Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики - Пенроуз Роджер

Электромагнитная теория Максвелла

В ньютоновской картине мира мы представляем, что крохотные частицы влияют друг на друга с помощью сил, действующих на расстоянии, причем если частицы не совсем точечные, то они способны отскакивать друг от друга в результате прямого физического контакта. Как уже упоминалось раньше (Глава 5. «Механистический мир динамики Ньютона»), электрические и магнитные силы (которые были известны еще с античных времен и впервые подробно изучены Уильямом Гильбертом в 1600 году и Бенджамином Франклином в 1752 году) действуют аналогично гравитационным силам, поскольку также обратно пропорциональны квадрату расстояния — хотя обе представляют собой скорее силы отталкивания, чем притяжения, действуя в соответствии с принципом «подобное отталкивает подобное»; а вместо массы мерой интенсивности их воздействия служит электрический заряд и сила магнитного полюса, соответственно. На этом уровне не существует никаких трудностей, которые препятствовали бы включению электричества и магнетизма в ньютоновскую схему. Поведение света может быть сравнительно легко описано в общем виде с позиций ньютоновской механики (хотя определенные проблемы при этом все же возникают): либо путем рассмотрения света как субстанции, состоящей из отдельных частиц («фотонов», как теперь их принято называть); либо с помощью представления его в виде волнового процесса, распространяющегося в некоторой среде (в последнем случае эту среду — «эфир» — следует считать состоящей из отдельных частиц).

То, что движущиеся электрические заряды могут создавать магнитные силы, вызывает некоторые дополнительные затруднения, но не разрушает целиком всю ньютонианскую схему. Многие математики и физики (в том числе Гаусс) предлагали системы уравнений для описания эффектов, создаваемых движущимися электрическими зарядами. В рамках общей ньютонианской схемы эти уравнения казались вполне удовлетворительными. Первым, кто бросил серьезный вызов «ньютонианской» картине мира, был, по-видимому, великий английский физик-экспериментатор Майкл Фарадей (1791–1867).

Чтобы понять суть этого вызова, необходимо прежде всего разобраться в смысле термина физическое поле. Начнем с магнитного поля. Большинству читателей случалось наблюдать за поведением железных опилок, рассыпанных на листке бумаги, который положили поверх магнита. Железные опилки поразительным образом выстраиваются вдоль так называемых «магнитных силовых линий». Представим себе, что силовые линии присутствуют в пространстве, даже если нет железных опилок. Эти силовые линии и образуют то, что мы называем магнитным полем. В каждой точке пространства это «поле» ориентировано в определенном направлении, а именно — в направлении силовой линии, проходящей через данную точку. В действительности, мы имеем в каждой точке пространства вектор, т. е. магнитное поле является примером векторного поля. (Мы можем сравнить магнитное поле с гамильтоновым векторным полем, которое было рассмотрено нами в предыдущем разделе, но теперь мы имеем векторное поле в обычном, а не фазовом пространстве.) Точно так же и тела, несущие электрический заряд, оказываются окруженными полем, только несколько иного рода, которое известно под названием электрического поля; а любое массивное тело создает вокруг себя так называемое гравитационное поле. Все это — векторные поля в обычном пространстве.

Подобные идеи были известны задолго до Фарадея, и в ньютоновской механике они составляли весьма заметную часть арсенала теоретиков. Но согласно господствовавшей тогда точке зрения, такие «поля» не рассматривались как реальная физическая субстанция. Их скорее считали своего рода страницами вспомогательной «бухгалтерской книги», в различных точках которых надлежало размещать подходящие частицы. Но фундаментальные явления, наблюдаемые Фарадеем (во время опытов с движущимися витками с током, магнитами и т. п.), привели его к убеждению, что электрическое и магнитное поля совершенно «материальны» с физической точки зрения — и к открытию у переменных полей способности «проталкивать» друг друга через пустое пространство, порождая своего рода бестелесную волну! Фарадей высказал предположение, что' свет может состоять из таких волн. Подобная точка зрения существенно отличалась от господствовавшей в то время «ньютонианской мудрости», которая не считала электромагнитные поля чем-то «реальным», а рассматривала их всего лишь как удобные вспомогательные математические понятия для описания «настоящей» ньютоновской картины «физической реальности» — «действия на расстоянии (дальнодействия) точечных частиц».

Столкнувшись с обнаруженными Фарадеем экспериментальными фактами, а также с более ранними открытиями замечательного французского физика Андре Мари Ампера (1775–1836) и других исследователей, великий шотландский физик и математик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) задумался над математической формой уравнений, описывающих электрические и магнитные поля с учетом обнаруженных экспериментальных фактов. В результате поразительного интуитивного озарения Максвелл предложил внести в уравнения незначительную на первый взгляд поправку, что привело к поистине фундаментальным последствиям. Эта поправка в принципе не могла быть подсказана ему никакими из известных экспериментальных фактов (хотя и находилась в согласии с ними). Выводы Максвелла были результатом собственных теоретический постулатов Максвелла — отчасти физических, отчасти математических, а где-то — даже эстетических. Одно из следствий уравнений Максвелла говорило о том, что электрическое и магнитное поля действительно «проталкивают» друг друга сквозь пустое пространство. Осциллирующее магнитное поле должно было бы порождать осциллирующее электрическое поле (о чем свидетельствовали экспериментальные факты, полученные Фарадеем); а это осциллирующее электрическое поле, в свою очередь, должно создавать осциллирующее магнитное поле (в согласии с теоретическими выводами Максвелла); последнее снова порождает осциллирующее электрическое поле и т. д. (См. рис. 6.26, 6.27 гл. 6, где схематически изображен этот волновой процесс.)

Максвеллу удалось вычислить скорость, с которой этот процесс должен был бы распространяться в пространстве, и она в результате оказалась равной скорости света! Кроме того, эти так называемые электромагнитные волны интерферировали и обладали удивительной способностью поляризоваться, как и свет (последнее свойство на тот момент было уже давно известно, а мы еще вернемся к нему в главе 6). Помимо объяснения свойств видимого света, для которого длины электромагнитных волн должны были бы лежать в диапазоне 4–7 х 10-7 м, Максвелл предсказал существование электромагнитных волн других длин, порождаемых электрическими токами в проводниках. Существование таких волн было экспериментально установлено замечательным немецким физиком Генрихом Герцем в 1888 году. Вдохновенная надежда Фарадея воплотилась в чудесные уравнения Максвелла!

Хотя нам совсем не обязательно вдаваться в подробности уравнений Максвелла, давайте все же окинем их быстрым взглядом:

Здесь Е, В и j — векторные поля, описывающие, соответственно, электрическое поле, магнитное поле и электрический ток; ρ — плотность электрического заряда, а с — постоянная — скорость света[115]. Не стоит огорчаться, если вам не известен смысл обозначений «rot» и «div». Они просто означают различные пространственные вариации полей В и Е. (Обозначения «rot» и «div» представляют собой определенные комбинации частных производных по пространственным координатам. Напомним, что операции взятия «частной производной», обозначаемой символом ∂, мы коснулись в связи с уравнениями Гамильтона.) Операторы ∂ /∂t, стоящие в левых частях двух первых уравнений, по существу означают то же самое, что «точки» в уравнениях Гамильтона (различие в обозначениях вызвано чисто техническими причинами). Таким образом, ∂E /∂t означает «скорость изменения во времени электрического поля», a ∂B /∂t означает «скорость изменения во времени магнитного поля».