Страница 82 из 120
Не меньшие, а может быть, и большие трудности составило объяснение распространения света. Во времена Ньютона и Гюйгенса, как уже говорилось, велась дискуссия о природе света между сторонниками корпускулярной и волновой теорий света. Каждая из этих теорий имела свои преимущества. В середине XIX в. предпочтение было отдано волновой теории, главным образом по причине того, что волновая теория давала объяснение дифракции света, т. е. отклонению световых волн при распространении света вблизи краев непрозрачных тел, сквозь узкие отверстия, щели и т. д. Раз была принята волновая теория света, то, казалось бы, должна существовать среда, субстанция, в которой распространяются световые волны. В этом случае все согласовалось бы с механическими представлениями.
Но что это за среда? Не оставалось ничего другого, как предположить существование еще одной гипотетической среды — эфира, — заполняющей всю Вселенную. Против существования эфира были выдвинуты очень серьезные возражения. Дело в том, что из небесной механики известно, что межзвездное пространство, которое должно быть заполнено эфиром, не оказывает какого-либо сопротивления движению небесных тел. Но если это так, то не может быть взаимодействия между частицами эфира и частицами твердых тел.
Однако свет, проходя, например, через воду и стекло, или, можно сказать, через эфир, в который «погружены», в котором «купаются» вода и стекло, изменяет свою скорость. Как можно объяснить этот факт, если исключить взаимодействие между частицами эфира и частицами вещества? Но мы уже должны были пойти на это, рассматривая движение небесных тел в эфире.
Какой можно сделать вывод из всего сказанного? Трудности, с которыми мы сталкиваемся, пытаясь распространить механические принципы на электрические и оптические явления, оказываются непреодолимыми. Поэтому наука должна была отказаться от признания особой, универсальной роли механики, хотя сама по себе механика занимает почетное место среди других наук.
Что касается эфира, то о нем речь пойдет ниже.
Фарадей. Максвелл
Электромагнитное поле
Фарадей и Максвелл являются одними из наиболее крупных ученых XIX в. Оба они имели очень широкий круг научных интересов, были людьми разносторонними. Но, по всей вероятности, наиболее крупным их достижением, которое правильно было бы рассматривать как общее, обоим им принадлежащее, является введение понятия электромагнитного поля и разработка его теории (хотя Фарадей родился на 40 лет раньше Максвелла и вместе в буквальном смысле этого слова они никогда не работали).
Позднее в это направление большой вклад внес немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857–1894).
Вот как оценивают исследования в области электромагнитного поля А. Эйнштейн и Л. Инфельд: «Во второй половине девятнадцатого столетия в физику были введены новые революционные идеи; они открыли путь к новому философскому взгляду, отличающемуся от механического. Результаты работ Фарадея, Максвелла и Герца привели к развитию современной физики, к созданию новых понятий, образующих новую картину действительности»[301].
Несколько слов о Фарадее. Английский физик и химик, член Лондонского королевского общества, иностранный почетный член Петербургской Академии наук Майкл Фарадей (1791–1867) родился в Лондоне, в семье кузнеца. Он учился в начальной школе, но уже в возрасте 14 лет его официальное образование закончилось — Фарадей поступил учеником в переплетную мастерскую. Интерес к науке Фарадей проявлял с раннего возраста: много читал, посещал различные публичные лекции, в частности лекции известного английского физика и химика Дэви, о котором выше уже говорилось. Лекции Дэви произвели на Фарадея большое впечатление и усилили стремление посвятить свою жизнь науке. Он обратился к Дэви с письмом, в котором просил принять его на работу в Королевский институт, где проводил свои исследования Дэви, и в 1813 г. был туда зачислен лаборантом. Сначала Фарадей сопровождал Дэви в его поездке в Европу, ознакомился с рядом лабораторий Франции и Италии, затем помогал Дэви в его исследованиях в Королевском институте, проявив при этом блестящие способности. Научная деятельность Фарадея и в дальнейшем протекала в Королевском институте; он вскоре получил возможность проводить исследования самостоятельно. В 1824 г., в возрасте 33 лет, Фарадей был избран членом Лондонского королевского общества.
Первый период научной деятельности Фарадея был посвящен химии. Ему удалось получить бензол, который в дальнейшем стал широко применяться при получении многих химических веществ. Широкую известность приобрели его работы по сжижению газов.
Начиная с 1821 г. научные интересы Фарадея сосредоточились на электричестве. Он показал, что все виды электричества («электричество трения», «животное электричество», «гальваническое», «термоэлектричество», «магнитное») представляют собой проявление одной и той же сущности, качественно тождественны и отличаются только количеством и интенсивностью. Для определения «количества электричества» Фарадей много занимался исследованием электролиза — процесса разделения веществ в результате прохождения электрического тока через разделяемое вещество. С помощью электролиза можно получить, например, водород из воды, алюминий из глинозема (Al2O3), произвести никелирование поверхности металлических изделий, т. е. нанести тонкий слой никеля путем электролиза никелевого купороса (NiSO4·7H2O). Фарадей установил основные количественные законы электролиза, носящие теперь его имя. В соответствии с этими законами количество, прошедшего через электролит электричества у пропорционально массам m превращенных веществ.
Рис. 37. Электромагнитная индукция.
Фарадей был человеком не только талантливым, но также и на редкость целеустремленным. Зная об открытом в 1820 г. Эрстедом магнитном действии тока, Фарадей поставил себе целью решить обратную задачу — превратить магнетизм в электричество. Большим его успехом было открытие электромагнитной индукции. Это явление заключается в следующем. Если в магнитном поле (о сущности физического поля — главном предмете настоящего раздела — будет сказано немного ниже), движется электрический проводник или, наоборот, около проводника движется, например, постоянный магнит, в проводнике возникает электродвижущая сила, а если проводник замкнут, в цепи появляется электрический ток[302] (рис. 37, а). На этом рисунке М — постоянный магнит, АБ — проводник, Г — гальванометр. Постоянный магнит может быть заменен первичной цепью Э, электрического тока, питание которой производится от батареи Б (рис. 37, б). В этом случае магнитное поле создается протекающим в контуре Э, электрическим током. Перемещение цепи Э1 по отношению к цепи Э2 (или, наоборот, перемещение цепи Э2 по отношению к цепи Э1) или изменение силы тока в первичном контуре Э1 вызывает появление тока во вторичном контуре Э2, о чем можно судить по показаниям гальванометра Г.
Таким образом, Фарадей опытным путем показал, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая (а не статическая) связь. Это открытие имело огромное научное и практическое значение.
Любопытное соображение высказал по этому поводу Дж. Бернал: «Открытие Фарадея имело также значительно большее практическое значение по сравнению с открытием Эрстеда потому, что оно означало возможность получения электрического тока механическим путем, а также обратную возможность приведения в действие машин с помощью электрического тока. По сути дела, в этом открытии Фарадея заключалась судьба всей тяжелой электропромышленности, однако потребовалось чуть ли не 50 лет для того, чтобы оказалось возможным извлечь все вытекающие из него выгоды. Сам Фарадей был весьма мало склонен работать в направлении практического применения своего открытия. Это объяснялось отнюдь не тем, что Фарадей был человеком не от мира сего; но он по собственному опыту достаточно хорошо знал деловой мир и отношение правительства, чтобы понимать, какого огромного количества времени и каких хлопот ему будет стоить попытка продвинуть те или иные из своих идей в стадию практической эксплуатации. Он считал, что может употребить свое время с большей пользой.
301
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики, с. 102.
302
Взаимоперемещения проводника и магнита обязательно должны быть такими, чтобы проводник пересекал линии магнитного поля.