Электромагнитная картина мира
Эта модель природы возникла в конце XIX в. Идеи, которые легли в её основу, начали формироваться в физике задолго до её утверждения. В то время ещё господствовал механистический способ мышления. Но он уже не был в состоянии объяснить новые эмпирические факты, полученные в различных «не механических» областях исследования.
Наверное, не случайно первооткрыватели закона сохранения энергии, позволившего объединить многие, разрозненные на первый взгляд факты из области физики, химии, биологии, космологии, являются не физиками, а специалистами других областей знания или человеческой деятельности: врач Роберт Майер, владелец пивоваренного завода Джеймс Джоуль, врач-физиолог Герман Гельмгольц.
Закон сохранения энергии сыграл большую роль в открытиях, связанных с электрическими и магнитными явлениями. «Беря на себя задачу отыскать законы электричества, мы видим, что не обладаем никаким другим доступным вспомогательным средством исследования, кроме как единственно и исключительно принципом сохранения энергии», — говорил Макс Планк.
Первые исследования по электричеству и магнетизму начались ещё задолго до открытия закона сохранения и превращения энергии.
Так, в своих исследованиях Фарадей руководствовался идеей превратимости сил природы. «Превратить магнетизм в электричество» — это была его заветная мечта. Когда она овладела Фарадеем? После того, как он узнал об открытиях Эрстеда и Ампера, или гораздо раньше, когда мальчик в залатанной курточке пробирался среди экипажей лондонскими улицами, прижимая к груди пачку аккуратно переплетённых книг и думая о профессоре Деви, публичные лекции которого ему удалось прослушать? Когда большая мечта овладевает достойным, не отступающим перед трудностями человеком, тогда и совершаются открытия, причисляемые к открытиям века. Попробуйте представить себе: каждый день выполнять по нескольку опытов, каждый опыт скрупулёзно описывать и анализировать. И это в течение десяти лет. Вот сколько времени и сил понадобилось, чтобы превратить магнетизм в электричество. Но ни один день не потрачен напрасно. Ни для человечества, ни для себя. С открытием Фарадея в жизнь вошли не только генераторы тока и электромоторы, с ним прежде всего в науку вошло представление об электромагнитном поле как о материальной среде, как о непрерывной материи, заполняющей пространство.
Почему открытие явления электромагнитной индукции привело к изменению взглядов на мир? Мысленно ещё раз повторим опыт по электромагнитной индукции, который вы видели на уроках физики: магнит вдвигается в катушку, в катушке возникает ток. Изменение магнитного поля порождает электрическое поле, которое существует в пространстве, где находится катушка. А если катушку убрать? Электрическое поле не исчезает. Переменное магнитное поле порождает в пространстве изменяющееся электрическое поле и наоборот. Эти поля существуют в пространстве независимо от того, есть ли там электрические заряды и магниты или их нет. До Фарадея никто не говорил о том, что силовое поле — это не результат механических перемещений тел, не формальная схема, которая необходима для объяснения явлений, что оно само по себе является материальной субстанцией.
Дальнейшее развитие представлений о поле связано с Максвеллом. Благодаря его работам (начало XX в.) в науке утвердилась электромагнитная картина мира. Согласно этой картине весь мир заполнен электромагнитным эфиром, пустоты в нём нет. Электрическое, магнитное и электромагнитное поля трактовались как состояния эфира, который был их носителем. Поскольку эфир был средой для распространения света, то его называли ещё «светоносным» эфиром. Как видим, понятие эфира снова появилось в науке, «возродились» представления о непрерывности материи, которые были в картине мира Аристотеля. Но, конечно, это уже совершенно другие представления.Все законы природы сводились к законам электромагнетизма, которые математически выражались уравнениями Максвелла. Вещество представлялось состоящим из электрически заряженных частиц. Ставилась задача «построить модель атома, составленного из определённых сочетаний положительного и отрицательного электричества», — как говорил об этом автор одной из самых «вкусных» моделей атома Дж. Томсон (вы, конечно, догадались, что речь идёт об известной вам модели «пудинг с изюмом»).
К тому времени, когда возникли представления об атомах, состоящих из электронов и протонов, электромагнитная картина мира приобрела почти завершённую форму, ей удалось объединить разрозненные факты путём обращения к единообразной сущности, каковой считалось электромагнитное поле. На основе электромагнитных взаимодействий объясняются не только электрические и магнитные явления, но и оптические, и тепловые, и химические. В 1900 г. В. Вин поставил вопрос об электромагнитном обосновании механики. В науку прочно входит представление о непрерывности материи. Окончательно оно победило, когда А. Майкельсон своими опытами доказал, что светоносного эфира нет, свет — электромагнитное поле — сам является видом материи, для его распространения нет необходимости в какой-либо особой среде — эфире.
Представления об электромагнитном поле были настолько популярными, что А. Эйнштейн, будучи ещё шестнадцатилетним юношей, подолгу размышлял о его свойствах, в частности о том, каким представлялось бы электромагнитное поле для наблюдателя, который «летит» вдогонку за ним со скоростью света, т.е. 300 000 км/с. Впоследствии он рас-сказывал, что никак не мог себе представить, каким бы было электромагнитное поле для такого наблюдателя, и, наверное, из этой невозможности родилась позже уверенность, что «луч света нельзя догнать»: с какой бы скоростью мы ни гнались за ним, он уходит от нас со скоростью 300 000 км/с — скорость света во всех инерциальных системах отсчёта одинакова. Это положение является одним из постулатов специальной теории относительности.
С утверждением в науке теории относительности изменились представления о пространстве и времени, о массе движущихся тел, об их взаимодействии. В механике Ньютона и механической картине мира пространство и время считались «абсолютными», не связанными с материальными объектами и не зависимыми друг от друга. Материальные объекты существовали в пустоте, взаимодействия между ними передавались мгновенно. Действительно, ни в формулу закона всемирного тяготения, ни в формулу закона Кулона время не входит. Вообразим себе опыт, в котором необходимо определить силу взаимодействия зарядов, причём расстояние между ними такое же, как между Землёй и какой-нибудь планетой в туманности Андромеды, т.е. около 2 млн. св. лет. Для этого мы, конечно, применим формулу:
F = k · (|q1| · |q2| / r2)
Теперь передвинем «земной» заряд на некоторое расстояние, т.е. в данной формуле изменим 𝑟 на 𝑟1. Во времена механической картины мира это простое обстоятельство нас не заставило бы задуматься: ведь заряд в туманности Андромеды мгновенно «узнал» бы об этом и стал бы притягивать или отталкивать «земной» заряд с силой:
F1 = k · (|q1| · |q2| / r12)
Согласно представлениям электромагнитной картины мира (да и современной тоже) сила взаимодействия между зарядами станет равной 𝐹1 только через 2 млн. лет, когда электромагнитное поле, вызванное перемещением земного заряда, дойдёт до второго заряда. Только тогда он «узнает», что «следует» изменить силу взаимодействия.
Эйнштейн показал органическую взаимосвязь пространства и времени, относительность пространственных и временных соотношений в материальном мире. По Эйнштейну, распределение материи во Вселенной изменится, если перейти от одного периода времени к другому, от одной области пространства к другой. Пространство и время определяются распределением и движением масс материи. В связи с этим на смену представлениям о бесконечной неизменной Вселенной Ньютона приходят другие представления о Вселенной.
Чтобы легче было понять, какова модель Вселенной по Эйнштейну, обратимся к двумерному «пространству». Представим себе плоское существо — «жука», — живущее на листе бумаги (рис. а). Пусть этот лист способен изгибаться, как резиновый. Если мы бросим на него, например, стальной шарик, то лист под ним прогнётся (рис. б), но «жук» этого не заметит: ведь для него вне листа ничего нет.
Если мы бросим второй шарик, то он скатится в углубление к первому, а «жуку» покажется, что второй шарик притянулся к первому. Эта аналогия поможет нам понять теорию Эйнштейна, согласно которой вблизи всякого инертного тела пространство искривляется. В искривлённом пространстве наименьшим расстоянием между двумя точками является некоторая кривая (её называют геодезической). В таком пространстве свободное движение тела происходит по геодезической кривой. Если представить, что криволинейное движение тел под действием силы тяготения — это свободное движение в искривлённом пространстве, то можно считать, что всякое тело вблизи себя искривляет пространство и это искривление передаётся подобно волне, от точки к точке. Тогда не надо будет говорить о силах тяготения. Но движение под действием этих сил не только криволинейное, ускорение может меняться и по модулю.
Чтобы объяснить тяготение изменением свойств пространства, надо превратить время в одно из измерений пространства. В теории относительности фигурирует четырёхмерное пространство (четвёртой координатой является время), искривление которого позволило Эйнштейну полностью объяснить все явления, связанные с тяготением. Это искривление производят тела. В зависимости от плотности вещества геометрия такого пространства может быть приближённо евклидовой (именно в таком пространстве находилась Вселенная Ньютона), или приближённо геометрией Лобачевского, или приближённо геометрией Римана.
Представления об искривлённом пространстве дали возможность построить модели Вселенной, отличные от модели Ньютона. По одной из моделей мир безграничен, но не бесконечен. Чтобы понять это, вернёмся к аналогии с листом. Если этот лист может прогибаться одинаково в каждой точке, то это может привести к тому, что он свернётся в шар (рис. в), поверхность его замкнута, она не имеет границ, но конечна по размерам.
В 1922 г. советский учёный А. А. Фридман показал, что теория тяготения Эйнштейна позволяет построить ещё две равноправные модели Вселенной.
Одна из них — закрытая модель, подобная поверхности шара, другая модель открытая (рис. г). Согласно теории Фридмана, расстояния между телами во Вселенной, согласующейся с той и другой моделью, должны меняться со временем. Пространство должно либо расширяться, либо сжиматься. Например, если шар надувать, то каждому из сидящих на шаре «жуков» будет казаться, что остальные «жуки» убегают от него (рис. д). Эта наглядная аналогия может помочь понять «разбегание» галактик, которое астрофизики обнаружили по красному смещению спектральных линий.
Как видим, электромагнитная картина мира отличается от механической картины. Но всё же между ними много общего. Так, если в механической картине мира окончательными элементами, моделирующими физическую реальность, были неизменные, не имеющие структуры частицы (их можно назвать материальными точками), движение которых предопределялось начальными условиями и законами механики, то в электромагнитной кар-тине мира роль таких частиц выполняют точечные электрические заряды и электромагнитные характеристики каждой точки эфира, но «поведение» тех и других также предопределено начальными условиями и строгими физическими законами, т.е. в электромагнитной картине мира физические процессы также считаются однозначно детерминированными. Единственное, что противопоставляет эти картины мира, — это представление о материи: в механической картине мира она дискретна, в электромагнитной — непрерывна. Частицы, играющие роль кирпичиков мироздания, взаимодействуют посредством окружающего их электромагнитного поля, имеющего непрерывный характер. Атомы химических элементов уже не неделимые частицы, они обладают внутренней структурой, но они сохраняют своё название атомов и электрически нейтральны. Казалось бы, модель атома Резерфорда прекрасно гармонирует с представлениями электромагнитной картины мира: электроны и ядро держатся в атоме посредством образующегося между ними электрического поля.
Справедлив и сейчас вывод из модели Резерфорда о том, что нельзя говорить, например, что атом водорода состоит из протона и электрона. Можно сказать, что он возникает из них. Действительно, если электрон и протон находятся рядом, то у результирующего электрического поля запас энергии меньше, чем в том случае, когда заряды удалены друг от друга. Масса этих заряженных частиц при образовании из них атома уменьшается (согласно закону взаимосвязи массы и энергии 𝐸 = 𝑚𝑐^2 уменьшению энергии соответствует и уменьшение массы). Так что протон и электрон в атоме отличны от протона и электрона, которые существовали отдельно.
Природа использует необычный, с нашей точки зрения, «клей», чтобы соединить частицы в атоме — она «отбирает» от частиц энергию и эквивалентную ей массу. Но оказалось, что именно модель атома Резерфорда нанесла один из сокрушительных ударов по электромагнитной картине мира.