Какой волной является свет

Эксперимент Юнга убедительно показал всем сомневающимся, что свет действительно имеет волновую природу. Но оставался: вопрос: что это за волна? Какой природы эта волна? Максвелл, [63], который первым осознал родство между электромагнетизмом и светом, дал ответ на этот вопрос.

Картина электромагнитной волны, которую предложил Maксвелл, показана на рис.7-12. Она опирается на два факта, обнаруженных Фарадеем[64]:
1)- при изменении электрического поля возникает магнитное поле, и 2) –возникшее магнитное поле, перпендикулярно электрическому. Связь между электрическим и магнитным полями является взаимной: изменяющееся магнитное поле тоже создает перпендикулярное себе электрическое поле.

Даже не задаваясь вопросом, как такая специфическая комбинация полей может возникнуть, ясно, что картина, показанная на рис. 7-12, нескончаема. Действительно, изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, которое, так как оно тоже изменяется, создает электрическое поле. Процесс продолжается сколь угодно долго и, в результате, электромагнитная волна перемещается в направлении, перпендикулярном направлению обоих полей.

Вернемся теперь к вопросу— как возникает та специфическая комбинация полей, что изображена на рис. 7-11. Это вполне очевидно из законов электричества и магнетизма. Предположим, что электрический заряд совершает некоторое регулярное, повторяющееся, движение. Это может быть и движением по кругу, и простыми, “назад — вперед“, колебаниями заряда вблизи положения равновесия. В любом случае вокруг заряда возникает и электрическое и магнитное поле, поскольку заряд находится в движении. Оба поля постоянно изменяются, потому что постоянно изменяется положение заряда в пространстве, а напряженность поля (“ сила поля ”) зависит от расстояния. Таким образом, любой объект, который испускает свет, должен содержать очень быстро колеблющиеся электрические заряды, так как частоты световых волн лежат в диапазоне 10¹⁴ Гц, то есть 100 триллионов колебаний в секунду!

Любой объект, колеблющийся столь быстро, неизбежно должен быть микроминиатюрным, так что безнадежной задачей является заметить эти колебания непосредственно. Но Максвелл совершенно справедливо заметил, что и более медленные колебания электрических зарядов также должны создавать электромагнитные волны, интенсивность которых будет достаточна, для того, чтобы обнаружить их с помощью электроизмерительных приборов. В электрических проводах можно привести в колебательное движение на частотах в несколько тысяч герц, сопоставимых с частотой звуковых волн, большое количество зарядов и попытаться обнаружить созданные этим движением зарядов электромагнитные волны. В 1887г., через двадцать лет после того, как Максвелл опубликовал свою теорию, немецкий физик Генрих Герц сделал это!

Герц создавал мощные электрические колебания в электрической цепи (контуре). В другом контуре, находящемся в той же лаборатории на расстоянии нескольких метров, и не имеющем никаких источников электричества возникали электрические колебания той же самой частоты. Частоты колебаний легко могли быть измерены; а несложные интерференционные эксперименты позволили определить длину волны. Вычисленная по формуле (7.1) скорость распространения электромагнитных волн совпала со скоростью света! После экспериментов Герца мало кто мог сомневаться, в том, что Максвелл был прав. “Волны Герца“[65], стали в XX веке основой современных радио- и теле- коммуникаций.

Вскоре после работ Герца было обнаружено рентгеновское излучение ^[66]. Было доказано, что это тоже электромагнитные волны, но с частотами, приблизительно в тысячу раз бó льшими, чем у видимого света. Позже было открыто и γ – излучение, испускаемое радиоактивными веществами. Снова оказалось, что это тоже электромагнитные волны, но с ещё бó льшими (еще в тысячу раз!) частотами.

В современной технике и технологии используются электромагнитные волны практически всех частот. Максвелловская теория электромагнетизма является, пожалуй, самым поразительным примером того, как " чистая" научная теория приводит к практическим результатам, на которые, исследователи, возможно, так бы никогда и не наткнулись. в своих случайных поисках.

Глава 8. Начала Теории Относительности или же
“Какова длина движущегося поезда? ”

“Но в физике я скоро научился чувствовать те пути, которые вели к глубинам, и игнорировать все остальное, то есть те многие вещи, которые загромождают ум, и отклоняют его от основного. Толчком к этому было понимание того, что кто-то обязательно должен обобщить накопленный экспериментальный материал и довести его понимание до сознания других, вне зависимости от того нравится им это или нет“.

- Альберт Эйнштейн.

Биографии всех известных физиков обычно содержат фразу: " его выдающиеся способности стали очевидными на самих ранних стадиях обучения". Однако от этого клише необходимо освободить Альберта Эйнштейна − одного из тех немногих физиков двадцатого столетия, чьё имя известно практически всем.

На современном газетном языке подросток Эйнштейн мог бы быть охарактеризован как недисциплинированный и неорганизованный старшеклассник из семьи среднего класса.

А. Эйнштейн родился в 1879 г. в Баварии (Германия) в семье мелкого промышленника − предпринимателя. Когда он, так и не получив аттестат, покинул местную гимназию, его строгие учителя вздохнули с облегчением, поскольку рассеянный мальчик с мечтательными глазами был, по их мнению, " явно необучаем".

Через год бесцельных и безбедных странствий по Северной Италии Эйнштейн узнал, что бизнес его отца лопнул. Настала пора приобретать профессию и самостоятельно зарабатывать на жизнь. Из двух своих очевидных талантов − математика и игра на скрипке − Эйнштейн выбрал математику, как более надежный источник средств существования. Он сдавал вступительные экзамены в самый знаменитый в то время европейский технический университет[67] − в Швейцарскую Федеральную Политехническую Школу (ETH, если использовать немецкую аббревиатуру названия университета.)

Из-за слабых знаний латинского и древнегреческого языков[68], Эйнштейн провалил экзамены в ETH. Однако существовал способ обойти это препятствие: по правилам тех лет выпускники швейцарских средних школ зачислялись в ETH без экзаменов. Так в биографии Эйнштейна появилась школа в швейцарском городке Ароу (Aarau). Школа имела репутацию передовой, ей руководили ученики и последователи Генриха Песталоцци − реформатора педагогической науки. В школе культивировалась идея “свободного духа образования“, сдерживаемого лишь рамками преподаваемых школьных дисциплин. Особую роль в обучении последователи Песталоцци отводили визуальным образам и развитию визуального воображения ученика. Школа в Ароу оказалась во всех отношениях удачной точкой на маршруте Эйнштейна в ETH. Уже юного Эйнштейна отличало развитое визуальное воображение. Позже, уже в свои зрелые годы, Эйнштейн неоднократно утверждал, что все его лучшие идеи всегда прибывали к нему в виде визуальных образов, а математическое или словесное изложение идей появлялось лишь спустя несколько месяцев или даже лет.

Его соученики по Швейцарской Федеральной Политехнической Школе (ETH), описывают Эйнштейна как очаровательного и остроумного, но вместе с тем индифферентного[69] студента, который посещал кафе в Цюрихе регулярно, а лекции в университете− иногда. Он жадно читал, но его читательский аппетит редко распространялся на книги, рекомендованные учебной программой. Его друзья были убеждены, что их очаровательный товарищ обязательно ярко проявит себя в какой-то области, но никто и подумать не мог, что этой областью будет физика, − предельно структурированный и упорядоченный (как казалось в конце XIX века) раздел естествознания. Друзья помогали Эйнштейну преодолевать тяготы и проблемы учебного процесса и, вместе с несколькими симпатизирующими ему профессорами ETH, очень радовались, когда он в 1900 г. получил, наконец, диплом о высшем образовании. По некоторым дисциплинам оценки Эйнштейна были рекордно высокими, однако по другим были “ниже плинтуса”.

Примерно год после окончания ETH Эйнштейн зарабатывал себе на жизнь случайными заработками репетитора. Затем усилия его близкого друга, Марцеля Гроссманна, позволили Эйнштейну занять синекуру [70] − место в патентном агентстве в столице Швейцарии (г. Берн). Находясь в этой надежной бюрократической нише, Эйнштейн мог бы просто наблюдать со стороны развитие физики XX века, однако он не наблюдал, а творил современную физику. За первые восемь лет XX века − самые важные годы в истории современной физики − Эйнштейн создал основы теории относительности, (одно это без, всяких сомнений, ставит его в один ряд с Ньютоном и Галилеем), и сделал и ряд важных шагов в развитии квантовой теории и теории твердого тела. В это же время он также предложил математически обоснованную теорию броуновского движения (нерегулярного движения микроскопических частиц под действием бомбардировки окружающими их атомами), которая является прямым подтверждение существования атомов и молекул.

Все эти эпохальные работы, относящиеся к разным областям физики, были опубликованы в научных журналах за очень короткий промежуток времени − за феерические для Эйнштейна 11 месяцев 1905 г[71]. Несмотря на неизвестность имени автора европейскому научному сообществу, ценность его работ была немедленно признана научной общественностью. После преодоления неизбежных формальностей, связанных с присуждением ученой степени доктора наук, тридцатилетний Эйнштейн с 1909 до 1914 последовательно занимал должности профессора в университетах Цюриха и Праги. Накануне Первой мировой войны он занял пост профессора в Берлинском Университете, где специально для него были созданы особые, “тепличные“ условия работы, освобождающие его от выполнения каких-либо служебных обязанностей. Эйнштейн рассматривал эту предоставленную ему честь (стать профессором в 30 лет) со смешанными эмоциями. Служба в патентном бюро предоставила ему несколько драгоценных лет свободы от того давления, которое обычно ощущает на себе любой молодой ученый в любой стране. Принцип “публикуйся или пропадай” уже в начале XX века был законом в большинстве европейских университетов. Позже Эйнштейн писал:

“Профессия ученого ставит молодого человека в весьма затруднительное положение: от него требуют весьма внушительного количества научных публикаций, и у него появляется искушение создавать неглубокие, но многочисленные работы. Только сильные личности способны противостоять этому искушению. В большинстве же других профессий молодой человек со средними способностями быстро достигает того, что от него ожидают. Его ежедневное существование не зависит ни от каких озарений. Если у него есть свои научные интересы, то он может погружаться в свои любимые проблемы в дополнение к выполнению своей рутинной работы. Такой человек не угнетен опасением, что все его усилия не приведут ни к каким результатам. Я благодарен Марцелю Гроссману, что находился несколько лет в таком замечательном положении.”

Наиболее эффектным результатом патронажа М. Гроссмана было то, что, 25-летний Эйнштейн разработал теорию относительности, которая удивила и продолжает удивлять даже самых верных ее сторонников своей эксцентричностью и причудливостью.

С помощью своего дерзкого и парадоксального постулата [72] о постоянстве скорости света Эйнштейн объяснил результаты экспериментов Майкельсона - Морли по измерению скорости света (с) и последовательно настаивал на том, что, кажущаяся парадоксальностьэтого постулата может быть объяснена только при полном пересмотре концепций пространства (расстояния) и времени − тех понятий, которые на протяжении всей истории развития классической физики считались самоочевидными(то есть не требующими определений и разъяснений). [73]