Класічная электрадынаміка

Электрадынаміка – гэта раздзел фізікі, у якім вывучаюцца ўзаемадзеянні рухомых электрычных зарадаў (узаемадзеянні нерухомых зарадаў даследуюцца ў рамках электрастатыкі). Вяршыняй класічнай электрадынамікі з’яўляецца распрацаваная Д.К.Максвелам тэорыя электрамагнетызму. Яе распрацоўка была падрыхтаваная, аднак, інтэнсіўнымі пошукамі іншых даследчыкаў, якія цікавіліся электрычнымі і магнітнымі з’явамі, а таксама развіццём оптыкі, бо максвелаўская тэорыя разглядае святло як разнавіднасць электрамагнітных хваляў.

Напачатку ХІХ ст. электрычнасць спасцігалася навукоўцамі як таямнічая нябачная вадкасць, і найпрынцыповейшым ім падавалася пытанне пра тое, існуе адна такая вадкасць ці іх дзве [78, c.591-592]. Дадзеная тэорыя, якая сучасным фізікам бачыцца наіўнай, цалкам і поўнасцю адпавядала механістычнай праграме, якая засяроджвала ўвагу даследчыкаў на матэрыяльных утварэннях і простых сілах, з якімі яны дзейнічаюць адно на адно [30, c.78-79]. Пазіцыі механістычнай парадыгмы ў вывучэнні электрычных з’яў умацоўваліся і дакладна вызначанай Ш.Кулонам (1736-1806) залежнасцю[68] сілы ўзаемадзеяння паміж стацыянарнымі зараджанымі целамі ад адлегласці паміж імі: яна ідэнтычная той, што назіраецца пры гравітацыйных узаемадзеяннях[69] [30, c.79].

Ідэнтычная сітуацыя назіралася і ў выпадку магнітных з’яў, пры тлумачэнні якіх таксама ўводзіліся спецыфічныя субстанцыі як носьбіты сіл прыцягнення і адштурхоўвання. Што да гэтых сіл, дык – як даводзяць А.Эйнштэйн і Л.Інфельд – фізічная іх карціна была досыць простай і элегантнай. Гэта дасягалася, аднак, надта дарагім коштам – ускладненнем уяўленняў пра структуру матэрыі, увядзеннем эмпірычна ніяк не абгрунтаваных яе відаў. У дадатак да ўсяго пастуляваныя такім чынам субстанцыі (як і цепларод у тэорыі цеплыні, што дамінавала ў навуцы ў гэты час) былі досыць экзатычнымі: яны мусілі быць бязважкімі, бо вагі не рэгістравалі іх прысутнасці ў адпаведных аб’ектах [30, c.87].

Магутны імпульс новым тэарэтычным пошукам у дадзенай сферы быў нададзены эксперыментальнымі даследаваннямі, якія прынеслі шэраг важных вынікаў. Калі разглядаць іх у кантэксце далейшага развіцця электрадынамікі, дык у першую чаргу сярод іх неабходна вылучыць вынікі, дасягнутыя дацкім фізікам Г.К.Эрстэдам (1777-1851) і французскім – А.М.Амперам (1775-1836). Эрстэд на грунце сваіх філасофскіх перакананняў меркаваў, што паміж электрычнасцю і магнетызмам, якія дагэтуль разглядаліся як самастойныя, незалежныя адна ад адной з’явы, павінна існаваць узаемасувязь [78, c.593]. І філасофскія аргументы не падманулі навукоўца: ён здолеў даказаць эксперыментальна (у 1820 г.) наяўнасць сувязі паміж электрычным токам і магнетызмам, якая выяўляецца ў магнітным дзеянні току. Акрамя таго, як указваюць А.Эйнштэйн і Л.Інфельд, разгледжаны ў кантэксце механістычнай даследчай праграмы дослед Эрстэда выглядаў досыць дзіўна і ствараў для яе пэўныя цяжкасці. У яго выніку высветлілася, што праваднік з токам уздзейнічае на магнітную стрэлку і дадзенае ўздзеянне мусіла быць скіраваным перпендыкулярна да лініі, якая іх злучае. Механіка, аднак, дагэтуль мела справу толькі з сіламі, якія дзейнічаюць уздоўж лініі, што злучае ўзаемадзейныя аб’екты [30, c.92].

Ампер у выніку сваіх эксперыментальных і тэарэтычных даследаванняў удакладніў, развіў і абагульніў даробак Эрстэда. Ён апісаў уздзеянне току на магніт і магніту на ток. Увогуле, навуковец прыйшоў да высновы, што прычынай магнетызму з’яўляецца менавіта рух электрычных зарадаў. Ён выявіў, што электрычныя токі ўступаюць у магнітныя ўзаемадзеянні паміж сабой, і раскрыў іх характар [7, с.165-166] У сувязі з гэтым ён выказаў гіпотэзу, згодна з якой магніт складаецца з малекул, у якіх няспынна цыркулююць электрычныя токі [78, c.593].

Наступны этап у працэсе стварэння класічнай тэорыі электрычнасці і магнетызму звязаны з пошукамі выдатнага англійскага фізіка М.Фарадэя (1791-1867). У сваіх даследаваннях ён зыходзіў з гіпотэзы, паводле якой сувязь згаданых феноменаў з’яўляецца сіметрычнай: калі электрычны ток выяўляе магнітныя эфекты, дык павінна мець месца і адваротнае: магнетызм павінен спараджаць электрычнасць. Як паказалі далейшыя падзеі, гіпотэза была слушнай і плённай. Фарадэй у выніку працяглых і ўпартых эксперыментальных даследаванняў здолеў даказаць, што рухомы магніт сапраўды выклікае ў правадніку, на які ён уздзейнічае, электрычны ток (гэтая з’ява атрымала назву электрамагнітнай індукцыі) [7, с.192]. Дадзенае адкрыццё мела каласальнае практычнае значэнне. Акрамя таго, яно дало магутны штуршок і далейшым тэарэтычным пошукам. У першую чаргу ў сувязі з ім з усёй вастрынёй паўставала пытанне пра тое, як сувязь паміж электрычнасцю і магнетызмам можа здзяйсняцца ў пустой прасторы?

Аналізуючы дадзенае пытанне і шукаючы на яго адказ, Фарадэй у выніку кінуў выклік тэорыі дзеяння на адлегласці, увёўшы ўяўленні пра поле і яго сілавыя лініі (спачатку ў дачыненні да магнітных узаемадзеянняў, а затым і электрычных). Поле разглядалася ім як пэўны стан асяроддзя (прасторы), яно характарызавалася бесперапыннасцю і таму супрацьпастаўлялася карпускулярна ўладкаванай матэрыі. Такім чынам, быў створаны грунт для таго, каб задзейнічаць прынцып блізкадзеяння ў апісанні і тлумачэнні фізічных з’яў.

Неабходна адзначыць, што ідэя поля паўстала не на пустым месцы. Яна мела свае перадумовы ў развіцці оптыкі ў Новы час (у прызнанні эфіру стыхіяй, у якой распаўсюджваецца святло), у гідрадынаміцы і інш. У якасці яе філасофскіх перадумоў могуць разглядацца вучэнні Анаксімена і стоікаў, у якіх першасная роля ў Сусвеце адводзіцца бесперапыннаму пачатку [46, т.2, с.923]. Важнае значэнне ў распрацоўцы ідэі поля як адметнага тыпу фізічнай рэальнасці мела таксама механічная філасофія Бошкавіча, які пашырыў паняцце матэрыі на сілу і паслядоўна прытрымліваўся прынцыпу, паводле якога матэрыя не можа дзейнічаць там, дзе яе няма [34, т.3, с.715]. Ідэі Бошкавіча знайшлі водгук у Англіі і праз настаўніка Фарадэя Х.Дэві моцна паўплывалі на яго [46, т.2, с. 924].

Гісторыкі і тэарэтыкі навукі зрэдчас указваюць на непаслядоўнасць Фарадэя ў прызнанні матэрыяльнага, рэальнага характару сілавых ліній [34, т.3, с.715]. Аднак гэта, хутчэй за ўсё, былі толькі часовыя ваганні. У канчатковым выніку навуковец аддаў перавагу рэалістычнаму падыходу [46, т.2, с. 924]. Ён увогуле выказаў ідэю, што прастора напоўненая сілавымі лініямі і што святло, а таксама цеплыня з’яўляюцца, магчыма, ваганнямі, якія распаўсюджваюцца ўздоўж такіх ліній.

Дадзеная – надзвычай плённая – ідэя патрабавала, аднак, матэматычнай апрацоўкі, якая была бліскуча здзейсненая выдатным шатландскім фізікам Д.К.Максвелам. У выніку навуковец здолеў звесці ў адзіную глабальную тэарэтычную схему апісанне і тлумачэнне электрычных і магнітных з’яў. Згаданая схема выступае як тэорыя адзінага электрамагнітнага поля. Зменлівыя (віхровыя) электрычныя і магнітныя палі разглядаюцца ў ёй у шчыльнай узаемасувязі. Грунтоўныя ўраўненні гэтай тэорыі (у вучэнні пра эпектрамагнетызм ім традыцыйна надаецца статус, ідэнтычны законам Н’ютана ў класічнай механіцы) дазваляюць апісаць зменлівыя палі ў розных пунктах прасторы (пры дадзеным размеркаванні электрычных зарадаў і токаў) [7, с.265]. Максвел прыйшоў таксама да высновы, згодна з якой электрычныя і магнітныя палі змяняюцца такім чынам, што ўзнікаюць электрамагнітныя хвалі. Ён здолеў даказаць, што святло з’яўляецца пэўнай разнавіднасцю такіх хваляў, і выказаў думку, што яны павінны выяўляць эфекты, уласцівыя светлавым хвалям (адлюстраванне, пераламленне і г.д.).

Такім чынам, тэорыя Максвела, як і класічная механіка, мае “сінтэтычны” характар: разнародныя, на першы погляд, феномены спасцігаюцца ў ёй у іх істотнай тоеснасці, так што адрозненні паміж імі набываюць чыста колькасны характар. Адсюль вынікала магчымасць існавання ў свеце выпраменьвання розных відаў хваляў – хваляў, якія маюць самую розную частату (ці даўжыню). Дадзеная выснова (як і прадказанне адносна наяўнасці ў электрамагнітных ваганняў уласцівасцяў светлавых хваляў) была эксперыментальна пацверджаная Г.Герцам (1857-1894).

Неабходна адзначыць, што на Максвела моцна паўплывалі працы лорда Кельвіна, таксама захопленага ідэямі Фарадэя. Лорд Кельвін імкнуўся даказаць, што электрамагнітныя ўзаемадзеянні здзяйсняюцца ў эфіры. Гэта давала магчымасць механістычнай інтэрпрэтацыі электрамагнітнага поля (яго звядзення да механікі дыскрэтна размеркаванага асяроддзя) [46, т.2, с.924]. Дадзеную гіпотэзу прыняў і Максвел. Яна прывяла, аднак, да ўзнікнення ў фізіцы парадоксаў, са спробаў вырашэння якіх напачатку ХХ ст. паўстала спецыяльная тэорыя адноснасці.

Дата добавления: 2014-10-31