Возникновение и развитие теории электромагнитного поля

 Со времени гениальных открытий Фарадея широко продвинулось дело технических приложений электричества. К моменту создания «Трактата по электричеству и магнетизму» Дж. Максвелла получил широкое распространение электромагнитный телеграф, появились линии дальней связи: трансатлантический кабель, связавший Европу и Америку (1866), индоевропейский телеграф, связавший Лондон и Калькутту (1869), линия связи Европы с Южной Америкой (1872).

 Появились и первые генераторы электрического тока, а также электродвигатели. Наступала эпоха электротехники. Электромагнитные процессы все глубже проникали в науку: в физику и химию. Наступала эпоха электромагнитной картины мира, которая должна была сменить механическую.

 Максвелл ясно видел фундаментальное значение электромагнитных законов, осуществив грандиозный синтез оптики и электричества. Именно ему удалось свести оптику к электромагнетизму, создав электромагнитную теорию света и проложив тем самым новые пути не только в теоретической физике, но и в технике, подготовив почву для радиотехники.

Максвел считал поле носителем энергии, которая распространяется по всему объему. Он нашел, что в его упругой среде распространяются поперечные волны со скоростью света. Этот фундаментальный результат привел его к важному выводу: «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли можем отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений».

Таким образом, в начале 60-х годов XIX в. Максвелл уже нашел основы своей теории электричества и магнетизма и сделал важный вывод о том, что свет представляет собой электромагнитное явление.

Электромагнитная картина мира

 В самом начале XX в. возникает новая общая физическая концепция, новые представления о картине мира, в основе которых лежит электромагнитная теория материи. Но, в отличие от предыдущих общих концепций, эта новая физическая концепция не могла не только долго продержаться, в виде основы мироздания, но даже сколько-нибудь широко развиться.

Контрольные вопросы

1.     В чём проблема части и целого?

2.     Что такое структура?

3.     Атомистика и холизм.

4.     Электромагнитные волны.

5.     Электромагнитная картина Мира.

Лекция 6. Микромир

Оптика

В начале XIX в. развернулись интенсивные исследования открытых ранее явлений интерференции, дифракции и поляризации света (О. Френель, Т. Юнг, Э. Малюс и др.). Эти явления не находили объяснения в рамках геометрической оптики, необходимо было рассматривать свет в виде поперечных волн. Так возникла волновая оптика. Первоначально полагали, что световые волны – упругие волны в некоей среде (мировом эфире), которая будто бы заполняет все мировое пространство. В 1864 г. английский физик Джеймс Клерк Максвелл создал электромагнитную теорию света, согласно которой волны света – это электромагнитные волны, попадающие в соответствующий диапазон длин волн.

Исследования, выполненные в начале XX в., показали, что для объяснения некоторых явлений, например, фотоэффекта, необходимо представить световой пучок в виде потока своеобразных частиц – световых квантов, или, иначе говоря, фотонов. Заметим, что еще 200 лет назад И. Ньютон придерживался аналогичной точки зрения на природу света в своей «теории истечения света» (хотя, конечно, ньютоновские корпускулы не имеют ничего общего с фотонами). Теперь представления о световых квантах изучает квантовая оптика.

 Квантовая оптика соответствует наиболее последовательному с физической точки зрения рассмотрению оптических явлений. При определенных условиях (когда фотоны сильно концентрируются в каких-то состояниях) поток фотонов уподобляется световой волне. Волновая оптика оказывается, таким образом, своеобразным предельным случаем квантовой оптики. Если при этом можно пренебречь (по условию рассматриваемой задачи) длиной волны света, как если бы она обратилась в нуль, то волновая оптика «переходит» в геометрическую оптику. Следовательно, геометрическая оптика является своеобразным предельным случаем волновой оптики.

 Удивительно, насколько велика роль оптики в развитии современной физики. Оптические представления и модели используются в электронике и ядерной физике. Существуют электронная оптика и нейтронная оптика; созданы электронный микроскоп и нейтронное зеркало. Разработаны оптические модели атомных ядер.

 Оптика переживает сегодня период бурного развития, которое дало изобретение интенсивных источников когерентного света – лазеров. Появилась возможность использовать когерентные свойства света. Благодаря появлению лазеров стали развиваться – нелинейная оптика, голография, радиооптика, фемтосекундная оптика, адаптивная оптика и др.

 Радиооптика возникла на стыке радиотехники и оптики. Она исследует оптические методы передачи и обработки информации. Эти методы обычно сочетают с традиционными электронными методами. В результате сложилось научно-техническое направление, называемое оптоэлектроникой. Передача световых сигналов по диэлектрическим волокнам составляет предмет волоконной оптики. Используя достижения нелинейной оптики, можно исправлять (корректировать) волновой фронт светового пучка, искажающийся при распространении света в той или иной среде, например в атмосфере или в воде. В результате возникла и интенсивно развивается так называемая адаптивная оптика. К ней тесно примыкает зарождающаяся на наших глазах фотоэнергетика, занимающаяся, в частности, вопросами эффективной передачи световой энергии по лучу света.

Современная лазерная техника позволяет получать световые импульсы длительностью порядка всего лишь фемтосекунды (10^-15 сек.). Такие импульсы оказываются уникальным «инструментом» для исследования целого ряда быстропротекающих процессов в веществе, и, в частности, в биологических структурах (например, для исследования процессов фотосинтеза). Возникла и развивается пикосекундная оптика; к ней тесно примыкает фотобиология. Можно без преувеличения сказать, что широкое практическое использование достижений современной оптики – обязательное условие научно-технического прогресса.