Эйнштейновская теория относительности - Борн М.
Скачать (прямая ссылка):
Фиг. 99. Электромагнитное поле, окружающее искровой разряд между двумя шарами.
Поле распространяется со скоростью света с во всех направлениях.
только в плоскости чертежа, перпендикулярной к плоскости между шарами. Каждая следующая петля силовых линий слабее своего ближайшего предшественника, так как она лежит дальше от центра и имеет более длинный периметр. Соответственно внутренняя часть петли электрической силовой линии не полностью уравновешивает внешнюю часть предшествующей ей петли, особенно ввиду того, что она вступает в действие чуть-чуть позднее.
Если прослеживать процесс вдоль прямой, перпендикулярной к линии, соединяющей центры шаров, скажем вдоль оси х, то можно видеть, что электрические и магнитные силы везде перпендикулярны этой оси; более того, они перпендикулярны и друг другу. Это верно для любого направления распространения. Таким образом, электромагнитная волна строго поперечна. Более того, она поляризована, но мы все еще вправе выбирать, что принимать за определяющий фактор колебания — электрическую или магнитную напряженность поля, 184 Г л. V. Фундаментальные законы электродинамики
Провести здесь доказательство того, что скорость распространения строго равна входящей в формулу постоянной с, выше наших возможностей, однако само по себе это вероятно, ибо мы знаем, что с имеет размерность скорости. Далее, ввиду того, что, по Веберу и Кольраушу, значение с равно величине скорости света с, Максвелл смог заключить, что световые волны представляют собой не что иное, как электромагнитные волны.
Один из выводов Максвелла был вскоре в известной мере подтвержден экспериментально: он вычислил скорость света Ci для случая изолятора (а = 0) в отсутствие свободных зарядов (р = 0). Уравнения Максвелла (62в, г) показывают, что при этом получаются уравнения, почти точно совпадающие с (64), но с другими значениями с. В уравнении (64а) с следует заменить на с/в, а в уравнении (646) — на с/р,. Те же соображения, которые привели нас к уравнению (65), показывают, что теперь квадрат скорости электромагнитных волн C21 должен быть равен произведению с/в на с/р, т.е. с2 = с2/вц. Множество материалов не намагничивается в заметной степени, поэтому мы можем положить н = 1; это означает, что скорость света в изоляторе с диэлектрической постоянной в дается как с, = с/ ]/е. Отсюда для показателя преломления следует величина п = Cjcl = ]/е.
Таким образом, должно быть возможно определить свойства преломления света по диэлектрической постоянной, полученной из чисто электрических измерений. Для некоторых газов, например для водорода, двуокиси углерода, воздуха, —это действительно верно, как показал Л. Больцман. Для других веществ максвелловское соотношение я=|/е неточно, однако во всех этих случаях показатель преломления не постоянен, а зависит от цвета (частоты) светового луча. Это свидетельствует о том, что дисперсия света вносит эффект возмущения. Мы вернемся к этому факту позднее и рассмотрим его с точки зрения электронной теории. Во всяком случае, ясно, что чем медленнее колебания, или чем длиннее волны светового луча, тем более близко определенное статическими методами значение диэлектрической постоянной совпадает с квадратом показателя преломления. Волны бесконечного периода колебаний, разумеется, идентичны стационарному состоянию. Исследования в области длинных волн (длины волн порядка сантиметра) полностью подтвердили формулу Максвелла.
Объясняя «более геометрические» законы оптики — отражение, преломление, двойное преломление, поляризацию световых ,волн в кристаллах и т. д., — электромагнитная теория света разрешает все затруднения, которые были совершенно непреодолимыми для теорий упругого эфира. Для последних самым большим препятствием было существование продольных волн, кото- $ tO. Электромагнитный эфир
185
рые вытекали каждый раз, когда рассматривалось прохождение света через границу двух сред, и которые можно было исключить, лишь принимая совершенно невероятные гипотезы относительно строения эфира. Электромагнитные волны всегда строго поперечны. Таким образом, эта трудность исчезает. Максвел-ловская теория формально почти идентична теории эфира, построенной Мак-Кэллагом, как мы уже упоминали (гл. IV, § 6, стр. 117); не повторяя вычислений, мы можем оставить в силе большинство его выводов.
Мы не можем здесь углубляться более в дальнейшее развитие электродинамики. Связь между светом и электромагнетизмом становилась все более тесной. Непрерывно открывались новые явления, свидетельствующие о том, что электрические и магнитные поля оказывают влияние на свет. Все согласовывалось с законами Максвелла, уверенность в правильности которых продолжала расти.
Но самое поразительное доказательство единства оптики и электродинамики дал Генрих Герц (1888 г.), показав, что скорость распространения электромагнитных сил конечна, и практически создав электромагнитные волны. Он вызывал искровые разряды в промежутке между двумя заряженными шарами и с помощью этих разрядов генерировал волны, подобные изображенным на нашей диаграмме (фиг. 99). Когда эти волны падали на круговой проволочный виток, имевший маленький разрыв, они создавали в проволоке токи, о появлении которых свидетельствовали искры, проскакавшие через разрыв. Герц успешно произвел отражение этих волн и их интерференцию. Это позволило ему измерить длины волн. Он знал частоту колебаний и, таким образом, мог подсчитать скорость распространения волн, которая оказалась равной с — скорости света. Это прямо подтвердило гипотезу Максвелла. В наши дни волны Герца, излучаемые радиостанциями, без устали путешествуют по всей Земле, воздавая дань памяти двум великим ученым — Максвеллу и Герцу, один из которых предсказал существование электромагнитных волн, а второй практически осуществил их.
