Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская

Загадка фотоэффекта не могла уйти со сцены нерешенной — чувствовалось, что за ней стоят фундаментальные тайны строения вещества и природы электромагнитного излучения. Но для ее решения потребовался гений Эйнштейн. Об этом мы будем говорить подробно в следующей главе.

Систематические исследования свойств электромагнитных волн привели Герца к открытию скин-эффекта, явления, существование которого было предсказано Хевисайдом и Пойнтингом. Суть этого явления состоит в том, что переменный электрический ток распространяется не по всей толще проводника, а оттесняется в его поверхностные слои. При этом толщина слоя, в котором распространяется переменный ток, тем меньше, чем выше частота тока. Это затрудняло наблюдение скин-слоя для обычного электрического тока, применяемого в промышленности и для освещения.

Для тех высоких частот, с которыми работал Герц, толщина скин-слоя очень мала, и ее нужно учитывать при определении сопротивления проводника. Сопротивление зависит не от полного сечения проводника, а от сечения тонкого приповерхностного «скин-слоя». Это обстоятельство определило термин скин-эффект и скин-слой. Скин — по-английски — кожа. Высококачественный ток течет не по всему сечению проводника, а лишь по его «коже».

В 1889 году Герц получил от университета в Бонне приглашение возглавить кафедру, которую до того занимал Р. Клаузиус, известный своими работами в области термодинамики и кинетической теории газов. Это было почетное приглашение. Герц принял его, исходя из двух соображений. Он считал, что внес достаточный вклад в исследование электромагнитных волн и искал для себя новых интересных задач. Вторым соображением был низкий в то время уровень преподавания в университете Карлсруэ, где он не мог найти способных учеников. В этом отношении университет Бонна открывал лучшие перспективы.

Прибыв в Бонн, Герц возобновил свои теоретические исследования в области электромагнетизма, а в апреле 1891 года, когда его ассистентом стал Ф. Ленард, Герц снова начал, вместе с ним, исследовать свойства электрических разрядов в газах. Оба направления развивались быстро и успешно.

Вместе с Ленардом Герц открыл, что катодные лучи способны проникать через тонкие слои металла. Это исследование лежит за пределами нашей темы. Заметим лишь, что в 1905 году после смерти Герца, Ленард получил Нобелевскую премию за «… работу в области катодных лучей».

Ленард внес заметный вклад в науку, но его человеческие качества принесли ему геростратову славу. Он пытался присвоить честь открытия рентгеновских лучей. Злобно выступал против теории относительности. Став активным членом Гитлеровской национал-социалистической партии травил Эйнштейна и других выдающихся неарийских ученых.

Но возвратимся к более интересной теме.

Герц снова глубоко проанализировал Максвеллову электромагнитную теорию. Он еще раз подчеркнул, что она полностью изгнала возможность дальнодействия из всего многообразия электрических и магнитных явлений. Он, по-видимому, первым указал на то, что развитие науки непременно приведет к отказу от дальнодействия и в явлениях гравитации.

В 1890 году Герц опубликовал итоги своих исследований в области электродинамики. Их главный итог — преобразование уравнений Максвелла в компактную векторную форму. Она придала теории Максвелла не хватавшую ей наглядность.

С тех пор физики приняли теорию Максвелла в качестве орудия исследования природы. Электродинамика Максвелла предстала перед ними в качестве мощного завершенного фундамента науки, не уступающего по значению механике Ньютона.

Теория Максвелла в ее оригинальной форме и в более компактной векторной записи имела одно ограничение, казавшееся большинству физиков несущественным. Ее уравнения применимы только к материальным телам, неподвижным относительно эфира. В свою очередь в эфире существуют электрические и магнитные поля и распространяются электромагнитные волны.

Фарадей считал, что электрические и магнитные поля следует представлять себе в виде электрических или магнитных силовых линий натяжения эфира. При перемещениях электрических зарядов или изменениях силы и конфигурации магнитных полей соответствующие силовые линии перемещаются в эфире. Силовые линии могут возникать и исчезать вместе с электрическими и магнитными полями.

Эта картина возникла перед умственным взором Фарадея, когда он обдумывал и воспроизводил опыты Кулона и Ампера, опыт Эрстеда и проводил свои опыты с электромагнитной индукцией.

Фарадей считал, что если во время опыта заряженные тела или магниты перемещаются в пространстве, вслед за ними движутся и силовые линии.

Уравнения Максвелла связывают изменения в пространстве одних электрических и магнитных величин с изменениями во времени других. Особенно четко это видно из уравнений Максвелла, преобразованных Хевисайдом и Герцем в более компактную форму. Например, первое уравнение связывает изменение в пространстве электрического поля с изменением во времени магнитного поля. Соответственно второе уравнение связывает пространственное изменение магнитного поля с изменением во времени электрического поля и тока смещения.

Правда, второе уравнение показывает, что изменение магнитного поля в пространстве зависит и от силы и пространственного распределения электрического тока. Отсутствие аналогичного члена в первом уравнении следует из того, что в природе не существуют магнитные токи и однополюсные магниты (магнитные полюсы всегда существуют попарно: северный и южный).

Обдумывая эти свойства теории Максвелла и особенности уравнений, описывающих содержание теории, Герц поставил перед собой вопрос: как нужно видоизменить или пополнить теорию и ее уравнения для того, чтобы они могли описать электромагнитные процессы в движущихся телах?

Академик Л. И. Мандельштам в своих лекциях говорил: «При этом надо было помнить, с одной стороны, об оптических вопросах, а с другой — о том, что вся электротехника основана на движении одних тел относительно других (динамомашины, моторы)».

Герц исходил из того, что теория, охватывающая электрические и магнитные явления, происходящие в движущихся телах, не должна противоречить механике Ньютона. Это значит, что ее следует строить так, чтобы она удовлетворяла принципу относительности. (Речь идет о принципе относительности Галилея, единственном принципе относительности, известном в то время.)

С другой стороны, теория, справедливая для тел, движущихся произвольно, и ее уравнения должны, при уменьшении скорости движения до нуля, переходить в теорию и уравнения Максвелла.

Герц избрал самый простой путь. Он временно отказался от рассмотрения оптических явлений. Вероятно, он интуитивно чувствовал, что при околосветовых скоростях возникают осложнения. Может быть, он проводил прикидочные оценки. Он не писал об этом.

Для того, чтобы уравнения Максвелла сохраняли свой вид и в движущихся телах, Герц предположил, что эфир, находящийся внутри тела, полностью увлекается им. Иными словами, эфир, находящийся внутри материального тела, перемещается вместе с ним.

Если не сделать этого предположения, то возникает неприемлемая, с точки зрения Герца, ситуация: невозможно одновременно удовлетворить принципу относительности Галилея и осуществить переход к уравнениям Максвелла для покоящихся тел.

Уравнения, написанные Герцем с учетом полного увлечения эфира, удовлетворяют не только принципу относительности Галилея, но сохраняют свой вид при любом ускорении и вращении тела.

Казалось, что поставленная цель достигнута. Но Герц обнаружил, что при попытках применения полученных им