Электромагнитная теория света

Электромагнитная теория света
Рассматривая электромагнитное поле в начале своей “Динамической теории” , Максвелл подчеркнул, что пространство, окружающее тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии, “может наполнено любым родом материи” или из него может быть удалена “вся плотная материя” , “как это имеет место в трубках Гейсслера или в других, так называемых вакуумных трубках” . “Однако, - продолжает Максвелл, - всегда имеется достаточное количество материи для того, чтобы воспринимать и передавать волновые движения света материи для того, чтобы воспринимать и передавать волновые движения света и тепла. И так как передача излучений не слишком сильно изменяется, если так называемый вакуум заменить прозрачными телами с заметной плотностью, то мы вынуждены допустить, что эти волновые движения относятся к эфирной субстанции, а не к плотной материи, присутствие которой только в какой-то мере изменяет движение эфира” .
Максвелл полагает поэтому, что эфир обладает способностью “проникающей среды, обладающей малой, но реальной плотностью, обладающей способностью быть приводимой в движение и передавать движения от одной части к другой с большой, но не бесконечной скоростью” , причем “движение одной части каким-то образом зависит от движения остальных частей и в то же самое время эти связи должны быть способны к определенному роду упругого смещения, поскольку сообщение движения не является мгновенным, а требует времени” . Таким образом, Максвелл настойчиво ищет в своих эфирах черты, сходные с обыкновенным веществом. В этом он видит “рациональное объяснение” его свойств. НО вместе с тем Максвелл далек от построений каких-либо конкретных моделей эфира, которые пытались измышлять его предшественники и современники. Максвелл, подобно Фарадею, нигде не настаивает на наглядности всех свойств эфира. Эфир, по представлениям Максвелла, хотя и имеет некоторое сходство с обыкновенным веществом, но в то же время это все же субстанция особого рода, которую нельзя описать в обычных терминах или наглядно представить.
Максвелл напоминает об открытом Фарадеем (1845) явлении магнитного вращения плоскости света в прозрачных диамагнитных средах и обнаруженном Верде (1856) вращении плоскости поляризации обратного направления и в парамагнитных средах. Он ссылается также на В. Томсона, указавшего, что для объяснения магнитного вращения плоскости поляризации необходимо допустить появление в самой среде вращательного движения под влиянием магнитного поля. “Вращение плоскости поляризации вследствие магнитного воздействия, -пишет Максвелл, -наблюдается только в средах, обладающих заметной плотностью” , в вакууме вращение плоскости поляризации как известно, не наблюдается. “Но свойства магнитного поля, -продолжает Максвелл, -не так уже сильно изменяются при замене одной среды другою или вакуумом, чтобы позволить нам допустить, что плотная среда дает нечто большее, чем простое изменение движения эфира. Мы поэтому имеем законное основание поставить вопрос: не происходит ли движение эфирной среды везде, где бы ни наблюдались магнитные эффекты?” .
Шаг за шагом приближается Максвелл в VI части своего доклада, носящей необычное заглавие “Электромагнитная теория света” . Прошло уже четырнадцать лет с тех пор, как Фарадей отметил, что передачу магнитной силы можно считать функцией эфира, ибо вряд ли можно считать вероятным, что эфир, если он существует, нужен только для того, чтобы передавать излучение” . Однако ни открытие магнитооптических явлений, ни эта глубокая мысль Фарадея не привлекали к себе внимание физиков. Фарадея почитали только как искусного экспериментатора, а теоретические воззрения этого “самоучки” молчаливо отрицались подавляющим большинством ученых, мысль которых продолжалась вращаться в привычном круге понятий. Максвелл был первым физиком, внимательно вчитывавшимся в труды Фарадея. И вот в “Динамической теории электромагнитного поля” (1864) он впервые развил его мысль.
В начале этого доклада, -говорил Максвелл, - мы пользовались оптической гипотенузой упругой среды, через которую распространяются колебания света, чтобы показать, что мы имеем серьезные основания искать в этой же среде причину других явлений в той же мере, как и причину световых явлений. Мы рассмотрели электромагнитные явления, пытаясь их объяснить свойствами поля, окружающего наэлектризованные или намагниченные тела. Таким путем мы пришли к определенным уравнениям, выражающим определенные свойства того, что составляет электромагнитное поле, которые выведены только из электромагнитных явлений, достаточными для объяснения распространения света через ту же самую субстанцию” .
Максвелл рассматривает распространение плоской волны через поле со скоростью
V
, причем все электромагнитные величины принимаются функциями выражения
w=lx + my = nz -Vt где,
l, m, n
-направляющие косинусы луча. Оказывается, что, во-первых,
la + mb + ng = 0 где, a
, b, g
-составляющие вектора магнитной силы. Таким образом, направление вектора колеблющейся магнитной силы является перпендикулярным к направлению распространения волны, т.е. волны оказываются поперечными, “и такие волны могут обладать всеми свойствами поляризованного света” . Для скорости распространения волны Максвелл получает (в привычных нам выражениях)
1
V =
Ц e m
Имея в виду, что для воздуха e и m
равны примерно единице, Максвелл получает
V=v.
Согласно электромагнитным опытам Вебера и Кольрауша, -говорит он, -
v
= 310 700 000 метров в секунду является количеством электростатических единиц в одной электромагнитной единице электричества, и это согласно нашему результату должно быть равно скорости света в воздухе или вакууме” . Сопоставив это значение скорости света с данными измерений Физо и Фуко, Максвелл продолжает: “Значение
v
было определено путем измерения электродвижущей силы, при помощи которой заряжается известной емкости, разряжая конденсатор через гальванометр, чтобы измерить количество электричества в нем в электромагнитных единицах. Единственным применением света в этих опытах было использование его для того, чтобы видеть инструменты. Значение
V
, найденное Фуко, было получено путем определения угла, на который поворачивается вращающееся зеркало, пока отраженный им свет прошел туда и обратно вдоль измеренного пути. При этом никак не пользовались электричеством и магнетизмом. Совпадение результатов, по-видимому, показывает, что свет и магнетизм являются проявлением свойств одной и той же субстанции и что свет является электромагнитным возмущением, распространяющимся через посредством поля в соответствии с законами электромагнетизма” .
Анализируя в своем “Трактате” экспериментальные данные Вебера и Кольрауша, Максвелл полагал, что полученное ими численное значение константы
с
несколько завышено, так как “свойство твердых диэлектриков, которое назвали
электрической абсорбацией,
затрудняет точное определение емкости лейденской банки. Приблизительная емкость изменяется в зависимости от времени, которое проходит от момента заряжения и разряда банки до момента измерения потенциала, и, чем больше это время, тем больше величина, получаемая для емкости банки” . Это вполне справедливое замечание Максвелла показывает, что он на основании изучения трудов Фарадея значительно глубже понимал эксперимент, чем Вебер и Кольрауш, оставившие без всякого внимания явление остаточной поляризации диэлектриков, которое неизбежно должно было искажать их численные данные. Впрочем, он не ограничился критикой работы Вебера и Кольрауша, а в 1868 г. сам предпринял экспериментальную проверку числового значения константы
с
.