В первой половине XVIII века американский ученый Б. Франклин сформулировал первую последовательную теорию электрических явлений, установил электрическую природу молнии и изобрел молниеотвод. Во второй половине XVIII века в результате экспериментальных исследований французский физик Ш. Кулон вывел «основной закон электростатики» (закон Кулона), а позднее установил закон взаимодействия полюсов длинных магнитов и ввел понятие магнитного заряда.
Начиная со второй половине XVIII века работы известных ученых Ш. Кулона, Г. Кавендиша, А. Вольты, Г. Ома, Дж. Джоуля и других вывели исследовательские работы по электрическим и магнитным явлениям на высокий уровень. Однако электрические и магнитные явления исследовались ими вне зависимости друг от друга.
Наиболее фундаментальное открытие было сделано в 1820 году датским физиком Х. Эрстедом; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку – явление, свидетельствующее о связи между электрическими и магнитными явлениями. В том же году французский физик А.-М. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов и показал, что свойства постоянных магнитов можно объяснить циркуляцией электрических токов в молекулах намагниченных тел. То есть, согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействию токов, магнитных же зарядов не существует. Именно с открытиями Эрстеда и Ампера обычно связывают рождение электродинамики как науки (4).
Открытие электромагнитных волн. Огромный вклад в развитие электродинамики внес английский ученый, величайший экспериментатор М. Фарадей – творец общего учения об электромагнитных явлениях, в котором все электрические и магнитные процессы рассматриваются с единой точки зрения. Когда Фарадей поднес к медной катушке магнит и вызвал в ней электрический ток, преобразовав таким образом механическую работу в электрическую энергию, наука оказалась в тупике. Этот фундаментальный эксперимент стал основой для теоретических размышлений Фарадея, а позднее – блестящего теоретика Дж. Максвелла, плодом которых стала теория электромагнетизма.
Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (1831), установил законы электролиза, доказал взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков, явления парамагнетизма. Но самое поразительное в том, что Фарадей первым шагнул за пределы физики Ньютона, введя в рассмотрение электрическое и магнитное поля как реальные объекты. Вместо вывода о том, что два противоположных заряда притягиваются точно так же, как две «точки массы» в ньютоновской механике, Фарадей счел более приемлемым утверждать, что каждый заряд создает вокруг себя особое «возбуждение», или «состояние», благодаря которому противоположный заряд, находящийся поблизости, испытывает притяжение. Состояние, способное порождать силу, и было названо полем. Причем поле создается каждым зарядом независимо от присутствия противоположного заряда, способного испытать его воздействие.
При этом Фарадей исходил из концепции близкодействия, отрицая распространенную в то время концепцию дальнодействия, согласно которой тела действуют друг на друга через пустоту.
Близкодействие – представление, согласно которому взаимодействие между удаленными друг от друга телами осуществляется с помощью промежуточных звеньев (или среды), передающих взаимодействие от точки к точке с конечной скоростью. Дальнодействие – представление, согласно которому действие тел друг на друга передается мгновенно через пустоту на сколь угодно большие расстояния (5).
Фарадей ввел также понятие о силовых линиях как механических натяжениях в эфире. Вот где особая упругая среда казалась незаменимой для последовательного преобразования электрических и магнитных полей одно в другое.
Во второй половине XIX века электродинамика получила свое развитие и завершение в трудах Дж. Максвелла. Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений и введя гипотезу о порождении магнитного поля переменным электрическим током, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем, создал теорию электромагнитного поля. Правда, уравнения Максвелла полезны тогда, когда нам необходимо узнать интенсивность электромагнитных полей или величины сил в какой-либо точке, но они не объясняют ни сути электромагнетизма, ни почему так происходит.
Из уравнений Максвелла вытекало важное следствие: существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Вершиной теории Максвелла, получившей название электродинамики, было, пожалуй, осознание того, что свет есть не что иное, как переменное электромагнитное поле высокой частоты, движущееся в пространстве в форме волн. Позднее уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света (6). При этом Максвелл, подобно Фарадею, объяснял результаты своих исследований с механистической точки зрения, считая поле напряженным состоянием эфира – очень легкой среды, заполняющей все пространство, а электромагнитные волны – колебаниями эфира. Это было вполне естественно, так как в волнах обычно видели колебание какой-либо среды: воды, воздуха и т. д. Искусный теоретик электромагнитных волн, Д. Максвелл в своих построениях словно воочию видел возникающие при этом натяжения эфира. Что-то вроде упругих сил, действующих в деформированном растянутом или сжатом куске резины.
После экспериментов немецкого физика Г. Герца (1889), обнаружившего существование электромагнитных волн, теория Максвелла получила решающее подтверждение. Сегодня мы знаем, что и радиоволны, и волны видимого света, и рентгеновские лучи не что иное, как колеблющиеся электромагнитные поля, различающиеся только частотой колебаний, и что свет есть лишь незначительная часть электромагнитного спектра.
Итак, по мнению Фарадея и Максвелла, электромагнитную волну и электромагнитное поле следует понимать как деформацию эфира, сотканного из электрических зарядов.
Открытие электромагнитных волн существенно изменило представление о физической реальности. Ньютон считал, что силы тесно связаны с телами, между которыми они действуют. Теперь же место понятия «сила» заняло более сложное понятие «поле», соотносившееся с определенными явлениями природы и не имевшее соответствия в мире механики.
Желая найти общую основу для всей физики, Эйнштейн решил объединить две самостоятельные теории классической физики – электродинамику и механику. Первый его шаг к этой цели привел к созданию теории относительности.
О теории относительности
В нашей книге «Физика Веры» рассмотрены специальная и общая теории относительности Эйнштейна (2). Однако в связи с тем, что при рассмотрении физики ХХ века невозможно оставить в стороне основные положения теории относительности, кратко напомним их читателям.
В 1905 году молодой Эйнштейн опубликовал ряд работ, которые содержали три радикально новые идеи. Первая полностью отвергала существование эфира; вторая стала основой специальной теории относительности; третья заставила по-новому взглянуть на электромагнитное излучение и легла в основу теории атома – квантовой теории, которая в окончательном виде сформировалась через двадцать лет благодаря совместным усилиям целой группы физиков. Однако теорию относительности практически полностью разработал сам Эйнштейн.
Об эфире. Следует отметить, что во второй половине XIX века эфир был «притчей во языцех». Любые явления природы и любые процессы (физические, химические, биологические) ученые пытались объяснить с помощью эфира, наделяя его необходимыми для этого свойствами. Он должен был обеспечивать действие закона всемирного тяготения, а после открытия электромагнитных полей эфир оказался средой, по которой идут световые волны; на эфир была возложена ответственность за все проявления электромагнитных свойств (2).