон Био — Савара.
Открытие, что носители тока — электроны кроме заряда обладают еще определенной массой, привело к важному выводу, что всякое намагниченное тело, если его магнитный момент создается движением электронов, должно обладать гиромеханическим моментом и отношение этих моментов равно е/2т. В 1908 г. Ричардсон указал, что это отношение можно проверить экспериментально по измерению гиромомента, но поскольку даже у намагниченного железа он очень мал, то экспериментально его наблюдать очень трудно. В 1914 г. экспериментально это удалось сделать Барнетту. Опыт заключался в следующем: если вращать железный цилиндр и считать, что атомы железа являются как бы гироскопами, то направления их моментов, так же как это происходит с обычным гироскопом, будут отклоняться в направлении оси вращения. Следовательно, цилиндр должен приобретать в том же направлении магнитный момент. Барнетту удалось наблюдать этот эффект. Эксперимент был очень трудным, так как намагничивание было очень мало, поэтому достаточно точно он его измерить не смог. Другой путь — найти отношение магнитного момента к гиромоменту был осуществлен опытом, носящим имя Эйнштейна — де Хааза. Эксперимент заключался в том, что при периодическом перемагничивании свободно подвешенного ферромагнитного цилиндра должны возникать крутильные колебания, измерив которые, можно определить отношение е/2т. Этот опыт тоже требует большого экспериментального искусства, он был осуществлен в Лейдене в 1915 г., но точность его результатов сперва также была низкой.
До сих пор во всех известных мне энциклопедиях и курсах физики не было отмечено, что идея этих опытов уже высказана Максвеллом в его «Трактате». Максвелл допускает, что электрический ток может обладать инертной массой, и приводит два эксперимента, осуществленных им для ее обнаружения. В «Трактате» они описаны в §§ 574 и 575.
На рисунке на стр. 241 воспроизведено изображение прибора, на котором поставлен опыт в 1861 г. Горизонтально расположен железный цилиндр А, который можно намагничивать, пропуская ток через окружающую его обмотку. Он подвешен, как обычно подвешивается маховик в гироскопе. Всю эту систему можно было вращать около вертикальной оси. Если бы при намагничивании железный цилиндр приобретал механический момент, его ось должна была бы поворачиваться по направлению вертикальной оси вращения. Этот поворот магнита можно заметить, наблюдая за диском С, половина которого окрашена в красный цвет, другая — в зеленый. При вращении диск, благодаря смешению цветов, выглядит белым. Если намагниченный цилиндр начнет поворачиваться, в центре диска появится зеленое либо красное пятно, в зависимости от направления поворота.
Когда я был в Кембридже, в Кавендишской лаборатории, я нашел этот прибор в одном из шкафов со старыми приборами. Как нетрудно видеть, идея этого опыта весьма близка к эксперименту Барнетта.
Устройство для другого опыта Максвелла воспроизведено на рисунке на стр. 242. Это свободно подвешенная горизонтальная катушка, через которую по подвесам пропускают ток. По зайчику от зеркала, прикрепленного к катушке, Максвелл пытался обнаружить колебания катушки при пропускании через нее тока. Этот опыт по идее совпадает с опытом Эйнштейна — де Хааза. Максвелл в своем «Трактате» пишет, что в обоих опытах ему не удалось обнаружить механический момент, связанный с прохождением тока. Зная теперь действительную величину эффекта, мы вполне понимаем, что в опытах Максвелла на несколько порядков не хватило чувствительности, необходимой, чтобы обнаружить эффект.
Как известно, ни Барнетту, ни Эйнштейну и де Хаазу из-за трудности эксперимента сначала не удалось правильно определить отношение магнитного момента к механическому. Впоследствии, при правильном определении этого соотношения, оно оказалось в два раза больше ожидавшегося. Этот неожиданный результат оказался чрезвычайно важным для установления спиновой природы самого электрона.
Я вспомнил об этих опытах, так как думаю, что справедливость требует хотя бы раз в сто лет отметить участие идей Максвелла в этих исследованиях.
В 1921 г. я приехал в Англию и стал научным сотрудником Кавендишской лаборатории, которой руководил Резерфорд. Одна из первых моих работ возникла из идеи наблюдать пробег а-частиц в камере Вильсона в магнитном поле, чтобы по изгибам треков можно было мерить скорость каждой отдельной частицы. До того времени камера Вильсона вообще не помещалась в магнитное поле. Для этих опытов нужно было еще найти метод создания сильного магнитного поля, по величине близкого к 100 кэ, и создать его в катушке достаточных размеров, чтобы в это магнитное поле можно было поместить камеру Вильсона. Технически все это казалось осуществимым, так как время, за которое образовывались треки в камере, составляло ничтожные доли секунды и, следовательно, магнитное поле должно было существовать короткое время. Это снимало основную трудность создания сильных магнитных полей — перегрев катушки.
Легко было подсчитать, что за время в несколько сотых долей секунды, в продолжение которого по катушке должен был идти ток, обмотка благодаря своей теплоемкости нагревалась не более чем на 100°. Главная трудность была связана с необходимостью получить мощный импульсный источник электроэнергии.
