Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

Электромагнетизм

Второе важнейшее достижение физики XIX века заключалось в том, что электричество и магнетизм стали считаться базовыми силами природы наряду с уже известной гравитацией. Снова перед нами предстает совместная работа теоретиков и экспериментаторов, в этом случае увенчавшаяся системой уравнений, созданной шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 1865 году. В уравнениях Максвелла объединился ряд принципов, открытых другими учеными:

♦ закон электромагнитной индукции, который открыл опытным путем Майкл Фарадей (1791–1867). Он продемонстрировал, как магнитное поле, изменяющееся во времени, порождает электрическое поле;

♦ закон Ампера, который экспериментально открыл Андре Мари Ампер (1775–1836). Этот закон описывает, как магнитное поле порождается электрическим током. Электрический ток представляет собой просто движущийся заряд;

♦ закон Гаусса — теорема, предложенная Иоганном Карлом Фридрихом Гауссом (1777–1855). Этот закон показывает, как электрическое поле, образованное на замкнутой поверхности, зависит от электрического заряда, находящегося внутри этой поверхности. Заметьте, что если сила электрического взаимодействия вызвана статическим зарядом, а сила магнитного взаимодействия — движущимся зарядом, то с точки зрения принципа относительности Галилея они должны быть равны. Локализация каждого из них зависит от системы отсчета наблюдателя. Это принципиально важный момент, редко упоминающийся в учебниках и на занятиях по физике.

С точки зрения физики поле — это математический объект, имеющий значение в каждой точке пространства. Если это значение может быть выражено одним числом, как в случае плотности или давления жидкостей, газов и твердых тел, то такое поле называется скалярным. Оно может быть выражено также системой чисел. Ньютоновское гравитационное поле, электрическое и магнитное поля — векторные, требующие трех чисел для определения каждой точки в пространстве: одно выражает абсолютное значение величины, а два других — направление распространения поля. Гравитационное поле в общей теории относительности Эйнштейна — это тензорное поле, определяющееся десятью независимыми числами.

Ранее Фарадей и Ампер продемонстрировали, что электричество и магнетизм представляют собой одно и то же явление, объединив тем самым две силы, до того рассматривавшиеся по отдельности. Уравнения Максвелла систематизировали эти новые данные. Теория Максвелла содержит полное описание классического электромагнитного поля. Уравнения Максвелла применимы для любых вариантов распространения электрических зарядов и токов в любой среде. С их помощью можно рассчитать электрическое и магнитное поля в любой точке пространства или материальной среды. Добавив всего одно уравнение, предложенное Хендриком Лоренцем (1853–1928), можно определить силу электрического или магнитного взаимодействия заряженных частиц в любой точке электрического поля и с помощью ньютоновской механики предсказать местоположение и скорость этой частицы в любой момент в будущем (или в прошлом, если уж на то пошло). Вот еще один довод в пользу концепции ньютоновской мировой машины.

Как бы это ни впечатляло, еще более ошеломляющим следствием из уравнений Максвелла стало то, что, согласно основанным на них прогнозам, электромагнитное поле может присутствовать в пустом пространстве в отсутствие каких-либо электрических зарядов и токов. Более того, это поле будет распространяться в пространстве подобно волне, со скоростью, точно равной скорости света в вакууме. Это значение не было заложено в модель, его вывели математическим путем. Так ученые сделали вывод, что свет представляет собой электромагнитное излучение, подтвердив тем самым его волновую природу.

Еще одно следствие теории Максвелла заключалось в том, что границы электромагнитного спектра до неизвестной степени шире его видимой части, которая охватывает излучение с длиной волны от 430 нм (фиолетовый свет) до 700 нм (красный свет) как в коротко-, так и в длинноволновую сторону. Ниже фиолетовой части спектра находится ультрафиолетовое излучение, а выше красной — инфракрасное. Перед ультрафиолетовым излучением расположено рентгеновское, а до него — гамма-излучение. За инфракрасным излучением в спектре располагаются радиоволны. В 1887 году немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) отправил электромагнитный сигнал с длиной волны 8 м, которая в 1 млрд. раз длиннее волн видимого спектра, и определил, что это излучение также движется со скоростью света.

Современная астрономия имеет дело с электромагнитным диапазоном от гамма-лучей с длиной волны всего лишь 10-18 м (мне доводилось участвовать в наблюдении гамма-излучения) до радиоволн с длиной волны несколько километров.

Длина световой волны обычно обозначается греческой буквой λ. Эта величина представляет собой расстояние между двумя соседними гребнями волны. Частота волны f — это скорость, с которой гребни волны проходят через заданную точку. Для световых волн fλ = c, где c — это скорость распространения света в вакууме. Это выражение справедливо для волн вообще, в таком случае с обозначает скорость распространения волны.

Атомы и статистическая механика

XIX век ознаменовался не только развитием термодинамики и электромагнетизма, но и внедрением атомной теории для объяснения свойств вещества, заключенного в объеме. Начиная с работ Джона Дальтона (1766–1844) на заре XIX века, химики разрабатывали атомную теорию строения вещества, вершиной которой стало появление периодической таблицы химических элементов, предложенной российским химиком Дмитрием Менделеевым (1834–1907). Однако у химиков не было эмпирических оснований отождествлять открытые ими атомы с атомами древних греков, положенными, как говорится в главе 2, в основу ньютоновской механики. Единственной общей чертой химических атомов и частиц древних атомистов была их неделимость (греч. atomos). Их назвали элементами, поскольку химики не могли разделить их на более простые составляющие{96}.

Тем временем физики оставались приверженцами своей теории частиц. Австрийский физик Людвиг Больцман (1844–1906) наряду с Максвеллом и американским физиком Джозайей Уиллардом Гиббсом (1839–1903) разработали теорию статистической механики, основанную на представлении о том, что вещество состоит из частиц. Все законы термодинамики основаны на предположении, что макроскопическое тело состоит из огромного количества мельчайших частиц, движущихся преимущественно случайным образом, сталкивающихся друг с другом и со стенками окружающего их сосуда согласно законам ньютоновской механики.

Законы термодинамики, таким образом, считаются производными — не фундаментальными принципами природы, но законами, вытекающими из фундаментальных принципов. В самом деле, любые законы, регулирующие работу системы, состоящей из множества частиц, к примеру из области гидродинамики, физики конденсированного состояния, химии, биологии, нейробиологии и даже общественных наук, могут рассматриваться как производные. Даже гравитацию сейчас предлагают рассматривать скорее как производное явление, нежели как фундаментальную силу (см. главу 15).

В рамках статистической механики не делалось попыток описать движение отдельных частиц. Это было бы невозможно. Вместо этого она предсказывала поведение системы частиц в среднем, используя для этого статистические методы. Таким образом, давление на стенку сосуда отождествлялось со средним значением силы, приложенной на единицу площади частицами, сталкивающимися с этой стенкой за единицу времени. Абсолютная температура (в Кельвинах) была определена как средняя кинетическая энергия частиц в равновесной системе.

Статистическая механика отождествляла химические элементы с физическими частицами-атомами. Химические соединения, состоящие из элементов, определялись как молекулы, которые формируются вследствие соединения атомов.

Несмотря на свой успех, атомная теория строения вещества все же подвергалась нападкам со стороны множества влиятельных химиков и философов, в частности Эрнста Маха. Как упоминалось ранее, Мах был позитивистом и считал, что предметом научного исследования могут быть только объекты, доступные чувственному познанию. Он настаивал на том, что не верит в атомы, поскольку не в состоянии их увидеть. Мах придерживался этой позиции до самой смерти в 1916 году, хотя к этому моменту уже имелись неоспоримые косвенные доказательства существования атомов. В наши дни атомы можно увидеть своими глазами с помощью сканирующего туннельного микроскопа.