Материал: Механическая картина мира: становление, развитие, кризис

Теория магнетизма, подобно фарадеевской теории электрического поля не противоречила коренным образом физике дальнодействия. И та, и другая пользовались понятием среды, характеризуемой диэлектрической постоянной в случае электрического поля и магнитной проницаемость в случае магнитного поля. Но действие через эту среду не зависело явным образом от времени. Переходом к иному кругу взаимодействий было открытие электромагнитной индукции. Оно показало, что электродвижущая сила в проводнике возникает каждый раз, когда возрастает или уменьшается магнитное поле. Фарадей сделал отсюда заключение, что в пространстве, окружающем магнит, физическая среда претерпевает некоторую деформацию и возвращается в исходное состояние, когда магнит исчезает. Изменение этого состояния вызывает электродвижущую силу. В результате, было разработано учение о силовых линиях. Причем Фарадей решительно утверждал реальность физического существования силовых линий. Фарадей возвращается к абсолютной заполненности пространства. Если считать атомы центрами сил, считает Фарадей, то материя присутствует везде, и нет промежуточного пространства, не занятого ею. Но концепция ученого уже далеко не картезианская. Идея заключается в материальности силового поля. Фарадей скептически относится к традиционным механическим концепциям эфира, считая, что эфир ничем не отличается от обычной материи. Никто до Фарадея не говорил о материальности сил, не предполагал, что силовые поля это не результат механических перемещений, не формальная схема, что оно само по себе является материальной субстанцией.

Идея реальных силовых линий позволила Фарадею дать рациональное объяснение всем известным в то время фактам. Но она не была единственно возможным объяснением. Идея дальнодействия также могла дать непротиворечивое истолкование фактов. Фарадей не всегда это понимал. Он считал, что распространение индукции от точки к точке по кривым линиям служит непререкаемым аргументом против дальнодействия. Решающие эксперименты, результаты которых вступили в противоречие с дальнодействием, были сделаны значительно позже. Когда электродинамика середины 19 века в лице Максвелла остановилась на распутье, перед нею еще не было экспериментального кризиса, показывающего единственно правильную дорогу. Выбор, однако, был сделан. Максвелл утверждает, что в области электромагнетизма нужен такой метод исследования, который на каждом шагу основывался бы на ясных физических представлениях.

Такая физикализация математики у Максвелла фактически представляла встречное течение уже произошедшей математизации физики у Лагранжа, открывшего новые горизонты классической механики, введя понятие об обобщенных координатах. Эти два течения - две формы одного процесса. Лагранж своими работами, основанными на вариационном принципе, дал такие математические обобщения механики, которые могли быть применены к немеханическим процессам. Максвелл интерпретировал уравнения Лагранжа, находя при помощи условных аналогий их немеханический физический эквивалент.

Следует подчеркнуть, что уравнения Максвелла не сводятся к переводу идей Фарадея на язык математики. Они включают нечто новое - фактическую возможность определить изменение поля в пространстве и во времени, если заданы начальные и граничные условия, и получить такие выводы, которые не могли быть получены из простых моделей полей. Эти выводы допускают экспериментальную проверку и, следовательно, позволяют экспериментально решить вопрос о реальности поля.

В теории Максвелла основными переменными являются напряженности электрического и магнитного полей. Эти переменные суть функции четырех независимых переменных - трех пространственных координат и времени. Изменение напряженности электрических и магнитных полей - исходный, основной процесс, который описывается уравнениями Максвелла. Возмущения поля распространяются от точки к точке с конечной скоростью, и его структура дается в форме дифференциальных уравнений в частных производных, уравнений, содержащих частные производные переменного поля по пространственным координатам и по времени. Метод Максвелла - стремление придать физический смысл математическим абстракциям теории поля - принес ему большую победу, когда он обобщил понятие тока и ввел понятие тока смещения, измеряемого производной по времени от индукции электрического поля. Ток смещения имеет такую же физическую реальность, как и ток проводимости. Максвелл предположил, что токи смещения создают магнитное поле. Надо подчеркнуть, что эксперименты Фарадея и вообще все эксперименты, известные Максвеллу, не давали ему права написать такое уравнение, которое связывало бы токи проводимости и токи смещения. Именно в этой гениальной догадке - исходный пункт электромагнит ной теории света, волнового уравнения и радикального доказательства близкодействия - картины электромагнитного поля в отсутствие зарядов. Это уравнение означало, что при всяком изменении магнитного поля возбуждается электрическое поле, ток смещения в диэлектриках и ток проводимости в проводниках.

Таким образом, в физике победила идея близкодействия. Близкодействие в классической электродинамике - это четырехмерное близкодействие, связанное с конечной скоростью распространения деформации поля. Появление переменного, зависящего от времени, электрического поля в исходном контуре вызывает появление магнитного поля, т.е. переменное, зависящее от времени, магнитное поле. Но переменное магнитное поле вызывает возникновение переменного электрического поля. Поэтому пока в первичном контуре будут происходить периодические изменения направления тока или вообще, пока в некоторой точке будет иметь место периодические колебания электрического поля, во все стороны будут распространяться электромагнитные волны - периодические колебания в каждой точке пространства, вызывающие колебания той же частоты в соседних точках. Такое представление об электромагнитных волнах, которое Максвелл отождествил со светом, таило в зародыше радикальный отказ от механической концепции эфира.

Одновременно с созданием Максвеллом классической электродинамики появились представления о локализации энергии в пространстве. В 1874 году Н. Умов (1846 - 1915 г.г.) определил плотность энергии в произвольной точке среды как частное от деления количества энергии, заключенного внутри бесконечно малого элемента объема, на величину этого объема. Он вводит понятие плотности потока энергии - произведение плотности энергии на скорость ее движения. Десять лет спустя Д. Пойнтинг (1852 - 1914 г.г.), исходя из принципа локализации энергии, развил аналогичные представления для случая энергии электромагнитного поля.

Из принципа сохранения энергии вытекает, что электромагнитная энергия, сосредоточенная на некотором участке покоящегося однородного поля, может уменьшаться или увеличиваться только в том случае, когда она превращается внутри этого участка в другие формы, либо когда она приходит из окружающего пространства или уходит в него. Если дополнить принцип сохранения энергии принципом близкодействия, становится ясно, что электромагнитная энергия может проникнуть внутрь участка только через его поверхность. Таким образом, баланс энергии зависит от потока энергии через поверхность рассматриваемого участка пространства, причем, поток электромагнитной энергии определяется в каждой точке значением напряженности электрического и магнитного полей. Этот поток энергии пропорционален векторному произведению указанных величин и получил название вектора Умова-Пойнтинга.

В последней четверти 19 века все отчетливее становилась фундаментальная роль принципа локализации энергии. Понятия, выросшие в электродинамике, двинулись по направлению к механике. Историческую роль при этом сыграло открытие П. Лебедева, экспериментально доказавшего существование светового давления. Это открытие вызвало появление ряда работ, в которых последовательно выводились понятия импульса и массы электромагнитных волн. Подобные понятия и идеи означали постепенное подчинение механики более общим законам электромагнитных явлений и вели к новой физической картине мира.

Теория относительности

Какова абсолютная скорость Земли? Желание узнать ответ на этот вопрос привело к созданию теории относительности ( так называли первый вариант этой теории). Впоследствии, когда А. Эйнштейн построил новую, более общую теорию, первый вариант стали называть частной, а второй вариант - общей теорией относительности.

Мы уже знаем, что если в некоторой системе отсчета выполняются законы ньютоновой механики, в том числе закон инерции, то эта система отсчета инерциальна. Покоящаяся на поверхности Земли система отсчета является инерциальной потому, что в ней неподвижны стоящие на Земле здания. Точно так же инерциальна система отсчета, находящаяся в поезде, идущем с постоянной по величине и направлению скоростью, поскольку упомянутые здания в этой системе отсчета все движутся с одной и той же постоянной скоростью, противоположной по направлению скорости поезда. Таким образом, инерциальных систем отсчета бесконечно много. Если ограничиться чисто механическими явлениями, то все инерциальные системы эквивалентны друг другу, ни одна из них не лучше другой, так как любое механическое явление можно наблюдать из какой угодно инерциальной системы отсчета, и во всех инерциальных системах отсчета ньютоновские законы механики выражаются одинаковым образом. Иначе говоря, если из некоторой инерциальной системы отсчета  пересесть в другую инерциальную систему , то не получится, что какое-то механическое явление произошло в  и не произошло в , и при пересадке из  в  не придется изменять или исправлять законы механического движения тел. Это утверждение составляет содержание принципа относительности Г. Галилея.

Напротив, наблюдатель, находящийся в неинерциальной системе отсчета, например, в автомобиле, двигающемся зигзагами, обнаружит, что открывающиеся его взгляду явления не подчиняются законам ньютоновой механики, которые в данном случае нужно исправить, чтобы учесть зигзагообразное движение автомобиля. Необходимость таких обременительных исправлений показывает, что вообще говоря неинерциальные системы «хуже» инерциальных. Сказанное относится лишь к чисто механическим явлениям, то есть таким, при наблюдении которых интересуются только ответом на вопрос, как же те или иные тела изменяют свое движение под действием внешних сил. Ситуация меняется при учете немеханических явлений, например, оптических, электрических или магнитных. Вспомним, что, согласно уравнениям Максвелла, скорость света в вакууме . Это утверждение - закон, подтверждаемый также и экспериментально.

Опыт, показывавший, что в согласии с уравнениями Максвелла скорость света равна , выполнен в системе отсчета , покоящейся относительно Земли. Если это же наблюдение повторить в другой инерциальной системе , например, в поезде, движущемся с постоянной по величине и направлению скоростью, то (по Галилею) для скорости света должен получиться результат, отличающийся от . Следовательно, уравнения Максвелла, выполняющиеся в , должны как то измениться при переходе в . В этом смысле система  «хуже» системы . Более того, скорость света должна отличаться от  в любой другой инерциальной системе, движущейся относительно системы , значит, уравнения Максвелла придется исправлять по-своему для каждой инерциальной системы, движущейся относительно . Таким образом, при учете оптических и электромагнитных явлений оказывается, что все инерциальные системы отсчета, за исключением тех, которые покоятся относительно системы отсчета , надо забраковать. Такой вывод о исключительном месте Земли (система ) был бы чересчур самонадеянным. Скорее, мы на Земле не занимаем столь привилегированного положения. Но где же тогда находится та исключительная инерциальная система отсчета, в которой верны законы электромагнетизма? Такую гипотетическую исключительную систему отсчета назвали в свое время абсолютной системой. Если покоящаяся относительно Земли система отсчета  не абсолютна, то спрашивается: с какой скоростью и в каком направлении она движется относительно абсолютной системы отсчета. Вообще для любого тела величину и направление его скорости, регистрируемые из абсолютной системы отсчета, в то время называли абсолютной скоростью этого тела. Для жителей Земли было, конечно, очень интересно узнать, какова абсолютная скорость нашей планеты.

Какая же инерциальная система может претендовать на роль абсолютной? В свое время была популярна следующая модель такой системы. Представим себе Вселенную, в целом невообразимо огромное скопление вещества, включающее все звезды и туманности. Вне этого гигантского объединения вещество вообще должно отсутствовать, значит, на него не действуют внешние силы. Обозначим центр тяжести такой Вселенной и свяжем с ним инерциальную систему отсчета (центр G). Вспомним, что по теории эфира Вселенная полностью погружена в огромное «эфирное море». Обычно идею эфира связывают с именем голландского физика Х. Гюйгенса (1629 - 1695 г.г.). Но в действительности о веществе, которое получило название эфир, впервые заговорил английский физик Р. Гук (1635 - 1703 г.г.), современник И. Ньютона. Стимулом для разработки теории эфира послужили исследования природы света. Были выдвинуты две противоборствующие концепции: корпускулярная теория, по которой свет представляет собой поток мельчайших частиц, несущихся с огромной скоростью, и волновая теория, утверждающая, что свет - некие волны. И. Ньютон считал более верной корпускулярную теорию, а Р. Гук - волновую. Для корпускулярной теории тяжелым ударом явилось открытие в 1665 году явления дифракции. А волновая теория в то же время не могла объяснить прямолинейного распространения света в вакууме. Гук предположил, что световые волны являются колебаниями некоторого вещества, которое Гюйгенс впоследствии и назвал эфиром. Значит, центр тяжести Вселенной G неподвижен относительно этого эфира, и при наблюдении из системы отсчета  скорость света независимо от его направления равна . Иначе говоря, при наблюдении из  справедливы уравнения Максвелла, то есть система  абсолютна. Следовательно, абсолютная скорость Земли не что иное, как ее скорость относительно эфира.

Было известно, что для определения скорости Земли относительно эфира надо измерять зависимость величины скорости света на Земле от направления его распространения. В конце 19 века было выполнено много экспериментов, основанных на этих соображениях. Первая экспериментальная установка была построена и испытана А. Майкельсоном в Берлине. Затем опыты были перенесены в Америку и выполнялись при участии близкого друга и сотрудника Майкельсона Г. Морли. Учеными был создан зеркальный интерферометр, который мог зарегистрировать даже самый слабый «эфирный ветер». Опыты Майкельсона-Морли и на сегодняшний день можно считать одними из самых знаменитых и выдающихся в истории физики. По словам самого Эйнштейна, они имели огромное значение для рождения теории относительности.

Во всех опытах использовалась -образная установка . На биссектрисе прямого угла располагалось полупрозрачное зеркало: половину попадавшего на него света зеркало пропускало, а половину - отражало. Оба плеча установки имели одинаковую длину, на концах плеч располагались зеркала, полностью отражавшие весь падающий на них свет. Предположим, что Земля движется сквозь покоящееся эфирное море со скоростью  параллельно одному из плеч установки (см. рис.). Испущенный источником свет сначала разделяется на два пучка, а затем эти пучки вновь соединяются в интерферометре. Получается, что оба пучка должны попасть в интерферометр в разное время. Рассмотрим причину этого различия.