Світло як електромагнітна хвиля
У разі постійних струмів або розподілів зарядів, повільно мінливих з часом, висновки з рівнянь Максвелла практично не відрізняються від висновків з тих рівнянь електрики і магнетизму, які існували до введення Максвеллом струму зміщення. Однак якщо струми або заряди змінюються з часом, особливо якщо вони змінюються дуже швидко, як у випадку, наприклад, двох куль, де заряд кидається від кулі до кулі (фіг. 351), рівняння Максвелла припускають рішення, яких раніше не існувало.
Розглянемо магнітне поле, породжене струмом (скажімо, поточним по дроту). Тепер уявімо, що ланцюг розривається. При зменшенні струму магнітне поле, що оточує провід, теж зменшується, а, отже, порушується електричне поле (відповідно до закону Фарадея, змінне магнітне поле збуджує поле електричне). Коли швидкість зміни магнітного поля знижується, електричне поле починає спадати. Відповідно до домак-свелловскімі уявленнями більше нічого не відбувається: електричне і магнітне поля зникають при зверненні струму в нуль, так як вважалося, що змінне електричне поле не виробляє ніякого ефекту.
Однак з теорії Максвелла випливає, що спадає електричне поле збуджує магнітне поле так само, як і спадає магнітне поле збуджує електричне поле, і що ці поля комбінуються таким чином, що при зменшенні одного з них інше виникає трохи далі від джерела, і в результаті весь імпульс переміщується в просторі як ціле. Якщо величина В дорівнює величині Е і ці два вектори взаємно перпендикулярні, то, як випливає з рівнянь Максвелла, імпульс повинен поширюватися в просторі з певною швидкістю.
Цей імпульс має всі властивості, якими ми раніше характеризували хвильовий рух. Якщо у нас є не один, а дуже багато імпульсів, викликаних, наприклад, коливаннями електричних зарядів між двома кулями, то з таким набором імпульсів можна пов'язати певну довжину хвилі, т. Е. Відстань між сусідніми гребенями. Імпульси поширюються від точки до точки так само, як і хвиля. І, що особливо важливо, при цьому виконується головний принцип, а саме принцип суперпозиції, так як електричні та магнітні поля мають адитивними властивостями. Таким чином, рух електричних і магнітних імпульсів характеризується хвильовими властивостями.
Розглянемо знову планетарну систему заряджених частинок (фіг. 352). Відповідно до теорії Максвелла, зарядженачастка (зокрема, електрон), що рухається по круговій орбіті (як і будь-яка частка, що має прискорення), збуджує електромагнітну хвилю. Частота цієї хвилі дорівнює частоті обертання електрона по орбіті. Використовуючи чисельні значення, знаходимо:
τ (час повного обороту по орбіті: період) = 4 * 10 -16 с. (23.1)
Зі співвідношення між частотою і довжиною хвилі маємо
швидкість = λν (23.3)
Припустимо, наприклад, що швидкість поширення хвилі дорівнює 3 * 10 10 см / с. тоді:
λ = 1,2 * 10 -5 см. (23.5)
Це довжина хвилі ультрафіолетового випромінювання, т. Е. Випромінювання з коротшою довжиною хвилі, ніж у фіолетового світла. (Мінімальна довжина хвилі видимого світла близько 4 * 10 -5 см.)
Планетарна система заряджених частинок випромінює електромагнітні хвилі, т. Е. Втрачає енергію (хвилі несуть про собою енергію, так як вони здатні здійснювати роботу над зарядами, що знаходяться далеко від джерела), і тому для її стабільного існування потрібно підкачка додаткової енергії ззовні.
Коли Максвелл зрозумів, що його рівняння допускають таке рішення, він вирахував швидкість, з якою хвиля повинна поширюватися в просторі. Він пише:
«Швидкість поперечних хвильових коливань в нашій гіпотетичному середовищі, обчислена з електромагнітних дослідів Кольрауша і Вебера, настільки точно збігається зі швидкістю світла, обчисленої з оптичних дослідів Фізо, що ми навряд чи можемо відмовитися від виведення, що світло складається з поперечних коливань тієї ж самої середовища , яка є причиною електричних і магнітних явищ ».
І далі, в листі до Вільяма Томсону (лорду Кельвіном):
«Я отримав свої рівняння, живучи в провінції і не підозрюючи про близькість знайденої мною швидкості поширення магнітних ефектів до швидкості світла, тому я думаю, що у мене є всі підстави вважати магнітну і світлоносну середовища як одну і ту ж середу ...».
[Максвеллові було набагато складніше отримати свій знаменитий результат, ніж це може нам здатися. Ми ввели для зручності букву с, що позначає швидкість світла, щоб зв'язати зміни магнітного поля з порушуються їм електричним полем, замінивши досить-таки довільне число 4,18 * 10 -9 с / см величиною 4π / с. Потім ми використовували цю ж величину з для опису зв'язку між магнітним полем і збудливими його струмами, і змінними електричними полями. Відповідно до закону Ампера, виміряна циркуляція магнітного поля повинна бути пропорційною виміряному значенню струму, що протікає через поверхню. Виявилося, наприклад, що:
де число 4,18 * 10 -9 в системі СГС взято з дійсних вимірювань магнітного поля і струму, що протікає через поверхню. Коли Максвелл розглянув ці рівняння разом і знайшов рішення, відповідне поширенню імпульсу електромагнітного випромінювання, він отримав з цих виміряних чисел інше число, яке давало швидкість поширення цього імпульсу. І це число виявилося равнимпрімерноЗ * 10 10см / с.Ночісло 3 * 10 10см / сестьізмереннаявелічінаскоростісвета. Тому Максвелл і ототожнив імпульс випромінювання з самим світлом.] Він писав:
«... ми маємо серйозні підстави зробити висновок, що сам по собі світло (включаючи променисту теплоту і інші випромінювання) є електромагнітним обуренням в формі хвиль, що поширюються через електромагнітне поле згідно із законами електромагнетизму».
Здивування було загальним, але, були і ті, хто сумнівається. Так, в одному з листів до Максвеллові говорилося:
«Збіг між спостерігається швидкістю світла і обчисленої Вами швидкістю поперечних коливань у вашому середовищі виглядає прекрасним результатом. Однак мені здається, що подібні результати не є бажаними, поки ви не переконаєте людей в тому, що кожного разу, коли виникає електричний струм, невеликий ряд частинок протискується між двома рядами обертових коліщаток ».
Після того як світло був ототожнений з електромагнітної хвилею [різні кольори відповідають різним частотам (фіг. 354), або довжинах хвиль випромінювання, причому видиме світло становить лише невелику частину повного спектра електромагнітного випромінювання] і оскільки були відомі взаємодії електричних і магнітних полів з зарядженими частинками (формула Лоренца), вперше виявилося можливим створити теорію взаємодії світла з речовиною (якщо вважати, що середовища складаються із заряджених частинок). Так, наприклад, після виходу робіт Максвелла Лоренц і Фіцджеральд, намагаючись показати схожість між поведінкою електромагнітної хвилі і поведінкою світла при його відображенні і ламанні, розрахували, випадок проходження електромагнітної хвилі через кордон двох середовищ; виявилося, що поведінка цієї хвилі збігається зі спостережуваним поведінкою світла.
Навіть якби Максвеллові і не вдалося ототожнити електромагнітне випромінювання зі світлом, його відкриття все одно мало б величезне значення. Щоб переконатися в цьому, згадаємо, що електричне поле може здійснювати над зарядом роботу. Отже, заряд, що коливається в одній точці простору, породжує електромагнітний імпульс. який здатний поширитися на будь-яку бажану відстань від рухомого заряду і електричне поле якого може зробити там роботу над іншим зарядом.
Чи не забагато води утекло ще з тих пір, як вперше вдалося передати по дротах електричну енергію з тим, щоб здійснювати роботу далеко від генераторів, що виробляють струм. Тепер же Максвелл пропонував передавати на великі відстані без допомоги будь-яких проводів енергію, здатну здійснювати роботу над віддаленими зарядженими тілами. Крім того, за допомогою контрольованих змін такий електромагнітної хвилі можна передавати інформацію, яку неважко розшифрувати в будь-який віддаленій точці. Цей висновок не міг не мати важливих практичних наслідків.