Среди физиков электромагнитная теория Фарадея – Максвелла не сразу завоевала признание. Отдельные выдающиеся исследователи, подобно Гельмгольцу и Больцману, признавали ее значение и выступали в ее защиту, но даже такой проницательный мыслитель-физик, как Густав Кирхгоф, до конца своей жизни – он умер в 1887 году – твердо придерживался старых представлений об электрической жидкости и в своих лекциях затрагивал теорию Максвелла лишь мимоходом.
Анри Пуанкаре (1854-1912г.) одним из первых разобрался в многосложном изложении Максвелла. Его правильная и стройная интерпретация идей английского ученого помогла рассеять невразумительную путаницу у комментаторов этой теории. В своих лекциях Пуанкаре проводит глубокий анализ различных попыток теоретического обобщения экспериментально установленных законов электричества и магнетизма. Он подробно разбирает электродинамику Ампера и постепенно подводит слушателей к выводу о преимуществах уравнений Максвелла, наиболее полно охватывающих электромагнитные процессы и предсказывающие неизвестные ещё физике явления.
Выводы теории получают экспериментальное подтверждение в 1887 г., когда Генрих Герц (1857-1894) экспериментально получил электромагнитные волны. С 1887 г. Герц начинает ставить свои опыты. Прежде всего, он находит способ генерирования самых высокочастотных в то время колебаний, используя открытый колебательный контур (вибратор Герца). Обладая малой емкостью и индуктивностью, вибратор действительно позволял получать колебания высокой частоты, возникающие при проскакивании искр в разрядном промежутке диполя. Рядом с этим генератором находился незамкнутый виток. Герц обнаружил, что в момент разряда в генераторе происходит проскакивание искры между незамкнутыми концами витка, расположенного генератора. Это были первые в мире передатчик и приемник.
Рис.17. Первый радиатор Герца. Герц использовал два метровых провода, связанных с индукционной катушкой
Далее Герц заметил, что влияние генератора на приемник особенно сильно в случае резонанса (частота колебаний генератора совпадает с собственной частотой) Продолжая исследования, Герц при удалении резонатора от вибратора обнаружил, что в большом помещении с увеличением расстояния размер искр не убывает монотонно, а периодически меняется. Он объяснил это тем, что происходит интерференция прямой волны. Этот опыт наиболее убедительно доказывал, что электромагнитные волны, предсказанные Максвеллом, действительно существуют. Герц ставит опыты с целью проверки тождества световых и электромагнитных волн.
Почти сразу он обнаруживает ''тень''- непрозрачность металлических листов для ''электрических лучей'', но не наблюдает огибания. Значит, диэлектрики ''прозрачны'' для волн. Но они должны вызывать преломление. И Герц обнаруживает явление преломления волн в асфальтовой призме весом более чем в тонну, причем отклонение соответствует тому, которое должно быть по Максвеллу. Последующие опыты показали существование отражения волн, а затем и и поляризацию. Герц ставит между генераторм и приемником решетку из параллельных проволок, от ориентации которой меняется интенсивность искры в приемнике. Зная период колебаний вибратора и измерив длину волны, Герц вычислил скорость распространения электромагнитных волн; она оказывается равной скорости света.
Все это было изложено в работе «О лучах электрической силы», вышедшей в декабре 1888 года. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения теории Максвелла. В 1889 г., выступая на съезде немецких естествоиспытателей, Герц говорил: ''Все эти опыты очень просты в принципе, тем не менее, они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла. Насколько маловероятным казалось ранее её воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение''. Если Максвелл преобразовал представления Фарадея в математические образы, то Герц превратил эти образы в видимые и слышимые электромагнитные волны. Но даже после опытов Герца учение английского физика не получило широкого распространения.
Главная причина его невосприятия - необычность предложенных идей. В общепринятом понимании тогда понимании теория Максвелла только описывала электромагнитные явления на строгом математическом языке, но не давала их объяснения. Объяснить - значило, по мнению физиков того времени, построить механическую модель явления. Механика представлялась незыблемым фундаментом всех разделов физики. Поэтому большинство учёных считало, что для завершения электромагнитной теории необходимо ещё открыть механическую интерпретацию уравнений Максвелла. В плену этого предвзятого представления находились все физики. Не избежал этого и Максвелл. В первых своих работах по электромагнетизму он основное внШмание отводил именно механическим моделям. Подчёркивая непривлекательность одного из предложенных объяснений, Пуанкаре писал: ''Можно подумать, что читаешь описание завода с целой системой зубчатых колёс, рычагами, передающими движение и сгибающимися от усилия, центробежными регуляторами и передаточными ремням''. Однако позднее Максвелл меняет свою точку зрения, он выражает желание ''просто направить внимание читателя на механические явления, которые помогут ему в понимании электрических явлений. Все подобные фразы в настоящей статье должны пониматься как иллюстративные, а не объяснительные''.
Нарушение соответствия между механикой и электродинамикой стало причиной глубокого кризиса физики. Кризис физической теории, вызванный проблемой объяснения установленных на опыте свойств света, усугубился неожиданно последовавшими как из рога изобилия величайшими открытиями совершенно новых и удивительных явлений.
Начиная с 1895 года, когда Рентген открыл проникающие лучи, буквально каждый следующий год приносил ошеломляющиее открытие:
- 1896 год - открытие явления радиоактивности,
- 1897 год - открытие электрона,
- 1898 год - открытие радия и полония,
- 1899 год - открытие сложного свойства радиоактивного излучения.
Пуанкаре пристально следил за крутой ломкой, происходящей в физике конца XIX века. В это время голландский физик Г. А. Лоренц считает, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. В ней свойства тел характеризуются различными коэффициентами: диэлектрической и магнитной проницаемостью, проводимостью. ''Мы не можем удовлетвориться простым введением для каждого вещества этих коэффициентов, значения которых должны определяться из опыта; мы будем принуждены обратиться к какой-нибудь гипотезе относительно механизма, лежащего в основе этих явлений. Эта необходимость привела к представлению об электронах, т. е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах'', - писал Лоренц.
Все эти вставшие перед физикой проблемы настоятельно требовали выработки новых физических понятий и представлений и создания на их основе теоретического обобщения всей совокупности недавно полученных экспериментальных данных.
В 1895 г. в работе ''Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах'' Лоренц даёт систематическое изложение электронной теории, опирающейся, с одной стороны, на теорию Максвелла, а с другой - на представление об атомарности электричества.
В начале 90-х годов XIX в. Г. Лоренц на основе своей электронной теории и гипотезы о неподвижном эфире выводит уравнения электромагнитного поля для движущихся сред. И делает очень важный вывод: никакие оптические и электромагнитные опыты, проведенные в равномерно и прямолинейно движущейся системе отсчёта, не в состоянии обнаружить этого движения.
Таким образом, Лоренц сформулировал принцип относительности для электромагнитных процессов. В 1904 г., называя принцип относительности в числе основных принципов физики.
Развивая электродинамику и стремясь объяснить опыты, Лоренц и Пуанкаре опирались на концепцию эфира. Подойдя к принципу относительности, они не смогли поставить вопрос о постоянстве и, особенно о предельном значении скорости света. Это и было сделано А. Эйнштейном (1879-1955).
Основополагающая работа Эйнштейна по теории относительности называлась ''К электродинамике движущихся сред''. Она поступила в редакцию журнала ''Анналы физики'' 30 июня 1905 г. Работа состояла из двух частей. В первой из них были изложены основы новой теории пространства и времени, во второй - применение этой теории к электродинамике движущихся сред. В основу своей теории Эйнштейн кладёт два постулата:
1. Принцип относительности - в любых инерциальных системах все физические процессы - механические, оптические, электрические и другие - протекают одинаково.
2. Принцип постоянства скорости света - скорость света в вакууме не зависит от движения источника и приемника, она одинакова во всех направлениях, во всех инерциальных системах и равна 3 108 м/с.
На статью Эйнштейна обратил внимание редактор журнала ''Анналы физики'', профессор Макс Планк. Работа Эйнштейна вызвала у него интерес возможностью провести ''такое грандиозное упрощение всех проблем электродинамики движущихся тел, что вопрос о допустимости принципа относительности должен ставиться в первую очередь в любой теоретической работе, посвященной этой области''. Вместе с тем, не найдя в работе Эйнштейна того обобщения уравнений механики, которое требовалось новым принципам относительности, он сам приступил к решению этой задачи. Свои результаты Планк доложил 23 марта 1906 г. на заседании Немецкого общества. Отметив, что ''принцип относительности, предложенный недавно Лоренцом и в более общей формулировке Эйнштейном'', требует пересмотров законов механики, он привёл вывод новых уравнений движения. Эта работа завершала создание релятивистской механики.
В 1907 г. Эйнштейн закладывает первые основы общей теории относительности. Из общей теории относительности был получен ряд важных выводов:
1.Свойства пространства - времени зависят от движущейся материи.
2. Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения.
3. Частота света в результате действия поля тяготения должна изменяться.
Общая теория относительности - ОТО - дала качественный скачок в развитии электродинамики, предложив уравнения Максвелла в гравитационных полях.
Некоторые соотношения релятивистской электродинамики мало исследованы, в результате чего проблемные вопросы физики пытаются объяснить, строя новую электродинамику, вводя новые физические поля - торсионные, монополь - магнитную частицу, имеющую один магнитный полюс, и т.д.
Максвелл вывел свои уравнения математически, исследуя модель магнитного поля в виде магнитных силовых линий, представляющих собой вихри, подобные смерчу, в эфире. Однако магнитное поле может представлять собой и другие, более или менее сложные движения, воздействующие на магнитную стрелку. Среда такого рода, наполненная молекулярными вихрями с параллельными осями, отличается от обычной жидкости тем, что она имеет различные давления в различных направлениях. Если бы она не сдерживалась надлежащим противодавлением, то она стремилась бы растянуться в экваторном направлении. "Среда, имеющая такого рода структуру, может быть способна к другим видам движения и смещения, чем те, которые обслуживают явления света и тепла; некоторые из них могут быть таковы, что они воспринимаются нашими чувствами при посредстве тех явлений, которые они производят". Современная физика обходится без эфира, заменив его физическим вакуумом, в котором постоянно возникают и исчезают электрон-позитронные и фотонные пары, появляются различного вида напряженности и моменты, обладающие энергией, передаются поперечные колебания - электромагнитные волны и т. д. Эйнштейн пишет: "Мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, т.е. континиума, наделенного физическими свойствами, ибо общая теория относительности исключает непосредственное дальнодействие; каждая же теория близкодействия предполагает наличие непрерывных полей, а, следовательно, существование эфира".
Математический формализм уравнений электродинамики не позволяет увидеть и предсказать ранее не известные явления без наличия модели. Моделью магнитного поля должна быть модель, подобная модели Максвелла, математическое исследование которой привело к созданию электродинамики.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему