Электромагнитные волны

Драма идей в познании природы

"Теория, которую я предлагаю, - писал Максвелл в своей статье "Динамическая теория поля", - может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела, и она может быть названа также динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется среда, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления".

Итак, вне зарядов и токов имеется среда, передающая их воздействие. Слово "среда" здесь - анахронизм, дань желанию построить механическую теорию эфира из зацепляющихся колесиков. Но суть дела не в словах и не в механической конструкции. Благодаря электромагнитным явлениям вне зарядов и токов, то есть благодаря электромагнитной индукции и току смещения был получен вывод о возможности изменений электромагнитного поля, не связанных с зарядами и токами. Благодаря току смещения в уравнениях Максвелла появлялись решения нового типа - решения, описывающие распространение электромагнитных волн.

Эти решения отвечают волновому процессу взаимопревращения электрических и магнитных полей, распространяющемуся со скоростью c. Скорость распространения электромагнитных волн c появилась в уравнениях Максвелла из соображений размерности. Выбрав единицы измерения электрического заряда, электрического тока, напряженностей электрического и магнитного полей, определив их связь из опытом Ампера и Фарадея, можно было найти числовое значение связывающих пространственные и временные изменения полей и потому имеющих размерность c. В двух уравнениях в отдельности константы зависят от единиц измерения. Однако результат для скорости распространения волны, конечно, не зависит от этого. Опыты Ампера и Фарадея не имели дела с волнами, но они позволили определить скорость распространения электромагнитной волны. Они дали для этой скорости величину, равную c - скорости света. Эта скорость оказалась равной 300 тысяч километров в секунду. Скорость распространения электромагнитных волн оказалась равной скорости света! Это совпадение не было случайным. Оно подтверждало электромагнитную природу света.

"Иногда я думаю, что согласился бы, чтобы меня заперли в подземной тюрьме, на десять сажен под землей, куда не проникал бы луч света, если бы только взамен я мог узнать, что же такое свет", - говорит Галилей в пьесе Брехта "Жизнь Галилея". Природа "очевидного", того что "бросается" нам в глаза, как только мы их открываем, природа света долгое время была непонятной. Для древних греков было даже совсем не очевидно, что свет приходит в глаза извне, и выражение "свет очей" они употребляли буквально. Первый постулат "Оптики" Евклида так и формулировался: "Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути".

Да, лучи света, испускаемые, конечно, не глазами, а источниками света, распространяются по прямой. Так летели бы частицы, летели бы камни, летели бы любые предметы: если бы их не отклоняло земное притяжение. Если частицы летят очень быстро, то отклонение незаметно. Если частиц очень много и они очень мелкие, их полет сливается в один непрерывный поток. Может быть, свет - это поток мельчайших быстрых частиц? Гипотеза о частицах (корпускулах) света делала естественными законы геометрической оптики. Упругие столкновения частиц света с гладкой поверхностью объясняли явления отражения. Изменение скорости движения частиц в разных средах объясняло преломление света на границе разных сред.

Но почему частицы света отражаются при столкновении с поверхностью? Почему потоки этих частиц не рассеиваются внутри прозрачных тел и распространяются в них прямолинейно? Почему такие потоки не рассеиваются друг на друге? Свет исходит от огня, от пламени, сконцентрированный свет способен зажигать предметы.

Световые явления трудно объяснимы для частиц вещества и очень естественны для волнового движения. Свет подобен волнам звука, подобен волнам по поверхности воды, утверждали сторонники волновой теории света.

Оба эти представления - о частицах (корпускулах) света и о волнах света - были отчетливо сформулированы в 17 веке и противоборствовали почти два столетия. Но вот в начале 19 века Юнг формулирует общий принцип интерференции света: "Представьте себе ряд одинаковых волн, бегущих по поверхности озера с определенной постоянной скоростью и попадающих в узкий канал, ведущий к выходу из озера. Представьте себе далее, что по какой-либо иной аналогичной причине возбуждена другая серия волн той же величины, приходящих к тому же каналу с той же скоростью одновременно с первой системой волн. Ни одна из этих двух систем не нарушит другой, но их действия сложатся: если они подойдут к каналу таким образом, что вершины одной системы волн совпадут с вершинами другой системы, то они вместе образуют совокупность волн большей величины; если же вершины одной системы волн будут расположены в местах провалов другой системы, то в точности заполнят эти провалы и поверхность воды в канале останется ровной. Так вот, я полагаю, что подобные явления имеют место, когда смешиваются две порции света; и это наложение я называю общим законом интерференции света".

В первой половине 19 века интерференция света была установлена на опыте. Был подтвержден целый ряд предсказаний волновой теории. А в 1845 году Фарадей сообщает о наблюдавшемся им вращении плоскости поляризации света в прозрачном теле, помещенном в магнитном поле. Оправдывая название своей статьи "Намагничивание света и освещение магнитных силовых линий", Фарадей делает примечание в корректуре: "Я полагаю, что в опытах, описываемых мною в настоящей статье, свет испытал на себе магнитное действие, то есть что магнитному действию подвергалось то, что является магнитным в силах материи, а последнее, в свою очередь, воздействовало бы на то, что является подлинно магнитным в силе света".

Комментарий: В архиве Королевского общества было обнаружено письмо М.Фарадея, датированное 1832 годом, в котором обсуждалась электромагнитная природа света. Это письмо было написано, когда Максвеллу был всего год отроду.

И вот, наконец, числовое совпадение постоянной, связывающей электромагнитные единицы, с величиной скорости света. Его отмечал в 1864 году Вебер, но в чем истинный смысл такого совпадения? Веберу он был не ясен. Ответ дал Максвелл в своем "Трактате об электричестве и магнетизме": "В различных местах этого трактата делалась попытка объяснения электромагнитных явлений при помощи механического действия, передаваемого от одного тела к другому при посредстве среды, занимающей пространство между этими телами. Волновая теория также допускает существование какой-то среды. Мы должны теперь показать, что свойства электромагнитной среды идентичны со свойствами светоносной среды...

Мы можем получить числовое значение некоторых свойств среды, таких как скорость, с которой возмущение распространяется через нее, которая может быть вычислена из элементарных опытов, а также наблюдена непосредственно в случае света. Если бы было найдено, что скорость распространения электромагнитных возмущений такова же, как и скорость света..., мы получили бы серьезное основание для того, чтобы считать свет электромагнитным явлением, и тогда сочетание оптической и электрической очевидности даст такое же доказательство реальности среды, какое мы получаем в случае других форм материи на основании совокупности свидетельств наших органов чувств".

Поэтому Максвелл рассматривает числовое совпадение скорости распространения электромагнитных волн и скорости света как "подтверждение электромагнитной теории света".

В своих воспоминаниях Лаура Ферми рассказывает, как ее муж Энрико Ферми втолковывал ей, что раз скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света, то "значит, свет - это электромагнитные колебания" и сердился, что она этого не понимает. Настоящему физику очевидно, что совпадение скорости не может быть случайным. Но обратимся к следующему витку логики - ведь скорость безмассовых нейтрино и гравитационных волн тоже должна быть равна c - а это не электромагнитные волны. Уверенность в том, что свет это электромагнитные волны, до совсем недавнего времени основывалась на всем комплексе данных об электромагнетизме (на существовании и закономерности переходов электронов в атомах, на существовании и свойствах радиоволн и так далее). Наконец, в последние годы релятивистские электроны в ондуляторе (устройстве, предназначенном для создания периодических полей, действующих на проходящие в них заряженные частицы) и синхротронное излучение в оптическом диапазоне в электронных накопителях обеспечили прямое получение света как электромагнитных колебаний.

Так на основе теории Максвелла было достигнуто единое описание электрических, магнитных и световых явлений. Создатели современных теорий единого описания фундаментальных сил природы не случайно упоминают Максвелла как своего великого предшественника. В свете современного развития теоретической физики, о котором мы будем говорить дальше, теорию Максвелла можно назвать Великим объединением 19 века. В этой связи весьма поучительно обратить внимание на формулируемый самим Максвеллом фундамент такого объединения. Максвелл говорит о единой среде, единстве электромагнитного и светового эфира. Объединение произошло на основе единого эфира. Физика 20 века исключила эфир, но сохранила объединение. Устранила фундамент (точнее то, что считали фундаментом строители), сохранив саму конструкцию. Так строят арки и мосты - и убирают строительные леса.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год